År 2004, två forskare vid University of Manchester genomförde ett bedrägligt enkelt experiment med potentiellt förändrade konsekvenser. Forskarna, Andre Geim och Konstantin Novoselov, lekte med grafit, sakerna i spetsen på din penna. Grafit är gjord av supertunna ark av rent kol staplat ovanpå varandra. Geim och Novoselov ville se om de kunde isolera ett enda ark grafit, ett omöjligt tunt lager kol som bara mäter en atom tjockt.

Så, de tog en rulle med tejp. Ja, samma genomskinliga tejp i plastapplikatorn som du förvarar i skräplådan. Så här beskrev Geim sin teknik, enligt BBC.

Klibbbandsmetoden fungerade! Genom att isolera ett kolskikt i ett lager, Geim och Novoselov krediterades för att ha upptäckt ett helt nytt material som kallas grafen som nu antas vara det starkaste, det lättaste och mest elektriskt ledande ämnet på jorden.

År 2010, Geim och Novoselov delade Nobelpriset i fysik för att ha upptäckt grafen, och forskare runt om i världen började ropa efter sätt att använda detta anmärkningsvärda "supermaterial" för att bygga mer kraftfulla och längre batterier, snabbare mikrochips, flexibla kretsar, implanterbara biosensorer och mer. Ett decennium senare, grafen har ännu inte uppfyllt sina mycket hypade löften, men insiders är övertygade om att vi äntligen kommer att se smartphones, elbilar och sensorer som använder grafenbaserad teknik under de närmaste åren.

Varför är grafen ett supermaterial?

Mäter bara en atom tjock, ett ark grafen kontrollerar alla rutor i ett supermaterial:

• Grafen är 200 gånger starkare än stål i vikt.
• Det är 1, 000 gånger lättare än papper.
• Det är 98 procent transparent.
• Den leder elektricitet bättre än något annat känt material vid rumstemperatur.
• Det kan omvandla ljus vid vilken våglängd som helst till en ström.
• Och, sist men inte minst, grafen är gjord av kol, det fjärde mest förekommande elementet i universum, så det är inte troligt att vi tar slut

Graphene får sina superkrafter från sin struktur. Om du kunde zooma in tillräckligt nära, du skulle se att ett ark grafen ser ut som en atomskala. Individuella kolatomer är arrangerade i ett sexkantigt mönster som liknar kycklingtråd. Varje kolatom i ett ark grafen är kovalent bunden till tre andra kolartiklar, vilket ger materialet dess otroliga styrka.

Varför leder grafen elektricitet så bra? På nytt, på grund av hur dessa kolatomer är bundna. Varje kolatom har fyra elektroner i sitt yttre skal, men bara tre av dessa elektroner delas med dess tre närliggande kolatomer. Den återstående elektronen kallas en pi-elektron och är fri att röra sig i tredimensionellt utrymme, vilket gör att den kan överföra elektriska laddningar över grafenarket med nästan inget motstånd. Faktiskt, grafen är den snabbaste ledaren av elektricitet vid rumstemperatur av något känt ämne.

"Magic Angle"

En ny upptäckt kan lägga till ännu en supermakt till grafens skrytlista. Ett team vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) experimenterade med tvåskiktad grafen-två lager av enatomen grafen staplade ihop-när de snubblade på en ny, nästan magisk egenskap hos grafen. När lagren roteras något ur linje med varandra - en förskjutning på exakt 1,1 grader - blir grafen en superledare. Superledare är den sällsynta klassen av material som leder elektricitet utan absolut motstånd och noll värme.

Upptäckten av grafens "magiska vinkel" skickade chockvågor genom det vetenskapliga samfundet. Även om experimentet utfördes vid extremt låga temperaturer (nära 0 grader Kelvin eller minus 459,67 F), det öppnade möjligheten att genom att kombinera grafen med andra supraledande element, vi är närmare än någonsin rumsledningens supraledning. En sådan prestation skulle radikalt förbättra energieffektiviteten för allt från prylar till bilar till hela elnät.

Hur kan Graphene Transform Technology?

Superledningen är fortfarande decennier bort, men revolutionerande grafenbaserade produkter kommer mycket snabbare till marknaden, säger Andrea Ferrari, professor i nanoteknik och chef för Cambridge Graphene Center.

"År 2024, det kommer att finnas en mängd olika grafenprodukter på marknaden, säger Ferrari, "inklusive batterier, fotonik, nattkamera och mer. "

Konsumenter har väntat med spänning på grafenbaserade batterier i åratal. Litiumjonbatterierna i alla våra prylar är relativt långsamma att ladda, förlorar sin juice snabbt och brinner ut efter ett visst antal cykler. Det beror på att den elektrokemiska processen som driver litiumjonbatterier genererar mycket värme.

Men eftersom grafen är världens mest effektiva elektriska ledare, det producerar mycket mindre värme vid laddning eller urladdning av el. Grafenbaserade batterier lovar fem gånger snabbare laddningshastigheter än litiumjon, tre gånger längre batteritid, och fem gånger så många cykler innan de behöver bytas ut.

Elektronikföretag som Samsung och Huwei utvecklar aktivt grafenbaserade batterier för smartphones och andra prylar, men det tidigaste som kommer ut på marknaden är 2021. När det gäller grafenbatterier i elbilar - vilket dramatiskt kan öka deras körradie - är det fortfarande några år ledigt. En hel industri har byggts på litiumjonteknik och den kommer inte att förändras över en natt.

"Batteriindustrin är mycket konservativ, "säger Jesus de la Fuente, VD för Graphanea, ett företag som tillverkar och säljer ren grafen och grafenbaserade chips till akademiska forskare och FoU-avdelningar. "Det kan ändra batteriets sammansättning några gånger vart femte till tio år, vilket gör det mycket svårt att introducera nya produkter i denna bransch. "

Det finns några grafenbaserade batterier på marknaden, inklusive några trådbundna och trådlösa laddare från ett företag som heter Real Graphene, men det är bara toppen av isberget, säger Ferrari, som också är vetenskaps- och teknikofficer för Graphene Flagship, ett samarbete på 1 miljard euro från Europeiska unionen för att påskynda utvecklingen av grafenteknik. Forskningspartners med Flagship tillverkar redan grafenbatterier som överträffar dagens bästa högenergiceller med 20 procent kapacitet och 15 procent energi. Andra team har byggt grafenbaserade solceller som är 20 procent effektivare för att omvandla solljus till el.

Andra användningsområden för grafen

Medan grafenbatterier kan vara först på marknaden, forskare är upptagna med att utveckla otaliga andra applikationer för detta mirakelmaterial.

Biosensorer är en stor sak. Tänk dig ett otroligt tunt och flexibelt chip som kan injiceras i blodomloppet för att övervaka hälsodata i realtid som insulinnivåer eller blodtryck. Eller ett grafengränssnitt som skickar signaler fram och tillbaka till hjärnan för att upptäcka ett kommande epileptiskt anfall eller till och med förhindra det. Tunn, töjbara sensorer kan också bäras på huden eller vävas in i klädseln.

Fotonik är ett annat fält som redan innehåller grafen. Genom att integrera grafen i ljuskänsliga chips, kameror och andra sensorer kan förbättra känsligheten för även de svagaste ljusvågorna över det synliga och osynliga spektrumet. Det kommer inte bara att förbättra bildkvaliteten på kameror och teleskop, men också medicinska bilder.

Filtrering är ännu en lovande tillämpning av grafen. Enkla vattenreningsfilter byggda med grafenpolymerer kan binda till organiska och oorganiska föroreningar i dricksvatten. Forskare vid Graphen Flagship har också skapat avsaltningsteknik baserad på grafendioder som kan ta bort över 60 procent av saltet från havsvatten för jordbruk och andra användningsområden.

All denna utveckling kommer att ta tid, men Ferrari på Cambridge Graphene Center är övertygad om att grafen kommer att leva upp till sin hype. Faktiskt, han är lika upphetsad över de ännu oupptäckta egenskaperna hos de uppskattade 2, 000 andra enskiktsmaterial som också isoleras, klisterbandsmetod eller annat sätt.

"Vi säger grafen, men vi pratar verkligen om ett stort antal alternativ som undersöks, "säger Ferrari." Det går åt rätt håll. "

Sportutrustningstillverkaren Head var en av de första som hoppade på grafenbandet. Dess Graphene XT tennisracket hävdar att den är 20 procent lättare än racketer med samma svängvikt.