Idag är grafen materialvetenskapens rockstjärna, men den har en akilleshäl:Den är exceptionellt känslig för sin elektriska miljö.

Denna enatomtjocka bikaka av kolatomer är lättare än aluminium, starkare än stål och leder värme och elektricitet bättre än koppar. Som ett resultat, forskare runt om i världen försöker göra det till bättre datorskärmar, solpaneler, pekskärmar, integrerade kretsar och biomedicinska sensorer, bland andra möjliga tillämpningar. Dock, det har visat sig extremt svårt att på ett tillförlitligt sätt skapa grafenbaserade enheter som lever upp till sin elektriska potential när de arbetar i rumstemperatur och tryck.

Nu, skriver i numret av tidskriften den 13 mars Naturkommunikation , ett team av Vanderbilt-fysiker rapporterar att de har spikat fast källan till störningen som hämmar det snabba flödet av elektroner genom grafenbaserade enheter och hittat ett sätt att undertrycka det. Detta gjorde det möjligt för dem att uppnå rekordnivåer av elektronrörlighet i rumstemperatur - måttet på hastigheten som elektroner färdas genom ett material - tre gånger högre än de som rapporterats i tidigare grafenbaserade enheter.

Enligt experterna, grafen kan ha den högsta elektronrörligheten av något känt material. I praktiken, dock, de uppmätta nivåerna av rörlighet, medan det är betydligt högre än i andra material som kisel, har legat avsevärt under sin potential.

"Problemet är att, när du gör grafen, du får inte bara grafen. Du får också mycket annat, sa Kirill Bolotin, biträdande professor i fysik, som genomförde studien med Research Associate A.K.M. Newaz. "Grafen är utomordentligt känsligt för yttre påverkan så de elektriska fälten som skapas av laddade föroreningar på dess yta sprider elektronerna som färdas genom grafenarken, får grafenbaserade transistorer att fungera långsammare och värmas upp mer."

Ett antal forskare hade föreslagit att de laddade föroreningarna som är allestädes närvarande på ytan av grafen var de främsta bovarna, men det var inte helt säkert. Också, flera andra teorier hade framförts för att förklara fenomenet.

"Vår studie visar utan tvekan att den laddade skiten är problemet och, om du vill göra bättre grafenenheter, det är fienden du behöver bekämpa, sa Bolotin.

På samma gång, experimentet hittade inte bevis som stöder en av de alternativa teorierna, att krusningar i grafenarken var en betydande källa till elektronspridning

För att få grepp om mobilitetsproblemet, Bolotins team suspenderade ark av grafen i en serie olika vätskor och mätte materialets elektriska transportegenskaper. De fann att grafens elektronrörlighet ökas dramatiskt när grafen är nedsänkt i elektriskt neutrala vätskor som kan absorbera stora mängder elektrisk energi (har stora dielektriska konstanter). De uppnådde rekordnivån rörlighet på 60, 000 med anisol, en färglös vätska med en behaglig, aromatisk lukt används främst inom parfymeri.

"Dessa vätskor undertrycker de elektriska fälten från föroreningarna, låter elektronerna flöda med färre hinder, sa Bolotin.

Nu när källan till försämringen av grafens elektriska prestanda tydligt har identifierats, det borde vara möjligt att komma med pålitliga enhetsdesigner, sa Bolotin.

Enligt fysikern, det finns också en potentiell fördel med grafens extraordinära känslighet för sin miljö som kan utnyttjas. Det ska göra extremt känsliga sensorer av olika typer och, eftersom den är helt gjord av kol, den är biokompatibel och bör därför vara idealisk för biologiska sensorer.