Grafen - vad hände efter hypen?

Hypen i början

Grafen har anmärkningsvärda egenskaper: det är starkt, lätt och en utmärkt ledare av värme och elektricitet. Efter upptäckten 2004 tilldelades Andre Geim och Konstantin Novoselov 2010 års Nobelpris i fysik för sina banbrytande experiment med det tvådimensionella materialet grafen. 

Efter upptäckten utlöste grafen en enorm entusiasm på grund av dess till synes gränslösa potentiella tillämpningar, som sträckte sig från ultrasnabb elektronik och superstarka material till revolutionerande medicinsk utrustning och avancerade energilagringslösningar. Denna entusiasm var välgrundad, eftersom grafens unika egenskaper verkligen banade väg för banbrytande innovationer. 

Utmaningar inom kommersialisering 

Trots de lovande egenskaperna har det varit en utmaning att ta grafen från laboratoriet till marknaden. Ett stort hinder är svårigheterna och kostnaderna för att producera grafen av hög kvalitet i kommersiell skala. Även om små kvantiteter kan tillverkas relativt enkelt, är det fortfarande ett hinder att skala upp produktionen utan att äventyra dess egenskaper.

Trots detta har grafenmarknaden upplevt en betydande tillväxt på senare tid, och enligt Graphene Global market report 2024 expanderade den från 1,08 miljarder dollar 2023 till 1,32 miljarder dollar 2024, med en genomsnittlig årlig tillväxttakt (CAGR) på 22,1%. Denna trend förväntas fortsätta, och marknaden beräknas nå 2,98 miljarder USD år 2028, med en CAGR på 22,5%. 

Minskning av priset på grafen över tid 

Flinggrafen, även känt som nanoplatetter av grafen, har sett en betydande prisminskning under det senaste decenniet. Inledningsvis var produktionen av högkvalitativt flinggrafen mycket kostsam, med priser som nådde tusentals dollar per gram. Denna höga kostnad berodde på de komplexa och arbetsintensiva metoder som krävdes för att producera det i kommersiell skala.

Framsteg inom produktionstekniker, såsom exfoliering i flytande fas och elektrokemisk exfoliering, har dock drastiskt minskat dessa kostnader. Dessa metoder gör det möjligt att producera grafenflingor i större kvantiteter och till lägre kostnader. Som ett resultat av detta har priset på grafenflingor sjunkit avsevärt och finns nu i prisklassen 1000 dollar per gram till mindre än 100 dollar per gram. Det förväntas i allmänhet minska i takt med att produktionstekniken förbättras och skalas upp, med ansträngningar för att uppnå 10 USD per gram, vilket gör det mer tillgängligt för olika tillämpningar. Under tiden kan användarna trösta sig med att det finns många olika kvaliteter av grafen och att den dyraste inte alltid är optimal för alla tillämpningar. Dessutom räcker en liten mängd grafen långt i de flesta tillämpningar. 

Priset på CVD- och epitaxialgrafen har sjunkit. Till exempel har Graphenea, en ledande grafenproducent, konsekvent sänkt priserna, med en 15%-ig minskning av priserna på CVD-film som rapporterades i början av 2024. Sammantaget har båda dessa typer av grafen blivit mer prisvärda, men resan till kostnadseffektiv, storskalig produktion fortsätter att vara ett pågående arbete. 

Standardisering som ett verktyg för kommunikation och för att skapa förtroende

En annan utmaning under kommersialiseringen var den initiala bristen på gemensam förståelse för den vokabulär som beskriver grafen och relaterade 2D-material. För att förstå denna förvirring måste vi titta på skillnaderna mellan hur grafen definieras, ett enda lager av kolatomer ordnade i en bikakestruktur, och vad som finns kommersiellt tillgängligt. Detta kan ligga nära grafenark tillverkade med CVD och epitaxialgrafen som också finns tillgängligt. Det sätt på vilket grafenflingor tillverkas industriellt, t.ex. exfoliering av grafit, ger emellertid icke enhetliga flingor när det gäller flingstorlek, antal lager och defekter. Som ni ser finns det alltså redan många variabler som behövs för att beskriva kommersiella prover. En vanlig ”släkting” till grafen är dessutom grafenoxid, GO, och den reducerade versionen, rGO. För att göra saken ännu värre har det förekommit försäljning av ”falsk” grafen, som huvudsakligen består av grafit eller mikrografit. Följaktligen skapar bristen på reglering och standardisering förtroendeproblem bland säljare och köpare som hindrar industriell utveckling och framsteg.

Lyckligtvis finns det nu en global överenskommelse om vokabulären för grafenrelaterade 2D-material (ISO/TS 80004-13:2024), liksom flera standarder för analys av olika egenskaper hos grafen och klassificeringsramverk för grafenrelaterade 2D-material för att beskriva det kommersiella provet är på gång (ISO/CD TS 9651). 

"Hype and Disappointment"-kurvan

Grafenets resa kan kartläggas i Gartners Hype Cycle, en grafisk framställning av mognad, införande och social tillämpning av ny teknik. Inledningsvis upplevde grafen ”Peak of Inflated Expectations”, där mediernas och allmänhetens intresse ökade kraftigt. Detta följdes av ”desillusionens dal”, då kommersialiseringens utmaningar blev uppenbara. För närvarande klättrar grafen uppför ”upplysningens sluttning”, där mer praktiska och skalbara tillämpningar förverkligas. Grafen rör sig gradvis mot ”produktivitetens platå”, där dess fördelar blir allt mer allmänt erkända och använda.   

Verkliga tillämpningar

Trots de initiala utmaningarna är grafen långt ifrån bara en hype.  
Den beräknade tillväxten på grafenmarknaden drivs av miljöhänsyn, branschsamarbeten, marknadsexpansionsinsatser, optimering av leveranskedjan och ökande efterfrågan. Viktiga trender enligt Graphene Global Market Report 2024 förväntas inkludera ökad användning inom elektronik och halvledare, större användning i energilagringsapplikationer, inträde i hälso- och sjukvården och biomedicinska sektorer, framväxten av grafenförstärkta kompositer inom flyg- och fordonsindustrin och utvecklingen av hållbara, miljövänliga grafenbaserade produkter. 

Bortsett från tidiga användare av sportutrustning finns grafensuperkondensatorer redan på marknaden, liksom grafenförstärkta smörjmedel. Grafenförstärkta kompositer används redan för att skapa lättare och starkare material för bildelar och till och med flygkomponenter. I tillämpningar med hög volym, t.ex. byggmaterial, förväntas användningen av grafen att öka, till exempel utvecklas en rad grafeninfuserade murbruk med låga koldioxidutsläpp som är lämpliga för anläggningsarbeten.  
Ett av de mest lovande områdena för grafen är inom energilagring. Grafenbaserade batterier och superkondensatorer utvecklas för att erbjuda högre energitäthet och snabbare laddningstider jämfört med traditionell teknik.  
Inom elektroniken utforskas grafen för användning i flexibla displayer, höghastighetstransistorer och avancerade sensorer.  

Grafen och GO används ofta i membran för avsaltning, gasseparering och industriell vattenbehandling. Det finns nu en skalbar tillverkningsprocess som spolar ut remsor av grafen för användning i ultratunna membran. Inom området för biovetenskap finns det grafenbaserade biosensorer som används i medicinsk diagnostik och miljöövervakning, grafenoxidbaserade läkemedelstillförselsystem för att förbättra effektiviteten av behandlingar, med vissa produkter i kliniska prövningar, grafenbaserade antibakteriella beläggningar används på medicinsk apparater och implantat för att förhindra infektioner.

Framväxt av andra 2D-material

Forsknings- och utvecklingsinsatserna kring grafen har också öppnat dörren till en helt ny klass av material som kallas 2D-material. Dessa material, som inkluderar molybdendisulfid (MoS₂), hexagonal bornitrid (h-BN) och fosforen, delar några av grafens anmärkningsvärda egenskaper men erbjuder också sina egna unika egenskaper. Till exempel undersöks MoS₂ för sin potential inom flexibel elektronik och optoelektronik, medan h-BN är känt för sina utmärkta isoleringsegenskaper. En stor familj av tvådimensionella (2D) oorganiska föreningar är MXener (uttalas "max-eens"). De består av atomärt tunna lager av övergångsmetallkarbider, nitrider eller karbonitrider och har i sig god konduktivitet och utmärkt volymetrisk kapacitans.

RISE roll i utvecklingen av avancerade 2D-material 

Tillämpad forskning är avgörande för att flytta fram gränserna för vad grafen och andra 2D-material kan åstadkomma, vilket banar väg för nya och innovativa tillämpningar. Sverige har en stark position här, eftersom det strategiska innovationsprogrammet SIO Grafen har byggt ett starkt nätverk av partners från akademi, institut och företag, inklusive start-ups och små och medelstora företag.  

Research Institutes of Sweden (RISE) är aktiva inom forskning och utveckling med grafen och andra 2D-material. RISE har forskning inom bland annat dessa områden:

• funktionella ytbeläggningar,
• lättviktsmaterial och kompositer, 
• membran,  
• elektronik,  
• sensorer,  
• energi inklusive vätgas och batterier,  
• elektronik,  
• katalysatorer
• läkemedelstillförsel.  

Vi på RISE kan hjälpa dig att utveckla din grafenbaserade applikation genom att ge stöd i allt från tillämpad forskning till produktutveckling. Läs mer här:

Möjligheter med grafen och andra 2D-material

Slutsats 

EU ser avancerade material, inklusive material som grafen, som avgörande för att uppnå den gröna och digitala omställningen, och betonar deras roll för att driva innovation och hållbarhet inom olika sektorer. De ses som avgörande för Europas konkurrenskraft och strategiska självständighet.

Även om grafen ännu inte har revolutionerat världen så dramatiskt som man ursprungligen föreställde sig, gör det stadigt sitt avtryck i olika branscher. Vägen från hype till praktisk tillämpning är ofta lång och komplex, men de framsteg som gjorts hittills tyder på att grafenets potential är långt ifrån uttömd. Med pågående forskning och utveckling, med hjälp av institutioner som RISE, ser framtiden för grafen och andra 2D-material lovande ut.

När det gäller grafenets framtid tror jag att den är mycket lovande. Med kontinuerliga framsteg inom produktion och tillämpning har det potential att leva upp till sina tidiga förväntningar.