(PhysOrg.com) -- I romanen från 1800-talet, Platt mark, av Edward A. Abbott, invånare i det fiktiva landet existerar bara i två dimensioner. Kvinnor föds som linjesegment, medan män kommer i en rad geometriska former som återspeglar deras rang, från låga likbenta trianglar, till medelklassens torg, till sexsidiga hexagoner, reserverad för adeln.

Begränsningarna för livet på ett platt plan återspeglar satiriskt den stela viktorianska klassstrukturen på Abbotts tid. När berättaren av berättelsen upptäcker en tredje dimension, höjd, han försöker kommunicera detta frigörande koncept till flatlänningar, och hamnar i fängelse.

grafen, en verklig version av Flatland, består av rad på rad av hexagonala ringar av kolatomer som är sammanpassade i ett platt bikakemönster med endast en enda atoms tjocklek.

Denna atomskala gör grafen till en del av nanovärlden, där föremål som är tusen gånger tunnare än ett människohår inte längre följer välbekanta naturlagar som friktion och gravitation.

Precis som berättaren av Flatland höjer sig över sin begränsade tillvaro för att uppleva livet i en annan dimension, objekt på nanoskalan lyder en ny uppsättning regler:kvantmekanikens "läskiga" lagar.

Quantum egenheter

En av de mest spännande kvantmekaniska effekterna i grafen är den höga hastighet med vilken elektroner kan flöda genom det på grund av brist på friktion. Denna så kallade "ballistiska" transport kan leda till en ny generation av supersnabba, supereffektiv elektronik.

Dessutom, för sin storlek, grafen är starkare och mer flexibelt än stål. Den leder värme 10 gånger snabbare än koppar och kan bära 1, 000 gånger densiteten av elektrisk ström som koppartrådar.

Faktiskt, grafens struktur ger det många unika optiska, termisk, mekaniska och elektriska egenskaper, spännande ingenjörer och forskare över hela världen med stora nya möjligheter för alla möjliga tillämpningar.

Odlar grafen

Grafen upptäcktes av forskare från början av 1900-talet som tittade på vanlig grafit med röntgenspektroskopi. Även om de kunde säga att grafiten var sammansatt av en stapel av individuella grafenlager, ingen såg någon användning för dessa ultratunna lager vid den tiden.

På 1990-talet forskare lärde sig hur man gör kolnanorör (CNT), som är små, hoprullade rör av kolatomer arrangerade i samma sexkantiga hönsnätsmönster som grafen.

Det var inte förrän 2004 som forskare mätte de elektroniska egenskaperna hos tunna lager av grafen efter att ha slitit isär flingor av blyerts med hjälp av transparent tejp. Men denna tråkiga metod att skapa grafen skulle aldrig fungera för en kommersiellt gångbar produkt.

Överträffar kisel

Under tiden, Georgia Tech forskare Walter de Heer, Claire Berger (också knuten till CNRS, France) och Phillip First hade arbetat med CNTs. De hoppades kunna använda nanoskaliga rör för att påskynda nästa generation av mikroelektroniska komponenter som skulle överstiga kiselelektronikens kapacitet.

Men även om CNT hade ballistisk elektrontransporthastighet, de var svåra att sätta ihop till integrerade kretsar.

År 2001, de Heer trodde att kanske tvådimensionell grafen också skulle kunna användas som ett elektroniskt material, eftersom det är grunden för kolnanorör. Det året, han lämnade in ett forskningsförslag till National Science Foundation (NSF) om ett bidrag för att studera användningen av grafen i elektronik.

De Heer och hans team kom på idén att odla ett platt lager grafen precis där det skulle användas på ett chip, och i exakt den storlek och form som behövs, så att den kunde förintegreras i en elektrisk anordning. Detta skulle vara mycket enklare än att producera de känsliga CNT, flytta dem till en annan plats, och sedan ansluta dem med en metalltråd till en krets.

Första grafenpatentet

År 2003, Georgia Tech-teamet var först med att lämna in ett patent på en process för att tillverka enkla elektroniska enheter med grafen som producerats epitaxiellt (epitaxiellt betyder att man odlar ett lager av en substans ovanpå ett annat material så att båda materialen har samma strukturella orientering).

Teamets grundläggande metod var att värma en kristallin skiva av kiselkarbid (SiC) till höga temperaturer (större än 1100 C). Vid den temperaturen, kiselatomerna avdunstade från ytan och lämnade bara kolatomer, som ordnade om sig till grafens välbekanta hönsnätsmönster.

Epitaxiell grafen kan odlas ovanpå olika bärande material, beroende på vad den ska användas till. En stor fördel med epitaxiell grafen är att den använder samma typer av kemiska processer som utvecklare redan använder för att göra kiselbaserad elektronik.

"Det är mer än att bara ha grafenmaterialet, " sa de Heer. "Det är faktiskt att ha plattformen och bearbetningsteknikerna som skulle utvecklas parallellt."

Sedan deras första förslag, de Heer och hans team, finansierat av NSF genom Georgia Tech Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC), har tagit emot andra patent och publicerat dussintals forskningsartiklar om epitaxiell grafen för elektronik. 2010, de Heer tilldelades MRS-medaljen från Materials Research Society för sina banbrytande bidrag till vetenskapen och tekniken för epitaxiell grafen.

Grafen gör den starkare

Grafens överlägsna elektroniska egenskaper är inte dess enda starka sida. Nikhil Koratkar, professor i mekanisk, flyg- och kärnteknik vid Rensselaer Polytechnic Institute, använder ark av grafen för att stärka keramiska kompositer för tuffa miljöer som yttre rymden.

"Jag är mycket intresserad av att utveckla praktiska tillämpningar av nanomaterial, som grafen och kolnanorör, ", sa Koratkar. "Nanokompositer är en sådan applikation som kan ha stor inverkan."
Koratkar arbetar med Erica L. Corral, biträdande professor vid University of Arizonas avdelning för materialvetenskap och teknik, och en specialist på keramiska kompositer.

Innan Koratkar och Corral slog sig samman, grafen hade använts i polymerkompositer men aldrig i keramik för att förbättra dess mekaniska styrka. Keramik är bland de mest högtemperaturbeständiga materialen i världen, men de tenderar att vara väldigt spröda.

Förebygga sprickor

I sökandet efter något att lägga till keramiska kompositer som skulle förhindra sprickbildning, forskarna valde grafen för dess mekaniska styrka, yta och geometri. "Grafen visar anmärkningsvärd styvhet och styrka, " sa Koratkar. "Och även om den bara är nanometer tjock, det kommer i ark som är tillräckligt stora för att linda och förankra sig säkert runt keramiska korn under sintringsprocessen som används för att tillverka keramik."

Resultaten av Koratkars och Corrals forskning var uppmuntrande. "Vi har visat att grafen kan härda kiselnitridkeramik med mer än 200 procent, ", sade han. "Anledningen till denna hårdgöring är att de tvådimensionella grafenplåtarna kan avleda utbredningssprickor i inte bara två utan i tre dimensioner."

Koratkar och Corral, stöds av bidrag från NSF, kommer att fortsätta att utforska användningen av grafen i andra typer av keramik och studera kompositens prestanda med högre andel grafen.

"Framtiden för grafen i keramik borde resultera i ett nytt område av materialforskning och kompositsystem som är mycket mer avancerat än de endimensionella förstärkningssystem vi har använt hittills, sa Corral.

Plotta grafenindustrin

Med så mycket grafenforskning som pågår i en mängd industrier, det är svårt att hålla koll. Men Jan Youtie, en samhällsvetare och forskningsassistent vid Georgia Techs Enterprise Innovation Institute, tillsammans med sin kollega Philip Shapira, professor vid Georgia Tech's School of Public Policy och University of Manchester, gör just det.

Forskarna använder en process som kallas "real-time technology assessment" (RTTA) för att förstå det sociala, moralisk, politisk och ekonomisk dynamik i nanoteknikindustrin, inklusive grafen. Att göra detta, de samlar alla patentansökningar och alla vetenskapliga dokument som täcker grafen i en databas.

"Graphene har upplevt en brant bana när det gäller forskningsresultat och upptäckter, " Sa Youtie. "Den här banan är ännu tidigare och brantare än vi har sett med avseende på annan nanoteknik."

Youtie och Shapiras forskning finansieras av NSF genom Center for Nanotechnology in Society vid Arizona State University (CNS-ASU), som förenar forskningsprogram över flera universitet. De har upptäckt att Atlanta, där Georgia Tech ligger, är en av de ledande noderna för grafenforskning i världen, baserat på totalt antal publikationer.

Global grafen

"Det finns nästan 200 företag, inklusive stora multinationella företag och små nystartade företag som har blivit involverade i grafendomänen, Youtie sa. "Detta betyder att nya ansökningar övervägs medan forskningen fortfarande pågår."

Bara under det senaste året, Youtie har registrerat patent med grafen i ett alkoholbränslebatteri, Bakelite™ pulverfyllmedel, organiska enkristalltransistorer, kontrollerade läkemedelsfrisättningssystem, färgsensibiliserade solceller, färgning av avloppsvatten, tunnfilmskompositer/ledande kompositer/polymerkompositer/plast-träkompositer, vattenbeständig fiberskiva, metalliskt skum, batteri katod material, utskrift och ett protonbytesmembranbränslebatteri.

"Det finns globalt deltagande i grafenforskning och kommersialisering, och de främsta företagen är stora företag från Korea och Japan, med amerikanska företag närvarande men inte lika vanliga, ", sa Youtie. "Internationaliseringen på det här området speglar överskridandet av nanoteknik i allmänhet över nationella gränser."