Grafen är ett anmärkningsvärt starkt material eftersom det bara är en enda kolatom tjockt. Men att hitta sätt att göra något med det – det är också överkomligt – har alltid varit en utmaning.

Forskare har länge varit entusiastiska över potentialen för grafen att revolutionera teknik, och till och med betrakta det som en teknik i sig. Grafen är den mest kända ledaren av elektricitet och värme. Det är också den tunnaste ytan och representerar nästa generations undermaterial för vardagliga applikationer inom elektronik.

Nobelpriset i fysik 2010 tilldelades Konstantin Novoselov och Andre Geim för deras banbrytande arbete med grafens elektroniska egenskaper.

Det följde mycket hype i vetenskapsvärlden med koncept för att revolutionera elektroniska displayer och kretsar. Dessa två områden utgör grunden för många tekniker så effekten av grafen var omfattande.

Hur man gör grafen

För sådana applikationer, grafen måste tillverkas industriellt som stora tunna filmer på ett bärande material. Detta lyfte fram två vägar där grafen kunde riktas:som en elektronisk komponent; eller som den främsta tekniken.

Men dessa riktningar var ganska smala, eftersom de bara fokuserade på potentiella kommersiella bedrifter som involverade elektronikindustrin.

Den överdrivna efterfrågan på att grafen skulle kommersialiseras överträffade snabbt de överlappande utmaningarna när det gäller bearbetning av nanomaterial. Som sådan, trots all spänning, grafen har ännu inte funnit någon utbredd användning eftersom det är kemiskt svårt att bearbeta.

Låt kemin hitta en användning

2009 utvecklade jag den första tekniken för att kemiskt producera grafen i industriell skala.

Det var tydligt att kemin hade en nyckelroll att spela i den framtida användningen av materialet. Vi kunde nu skapa gram- och kilogramkvantiteter av grafenarken atom för atom med hjälp av kemiska reaktioner.

Mitt arbete har lett till många försök av forskare över hela världen att hitta mer hållbara tekniker för att producera grafen. Varje försök att nå ut för att vara uppfinningsrik, udda, eller mer innovativa jämfört med känd teknik.

Vi hittade en väg där dyra apparater inte längre behövdes och grafenpulver kunde transporteras med förlängd hållbarhet. Detta är nu ett vanligt mål bland forskare.

Denna utveckling övervann en nyckelhyresgäst som förbises under fysiktiden:grafen är i huvudsak ett material som är helt yta. Gränssnittet vid en yta är där spännande saker inträffar och där kemister verkar.

För att göra något användbart med en yta behöver du mycket av den, och vi hade nu mycket grafen. Alternativen för att få mycket grafenmaterial är enkla. Börja antingen med att gräva upp grafit ur marken från naturliga avlagringar, eller så gör du det kemiskt i labbet.

Kemiskt framställd grafen erbjuder en relativt stor mängd yta för att utföra spännande kemiska reaktioner. Detta motsvarar att ha en trevlig jämn fotbollsplan att flytta runt en fotboll på.

Icke-klibbiga grejer detta grafen

Men att ändra grafens kemiska struktur samtidigt som de behåller dess fantastiska fysikaliska egenskaper är otroligt svårt. Detta beror på en paradox som tillåter själva existensen av grafen:den anmärkningsvärda stabiliteten hos grafenytan.

Molekyler som metaller och gaser som krävs för energilagring håller helt enkelt inte fast vid grafen. Föreställ dig om allt du placerat på ditt bord bara fortsatte att ramla av – bordet skulle inte vara till stor nytta.

Försök att ändra grafens kemiska natur fokuserade på att fästa ett litet antal molekyler. Detta har begränsat användningen av grafen i nanoteknik, som nästa generations batterier, solenergifilmer och bränsleceller involverar mer komplexa kemiska reaktioner.

Tillämpningar som skulle se grafen användas i dessa tekniker skulle kräva molekyler med mångsidig kemi fast vid grafen.

Få bor ombord

Tillsammans med mina kollegor, vi har skapat ett nytt grafenhybridmaterial genom att direkt fästa borkluster på grafenytan.

Tricket var att använda det stabila konjugerade nätverket i grafen för att fånga ett mycket reaktivt borkluster. Att fästa den här typen av kemikalier låser upp helt nya och intressanta materialegenskaper, såsom förbättrad funktionalitet och hierarkiskt organiserad lyhördhet.

Till exempel, materialet kan nu snart användas för att interagera med biologiska molekyler, skörda solljus för användning i solceller, och ankarmetaller för effektiv vätelagring.

Arbetet ska ge en inblick i hur grafenmaterial behåller sin funktion efter storskalig bearbetning. Vi kan nu utföra exakta kemiska reaktioner på grafen som i slutändan kommer att översättas till mer tillförlitliga och prisvärda grafenbaserade teknologier.

Vi har tänjt på gränserna på nanoskalan och börjat hitta nya sätt att skapa material från grunden med fascinerande egenskaper som kan kommersialiseras.

Den här historien publiceras med tillstånd av The Conversation (under Creative Commons-Attribution/No derivatives).