Grafenens Akkordeoneffekt Fremmer Fremtiden for Bærbar Teknologi

Det var kun for omkring to årtier siden, at grafen blev opdaget. På så kort tid er dette “mirakelmateriale” blevet integreret i elektronik og halvlederteknologi, energilagring, termisk styring, materialvidenskab og andre industrier. 

Siden professorerne Kostya Novoselov og Andre Geim fra University of Manchester isolerede og karakteriserede grafen i 2004, hvilket indbragte dem Nobelprisen i fysik i 2010, har materialet forblevet et af de mest spændende forskningsområder inden for elektronik.

Grafen er et todimensionelt (2D) materiale bestående af et ekstremt tyndt lag med kun en enkelt lag af carbonatomer. Det udviser bemærkelsesværdige egenskaber, herunder sin letvægt, meget høje elektriske ledningsevne og stærke mekaniske styrke.

Nu har forskere opdaget en ny egenskab ved grafen ved hjælp af en unik metode.

Akkordeoneffekten: Gør Grafen Meget Strækbar 

Ledet af Jani Kotakoski har fysikteamet ved University of Vienna for første gang gjort grafen væsentligt mere strækbar ved at behandle den som en akkordeon. Denne nye egenskab blev afsløret i et rent og luftløst målemiljø.

Bølgerne i grafen gør den strækbar, hvilket baner vejen for dens anvendelse i bærbare enheder, hvor materialer skal bøje og bevæge sig med kroppen, mens de stadig fungerer pålideligt.

Udgivet i tidsskriftet Physical Review Letters¹, studiet blev udført i samarbejde med Vienna University of Technology og blev finansieret af den Østrigske Videnskabsfond (FWF).

Forskerteamet udførte eksperimenter, der faktisk tydeliggjorde, at grafens ekstreme stivhed skyldes, at atomerne i materialet er arrangeret i en bikageform; derfor reducerer fjernelse af nogle af atomerne sammen med deres bindinger deres stivhed. 

Videnskabelige studier har faktisk rapporteret modstridende resultater; både en let reduktion og en betydelig stigning.

Det seneste studie gjorde dette meget tydeligt takket være brugen af avancerede enheder, som delte det samme rene og luftløse miljø. Ifølge Katokoshi:

“Dette unikke system, vi har udviklet på University of Vienna, gør det muligt for os at undersøge 2D-materialer uden interferens.” 

Det rene, luftløse miljø gør det muligt at transportere prøver mellem de forskellige enheder uden at udsætte dem for omgivende luft.

“For første gang er denne type eksperiment udført med grafen fuldstændigt isoleret fra omgivende luft og de fremmede partikler, den indeholder. Uden denne adskillelse ville partiklerne hurtigt lægge sig på overfladen og påvirke eksperimentproceduren og målingerne.”

– Studiets første forfatter, Wael Joudi

Dette fokus på renheden af materialets overflade førte faktisk til afsløringen af akkordeoneffekten i forbindelse med grafens stivhed.

Fjernelse af to nabotomer forårsager allerede en mærkbar udbulning af det oprindeligt flade materiale. Flere af disse udbulninger sammen fører til en krumning af materialet.

“Du kan forestille dig det som en akkordeon. Når den trækkes fra hinanden, bliver det bølgede materiale nu fladt, hvilket kræver meget mindre kraft end at strække det flade materiale, og derfor bliver det mere strækbart.” 

– Joudi

Dannelsen af bølger og den efterfølgende strækbarhed er blevet bekræftet af simulationerne udført af Florian Libisch og Rika Saskia Windisch, teoretiske fysikere fra Vienna University of Technology.

Studiet rapporterede, at stoffets modstand mod at blive deformeret elastisk faldt fra 286 til 158 N/m. Faldet er “signifikant større” end ikke kun hvad de fleste studier forudsiger, men også i kontrast til nogle præsenterede målinger, hvilket skyldes krumninger fremkaldt af lokal strain ved huller med mindst to manglende atomer.

De eksperimenter, som teamet udførte, demonstrerede yderligere “at den modsatte effekt kan måles, når overfladekontaminering ikke fjernes før defekt‑engineering.”

Således undertrykker fremmede partikler på materialets overflade faktisk denne effekt og skaber endda et modsat resultat. Især gjorde påvirkningen af disse partikler grafen endnu stivere, hvilket forklarer de modstridende resultater, som tidligere eksperimenter har rapporteret. Ifølge Joudi:

“Dette viser vigtigheden af målemiljøet, når man arbejder med 2D-materialer. Resultaterne åbner en vej til at regulere grafens stivhed og dermed bane vejen for potentielle anvendelser.”

Udvidelse af Grafens Grænser med Banebrydende Opdagelser

Bærbar teknologi er en blomstrende industri, der forventes at vokse til over $150 milliarder inden årtiet er omme.

En nøglekomponent i bærbare enheder såsom smartwatches, ringe, briller, armbånd, smarte tatoveringer, smykker, tekstiler, bandager, ansigtsmasker og en realtids glukose‑regulator er sensorer, som muliggør detektion af biometrik, indsamling af data og derefter tilpasning til kroppens krav.

Den hurtige udvikling af fleksible, følsomme elektriske enheder har ført til grafenbaserede bærbare sensorer, som er bemærkelsesværdige for deres store potentiale til at gøre sundhedsfaciliteter mere tilgængelige og forbedre kvaliteten af måleaktiviteter.

I modsætning til traditionelle halvledere, som er stive og har begrænsede optoelektroniske egenskaber, samt metaller, som kan være dyre, giftige og opleve forringet ydeevne under mekanisk belastning, gør grafens iboende egenskaber den yderst egnet til at bygge lavpris og multifunktionelle bærbare enheder.

Det seneste studie har vist materialets fantastiske kapacitet i disse enheder takket være den dramatiske stigning i dets strækbarhed. Men det er ikke første gang; gennem årene har mange studier undersøgt grafens rolle i bærbare enheder af forskellige årsager og gjort mange nye opdagelser om det.

Klik her for at lære, hvorfor rensning af grafen baner vejen for kommercialisering.

Grafenbaseret Bærbar Strain Sensor 

Sidste år udviklede forskere udviklede² en bærbar strain‑sensor ved brug af grafen, som kan opdage og udsende tavst tale.

Den ‘smarte’ choker, bygget af forskere fra University of Cambridge, opfanger mikrobevægelser i halsen, som registreres af strain‑sensoren som et elektrisk signal og derefter føres ind i softwaremodeller til behandling og talegenkendelse. Den kan endda opfange tavse mundbevægelser og udsende dem.

Den bærbare enhed har en særskilt struktur, med ordnede, gennemgående revner på grafenbelagte tekstiler, hvilket markant øger følsomheden. Det overliggende strukturerede grafenlag blev påført en integreret tekstil strain‑sensor.

Fremstillingsmetoden for teknologien er også enkel, skalerbar, lavpris og biokompatibel. Enheden er tilpasselig til langvarig brug og kan modstå over 10.000 stræk‑slippe‑cyklusser, mens den bevarer stabil og pålidelig elektrisk funktionalitet.

Ved dynamisk at reagere på halsens mikrobevægelser kan den indfange informationsrige talesignaler, som behandles gennem et neuralt netværk med en rekordnøjagtighed på 95,25 % i taleafkodning.

Enheden har ifølge forskerne potentialet til at redefinere feltet for tavse talegrænseflader (SSI), som involverer banebrydende løsninger til at muliggøre mundtlig kommunikation uden vokalisering.

Kombination af Grafen med Silke til Fleksibel Elektronik

I et andet studie udviklede forskere ved Department of Energy’s Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) udviklede et ensartet 2D-lag af “fibroiner” eller fragmenter af silkeprotein på grafen. 

Brugen af silkeprotein i designer‑elektronik er ikke ny, men den er begrænset, da silketråde er et rodet sammenfiltring af fibre. Derfor tilføjelsen af grafen.

Silke‑på‑grafen kunne potentielt skabe en meget eftertragtet følsom, justerbar transistor til sundheds‑ og bærbare sensorer. Den kan endda fungere som en afgørende komponent i “memristorer”, som bruges i neurale netværk og gør det muligt for computere at efterligne den menneskelige hjerne.

Silke har været genstand for meget forskning som en måde at modulere elektroniske signaler på, men at opnå kontrol er ikke let. Således kontrollerede PNNL‑teamet omhyggeligt reaktionsbetingelserne ved præcist at tilsætte individuelle silketråde til det vandbaserede system, som skabte et højt organiseret 2D‑lag af proteiner pakket i parallelle β‑blade.

Dette er kun det første skridt i kontrolleret silkelægning på funktionelle elektroniske komponenter, med fremtidig forskning fokuseret på at forbedre stabiliteten og ledningsevnen af silke‑integrerede kredsløb.

Et Grafen ‘Tatoverings’ Implantat til Behandling af Uregelmæssige Hjerterytmer

Meanwhile, researchers from the University of Texas at Austin (UT) and Northwestern University udviklede det første hjerteimplantat ved brug af grafen til behandling af hjertearytmi.

Sådanne lidelser opstår, når hjertet slår enten for langsomt eller for hurtigt, og i mange tilfælde kan dette føre til slagtilfælde, hjertesvigt og endda pludselig død. For at behandle arytmi bruger læger typisk implantérbare pacemakere, som registrerer uregelmæssige hjerteslag og anvender elektrisk stimulation for at korrigere rytmen.

Disse enheder kræver hårde, stive materialer, som ikke er mekanisk kompatible med kroppen og derfor er vanskelige at fastgøre til hjertets overflade. De kan forårsage midlertidig ubehag, skade blødt væv, begrænse naturlige bevægelser og fremkalde komplikationer.

I modsætning til disse er det nye biokompatible implantat, der er skabt, en grafen “tatovering”, som i udseende ligner en midlertidig tatovering. Den er tyndere end et enkelt hårstrå, men fungerer som en klassisk pacemaker.

Den nye tynde enhed smelter blødt til hjertet for både at registrere og behandle uregelmæssige hjerteslag. Den er fleksibel nok til at tilpasse sig hjertets delikate konturer og stærk nok til at håndtere de dynamiske bevægelser af et bankende hjerte.

“Af biokompatibilitetsårsager er grafen særligt attraktivt. Kulstof er livets grundlag, så det er et sikkert materiale, der allerede anvendes i forskellige kliniske anvendelser. Det er også fleksibelt og blødt, hvilket fungerer godt som en grænseflade mellem elektronik og et blødt, mekanisk aktivt organ.”

– Seniorforfatter Igor Efimov

For at indkapsle grafen‑tatoveringen og få den til at hæfte på overfladen af et bankende hjerte, blev grafen indkapslet i en silikone‑elastisk membran med et hul for at få adgang til grafen‑elektroden. En 10‑mikron‑tyk guld‑tape blev derefter placeret på den indkapslende lag som en forbindelse mellem grafen og den eksterne elektronik, der bruges til at måle og stimulere hjertet.

Den samlede tykkelse af enheden var omkring 100 mikrometer, og den opretholdt stabilitet i 60 dage, sammenligneligt med varigheden af midlertidige pacemakere.

For at teste enheden implanterede forskerne den i en rotte og fandt, at den med succes kan registrere uregelmæssige hjerterytmer og derefter levere elektrisk stimulation via en række pulser uden at påvirke hjertets naturlige bevægelser.

Bemærkelsesværdigt er teknologien optisk gennemsigtig, hvilket betyder, at forskere kan bruge en ekstern kilde af optisk lys til at registrere og stimulere hjertet gennem enheden. Dette tilbyder en ny tilgang til at identificere og behandle hjerte‑relaterede sygdomme og skaber nye muligheder for optogenetik.

Selv Ufuldstændig Grafen Har Store Fordele

For mindre end to år siden udviklede forskere fra Vienna University of Technology faktisk udviklede en computermodel af realistiske grafenstrukturer, som viste, at grafens fremragende elektroniske egenskaber er meget stabile. Dette betyder, at selv ikke‑perfekte grafenstykker kan anvendes i teknologiske applikationer.

Således beregnes den elektriske strømpropagation i grafen på atomskala i et virkelig lille stykke af det. Professor Florian Libisch fra Institute of Theoretical Physics ved TU Wien forklarede på det tidspunkt, at elektroner har flere forskellige måder at bevæge sig gennem materialet på, og ikke kun det, men de kan tage flere veje på samme tid, som kan overlappe på forskellige måder.

Stierne annullerer hinanden ved meget specifikke energiværdier, hvor sandsynligheden for, at elektroner passerer gennem grafenstykket er ekstremt lav, og den elektriske strøm er minimal, hvilket kaldes “destruktiv interferens”.

Det dramatiske fald i strømflow ved meget specifikke energiværdier er “en højt ønskværdig effekt teknologisk,” som kan bruges til at behandle information på en lille skala, meget ligesom elektroniske komponenter i computerchips, og til udvikling af nye kvantesensorer.

Det er dog ikke så enkelt, da grafenstykkets størrelse og form ikke altid er ens. Andre faktorer som uønskede atomer, atomer der vibrerer, og mange interaktioner mellem flere elektroner, som er meget svære at beregne, skal tages i betragtning for at “beskrive materialet grafen på en virkelig realistisk måde.”

Så kombinerede forskerne deres mange års erfaring med præcist at beskrive forskellige effekter i materialer i computermodeller for at udvikle en omfattende model, der inkluderer alle relevante fejlkilder og perturbationseffekter, der findes i grafer. Dette gjorde dem i stand til at vise, at de ønskede effekter er synlige selv når der er fejlkilder.

Studiet har været vigtigt i at demonstrere potentialet ved at bruge kvanteeffekter i grafen på en kontrolleret måde.

Omformning af Grafen til Små Magneter

Midt i alt dette tilføjede tyske eksperter endnu et aspekt til grafens mangfoldige egenskaber, som viste materialets potentiale i magnetiske kontakter og lagringsenheder.

Forskere fra University of Duisburg-Essen (UDE) udførte eksperimenter ved Helmholtz‑Zentrum Dresden‑Rossendorf (HZDR), hvor de affyrede korte terahertz (THz) pulser på små skiver af materialet, som meget kortvarigt forvandlede dem til meget stærke magneter. Denne opdagelse kan vise sig nyttig til udvikling af fremtidige magnetiske kontakter og lagringsenheder.

Så hvad forskerne gjorde her, var at de brugte eksisterende halvledermetoder til at placere tusindvis af grafenskiver på størrelse med mikrometer (μm) på en lille chip, som derefter blev udsat for korte terahertz‑pulser, strålingstypen der ligger mellem mikrobølge‑ og infrarødt område.

Til lyskilden brugte de en FELBE fri‑elektron laser ved HZDR, som kan producere ultra‑intense terahertz‑pulser.

Ud over at mikrometer‑sized grafenskiver blev til elektromagneter, genererede teamet også magnetfelter i området 0,5 Tesla (TSLA ), omkring 10.000 gange Jordens magnetfelt, som kun varede ti picosekunder eller en hundrededel af en milliardtedel.

For at opnå denne succes måtte forskerne dog polarisere terahertz‑blitzene på en bestemt måde. Her ændrede specialiseret optik retningen af strålingens oscillation, så den bevægede sig helicalt gennem rummet.

Når de cirkulært polariserede blitz rammer de små skiver, begynder frie elektroner i dem at cirkulere, hvilket grundlæggende forvandler skiverne til små elektromagneter.

Den simple og yderst effektive proces, ifølge forskerne, kunne bruges til videnskabelige eksperimenter for at opnå en mere detaljeret forståelse af materialegenskaber. Bemærkelsesværdigt forblev magnetfeltet unipolart, hvilket gør det fordelagtigt for visse eksperimenter.

I fremtiden kan disse små magneter endda finde anvendelse i magnetisk lagringsteknologi og spintronik.

Investering i Grafen

Et firma, der skiller sig ud i grafensektoren, er CVD Equipment Corporation (CVV ). Virksomheden designer og fremstiller systemer, der anvendes i kemisk dampaflejring, en nøglemetode til at producere høj‑kvalitets grafen. Og efterhånden som industrier fortsætter med at udforske virkelige anvendelser af grafen, især inden for elektronik og materialvidenskab, kan CVD’s nichefokus give dem en strategisk fordel, efterhånden som efterspørgslen vokser.

CVD Equipment Corporation (CVV )

Det amerikanske CVD Equipment udvikler kemisk dampaflejring (CVD) systemer, som anvendes til at skabe avancerede materialer såsom grafen, samt belægninger brugt i energi, rumfart og andre industrier.

Den tilbyder også grafen‑F&U og specialiseret produktionsudstyr til at producere høj‑kvalitets grafen i stor skala.

Virksomheden opererer gennem to segmenter. Det første er CVD Equipment, som designer og fremstiller udstyr til fysisk damptransport, kemisk dampaflejring og termisk procesudstyr. Det andet er Stainless Design Concepts (SDC), som fokuserer på ultra‑høj renhedsgas og kemisk leveringskontrolsystemer.

Når det gælder CVD‑aktiens markedspræstation, er den på tidspunktet for skrivning handlet til $2,84, ned 34 % YTD. Med dette har den opnået en markedsværdi på $20 millioner samt en EPS (TTM) på -0,28 og en P/E (TTM) på -10,43.

Hvad angår virksomhedens finanser, rapporterede CVD en omsætning på $26,9 millioner for hele 2024, en stigning på 11,5 % YoY. Dette blev primært drevet af en stigning i indtægter fra igangværende rumfarts‑kontrakter, SDC‑segmentet, og $0,8 millioner af endelige salg fra MesoScribe‑segmentet, som lukkede sin drift sidste år.

CVD Equipments bruttoavancemargin steg med 2,6 % til 23,6 % i 2024. Driftsunderskuddet for perioden var $2,4 millioner, og nettounderskuddet var $1,9 millioner, eller $0,28 per grundlæggende og udvandet aktie.

Sidste år oplevede virksomheden også en stigning på 8,9 % i nye ordrebookinger, som nåede $28,1 millioner, mens backloggen ved årets slutning var $19,4 millioner.

“I løbet af 2024 fortsætter vi med at se en vedvarende genopretning af vores rumfarts‑ og forsvarsmarked,” sagde administrerende direktør Manny Lakios, mens han bemærkede, at silicium‑karbid‑markedet forbliver “udfordrende på grund af overkapacitet og det globale fald i wafer‑priser.”

Seneste om CVD Equipment Corporation

Konklusion

Kendt for at være let, fleksibel, robust og have høj elektrisk ledningsevne, er grafen blevet grundigt undersøgt og anvendt i energisektoren, elektronik og sundhedssektoren.

Som vi nævnte ovenfor, udvider flere spændende udviklinger, som tavse tale‑chokere og hjerte‑monitorerende tatoveringer, konstant verdenen af grafen. Nu tilføjer den seneste opdagelse af akkordeoneffekten i grafen endnu en egenskab: øget strækbarhed, hvilket viser det magiske materiales kompatibilitet med bærbare enheder.

Kombineret med sine overlegne elektriske, mekaniske og biokompatible egenskaber er grafen et yderst lovende materiale til at drive næste generations smarte bærbare enheder!

Klik her for at lære, hvordan grafen vil spille en afgørende rolle i 6G‑internet.

Refererede Studier:

1. Joudi, W., Windisch, R. S., Trentino, A., Propst, D., Madsen, J., Susi, T., Mangler, C., Mustonen, K., Libisch, F., & Kotakoski, J. (2025). Corrugation-dominated mechanical softening of defect-engineered graphene. Physical Review Letters, 134(16), 166102. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.166102

2. Tang, C., Xu, M., Yi, W., Zhang, Y., Wang, J., Li, H., & Zhao, Y. (2024). Ultrasensitive textile strain sensors redefine wearable silent speech interfaces with high machine learning efficiency. NPJ Flexible Electronics, 8, 27. https://doi.org/10.1038/s41528-024-00315-1