Grafen är ett lager av rena kolatomer som är anordnade i ett hexagonalt gallermönster. Den är så tunn anses den vara ett 2-dimensionellt föremål.
Grafit har använst sedan den neolitiska eran. Dess atomstruktur är väl dokumenterad, och under en lång tid funderade forskare om enskilda lager av grafit kunde isoleras. Hittills var dock grafen bara en teori, eftersom forskare var osäker på om det någonsin skulle vara möjligt att skära grafit ner till ett enda, atomtunnt ark. Det första isolerade provet av grafen upptäcktes 2004 av Andre Geim och Konstantin Novoselov vid University of Manchester. Man kan förvänta sig att det skulle krävas mycket avancerad utrustning för att lyckas isolera ett lager av grafit, men verktyget de använde var en tejprulle. De använde tejp på blyertsstreck om och om igen tills de lyckats isolera ett enda lager av materialet och de hade funnit grafen. Upptäckten var så bisarr, den vetenskapliga världen var först skeptisk. Så småningom publicerades deras forskning om detta nyupptäckta material kan vara en av de viktigaste kända för människan. Andre Geim och Konstantin Novoselov hedrades senare Nobelpriset för fysik på grund av sitt experiment.
Supermaterial med unika egenskaper
Graphene är det starkaste materialet som är känt för vetenskap för närvarande. Det är 200 gånger starkare än stål ändå lättviktigt och flexibelt, Tekniskt sett är grafen en icke-metallisk men det är vanligtvis känd som en kvasimetall eftersom dess egenskaper liknar en halvledande metall. Därför har grafen ett antal unika egenskaper som inte kan hittas i andra icke-metalliska material.
Varje kolatom är bunden till tre andra kolatomer i ett hexagonalt mönster, vilket lämnar en fri elektron för varje kolatom det gör att grafen har fantastiska lednings och värmeegenskaper. om man blandar en bråkdels promille grafen i plast kan plastens värmetålighet öka 30 grader, samtidigt som den också blir bättre på att stå emot mekaniska påfrestningar, vid knappt 1 procent blandas in blir plasterna elektriskt ledande. Grafen är unikt att det är transparent, släpper igenom nära 98 procent av synligt ljus, och är bra på att leda ström. Det gör materialet användbart för genomskinlig elektronik, som genomskinliga skärmar eller solceller.
I grafen förflyttar sig elektroner mycket snabbare än i kisel. Det är också en genomskinlig elektrisk ledare, som kombinerar elektriska och optiska egenskaper på ett exceptionellt sätt.
Det enda problemet med grafen inom framtida nano elektroniska kretsar är att det inte har ett bandgap över vilket elektroner hoppar över för att bli ledningselektroner. Det innebär att det inte kan skapa de strängar av 1 or och 0 or som ingår i transistorer för att behandla information. För att använda grafen i framtidens elektronik måste ett bandgap därför skapas, det vanligatse sättet är att skapa ett bandgap är genom doping vilket kan försämra elektronmobiliteten. Det finns även en laserteknik som kallas laserchock imprinting, utvecklat Cheng 2014 tillsammans med forskare vid Harvard University, Madrid Institute for Advanced Studies och University of California. Förenklat skapas chockvågor som tränger igenom ett underliggande ark av grafen. Med denna teknik kan man skapa ett permament bandgap i grafen strukturen där det dessutom är möjligt att styra gapbredden från 0 ända upp till 2.1 electronvolt.
Grafen kan användas för att bygga hyperkänsliga detektorer. Genom att mäta hur de elektriska egenskaperna förändras kan man detektera även enstaka molekyler som fäster på kolytan.
Bindingarna mellan grafen lagren är mycket svaga kan grafen användas för att minska friktionen mellan ytor, vilket har ett mycket stort användingaoråde för olika typer av smörjmedel.
Eftersom grafen har så mycket yta per gram vikt är det ett lovande material för att lagra vätgas, exempelvis för bränsleceller. Men det är även det tätaste materialet som finns och tillåter inte ens en enskild atom att passera. Ett utmärkt applikationsområde är skräddarsydda filter där man på nanonivå kan styra specifikt vilka atomer och molekyler som ska släppas igenom. 2,1 miljarder människor saknar idag rent vatten, ett viktigt användningsområde är att skapa filter som separerar salt från saltvatten eller för att rena vår miljö genom att skilja olika gaser som är blandade med varandra.