Från blyertspenna till energieffektiv elektronik

Grafen gav nobelpriset i fysik 2010. Materialet består av kolatomer som breder ut sig i ett plan och bildar en två-dimensionell struktur. Nobelprismaterialet har en otrolig bredd av intressanta egenskaper. Det beror på kombinationen av kolatom och två dimensioner.

Kolatomen utgör grunden i allt liv. Den har varit inblandad i nobelpris inom kemi flera gånger. Det finns en växelverkan mellan kolatomer som ger upphov till starka bindningar mellan atomerna. När kolatomer binder till varandra så bildar de ett mönster som liknar ett hönsnät. Det är just bindningarna mellan kolatomer och möjligheten att binda till andra ämnen som gjort att kolatomen är intressant inom kemi. Genom att påverka bindningar till andra ämnen så kan man framställa nya läkemedel.

Grafen är kolatomer som bildar ett enda lager. Genom att stapla flera lager på varandra så får man grafit. Bindningarna mellan varje lager är svaga. Ett exempel av grafit är blyertspennan. En blyertspenna är en lång cylinder med pressad grafit och omges av trä. När man skriver med den, så skalar man av lager efter lager av kolatomer. De lossnar lätt eftersom bindningarna mellan lagren inte är starka. Skriver man riktigt svagt så skriver man kanske med grafen! Men det är kanske inte så lätt att läsa den tunna texten när man skriver med ett nobelprismaterial.

En stor utmaning inom framtidens elektronik är effektförluster i integrerad elektronik. Förlusterna resulterar i värme. En stor del inom elektroniken handlar om värmeavledning, från handhållna instrument (som har effektförluster på tusendelar av en watt) till datacentraler (som förbrukar flera miljarder watt varje år). I exempelvis USA används mer än 20 gigawatt inom IT, vilket motsvarar 5-10% av den nationella elektricitetsbudgeten i USA. Energiåtgången i datacentraler har fördubblats i USA räknat under fem år fram tills nobelpriset gavs till grafen. Och mer energi lär det gå åt i framtiden. Men kraven på kylning ökar med den högre energiåtgången. Liknande utmaningar finns inom processorer där operationsfrekvensen för snabbare datorer på flera GHz inte längre kan utvecklas lika fort eftersom värmeförlusterna blir för höga.

Grafen har stor potential att utveckla framtidens elektronik utifrån sina unika egenskaper. Bland annat är elektronerna upp till 100 gånger snabbare än i kisel som används idag för att göra processorer, och värmeavledningen hos grafen är bland de bästa som observerats från material. Detta kan leda till tillämpningar som ger snabbare elektronik samtidigt som värmeförlusterna är mindre jämfört med elektronik baserad på andra material. Det är ett stort steg från att vara grunden i grafit för våra blyertspennor.

Annons