Grafenens dragspelseffekt driver framtiden för bärbar teknik

Det var först för ungefär två decennier sedan som grafen upptäcktes. På så kort tid har detta “mirakelmaterial” blivit en integrerad del av elektronik- och halvledarteknik, energilagring, termisk hantering, materialvetenskap och andra industrier. 

Sedan professorerna Kostya Novoselov och Andre Geim från Manchester-universitetet isolerade och karakteriserade grafen 2004, vilket gav dem Nobelpriset i fysik 2010, har materialet förblivit ett av de mest spännande forskningsområdena inom elektronik.

Grafen är ett tvådimensionellt (2D) material som består av ett extremt tunt blad med endast ett enda lager kolatomer. Det uppvisar anmärkningsvärda egenskaper, inklusive sin låga vikt, mycket hög elektrisk ledningsförmåga och stark mekanisk hållfasthet.

Nu har forskare upptäckt en ny egenskap hos grafen med en unik metod.

Dragspelseffekten: Gör grafen mycket töjbar 

Under ledning av Jani Kotakoski har teamet av fysiker vid universitetet i Wien för första gången gjort grafen avsevärt mer töjbar genom att spela den som ett dragspel. Denna nya egenskap avslöjades i en ren och luftfri mätningsmiljö.

Vågorna i grafen gör den töjbar, vilket banar väg för dess användning i bärbara enheter, där material måste böjas och röra sig med kroppen samtidigt som de fungerar pålitligt.

Publicerad i tidskriften Physical Review Letters¹, studien genomfördes i samarbete med Tekniska universitetet i Wien och finansierades av den österrikiska forskningsstiftelsen (FWF).

Forskarteamet genomförde experiment som faktiskt klargjorde att grafens extrema styvhet beror på att atomerna i materialet är arrangerade i en bikaksstruktur; därför minskar styvheten när vissa atomer och deras bindningar tas bort.

Vetenskapliga studier har faktiskt rapporterat motsägelser; både en liten minskning och en betydande ökning.

Den senaste studien gjorde detta mycket tydligt tack vare användning av avancerade enheter, som delade samma rena och luftfria miljö. Enligt Katokoshi:

“Detta unika system som vi har utvecklat vid universitetet i Wien gör det möjligt för oss att undersöka 2D-material utan störningar.” 

Den rena, luftfria miljön gör det möjligt att transportera prover mellan de olika enheterna utan att utsätta dem för omgivande luft.

“För första gången har denna typ av experiment utförts med grafen helt isolerad från omgivande luft och de främmande partiklar den innehåller. Utan denna separation skulle dessa partiklar snabbt lägga sig på ytan och påverka experimentproceduren och mätningarna.”

– Studien första författare, Wael Joudi

Detta fokus på materialytans renhet resulterade faktiskt i upptäckten av dragspelseffekten i samband med grafens styvhet.

Att ta bort två intilliggande atomer orsakar redan en märkbar uppsvällning av det ursprungligen plana materialet. Flera av dessa uppsvällningar tillsammans leder till en korrugering av materialet.

“Man kan föreställa sig det som ett dragspel. När det dras isär blir det vågiga materialet nu platt, vilket kräver mycket mindre kraft än att sträcka det plana materialet och därför blir det mer töjbart.” 

– Joudi

Bildandet av vågor och den efterföljande töjbarheten har bekräftats av simuleringarna utförda av Florian Libisch och Rika Saskia Windisch, teoretiska fysiker från Tekniska universitetet i Wien.

Studien rapporterade att materialets motstånd mot att deformeras elastiskt minskade från 286 till 158 N/m. Minskningen är “avsevärt större” än vad de flesta studier förutspår och även i kontrast till vissa presenterade mätningar, vilket beror på korrugeringar som produceras av lokala spänningar vid vakans med minst två saknade atomer.

Experimenten som teamet utförde demonstrerade ytterligare att “den motsatta effekten kan mätas när ytföroreningar inte avlägsnas innan defekt‑ingenjörskap.”

Alltså undertrycker främmande partiklar på materialytan faktiskt denna effekt och skapar till och med ett motsatt resultat. Speciellt gjorde påverkan av dessa partiklar grafen ännu styvare, vilket klargör de motsägelser som tidigare experiment rapporterat. Enligt Joudi:

“Detta visar vikten av mätmiljön när man arbetar med 2D-material. Resultaten öppnar en möjlighet att reglera grafens styvhet och därmed bana väg för potentiella tillämpningar.”

Pressar grafens gränser med banbrytande upptäckter

Bärbar teknik är en blomstrande industri, förväntad att växa till över 150 miljarder dollar innan årtiondet är slut.

En nyckelkomponent i bärbara enheter såsom smartklockor, ringar, glasögon, armband, smarta tatueringar, smycken, textilier, bandage, ansiktsmasker och en realtidsglukosreglerare är sensorer, som möjliggör detektering av biometriska data, samlar in information och sedan anpassar sig till kroppens behov.

Den snabba utvecklingen av flexibla, uppfattningsbara elektriska enheter har lett till grafenbaserade bärbara sensorer, som är anmärkningsvärda för sin stora potential att göra vårdinrättningar mer tillgängliga och förbättra kvaliteten på avkänningsaktiviteter.

Till skillnad från traditionella halvledare, som är styva och har begränsade optoelektroniska egenskaper, samt metaller, som kan vara dyra, giftiga och uppleva försämrad prestanda under mekanisk belastning, gör grafens inneboende egenskaper den mycket lämplig för att bygga kostnadseffektiva och multifunktionella bärbara enheter.

Den senaste studien har visat materialets fantastiska förmåga i dessa enheter tack vare den dramatiska ökningen av dess töjbarhet. Men det är inte första gången; under åren har många studier undersökt grafens roll i bärbara enheter av olika skäl och gjort många nya upptäckter om den.

Klicka här för att lära dig varför rengöring av grafen banar vägen för dess kommersialisering.

Grafenbaserad bärbar töjningssensor 

Förra året utvecklade forskare utvecklade² en bärbar töjningssensor med grafen som kan upptäcka och sända tyst tal.

Den ‘smarta’ choker som byggts av forskare från University of Cambridge fångar mikrorörelser i halsen, vilka tas upp av töjningssensorn som en elektrisk signal och sedan matas in i mjukvarumodeller för bearbetning och taligenkänning. Den kan till och med upptäcka tyst uttalade ord och sända dem.

Den bärbara enheten har en distinkt struktur, med ordnade, genomgående sprickor på grafenbelagda textilier, vilket avsevärt ökar känsligheten. Det överliggande strukturerade grafenlagret applicerades på en integrerad textil töjningssensor.

Tillverkningsmetoden för teknologin är också enkel, skalbar, kostnadseffektiv och biokompatibel. Enheten är anpassningsbar för långvarig användning och kan uthärda över 10 000 töjnings‑släpp‑cykler samtidigt som den behåller stabil och pålitlig elektrisk funktion.

Genom att dynamiskt svara på halsens mikrorörelser kan den fånga informationsrika talssignaler, som bearbetas genom ett neuralt nätverk, med en rekordnoggrannhet på 95,25 % i talavkodning.

Enheten har enligt forskarna potential att omdefiniera området för tysta talgränssnitt (SSI), som innebär banbrytande lösningar för att möjliggöra verbal kommunikation utan vokalisering.

Kombinera grafen med silke för flexibel elektronik

I en annan studie utvecklade forskare vid Department of Energy’s Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) utvecklade ett enhetligt 2D‑lager av “fibroiner” eller fragment av silkeprotein på grafen.

Användningen av silkeprotein i designer‑elektronik är inte ny, men den är begränsad eftersom silkesfibrer är en rörig trassel av trådar. Därför tillsätts grafen.

Silke‑på‑grafen kan potentiellt skapa en mycket eftertraktad känslig, justerbar transistor för hälso‑ och bärbara sensorer. Den kan även fungera som en avgörande komponent i “memristorer” som används i neurala nätverk och låter datorer efterlikna hur den mänskliga hjärnan fungerar.

Silke har varit föremål för mycket forskning som ett sätt att modulera elektroniska signaler, men att uppnå kontroll är inte enkelt. Således kontrollerade PNNL‑teamet noggrant reaktionsförhållandena genom att exakt tillsätta enskilda silkestrån till det vattenbaserade systemet som skapade ett högst organiserat 2D‑lager av proteiner packade i parallella β‑blad.

Detta är bara det första steget i kontrollerad silkelagering på funktionella elektroniska komponenter, med framtida forskning inriktad på att förbättra stabiliteten och ledningsförmågan hos silke‑integrerade kretsar.

Ett grafen‑‘tatuerings’implantat för att behandla oregelbundna hjärtslag

Samtidigt utvecklade forskare från University of Texas at Austin (UT) och Northwestern University utvecklade det första hjärtimplantatet med grafen för att behandla hjärtarytmi.

Sådana störningar uppstår när hjärtat slår antingen för långsamt eller för snabbt, och i många fall kan detta leda till stroke, hjärtsvikt och till och med plötslig död. För att behandla arytmi använder läkare vanligtvis implanterbara pacemakers som upptäcker oregelbundna hjärtslag och använder elektrisk stimulering för att korrigera rytmen.

Dessa enheter kräver hårda, styva material som inte är mekaniskt kompatibla med kroppen och därför är svåra att fästa på hjärtats yta. De kan orsaka tillfällig obehag, skada mjukvävnad, begränsa naturliga rörelser och ge komplikationer.

Till skillnad från dessa är det nya biokompatibla implantatet ett grafen‑“tatuerings” som i utseende liknar en tillfällig tatuering. Det är tunnare än ett enda hårstrå, men fungerar som en klassisk pacemaker.

Den nya tunna enheten smälter mjukt in i hjärtat för att både känna av och behandla oregelbundna hjärtslag. Den är tillräckligt flexibel för att anpassa sig till hjärtats delikata konturer och stark nog att hantera de dynamiska rörelserna hos ett slående hjärta.

“Av biokompatibilitetsskäl är grafen särskilt attraktivt. Kol är livets grund, så det är ett säkert material som redan används i olika kliniska tillämpningar. Det är också flexibelt och mjukt, vilket fungerar bra som ett gränssnitt mellan elektronik och ett mjukt, mekaniskt aktivt organ.”

– Seniorförfattare Igor Efimov

För att kapsla in grafen‑tatuerings och få den att fästa på ytan av ett slående hjärta, inkapslades grafen i ett silikon elastiskt membran med ett hål för att nå grafenelektroden. Ett 10‑mikron‑tjockt guldband placerades sedan på det inkapslande lagret som en anslutning mellan grafen och den externa elektroniken som användes för att mäta och stimulera hjärtat.

Den resulterande totala tjockleken på enheten var cirka 100 mikrometer, och den behöll stabilitet i 60 dagar, jämförbart med varaktigheten för tillfälliga pacemakers.

För att testa enheten implanterade forskarna den i en råtta och fann att den framgångsrikt kan känna av oregelbundna hjärtrytmer och sedan leverera elektrisk stimulering via en serie pulser utan att påverka hjärtats naturliga rörelser.

Anmärkningsvärt är att teknologin är optiskt transparent, vilket innebär att forskare kan använda en extern källa av optiskt ljus för att registrera och stimulera hjärtat genom enheten. Detta erbjuder ett nytt tillvägagångssätt för att identifiera och behandla hjärtrelaterade sjukdomar och skapar nya möjligheter för optogenetik.

Även ofullständig grafen har stora fördelar

För mindre än två år sedan utvecklade forskare från Tekniska universitetet i Wien faktiskt en datormodell av realistiska grafenstrukturer, som visade att grafens utmärkta elektroniska egenskaper är mycket stabila. Detta innebär att även mindre perfekta grafenbitar kan användas för teknologiska tillämpningar.

Så beräknas den elektriska strömmen i grafen på atomär skala i en mycket liten del av den. Professor Florian Libisch från Institutet för teoretisk fysik vid TU Wien förklarade då att elektroner har flera olika sätt att röra sig genom materialet, och dessutom kan de ta flera vägar samtidigt, vilka kan överlappa på olika sätt.

Vägarna tar ut varandra vid mycket specifika energivärden, där sannolikheten för att elektroner passerar genom grafen är extremt låg och den elektriska strömmen är minimal, vilket kallas “destruktiv interferens”.

Den dramatiska minskningen av strömflödet vid mycket specifika energivärden är “en högst önskvärd effekt teknologiskt”, vilket kan användas för att bearbeta information på en mycket liten skala, likt hur elektroniska komponenter fungerar i datorkretsar, och för utveckling av nya kvantsensorer.

Det är dock inte så enkelt, eftersom grafens storlek och form inte alltid är desamma. Andra faktorer som oönskade atomer, atomer som vibrerar, och många interaktioner mellan flera elektroner, som är mycket svåra att beräkna, måste tas med för att “beskriva materialet grafen på ett verkligt realistiskt sätt”.

Så kombinerade forskarna sina år av erfarenhet av att exakt beskriva olika effekter i material i datormodeller för att utveckla en omfattande modell som inkluderar alla relevanta felkällor och störningseffekter som finns i grafer. Detta gjorde det möjligt för dem att visa att de önskade effekterna är synliga även när det finns felkällor.

Studien har varit viktig för att demonstrera potentialen att använda kvanteffekter i grafen på ett kontrollerat sätt.

Omvandla grafen till små magneter

Mitt i allt detta tillade tyska experter ytterligare en aspekt av grafens mångsidiga egenskaper som visade materialets potential i magnetiska omkopplare och lagringsenheter.

Forskare från University of Duisburg-Essen (UDE) genomförde experiment vid Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), där de avfyrade korta terahertz‑pulser (THz) på små skivor av materialet, vilket mycket kortvarigt förvandlade dem till mycket starka magneter. Denna upptäckt kan vara användbar för att utveckla framtida magnetiska omkopplare och lagringsenheter.

Så, vad forskarna gjorde här var att de använde befintliga halvledarmetoder för att placera tusentals grafenskivor i mikrometerstorlek (μm) på ett litet chip, som sedan utsattes för korta terahertz‑pulser, en strålningstyp som ligger mellan mikrovågs‑ och infraröda området.

För ljuskällan använde de en FELBE-fri‑elektronlaser vid HZDR som kan producera ultra‑intensa terahertz‑pulser.

Förutom att mikrometer‑stora grafenskivor omvandlades till elektromagneter, genererade teamet även magnetfält i intervallet 0,5 Tesla, cirka 10 000 gånger jordens magnetfält, vilket bara varade i tio picosekunder eller en hundradel av en miljarddel.

För att uppnå denna framgång var forskarna tvungna att polarisera terahertz‑blänken på ett särskilt sätt. Här ändrade specialiserad optik riktningen på strålningens oscillation så att den rörde sig helicalt genom rymden.

När de cirkulärt polariserade blänken träffar de små skivorna, börjar fria elektroner i dem cirkulera, vilket i princip förvandlar skivorna till små elektromagneter.

Den enkla och mycket effektiva processen, enligt forskarna, kan användas för vetenskapliga experiment för att få en mer detaljerad förståelse av materialegenskaper. Noterbart är att magnetfältet förblev unipolärt, vilket gör det fördelaktigt för vissa experiment.

I framtiden kan dessa små magneter till och med hitta tillämpning i magnetisk lagringsteknik och spintronik.

Investera i grafen

Ett företag som sticker ut i grafensektorn är CVD Equipment Corporation (CVV ). Företaget designar och tillverkar system som används i kemisk ångdeposition, en nyckelteknik för att producera högkvalitativ grafen. Och när industrier fortsätter att utforska verkliga tillämpningar för grafen, särskilt inom elektronik och materialvetenskap, kan CVD:s nischfokus ge dem en strategisk fördel när efterfrågan ökar.

CVD Equipment Corporation (CVV )

Det USA-baserade CVD Equipment utvecklar kemisk ångdepositions‑system (CVD), som används för att skapa avancerade material såsom grafen, samt beläggningar som används inom energi, rymd och andra industrier.

Det erbjuder också grafen‑F&U och specialiserad produktionsutrustning för att producera högkvalitativ grafen i stor skala.

Företaget verkar genom två segment. Det första är CVD Equipment, som designar och tillverkar fysisk ångtransport, kemisk ångdeposition och termiska processsystem. Det andra är Stainless Design Concepts (SDC), vars fokus är på ultra‑ren gas‑ och kemikalieleveranskontrollsystem.

När det gäller CVD‑aktiens marknadsresultat, vid skrivandet handlas den till $2,84, ner 34 % år‑till‑datum. Med detta har den uppnått ett börsvärde på $20 miljoner med ett EPS (TTM) på -0,28 och ett P/E (TTM) på -10,43.

När det gäller företagets finanser rapporterade CVD en omsättning på $26,9 miljoner för hela 2024, en ökning med 11,5 % år‑till‑år. Detta drevs främst av ökade intäkter från pågående rymdkontrakt, SDC‑segmentet och $0,8 miljon i slutförsäljning av MesoScribe‑segmentet, som avslutade sin verksamhet förra året.

CVD Equipments bruttovinstmarginal ökade med 2,6 % till 23,6 % år 2024. Rörelseförlusten för perioden var $2,4 miljoner och nettoförlusten $1,9 miljoner, eller $0,28 per grundläggande och utspädd aktie.

Förra året såg företaget också en ökning med 8,9 % i bokningar av nya order, som nådde $28,1 miljoner, medan orderstocken vid årets slut var $19,4 miljoner.

“Under 2024 fortsätter vi att se en pågående återhämtning av vår marknad för rymd‑ och försvar,” sade VD Manny Lakios och noterade att kiselkarbidmarknaden förblir “utmanande på grund av överkapacitet och den globala nedgången i wafer‑priser.”

Senaste om CVD Equipment Corporation

Slutsats

Känd för att vara lätt, flexibel, tålig och ha hög elektrisk ledningsförmåga, har grafen omfattande forskats på och använts i tillämpningar inom energi-, elektronik- och hälsosektorerna.

Som vi nämnde ovan, expanderar flera spännande utvecklingar, som tysta tal‑chokers och hjärt‑övervakande tatueringar, ständigt grafens värld. Nu lägger den senaste upptäckten av dragspelseffekten i grafen till ytterligare en egenskap: förbättrad töjbarhet, vilket visar det magiska materialets kompatibilitet med bärbara enheter.

Kombinerat med dess överlägsna elektriska, mekaniska och biokompatibla egenskaper är grafen ett mycket lovande material för att driva nästa generations smarta bärbara enheter!

Klicka här för att lära dig hur grafen kommer att spela en avgörande roll i 6G‑internet.

Refererade studier:

1. Joudi, W., Windisch, R. S., Trentino, A., Propst, D., Madsen, J., Susi, T., Mangler, C., Mustonen, K., Libisch, F., & Kotakoski, J. (2025). Korrugationsdominerad mekanisk mjukgörning av defekt‑engineerad 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). Ultrasensitiva textila töjningssensorer omdefinierar bärbara tysta talgränssnitt med hög maskininlärningseffektivitet. NPJ Flexible Electronics, 8, 27. https://doi.org/10.1038/s41528-024-00315-1