Grafeenin akordionivaikutus vauhdittaa kannettavan teknologian tulevaisuutta

Grafeeni löydettiin vasta noin kaksi vuosikymmentä sitten. Niin lyhyessä ajassa tämä “ihmeaine” on tullut keskeiseksi elektroniikassa ja puolijohdeteollisuudessa, energian varastoinnissa, lämmönhallinnassa, materiaalitieteessä ja muilla aloilla. 

Siitä lähtien, kun Manchesterin yliopiston professorit Kostya Novoselov ja Andre Geim eristivät ja karakterisoivat grafeenin vuonna 2004, mistä he saivat vuoden 2010 Nobel-palkinnon fysiikassa, materiaali on pysynyt yhtenä jännittävimmistä elektroniikan tutkimusalueista.

Grafeeni on kaksiulotteinen (2D) materiaali, joka koostuu äärimmäisen ohuesta, vain yhden hiiliatomikerroksen levyistä. Se näyttää poikkeuksellisia ominaisuuksia, mukaan lukien kevyt painonsa, erittäin korkea sähkönjohtavuus ja vahva mekaaninen kestävyys.

Nyt tutkijat ovat löytäneet grafeenin uuden ominaisuuden käyttäen ainutlaatuista menetelmää.

Akordionvaikutus: Grafeenin erittäin venyväksi tekeminen 

Jani Kotakoskin johdolla Wienin yliopiston fyysikkojen tiimi on tehnyt grafeenista ensimmäistä kertaa merkittävästi venyvämmän leikkimällä sitä kuin akordionia. Tämä uusi ominaisuus paljastettiin puhtaassa ja ilmattomassa mittausympäristössä.

Grafeenin aaltoilevuus tekee siitä venyvän, avaten tien sen käyttöön kannettavissa laitteissa, joissa materiaalien on taivutettava ja liikkuttava kehon mukana säilyttäen luotettavan toiminnan.

Julkaistu fysiikan aikakauslehdessä Physical Review Letters¹, tutkimus toteutettiin yhteistyössä Wienin teknillisessä yliopistossa ja sitä rahoitti Itävallan tiedefondi (FWF).

Tutkijatiimi suoritti kokeita, jotka selvensivät, että grafeenin äärimmäinen jäykkyys johtuu materiaalin atomien hunajakuvioisesta järjestelystä; näin ollen joidenkin atomien ja niiden sidosten poistaminen vähentää jäykkyyttä. 

Tieteelliset tutkimukset ovat itse asiassa raportoineet ristiriitaisuuksia; sekä lievää vähenemistä että merkittävää kasvua.

Uusin tutkimus teki tämän erittäin selväksi käyttämällä kehittyneitä laitteita, jotka jakavat saman puhtaan ja ilmattoman asetuksen. Kotakoskin mukaan:

“Tämä ainutlaatuinen järjestelmä, jonka olemme kehittäneet Wienin yliopistossa, mahdollistaa 2D-materiaalien tarkastelun ilman häiriöitä.” 

Puhtaan, ilmattoman ympäristön ansiosta näytteet voidaan siirtää eri laitteiden välillä paljastamatta niitä ympäröivään ilmaan.

“Ensimmäistä kertaa tällainen koe on suoritettu grafeenin täysin eristämisenä ympäröivästä ilmasta ja sen sisältämistä vieraspartikkeleista. Ilman tätä eristystä partikkelit asettuisivat nopeasti pinnalle vaikuttaen kokeen menettelyyn ja mittauksiin.”

– Tutkimuksen ensimmäinen tekijä, Wael Joudi

Tämä puhtausmateriaalin pinnan keskittyminen johti akordionivaikutuksen paljastumiseen grafeenin jäykkyyden yhteydessä.

Kahden vierekkäisen atomin poistaminen aiheuttaa jo huomattavan pullistuman alun perin tasaisessa materiaalissa. Useat tällaiset pullistumat yhdessä johtavat materiaalin aaltomaisuuteen.

“Voit kuvitella sen kuin akordionin. Kun sitä vedetään erilleen, aaltoileva materiaali tasoittuu, mikä vaatii paljon vähemmän voimaa kuin tasaisen materiaalin venyttäminen, ja näin se muuttuu venyvämmäksi.” 

– Joudi

Aaltojen muodostuminen ja sen jälkeinen venyvyys on vahvistettu Florian Libischin ja Rika Saskia Windischin, Wienin teknillisen yliopiston teoreettisten fyysikkojen, tekemillä simulaatioilla.

Tutkimus raportoi havainnoineensa aineen elastisen muodonmuutoksen vastuksen vähenevän 286:sta 158 N/m:iin. Tämä vähenemä on “merkittävästi suurempi” kuin mitä useimmat tutkimukset ennustavat, ja myös ristiriidassa joidenkin esitettyjen mittausten kanssa, mikä johtuu paikallisesta venymästä aiheuttamista aaltomaisuuksista, joissa on vähintään kaksi puuttuvaa atomia.

Tiimin suorittamat kokeet osoittivat lisäksi, että “vastakkainen vaikutus voidaan mitata, kun pinnasta ei poisteta epäpuhtauksia ennen vikojen suunnittelua.”

Niinpä vieraspartikkelit materiaalin pinnalla tukahduttavat itse asiassa tämän vaikutuksen ja jopa aiheuttavat vastakkaisen tuloksen. Erityisesti näiden partikkelien vaikutus sai grafeenin näyttämään vielä jäykemmältä, mikä selittää aiempien kokeiden raportoimat ristiriidat. Joudin mukaan:

“Tämä osoittaa mittausympäristön tärkeyden 2D-materiaalien käsittelyssä. Tulokset avaavat mahdollisuuden säädellä grafeenin jäykkyyttä ja siten raivaa tietä mahdollisille sovelluksille.”

Grafeenin rajojen työntäminen huippututkimusten avulla

Kannettava teknologia on kukoistava ala, jonka odotetaan kasvavan yli 150 miljardiin dollariin ennen vuosikymmenen loppua.

Keskeinen komponentti kannettavissa laitteissa, kuten älykelloissa, sormuksissa, laseissa, rannekkeissa, älytattoissa, koruissa, tekstiileissä, siteissä, kasvomaskissa ja reaaliaikaisessa glukoosinsäätimessä, ovat anturit, jotka mahdollistavat biometrien havaitsemisen, tiedon keräämisen ja sen jälkeen sopeutumisen kehon tarpeisiin.

Joustavien, havaittavien sähköisten laitteiden nopea kehitys on johtanut grafeenipohjaisiin kannettaviin antureihin, jotka ovat merkittäviä niiden suuren potentiaalin vuoksi tehdä terveydenhuollosta saavutettavampaa ja parantaa anturitoimintojen laatua.

Toisin kuin perinteiset puolijohteet, jotka ovat jäykkiä ja joilla on rajoitetut optoelektroniset ominaisuudet, sekä metallit, jotka voivat olla kalliita, myrkyllisiä ja menettää suorituskykyään mekaanisessa rasituksessa, grafeenin sisäiset ominaisuudet tekevät siitä erittäin sopivan edullisten ja monitoimisten kannettavien laitteiden rakentamiseen.

Viimeisin tutkimus on osoittanut materiaalin hämmästyttävän kyvyn näissä laitteissa dramaattisen venyvyyden kasvun ansiosta. Tämä ei kuitenkaan ole ensimmäinen kerta; vuosien varrella monet tutkimukset ovat tutkineet grafeenin roolia kannettavissa laitteissa eri syistä ja tehneet monia uusia löytöjä.

Klikkaa tästä oppiaksesi, miksi grafeenin puhdistaminen raivaa tietä sen kaupallistamiselle.

Grafeenipohjainen kannettava venymisanturi 

Viime vuonna tutkijat kehittivät² kannettavan venymisanturin, joka käyttää grafeenia ja pystyy havaitsemaan ja lähettämään hiljaista puhetta.

Cambridge Universityn tutkijoiden rakentama ‘älykäs’ kauluri tallentaa kurkun mikrosäätöliikkeitä, jotka venymisanturi havaitsee sähköisenä signaalina ja syöttää sitten ohjelmistomalleihin käsittelyä ja puheentunnistusta varten. Se voi jopa poimia hiljaisesti suulliset sanat ja lähettää ne.

Kannettavalla on erottuva rakenne, jossa on järjestäytyneitä halkeamia grafeenilla päällystetyissä tekstiileissä, mikä merkittävästi parantaa herkkyyttä. Yläpuolinen rakenteellinen grafeenikerros on kiinnitetty integroituneeseen tekstiilivenymisanturiin.

Teknologian valmistusmenetelmä on myös yksinkertainen, skaalautuva, edullinen ja biokompatibilinen. Laite soveltuu pitkäaikaiseen käyttöön ja kestää yli 10 000 venytys‑vapautus‑sykliä säilyttäen vakaan ja luotettavan sähkötoiminnon.

Dynaamisesti reagoimalla kurkun mikrosäätöliikkeisiin se voi tallentaa informaatiirikasta puhe‑signaalia, joka prosessoidaan neuroverkon kautta, saavuttaen ennätyksellisen 95,25 % tarkkuuden puheen dekoodauksessa. 

Tutkijoiden mukaan laitteella on potentiaalia määritellä uudelleen hiljaisen puheen käyttöliittymän (SSI) kentän, joka sisältää huipputeknologisia ratkaisuja mahdollistaa puheviestintä ilman ääntämistä.

Grafeenin yhdistäminen silkkiin joustavien elektroniikkalaitteiden luomiseksi

Toisessa tutkimuksessa Yhdysvaltain energiaministeriön Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) -laitoksen tutkijat kehittivät tasaisen 2D-kerroksen “fibroineja” tai silkin proteiinifragmentteja grafeenin päälle. 

Silkki-proteiinin käyttö suunnitteluelektroniikassa ei ole uutta, mutta se on rajoitettua, koska silkki-kuidut muodostavat sotkuisen sotkun.

Silkki grafeenin päällä voisi mahdollisesti luoda kaipaaman herkän, säädettävän transistorin terveys- ja kannettavien antureiden käyttöön. Se voi jopa toimia keskeisenä osana “memristoreita”, joita käytetään neuroverkoissa ja joiden avulla tietokoneet voivat jäljitellä ihmisaivojen toimintaa.

Silkki on ollut paljon tutkittu keino säätää elektronisia signaaleja, mutta hallinnan saavuttaminen ei ole helppoa. PNNL-tiimi kontrolloi tarkasti reaktio-olosuhteita lisäämällä yksittäisiä silkki-kuituja tarkasti vesipohjaiseen järjestelmään, mikä loi erittäin järjestäytyneen 2D-kerroksen proteiineja, pakattuna rinnakkaisiin β-levyihin.

Tämä on vasta ensimmäinen askel hallitun silkki-kerrostuksen toteuttamisessa toiminnallisissa elektronisissa komponenteissa, ja tuleva tutkimus keskittyy silkki-integroituja piirejä koskevan stabiilisuuden ja johtavuuden parantamiseen.

Grafeeni‑‘tatuointi’ -implantti epäsäännöllisten sydämenlyöntien hoitoon

Samalla Texasin Austinin (UT) ja Northwesternin yliopiston tutkijat kehittivät ensimmäisen sydänimplantin, joka käyttää grafeenia sydämen rytmihäiriöiden hoitoon.

Tällaiset häiriöt ilmenevät, kun sydän lyö joko liian hitaasti tai liian nopeasti, ja monissa tapauksissa tämä voi johtaa aivohalvaukseen, sydämen vajaatoimintaan ja jopa äkilliseen kuolemaan. Rytmihäiriöiden hoitoon lääkärit käyttävät yleensä implantoitavia sydämentahdistimia, jotka havaitsevat epäsäännölliset sydämenlyönnit ja käyttävät sähköistä stimulaatiota rytmin korjaamiseen. 

Nämä laitteet vaativat kovia, jäykkiä materiaaleja, jotka eivät ole mekaanisesti yhteensopivia kehon kanssa, ja siksi niiden kiinnittäminen sydämen pinnalle on vaikeaa. Ne voivat aiheuttaa tilapäistä epämukavuutta, vahingoittaa pehmeitä kudoksia, rajoittaa luonnollisia liikkeitä ja aiheuttaa komplikaatioita.

Toisin kuin nämä, uusi biokompatibilinen implantti on grafeeni‑“tatuointi”, joka ulkonäöltään muistuttaa tilapäistä tatuointia. Se on ohuempi kuin yksi hius, mutta toimii kuin perinteinen sydämentahdistin.

Uusi ohut laite sulautuu pehmeästi sydämeen sekä havaitakseen että hoitaakseen epäsäännöllisiä sydämenlyöntejä. Se on riittävän joustava sopeutumaan sydämen herkkiin muotoihin ja tarpeeksi vahva kestämään sydämen dynaamisia liikkeitä.

“Biokompatibiliteettisyistä grafeeni on erityisen houkutteleva. Hiili on elämän perusta, joten se on turvallinen materiaali, jota käytetään jo erilaisissa kliinisissä sovelluksissa. Se on myös joustava ja pehmeä, mikä toimii hyvin rajapintana elektroniikan ja pehmeän, mekaanisesti aktiivisen elimen välillä.”

– Vanhempi tekijä Igor Efimov

Grafeeni‑tatuoinnin kapselointia ja sen kiinnittämistä sykkeen pinnalle varten grafeeni kapseloitiin silikonista elastisesta kalvosta, jossa oli reikä grafeeni‑elektrodin saavuttamiseksi. 10 mikronin paksuinen kultanauha sijoitettiin sitten kapselointikerroksen päälle yhteyspisteeksi grafeenin ja ulkoisen elektroniikan välillä, jota käytettiin sydämen mittaamiseen ja stimuloimiseen.

Laitteen kokonaispaksuus oli noin 100 mikrometriä, ja se säilytti vakauden 60 päivän ajan, mikä on verrattavissa tilapäisten sydämentahdistimien kestoon.

Laitteen testaamiseksi tutkijat istuttivat sen rottaan ja havaitsivat, että se pystyy onnistuneesti havaitsemaan epäsäännöllisiä sydämen rytmejä ja tarjoamaan sähköistä stimulaatiota sarjan pulssien kautta vaikuttamatta sydämen luonnollisiin liikkeisiin. 

Huomionarvoista on, että teknologia on optisesti läpinäkyvä, mikä tarkoittaa, että tutkijat voivat käyttää ulkoista valonlähdettä sydämen tallentamiseen ja stimuloimiseen laitteen läpi. Tämä tarjoaa uuden lähestymistavan sydänsairauksien tunnistamiseen ja hoitoon ja luo uusia mahdollisuuksia optogenetiikassa.

Jopa epätäydellisellä grafeenilla on suuria etuja

Alle kaksi vuotta sitten Wienin teknillisen yliopiston tutkijat kehittivät tietokonemallin realistisista grafeenirakenteista, joka osoitti, että grafeenin erinomaiset elektroniset ominaisuudet ovat erittäin vakaita. Tämä tarkoittaa, että jopa ei‑niin‑täydellisiä grafeenikappaleita voidaan käyttää teknologisiin sovelluksiin.

Sähkövirran kulku grafeenissa lasketaan atomitasolla todella pienessä kappaleessa. TU Wienin teoreettisen fysiikan professori Florian Libisch selitti, että elektronit voivat kulkea materiaalin läpi useilla eri tavoilla, ja ne voivat kulkea useita polkuja samanaikaisesti, jotka voivat limittyä eri tavoin.

Polut kumoavat toisensa tietyissä tarkasti määritellyissä energiarajoissa, jolloin elektronien läpäisy todennäköisyys grafeenikappaleessa on äärimmäisen alhainen ja sähkövirta minimaalinen, mikä tunnetaan nimellä “tuhoava interferenssi”.

Sähkövirran dramaattinen väheneminen hyvin tarkkojen energiarajojen kohdalla on “teknologisesti erittäin toivottu vaikutus”, jota voidaan käyttää tiedon käsittelyyn pienessä mittakaavassa, aivan kuten tietokonepiirien elektroniset komponentit, sekä uusien kvanttitunnistimien kehittämiseen.

Se ei ole niin yksinkertaista, sillä grafeenikappaleen koko ja muoto eivät ole aina samat. Muita tekijöitä, kuten ei‑toivotut atomit, atomien värähtely sekä monien elektronien välinen vuorovaikutus, jotka ovat erittäin vaikeita laskea, on otettava huomioon “kuvaten grafeenimateriaalia todella realistisella tavalla.”

Tutkijat yhdistivät vuosien kokemuksensa erilaisten materiaalien vaikutusten tarkkaan mallintamiseen kehittääkseen kattavan mallin, joka sisältää kaikki merkittävät virhelähteet ja häiriövaikutukset, jotka esiintyvät graafeeneissa. Tämä mahdollisti heidän osoittaa, että toivottavat vaikutukset ovat havaittavissa, vaikka virhelähteitä olisi olemassa. 

Tutkimus on ollut merkittävä osoittamaan grafeenin kvanttivaikutusten hallitun käytön potentiaalia.

Grafeenin muuttaminen pieniksi magneeteiksi

Kaiken tämän keskellä saksalaiset asiantuntijat lisäsivät vielä yhden näkökulman grafeenin monipuolisiin ominaisuuksiin, mikä osoitti materiaalin potentiaalin magneettikytkimissä ja tallennuslaitteissa.

Duisburg‑Essenin yliopiston (UDE) tutkijat suorittivat kokeita Helmholtz‑Zentrum Dresden‑Rossendorfissa (HZDR), jossa he ampuilivat lyhyitä teraherts (THz) -pulssia materiaalin pieniin levyihin, mikä muutti ne hyvin lyhyesti erittäin vahvoiksi magneeteiksi. Tämä löytö voi olla hyödyllinen tulevien magneettikytkimien ja tallennuslaitteiden kehittämisessä.

Tässä tiedemiehet käyttivät olemassa olevia puolijohteiden menetelmiä asettaakseen tuhansia mikrometrin (μm) kokoisia grafeenilevyjä pienelle sirulle, joka altistettiin sitten lyhyille teraherts‑pulssille, säteilyn tyypille, joka sijoittuu mikroaaltosäteilyn ja infrapunasäteilyn väliin.

Valonlähteenä he käyttivät HZDR:n FELBE vapaasähköinen laser, joka pystyy tuottamaan ultra‑intensiivisiä teraherts‑pulsseja.

Mikrometrikokoisten grafeenilevyjen muuttamisen lisäksi tiimi loi jopa magneettikenttiä, joiden voimakkuus oli 0,5 teslaa, noin 10 000 kertaa Maan magneettikentän voimakkuus, ja jotka kestivät vain kymmenen pikosekuntia eli sadasosaa miljardisesta sekunnista.

Tämän menestyksen saavuttamiseksi tutkijoiden täytyi kuitenkin polarisoida teraherts‑pulssit tietyllä tavalla. Tässä erikoistuneet optiikat muokkasivat säteilyn värähtelyn suuntaa niin, että se kulki spiraalisesti avaruudessa.

Kun ympyräpolaariset pulssit osuvat pieniin levyihin, niiden vapaat elektronit alkavat kiertää, mikä periaatteessa muuttaa levyt pieniksi sähkömagneeteiksi.

Tutkijoiden mukaan tämä yksinkertainen ja erittäin tehokas prosessi voitaisiin käyttää tieteellisissä kokeissa, jotta saataisiin tarkempi ymmärrys materiaalien ominaisuuksista. Huomionarvoista on, että magneettikenttä pysyi yksinapaisena, mikä tekee siitä hyödyllisen tietyissä kokeissa.

Tulevaisuudessa nämä pienet magneetit voivat jopa löytää sovelluksia magneettisessa tallennusteknologiassa ja spintroniikassa.

Sijoittaminen grafeeniin

Yksi grafeenialalla erottuva yritys on CVD Equipment Corporation (CVV ). Yritys suunnittelee ja valmistaa kemiallisessa höyrykerrostuksessa (CVD) käytettäviä järjestelmiä, mikä on keskeinen tekniikka korkealaatuisen grafeenin tuottamiseen. Ja kun teollisuudet jatkavat grafeenin todellisten sovellusten tutkimista, erityisesti elektroniikassa ja materiaalitieteessä, CVD:n erikoistunut fokus voi antaa sille strategisen edun kysynnän kasvaessa.

CVD Equipment Corporation (CVV )

Yhdysvalloissa toimiva CVD Equipment kehittää kemiallisia höyrykerrostus (CVD) -järjestelmiä, joita käytetään kehittyneiden materiaalien, kuten grafeenin, sekä energia-, avaruus- ja muiden alojen pinnoitteiden valmistamiseen.

Se tarjoaa myös grafeenin T&D- ja erikoistuneita tuotantolaitteita korkealaatuisen grafeenin massatuotantoon.

Yritys toimii kahden segmentin kautta. Ensimmäinen on CVD Equipment, joka suunnittelee ja valmistaa fyysistä höyrykuljetusta, kemiallista höyrykerrostusta ja lämpöprosesseja. Toinen on Stainless Design Concepts (SDC), jonka fokus on erittäin puhtaan kaasun ja kemikaalien toimitusjärjestelmien hallintaan.

Kun tarkastellaan CVD‑osakkeen markkinasuorituskykyä, kirjoitushetkellä sen kurssi on 2,84 $, 34 % laskussa vuoden alusta. Tällä tasolla sen markkina‑arvo on 20 miljoonaa dollaria, EPS (TTM) -0,28 ja P/E (TTM) -10,43.

Yrityksen taloustietojen osalta CVD raportoi 26,9 miljoonan dollarin liikevaihdon vuodelle 2024, 11,5 % vuosi‑vuodelta kasvun. Tämä johtui pääasiassa avaruusalan sopimusten, SDC‑segmentin ja MesoScribe‑segmentin 0,8 miljoonan dollarin lopullisista myynneistä, jotka sulkivat toimintansa viime vuonna.

CVD Equipmentin bruttokateprosentti nousi 2,6 %:lla 23,6 %:iin vuonna 2024. Jakson liiketappio oli 2,4 miljoonaa dollaria ja nettotappio 1,9 miljoonaa dollaria, eli 0,28 $ per perus‑ ja laimennettu osake.

Viime vuonna yritys näki myös 8,9 % kasvun uusien tilausten varauksissa, jotka saavuttivat 28,1 miljoonaa dollaria, kun taas vuoden lopussa tilauskanta oli 19,4 miljoonaa dollaria.

“Vuoden 2024 aikana näemme edelleen avaruus‑ ja puolustusmarkkinoidemme jatkuvan elpymisen,” sanoi toimitusjohtaja Manny Lakios, lisäten että piidioksidimarkkinat pysyvät “haasteellisina kapasiteetin ylikapasiteetin ja globaalin piikiekkojen hintojen laskun vuoksi.”

Uusimmat tiedot CVD Equipment Corporationista

Yhteenveto

Kevyt, joustava, kestävä ja korkean sähkönjohtavuuden omaava grafeeni on ollut laajasti tutkittu ja hyödynnetty energian, elektroniikan ja terveydenhuollon aloilla.

Kuten yllä mainitsimme, useat jännittävät kehitykset, kuten hiljaiset puhekaulurit ja sydämen monitorointitatuoinnit, laajentavat jatkuvasti grafeenin maailmaa. Nyt grafeenin akordionivaikutuksen uusin löytö lisää siihen vielä yhden ominaisuuden: parantuneen venyvyyden, mikä osoittaa tämän taikamateriaalin yhteensopivuuden kannettavien laitteiden kanssa.

Yhdistettynä sen erinomaisiin sähköisiin, mekaanisiin ja biokompatibilisiin ominaisuuksiin, grafeeni on erittäin lupaava materiaali seuraavan sukupolven älykkäiden kannettavien laitteiden energianlähteeksi!

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten grafeeni tulee näyttelemään keskeistä roolia 6G‑internetissä.

Viitteet:

1. Joudi, W., Windisch, R. S., Trentino, A., Propst, D., Madsen, J., Susi, T., Mangler, C., Mustonen, K., Libisch, F., & Kotakoski, J. (2025). Aaltomaisuuden hallitsema mekaaninen pehmennys virheenkäsitellyssä grafeenissa. 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). Erittäin herkät tekstiilivenymisanturit määrittelevät uudelleen kannettavat hiljaiset puhekäyttöliittymät korkean koneoppimisen tehokkuuden avulla. NPJ Flexible Electronics, 8, 27. https://doi.org/10.1038/s41528-024-00315-1