Vad kopplar legendariskt vassa Damascenes svärd från det förflutna till flexibel elektronik och framtidens högpresterande elektriska ledningar? De har alla sina anmärkningsvärda egenskaper att tacka olika strukturella former av kol.

Historiens dödligaste svärd – de "Damascene" sablarna som smiddes i Mellanöstern från 1200- till 1700-talen – var så vassa att de kunde skära igenom fallande silke, så legenden har det. Deras häpnadsväckande egenskaper tros ha kommit från en kombination av specifika föroreningar i järnmalmen och hur varma och hur länge de brändes – en process som vissa forskare tror kan ha skapat kolnanorör (CNT) i dem.

Dessa tunna, ihåliga rör är bara en enda kolatom i tjocklek. Som deras kol kusin, grafen – där atomerna ligger platt, i ett tvådimensionellt ark – de är bland de starkaste, mest lätta och flexibla material kända.

"Spola fram århundraden, " sa Dr Stephan Hofmann från Institutionen för teknik, "och vi inser nu att det finns en hel familj av dessa extraordinära origamiformer av kol... och hur man gör dem." Faktiskt, universitetet har över 25 års banbrytande erfarenhet av kolnanoteknik, från diamant till nanorör, och från ledande polymerer till diamantliknande kol och grafen.

Det som gör kolnanoformer som grafen och CNT så spännande är deras elektriska och termiska egenskaper. Deras potentiella användning i applikationer som lättare elektriska ledningar, tunnare batterier, starkare byggmaterial och flexibla anordningar kan ha en transformerande inverkan på energin, transport- och hälsovårdsindustrin. Som ett resultat, investeringar på sammanlagt miljoner pund stödjer nu forskning och utveckling inom kolbaserad forskning över hela universitetet.

"Men alla superlativ som tillskrivs materialet hänvisar till en individ, atomärt perfekt, nanorör eller grafenflinga, ", tillade Hofmann. "Den ofta avbildade elefanten som stöds av ett grafenark visar de ofta icke-realistiska förväntningarna. Utmaningen kvarstår att uppnå hög kvalitet i stor skala och till låg kostnad, och att gränssnitta och integrera materialen i enheter."

Det är den här typen av utmaningar som forskare vid institutionerna för teknik, Materialvetenskap och metallurgi, Fysik och kemi, och Cambridge Graphene Center har arbetat för att övervinna.

Professor Alan Windle från institutionen för materialvetenskap och metallurgi, till exempel, har använt en kemisk ångavsättningsprocess för att "spinna" mycket starka och sega fibrer helt gjorda av CNT. Nanorören bildar rök i reaktorn men, eftersom de är intrasslade och elastiska, fibrer kan lindas kontinuerligt ur reaktorn som nanogodtråd. Den garnliknande strukturen hos fibrerna ger dem extraordinär seghet och motståndskraft mot skärning, gör dem lovande alternativ till kolfibrer eller högpresterande polymerfibrer som Kevlar, samt för att bygga skräddarsydda fiberförstärkta polymerer som används inom flyg- och sporttillämpningar.

Det är på den elektriska fronten som de möter sin största utmaning, som Windle förklarade:"Tillverkningsprocessen skalas upp genom en spin-out från Cambridge, Q-Flo; dock, elektrisk ledningsförmåga är nästa stora utmaning för CNT-fibrer i laboratoriet. Att förstå och utveckla fibern som ersättning för kopparledare kommer att vara världsförändrande, med enorma fördelar."

Under 2013, Windles kollega Dr Krzysztof Koziol lyckades göra elektriska ledningar gjorda helt av CNT-fibrer och utveckla en legering som kan löda koltrådar till metall, vilket gör det möjligt att integrera CNT-ledningar i konventionella kretsar. Teamet tillverkar nu trådar som sträcker sig från några mikrometer till några millimeter i diameter med en hastighet på upp till 20 meter per minut – ingen liten bedrift när man betänker att varje CNT är tio tusen gånger smalare än ett människohår.

Med finansiering från Royal Society och European Research Council (ERC), forskningen syftar till att använda CNT för att ersätta koppar och aluminium i hushållsledningar, kraftöverföringsledningar och flygplan. CNT:er bär mer ström, förlorar mindre energi i värme och kräver ingen mineralutvinning från jorden.

Dessutom, de kan tillverkas av växthusgaser; Koziols team arbetar med spin-out-företaget FGV Cambridge Nanosystems för att bli världens första företag som producerar högkvalitativa CNT och grafen direkt från naturgas eller förorenad biogas. Företaget är redan verksamt i industriell skala, med högrent grafen som produceras med 1 kg per timme. "Syftet är att producera material av hög kvalitet som kan implementeras direkt i nya enheter, eller används för att förbättra andra material, som glas, metall eller polymerer, "
sa Koziol.

Att arbeta direkt med industrin kommer att vara nyckeln till att påskynda övergången från labb till fabrik för nya material. Hofmann leder en stor satsning på att utveckla tillverknings- och integrerad processteknik för CNT, grafen och relaterade nanomaterial, med finansiering från ERC och Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), och i samarbete med ett nätverk av industriella partners.

"Fältet är i ett mycket spännande skede, " han sa, "nu, inte bara kan vi "se" och lösa deras intrikata strukturer, men nya karaktäriseringstekniker tillåter oss att ta videor i realtid av hur de sätts ihop, atom för atom. Vi börjar förstå vad som styr deras tillväxt och hur de beter sig i industriellt relevanta miljöer. Detta gör att vi bättre kan kontrollera deras egenskaper, inriktning, plats och gränssnitt med annat material, vilket är nyckeln till att frigöra deras kommersiella potential."

För avancerade applikationer inom elektronik- och fotonikindustrin, Att uppnå denna nivå av kontroll är inte bara önskvärt utan en nödvändighet. Förmågan att producera kol kontrollerat i dess många strukturella former vidgar den "materialportfölj" som en modern ingenjör har till sitt förfogande. Med kolfilmer eller strukturer som redan finns i produkter som hårddiskar, rakblad och litiumjonbatterier, den industriella användningen av CNT blir allt mer utbredd, driven, till exempel, av efterfrågan på ny teknik som flexibla enheter och vårt behov av att skörda, omvandla och lagra energi mer effektivt.

Professor Andrea Ferrari, Direktör för Cambridge Graphene Center och doktorandutbildningsprogram, som har finansierats genom ett anslag på 17 miljoner pund från EPSRC, förklarade:"Människor kan nu göra grafen i ton – det är inte ett problem. Utmaningen är att matcha egenskaperna hos grafenet du producerar med den slutliga applikationen. Våra anläggningar och utrustning har valts ut för att främja anpassning till industrin; vi har samarbeten med över 20 företag som delar vår agenda för att utveckla verkliga applikationer, och många fler diskuterar sitt engagemang i våra aktiviteter."

Cambridge har banat väg för grafenteknik och teknik från första början och, med flera spin-offs, har blivit ett nav för grafentillverkning och innovation. Cambridge Graphene Center syftar till att förbättra tillverkningstekniker för grafen och relaterade material, samt utforska applikationer inom områdena energilagring och skördeanordningar, högfrekvent elektronik, fotonik, flexibel och bärbar elektronik, och kompositer. Grafen är också i fokus för storskalig europeisk finansiering – flaggskeppet grafen, en paneuropeisk 10-årig, 1 miljard euro vetenskaps- och teknikprogram lanserades 2013. Ferrari var en av nyckelutredarna som förberedde förslaget, har lett utvecklingen av färdplanen för vetenskap och teknik för projektet, och är nu ordförande för flaggskeppets styrelse.

Nu, Byggnadsarbetet har påbörjats på en skräddarsydd anläggning på 12,9 miljoner pund som kommer att vara värd för Cambridge Graphene Centre, med extra utrymmen för storarea elektronik. Anläggningen beräknas öppna under våren 2015.

"Vi inser att det fortfarande finns mycket kvar att göra innan det tidiga löftet blir verklighet, men det finns stora möjligheter nu, " sa Ferrari. "Vi är i början av en resa. Vi vet inte det slutliga resultatet, men potentialen för grafen och relaterade material är sådan att det är helt vettigt att lägga en stor ansträngning på detta tidigt."