Grafenens trekkspill‑effekt gir ny drivkraft til fremtidens bærbare teknologi

Det var først for omtrent to tiår siden at grafen ble oppdaget. På så kort tid har dette «mirakelmaterialet» blitt integrert i elektronikk og halvlederteknologi, energilagring, termisk styring, materialvitenskap og andre industrier. 

Siden professorene Kostya Novoselov og Andre Geim fra University of Manchester isolerte og karakteriserte grafen i 2004, noe som ga dem Nobelprisen i fysikk i 2010, har materialet forblitt et av de mest spennende forskningsområdene innen elektronikk.

Grafen er et todimensjonalt (2D) materiale som består av et ekstremt tynt lag med kun ett enkelt lag av karbonatomer. Det viser bemerkelsesverdige egenskaper, inkludert sin lettvekt, svært høy elektrisk ledningsevne og sterk mekanisk styrke.

Nå har forskere oppdaget en ny egenskap ved grafen ved hjelp av en unik metode.

Trekkspill‑effekten: Gjør grafen svært strekkbar 

Ledet av Jani Kotakoski har teamet av fysikere ved Universitetet i Wien gjort grafen, for første gang, betydelig mer strekkbar ved å behandle den som et trekkspill. Denne nye egenskapen ble avdekket i et rent og luftfritt målemiljø.

Rippelene i grafen gjør den strekkbar, og baner vei for bruk i bærbare enheter, hvor materialer må bøyes og bevege seg med kroppen samtidig som de fungerer pålitelig.

Publisert i tidsskriftet Physical Review Letters¹, studien ble utført i samarbeid med Vienna University of Technology og ble finansiert av Austrian Science Fund (FWF).

Forskerteamet utførte eksperimenter som faktisk klargjorde at grafens ekstreme stivhet skyldes at atomene i materialet er ordnet i et bikake‑mønster; dermed reduserer fjerning av noen av atomene sammen med deres bindinger stivheten.

Vitenskapelige studier har faktisk rapportert motstridigheter; både en liten reduksjon og en betydelig økning.

Den siste studien gjorde dette svært tydelig takket være bruk av avanserte enheter, som delte det samme rene og luftfrie oppsettet. Ifølge Katokoshi:

“Dette unike systemet vi har utviklet ved Universitetet i Wien gjør at vi kan undersøke 2D‑materialer uten interferens.” 

Det rene, luftfrie miljøet gjør at prøver kan transporteres mellom de ulike enhetene uten å bli eksponert for omgivelsesluft.

“For første gang har denne typen eksperiment blitt utført med grafen fullstendig isolert fra omgivelsesluft og fremmede partikler den inneholder. Uten denne separasjonen ville disse partiklene raskt legge seg på overflaten og påvirke eksperimentprosedyren og målingene.”

– Studieens første forfatter, Wael Joudi

Dette fokuset på renheten av materialoverflaten førte faktisk til avdekkingen av trekkspill‑effekten i forbindelse med grafens stivhet.

Fjerning av to nabotoms forårsaker allerede en merkbar oppbulking av det opprinnelig flate materialet. Flere av disse oppbulkene sammen fører til en korugasjon av materialet.

“Du kan forestille deg det som et trekkspill. Når det trekkes fra hverandre, blir det bølgede materialet nå flatt, noe som krever mye mindre kraft enn å strekke det flate materialet, og dermed blir det mer strekkbart.” 

– Joudi

Dannelse av bølger og den påfølgende strekkbarheten er bekreftet av simuleringene utført av Florian Libisch og Rika Saskia Windisch, teoretiske fysikere fra Vienna University of Technology.

Studien rapporterte at stoffets motstand mot elastisk deformasjon reduserte fra 286 til 158 N/m. Reduksjonen er «betydelig større» enn ikke bare det som forutsies av de fleste studier, men også i kontrast til noen presenterte målinger, som skyldes korugasjoner forårsaket av lokal spenning ved mangler med minst to manglende atomer.

Eksperimentene utført av teamet demonstrerte videre at «den motsatte effekten kan måles når overflatekontaminasjon ikke fjernes før defekt‑ingeniørarbeid.»

Dermed undertrykker fremmede partikler på materialoverflaten faktisk denne effekten og skaper til og med et motsatt resultat. Spesielt gjorde påvirkningen fra disse partiklene grafen enda stivere, noe som forklarer motstridene som tidligere eksperimenter har rapportert. Ifølge Joudi:

“Dette viser viktigheten av målemiljøet når man arbeider med 2D‑materialer. Resultatene åpner en vei til å regulere grafens stivhet og dermed bane vei for potensielle anvendelser.” 

Presser grafens grenser med banebrytende oppdagelser

Bærbar teknologi er en blomstrende industri, forventet å vokse til over 150 milliarder dollar før tiåret er over.

En nøkkelkomponent i bærbare enheter som smartklokker, ringer, briller, armbånd, smarte tatoveringer, smykker, tekstiler, bandasjer, ansiktsmasker og sanntids glukose‑regulatorer er sensorer, som muliggjør deteksjon av biometrikk, samler data og deretter tilpasser seg kroppens behov.

Den raske utviklingen av fleksible, følsomme elektriske enheter har ført til grafen‑baserte bærbare sensorer, som er bemerkelsesverdige for sitt store potensial til å gjøre helsetjenester mer tilgjengelige og forbedre kvaliteten på sensingsaktiviteter.

I motsetning til tradisjonelle halvledere, som er stive og har begrensede optoelektroniske egenskaper, og metaller, som kan være dyre, giftige og oppleve forringet ytelse under mekanisk belastning, gjør grafens iboende egenskaper den svært egnet for å bygge kostnadseffektive og multifunksjonelle bærbare enheter.

Den siste studien har vist materialets fantastiske evne i disse enhetene takket være den dramatiske økningen i strekkbarhet. Men dette er ikke første gang; gjennom årene har mange studier undersøkt grafens rolle i bærbare enheter av ulike grunner og gjort mange nye oppdagelser om den.

Klikk her for å lære hvorfor rensing av grafen baner vei for kommersialisering.

Grafen‑basert bærbar strekk‑sensor 

I fjor utviklet forskere en² en bærbar strekk‑sensor ved bruk av grafen som kan oppdage og kringkaste stille tale.

Den «smarte» chokeren bygget av forskere fra University of Cambridge fanger mikrobevegelser i halsen, som blir oppfanget av strekk‑sensoren som et elektrisk signal og deretter matet inn i programvaremodeller for behandling og talegjenkjenning. Den kan til og med fange opp stille munnord og kringkaste dem.

Den bærbare enheten har en distinkt struktur, med ordnede, grundige sprekker på grafen‑belagte tekstiler, noe som betydelig øker sensitiviteten. Det overliggende strukturerte grafenlaget ble påført en integrert tekstil‑strekk‑sensor.

Fremstillingsmetoden for teknologien er også enkel, skalerbar, kostnadseffektiv og biokompatibel. Enheten er tilpassbar for langvarig bruk og kan tåle over 10 000 strekk‑slipp‑sykluser mens den opprettholder stabil og pålitelig elektrisk funksjonalitet.

Ved dynamisk å reagere på mikrobevegelser i halsen, kan den fange informasjonstunge talesignaler, som behandles gjennom et nevralt nettverk, med en rekordnøyaktighet på 95,25 % i tale‑dekoding.

Enheten, ifølge forskerne, har potensial til å redefinere feltet stille tale‑grensesnitt (SSI), som involverer banebrytende løsninger for å muliggjøre verbal kommunikasjon uten vokalisering.

Kombinere grafen med silke for fleksibel elektronikk

I en annen studie utviklet forskere ved Department of Energy’s Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) en en jevn 2D‑lag av «fibroiner» eller fragmenter av silkeprotein på grafen.

Bruken av silkeprotein i designer‑elektronikk er ikke ny, men den er begrenset fordi silkefibre er et rotete virvar av tråder. Derfor tilsettes grafen.

Silke‑på‑grafen kan potensielt skape en ettertraktet sensitiv, justerbar transistor for helse‑ og bærbare sensorer. Den kan også fungere som en viktig komponent i «memristorer» som brukes i nevrale nettverk og gjør det mulig for datamaskiner å etterligne hvordan den menneskelige hjernen fungerer.

Silke har vært gjenstand for mye forskning som en måte å modulere elektroniske signaler på, men å oppnå kontroll er ikke lett. Så kontrollerte PNNL‑teamet nøye reaksjonsforholdene ved presist å tilsette individuelle silkefibre til det vannbaserte systemet som skapte et høyt organisert 2D‑lag av proteiner pakket i parallelle β‑ark.

Dette er bare det første steget i kontrollert silkelag på funksjonelle elektroniske komponenter, med fremtidig forskning fokusert på å forbedre stabiliteten og ledningsevnen til silke‑integrerte kretser.

Et grafen‑«tatoverings»‑implantat for å behandle uregelmessige hjerteslag

Meanwhile, researchers from the University of Texas at Austin (UT) and Northwestern University utviklet det første hjerte‑implantatet ved bruk av grafen for å behandle hjertearytmi.

Slike forstyrrelser oppstår når hjertet slår enten for sakte eller for raskt, og i mange tilfeller kan dette føre til slag, hjertesvikt og til og med plutselig død. For å behandle arytmi bruker leger vanligvis implanterbare pacemakere som oppdager uregelmessige hjerteslag og bruker elektrisk stimulering for å korrigere rytmen.

Disse enhetene krever harde, stive materialer som ikke er mekanisk kompatible med kroppen og er derfor vanskelige å feste til hjertets overflate. De kan forårsake midlertidig ubehag, skade mykt vev, begrense naturlige bevegelser og indusere komplikasjoner.

I motsetning til disse er det nye biokompatible implantatet et grafen‑«tatoverings»‑implantat, som i utseende ligner på en midlertidig tatovering. Det er tynnere enn et enkelt hårstrå, men fungerer som en klassisk pacemaker.

Det nye tynne enheten smelter mykt til hjertet for både å oppdage og behandle uregelmessige hjerteslag. Den er fleksibel nok til å tilpasse seg hjertets delikate konturer og sterk nok til å håndtere de dynamiske bevegelsene til et slående hjerte.

«Av grunner knyttet til biokompatibilitet er grafen spesielt attraktivt. Karbon er livets grunnlag, så det er et trygt materiale som allerede brukes i ulike kliniske anvendelser. Det er også fleksibelt og mykt, noe som fungerer godt som et grensesnitt mellom elektronikk og et mykt, mekanisk aktivt organ.»

– Seniorforfatter Igor Efimov

For å innkapsle grafen‑tatoveringen og få den til å feste seg til overflaten av et slående hjerte, ble grafen innkapslet i en silikone‑elastisk membran med et hull for å få tilgang til grafen‑elektroden. 10‑mikron‑tykk gulltape ble deretter plassert på den innkapslende laget som en forbindelse mellom grafen og den eksterne elektronikken som brukes til å måle og stimulere hjertet.

Den resulterende totale tykkelsen på enheten var omtrent 100 mikrometer, og den opprettholdt stabilitet i 60 dager, sammenlignbart med varigheten til midlertidige pacemakere.

For å teste enheten implanterte forskerne den i en rotte og fant at den vellykket kan oppdage uregelmessige hjerterytmer og deretter levere elektrisk stimulering via en serie pulser uten å påvirke hjertets naturlige bevegelser.

Det bemerkelsesverdige er at teknologien er optisk gjennomsiktig, noe som betyr at forskere kan bruke en ekstern kilde av optisk lys for å registrere og stimulere hjertet gjennom enheten. Dette gir en ny tilnærming til å identifisere og behandle hjerte‑relaterte sykdommer og skaper nye muligheter for optogenetikk.

Selv ufullkommen grafen har store fordeler

For mindre enn to år siden utviklet forskere fra Vienna University of Technology faktisk en datamodell av realistiske grafenstrukturer, som viste at grafens utmerkede elektroniske egenskaper er svært stabile. Dette betyr at selv ikke‑så‑perfekte grafenstykker kan brukes til teknologiske anvendelser.

Så blir den elektriske strømmen i grafen beregnet på atomskala i et virkelig lite stykke av den. Professor Florian Libisch fra Institute of Theoretical Physics ved TU Wien forklarte på den tiden at elektroner har flere ulike måter å bevege seg gjennom materialet på, og ikke bare det, men de kan ta flere veier samtidig, som kan overlappe på ulike måter.

Stiene kansellerer hverandre ved svært spesifikke energiverdier, hvor sannsynligheten for at elektroner passerer gjennom grafenstykket er ekstremt lav og den elektriske strømmen er minimal, noe som kalles «destruktiv interferens».

Den dramatiske reduksjonen i strømflyt ved svært spesifikke energiverdier er «en høyt ønskelig effekt teknologisk», som kan brukes til å behandle informasjon på en liten skala, på samme måte som elektroniske komponenter gjør i databrikker, og for utvikling av nye kvantesensorer.

Det er imidlertid ikke så enkelt, da grafenstykkets størrelse og form ikke alltid er den samme. Andre faktorer som uønskede atomer, atomer som vibrerer, og mange interaksjoner mellom flere elektroner, som er svært vanskelige å beregne, må tas i betraktning for å «beskrive materialet grafen på en virkelig realistisk måte».

Dermed kombinerte forskerne sine år med erfaring i nøyaktig å beskrive ulike effekter i materialer i datamodeller for å utvikle en omfattende modell som inkluderer alle relevante feilkilder og perturberingseffekter som finnes i grafer. Dette gjorde dem i stand til å vise at de ønskede effektene er synlige selv når det er feilkilder.

Studien har vært viktig for å demonstrere potensialet i å bruke kvanteeffekter i grafen på en kontrollert måte.

Gjøre grafen til små magneter

Midt i alt dette la tyske eksperter til enda et aspekt ved grafens mangfoldige egenskaper som viste materialets potensial i magnetiske brytere og lagringsenheter.

Forskere fra University of Duisburg-Essen (UDE) gjennomførte eksperimenter ved Helmholtz‑Zentrum Dresden‑Rossendorf (HZDR), hvor de fyrte korte terahertz (THz)‑pulser på små skiver av materialet, som i svært kort tid forvandlet dem til svært sterke magneter. Denne oppdagelsen kan vise seg nyttig for utvikling av fremtidige magnetiske brytere og lagringsenheter.

Så, det forskerne gjorde her var at de brukte eksisterende halvledermetoder for å plassere tusenvis av grafenskiver på størrelse med mikrometer (μm) på en liten chip, som deretter ble utsatt for korte terahertz‑pulser, strålingstypen som ligger mellom mikrobølge‑ og infrarødt område.

For lyskilden brukte de en FELBE‑fri‑elektron‑laser ved HZDR som kan produsere ultra‑intense terahertz‑pulser.

I tillegg til at mikrometer‑sized grafenskiver ble til elektromagneter, genererte teamet også magnetfelt i området 0,5 Tesla (TSLA ), omtrent 10 000 ganger jordens magnetfelt, som bare varte i ti pikosekunder eller en hundredel av en milliarddel av et sekund.

For å oppnå denne suksessen måtte forskerne imidlertid polarisere terahertz‑blitsene på en spesiell måte. Her endret spesialoptikk retningen på strålingsosillasjonen slik at den beveget seg helicalt gjennom rommet.

Når de sirkulært polariserte blitsene treffer de små skivene, begynner frie elektroner i dem å sirkle, noe som i hovedsak gjør skivene til små elektromagneter.

Den enkle og svært effektive prosessen, ifølge forskerne, kan brukes i vitenskapelige eksperimenter for å få en mer detaljert forståelse av materialegenskaper. Merkverdig er at magnetfeltet forble unipolart, noe som gjør det gunstig for visse eksperimenter.

I fremtiden kan disse små magnetene til og med finne anvendelse i magnetisk lagringsteknologi og spintronikk.

Investere i grafen

Et selskap som skiller seg ut i grafensektoren er CVD Equipment Corporation (CVV ). Selskapet designer og produserer systemer brukt i kjemisk dampavsetning, en nøkkelteknikk for å produsere høy‑kvalitets grafen. Og etter hvert som industriene fortsetter å utforske virkelige anvendelser for grafen, spesielt innen elektronikk og materialvitenskap, kan CVDs nisjefokus gi dem en strategisk fordel etter hvert som etterspørselen øker.

CVD Equipment Corporation (CVV )

Det amerikanske CVD Equipment utvikler kjemisk dampavsetnings‑systemer (CVD), som brukes til å lage avanserte materialer som grafen, samt belegg brukt i energi, romfart og andre industrier.

Det tilbyr også grafen‑FoU og spesialisert produksjonsutstyr for å produsere høy‑kvalitets grafen i stor skala.

Selskapet opererer gjennom to segmenter. Det første er CVD Equipment, som designer og produserer fysisk damptransport, kjemisk dampavsetning og termisk prosessutstyr. Det andre er Stainless Design Concepts (SDC), som fokuserer på ultrahøy‑ren gass‑ og kjemikalieleveringskontrollsystemer.

Når det gjelder CVD‑aksjens markedsytelse, er den per nå handlet til $2,84, ned 34 % år‑til‑dato. Med dette har den oppnådd en markedsverdi på $20 millioner med en EPS (TTM) på -0,28 og en P/E (TTM) på -10,43.

Når det gjelder selskapets økonomi, rapporterte CVD en inntekt på $26,9 millioner for hele 2024, en økning på 11,5 % år‑over‑år. Dette ble primært drevet av økte inntekter fra pågående romfarts‑kontrakter, SDC‑segmentet, og $0,8 millioner i slutt‑salg fra MesoScribe‑segmentet, som avsluttet driften i fjor.

CVD Equipments bruttofortjenestemargin 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 grunn‑ og utvannet aksje.

I fjor så selskapet også en økning på 8,9 % i bestillinger av nye ordre, som nådde $28,1 millioner, mens utestående bestillinger ved årsslutt var $19,4 millioner.

«I løpet av 2024 fortsetter vi å se en pågående gjenoppretting i vårt romfarts‑ og forsvarsmarked», sa administrerende direktør Manny Lakios, mens han bemerket at silisiumkarbid‑markedet fortsatt er «utfordrende på grunn av overkapasitet og den globale nedgangen i wafer‑priser».

Siste nytt om CVD Equipment Corporation

Konklusjon

Kjent for å være lett, fleksibel, robust og ha høy elektrisk ledningsevne, har grafen blitt grundig forsket på og brukt i applikasjoner innen energi, elektronikk og helse‑sektoren.

Som vi nevnte ovenfor, utvider flere spennende utviklinger, som stille tale‑chokere og hjerte‑overvåkings‑tatoveringer, stadig grafenens verden. Nå legger den siste oppdagelsen av trekkspill‑effekten i grafen til enda en egenskap: økt strekkbarhet, som viser det magiske materialets kompatibilitet med bærbare enheter.

Kombinert med sine overlegne elektriske, mekaniske og biokompatible egenskaper, er grafen et svært lovende materiale for å drive neste generasjons smarte bærbare enheter!

Klikk her for å lære hvordan grafen vil spille en avgjørende rolle i 6G‑internett.

Studier referert:

1. Joudi, W., Windisch, R. S., Trentino, A., Propst, D., Madsen, J., Susi, T., Mangler, C., Mustonen, K., Libisch, F., & Kotakoski, J. (2025). Korrugasjon‑dominerende mekanisk mykgjøring av defekt‑ingeniørt grafen. 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 tekstil‑strekk‑sensorer redefinerer bærbare stille tale‑grensesnitt med høy maskinlærings‑effektivitet. NPJ Flexible Electronics, 8, 27. https://doi.org/10.1038/s41528-024-00315-1