GRAFEN – MYCKET MER ÄN STYRKA

Bild Wikipedia 

En ”en-atom-tjock” membran av

grafen kan revolutionera tekniken

för både bränsleceller och arme-

ring. Utplock ur förra veckans

nummer av Nature och Science
samt en artikel av Richard Van 
Noorden fritt översatta.

Världens tunnaste och starkaste material – grafen – togs första gången fram redan för ett decennium sedan. Detta ”en-atom-tunna” material av grundämnet kol fortsätter emellertid att komma med nya överraskningar.

Tänkt att vara en ogenomtränglig barriär visar forskning rapporterad förra veckan i Nature emellertid att grafen i själva verket öppnar för möjligheten att använda det som en ultra tunn membran i bränsleceller. Samtidigt avslöjar en rapport i Science att grafen är bättre än både stål och kompositen Kevlar (superstark plast i t ex skottsäkra västar) som armering.

Rapporten i Nature om grafen i bränslecell

Med tanke på protoners (väteatom som skalats av sin elektron) förmåga att gå genom grafen föreslås, att materialet skulle kunna användas som membran i bränslecell att frigöra den kemiska energi som finns i väte, säger Andre Geim. Han är materialforskare vid University of Manchester, UK. Han fick tillsammans med Konstantin Novoselov Nobelpris i fysik år 2010 för sina pionjärarbeten med grafen.

Bränsleceller omvandlar den kemiska energi som är lagrad i väte till elektrisk energi genom att sönderdela väte till protoner och elektroner: Elektronerna rusar runt i en extern strömkrets.  Protonerna däremot går genom en membran i bränslecellen. Elektroner och protoner återförenas vid en elektrod, reagerar med syre och ger vatten som enda slutprodukt liksom när väte förbränns i luft. Bränsleceller omvandlar alltså vätes kemiska energi till elektricitet. Vanlig förbränning av väte i luft omvandlar dess kemiska energi till värme.

Dagens bästa kommersiella membran för bränsleceller är en polymer kallad Nafion. Den är tiotalet mikrometer tjock men förhindrar ändå inte väte från att läcka igenom. Dess tjocklek betyder också att protonflödet inte är så stort som det skulle kunna vara, och det reducerar också effekten. En stark och extra tunn barriär som blockerar allt utom protoner skulle kunna lösa båda problemen i ett slag, säger Geim.

Experter på bränsleceller säger att arbetet är principiellt bevis, men uttrycker sig försiktigt om dess omedelbara tillämpning. Faktorer som hur man ska få tillräckligt ren och stor membran av grafen, vad den kostar och vad den har för livslängd måste man också ta i beaktande. "Det både kan och kan inte vara en bättre membran för en bränslecell", säger Andrew Herring, en kemiingenjör vid Bergsskolan i Golden, Colorado.

Rapporten i Science om grafen som armering

Membraner av grafen kan mycket snabbt sprida energin från en kollision innan de går sönder. Splittringseffekten tonar av utåt snabbt genom materialet, förklarar Edwin Thomas från Rice University i Houston, Texas. Den övre gränsen för denna effekt är ljudets hastighet i ett material. I grafen kan en ljudvåg gå med 22 km/sekund jämfört med bara 0,332 km/sekund i luft (66 gånger snabbare). Ett kompositmaterial baserat på grafen och andra starka lätta material skulle kunna vara ett "mycket lovande armeringssystem", säger Thomas.

En fråga om uppskalning

Dessa senaste experiment pekar mot ännu större potential för grafen, vilket redan testats för hundratals användningsområden som batterier, glasögon för mörkerseende, medicinsk skanning, kondomer och ljusdetektorer. Industriella partners främsta intresse är emellertid under alla omständigheter tillverkning: Kan membraner av grafen, eller kompositmaterial som innehåller grafen göras storskaligt med tillräcklig kvalitet och uppfylla krav i gällande standards? "Därute finns en förvirrad marknad", säger James Baker, vd på National Grafphene Institute i Manchester. En upphaussad tillämpning – att ersätta det sällsynta ämnet indiumtennoxid som används i mobiltelefonernas pekskärmar – verkar nu mindre sannolikt genom att grafen inte kan erbjuda samma kvalitet till samma pris, bara som ett exempel.

Dussintals bolag är för närvarande aktiva för att producera och kommersialisera grafen, men få har nått marknaden trots åratals utvecklingsarbete. Men det som förefaller outsiders vara långsamma steg i utvecklingen är bara vad man kan förvänta sig av nya material, säger Baker. "Du fattar inte om särskilda applikationer kommer att funka, om du inte talar med industrin", tillägger han.

J-G Hemming