Grafiitti, tämä ohjelmoitu vallankumous elektroniikassa, onko se pian täällä? 🕒

Thibaut Lalire - Tohtoriopiskelija materiaalitieteessä, IMT Mines Alès – Institut Mines-Télécom

"21. vuosisadan materiaali", "vallankumouksellinen materiaali", näin grafiitti on kuvattu sen löytämisestä lähtien vuonna 2004 Konstantin Novoselovin ja Andre Geimin toimesta. Näiden kahden tutkijan grafiittityö toi heille fysiikan Nobel-palkinnon vuonna 2010, mutta mitä on tapahtunut 17 vuotta tämän löydön jälkeen?


Grafiitti tunnetaan maailmanlaajuisesti sen huomattavista ominaisuuksista, olipa kyseessä mekaaninen, lämpö- tai sähköominaisuus. Sen täydellinen hunajakennorakenne, joka koostuu hiiliatomeista, on syy siihen, että grafiitti on tehokas materiaali monilla aloilla. Sen morfologia, joka on paksu kerros yhden atomin paksuista, mahdollistaa sen sijoittamisen 2D-materiaalien perheeseen.

Teollisuus on sen löytämisestä lähtien korostanut materiaalin tutkimusta. Erilaisia sovelluksia on voitu kehittää, erityisesti hyödyntämällä grafiitin sähköisiä ominaisuuksia. Useita aloja on kohdennettu, kuten ilmailu, autoilu ja tietoliikenne.

Onko grafiittia lentokoneessa?

Grafiittia hyödynnetään sen sähköjohtavuuden mestaristatuksen vuoksi, mutta myös sen alhaisen tiheyden ja joustavuuden vuoksi. Nämä ominaisuudet ovat mahdollistaneet sen pääsyn erittäin eksklusiiviseen materiaalien kerhoon, jota käytetään ilmailualalla.

Salamat ja jään kertymät koneen pinnalla ovat ongelmia, joita esiintyy usein, kun lentokoneet ovat suurilla korkeuksilla. Salaman iskeminen ei-johdattavaan pintaan aiheuttaa vakavia vaurioita, jotka voivat johtaa laitteen syttymiseen. Grafiitin lisääminen sen korkean sähköjohtavuuden ansiosta mahdollistaa tämän korkean energian virran hävittämisen. Lentokoneiden suunnittelu on tehty siten, että virta ohjataan mahdollisimman kauas riskialttiilta alueilta, kuten polttoainesäiliöistä ja ohjauskaapeleista, estäen näin laitteen hallinnan menettämisen tai jopa räjähdyksen.


Grafiitista valmistettua hartsia, jota on vahvistettu grafiitilla, kutsutaan "nanokomposiitiksi", käytetään metallipinnoitteiden sijasta. Sen alhaisen tiheyden ansiosta voidaan saada kevyempiä materiaaleja kuin alkuperäiset, mikä rajoittaa laitteen massaa ja siten polttoaineen kulutusta. Sähkönjohtavat materiaalit, jotka ovat tarpeen salaman energian hävittämiseksi, kuitenkin heijastavat sähkömagneettisia aaltoja, mikä estää tämän tyyppisten materiaalien käytön sotilaallisissa piilottamisessa.

Tämän puutteen korjaamiseksi on kehitetty erilaisia grafiitin muotoja, jotka säilyttävät sen sähköjohtavuuden samalla kun parannetaan piilottamista. "Grafiittivaahto" on yksi näistä uusista rakenteista. Aalto tunkeutuu materiaaliin, ja sen heijastuminen kaikissa avaruuden suunnissa vangitsee ja vähentää sen jälkiä vähitellen. Aallolla ei ole paluuta tutkaan, laite muuttuu piilottavaksi, ja puhutaan "sähkömagneettisesta suojauksesta".

Grafiittia energian varastointiin

Grafiitti on myös löytänyt laajan paikan sähköenergian varastoinnin alalta.

Grafiitti on ihanteellinen ehdokas Li-ion-paristojen ja superkondensaattoreiden elektrodiksi. Ensinnäkin sen korkean sähköjohtavuuden vuoksi, ja toisaalta sen suuri spesifinen pinta-ala (joka vastaa grafiitin pinta-alaa, joka on käytettävissä ioneille ja edistää elektronien vaihtoa grafiittielektrodin ja litiumin välillä) mahdollistaa suuren "varastointikapasiteetin" saavuttamisen.

Itse asiassa suuri määrä ioneja voi helposti tunkeutua grafiittilehtien väliin, mikä mahdollistaa suuremman elektronivaihdon virran kerääjän kanssa, mikä lisää sähkövarastointikapasiteettia ja siten pariston autonomiaa. Ioneilla on helppo päästä grafiittielektrodiin, ja sen korkea sähköjohtavuus (nopeaa elektronien siirtoa varten) mahdollistaa pariston purkaus-/latausjakson huomattavasti lyhyemmäksi.

Grafiitin korkea sähköjohtavuus mahdollistaa suuren energiamäärän toimittamisen erittäin lyhyessä ajassa, mikä lisää superkondensaattoreiden tehoa. Grafiitti on myös hyvä lämmönjohdin, mikä rajoittaa paristojen lämpötilan nousua hävittämällä lämpöä.


Teollisella tasolla on jo olemassa Real Graphenen kehittämä ulkoinen akku, joka lataa matkapuhelimen täysin 17 minuutissa. Toisella alalla Mercedes työskentelee prototyypin parissa, jossa on grafiittielektrodeista koostuva akku, jonka arvioitu autonomia on 700 kilometriä 15 minuutin latauksella - tällä hetkellä nämä arvot vaikuttavat yllättäviltä ensisilmäyksellä, erityisesti sähköajoneuvoille, jotka vaativat suurikapasiteettisia akkuja.

Paikan löytäminen elektroniikassa

Missä grafiitti ei pysty erottumaan puolijohteista, on elektroniikan alalla. Sen elektroniset ominaisuudet - johtuen sen "kaistarakenteesta" - tekevät elektronien hallinnasta mahdotonta, ja grafiitti käyttäytyy näin ollen puolimetallina. Tämän vuoksi grafiitin käyttö binäärielektroniikassa - digitaalisessa - on edelleen monimutkaista, erityisesti transistoreissa, jotka koostuvat pääasiassa puolijohteista.

Grafiitin käyttäminen transistorissa edellyttää sen kaistarakenteen muuttamista, mikä yleensä heikentää sen hunajakennorakennetta ja muita sähköisiä ominaisuuksia. Jos halutaan säilyttää tämä 2D-rakenne, on muutettava materiaalin koostumuksessa olevien atomien kemiallista luonteenpiirrettä, käyttämällä esimerkiksi boorinitridia tai siirtymämetallien dikalkogenaareja, jotka myös kuuluvat laajaan 2D-materiaalien perheeseen.


Jos kuitenkin halutaan käyttää grafiittia, on pyrittävä sovelluksiin, joissa myös mekaanisia ominaisuuksia (joustavuus) etsitään, kuten antureissa, elektrodeissa ja tietyissä transistoreissa, jotka on varattu analogiseen elektroniikkaan, kuten grafiittikenttäefektitransistoreissa. Puhelinvalmistajien jättiläiset työskentelevät myös joustavien matkapuhelin näyttöjen kehittämisessä paremman ergonomian saavuttamiseksi.

Seuraavien kvanttitietokoneiden valmistuksessa voidaan hyvin käyttää materiaaleja, joita kutsutaan "topologisiksi eristeiksi". Nämä ovat sähköisesti johtavia materiaaleja pinnalla, mutta eristeitä sydämessä. Tutkimukset keskittyvät tällä hetkellä grafiitin topologiseen vaiheeseen, jossa sähköjohtavuus on vain reunoilla.

Grafiitin sovellusten moninaisuus osoittaa tämän materiaalin koko potentiaalin ja mahdollistaa uusien horisonttien tarkastelun eri aloilla, kuten optoelektroniikassa ja spintroniikassa.

Tämä materiaali on jo osoittanut kykynsä teollisuudessa, ilman että se kuitenkaan on tällä hetkellä mullistanut sitä. Kuitenkin käynnissä olevat tutkimukset paljastavat vuosittain uusia mahdollisia sovellusalueita. Samanaikaisesti synteesimenetelmät kehittyvät jatkuvasti grafiitin hinnan alentamiseksi kilogrammaa kohti ja mahdollistavat paremman laadun saavuttamisen.