Johan Warell, NE-redaktör
Kol är ett mångfasetterat och unikt material. Det har borgat för den industriella revolutionen och utgör möjligen grunden för en kanske lika betydande framtida teknikrevolution.
Kol i mänsklighetens tjänst
Ordet kol leder kanske tanken till den svarta stenkolen, en bergart som bryts i stor skala för energiutvinning. Lika lätt faller nog tankarna på den helt rena och mycket hårda varianten diamant. Kol förekommer också som grafit i blyertspennor och är i denna form mycket mjukt. Men det finns också vitt kol, chaoit, bland annat i omvandlad gnejs och i meteoriter.
Än mer exotiska former av rent kol är kända. Fullerener är boll- och cylinderformiga strukturer bestående av hundratals kolatomer. Även om existensen hade förutsagts långt tidigare upptäcktes den första fullerenen 1985. Denna 60-atomiga ihåliga sfär kom att få namnet buckminsterfulleren efter den arkitekt, R. Buckminster Fuller, som skapade den geodetiska domen baserad på samma struktur. Cylindriska fullerener, nanorör, upptäcktes så sent som 1991. Nanorören är starkare än både diamant och stål men lättare än bomull!
En livsnödvändig atom
Kol är en nödvändig ingrediens i biologiskt liv såsom vi känner det. Jordiskt liv hade varit omöjligt utan kolets unika kemiska och fysikaliska egenskaper. Kolatomens förmåga att binda med andra atomer har givit upphov till den enorma komplexiteten i stora kolrika molekyler, såsom nukleinsyrorna RNA och DNA. Kolets stora reaktionsbenägenhet uppväger på detta sätt det faktum att det bara är det femtonde vanligaste grundämnet på jorden. Kolatomen har varit förutsättningen för utvecklingen av membranförsedda celler med egen energiomsättning, skydd mot omvärlden, fortplantning och evolution. Från det enklaste livet tog det fyra miljarder år innan människan uppkom.
|
|
|
Nobelpristagarna i fysik 2010 är (från vänster) Andre Geim och Konstantin Novoselov. |
|
JON SUPER/AP/SCANPIX |
Så till årets nobelpris i fysik, som inte otippat rör just kol. Kanske är det inte heller helt otippat att priset utdelades för upptäckten av en ny form av kol, grafen, med mycket eftertraktade egenskaper. Kol upphör inte att överraska, och vi bör vara beredda på fler nyheter av detta slag när kolet även fortsättningsvis utforskas.
Grafen ser dagens ljus
Början till grafenets upptäckt låg i experiment avsedda att finna nya metoder för att producera nanorör. Nobelopristagarna Andre Geim och Konstantin Novoselov använde vanlig tejp för att avlägsna mycket tunna kolskikt från grafit, som består av löst sammanfogade skikt av kolatomer. De flesta trodde att dessa små bitar av grafit skulle krulla sig naturligt till nanorör. Efter många försök lyckades de få fram mikroskopiskt små bitar av hårt bundna kolatomer som bara var ett atomlager tjockt. Mot förmodan visade det sig att skikten förblev platta. Materialet grafen var fött! Grafen är världens tunnaste material — tjockleken kan jämföras med ett A4-papper av Smålands storlek.
|
|
|
Ett grafenskikt är endast en kolatom tjockt men ändå det starkaste kända materialet. |
|
ANDRE GEIM & KOSTYA NOVOSELOV/SPL/IBL |
Atomerna är regelbundet ordnade i ett sexkantigt mönster, som kan likas vid ett hönsnät med kolatomerna i sammanbindningspunkterna. Denna struktur är nyckeln till grafenets unika egenskaper. Grafenformen av kol visade sig vara starkare än till och med nanorör. Grafen leder elektricitet bättre än koppar, och det leder värme bättre än något annat känt material. Det är nästan helt genomsläppligt för synligt ljus. En annan helt unik egenskap är att elektronerna i materialet rör sig utan motstånd med extrema hastigheter i kristallstrukturen. Det innebär att de rör sig som om de vore masslösa. Sådana förhållanden uppnås annars bara i högenergiexperiment med partikelacceleratorer.
Nya material och ny fysik
Grafenets egenskaper förväntas leda till helt nya material och elektroniska komponenter. Genomskinligheten och den elektriska ledningsförmågan gör att grafenet kan användas i dator- och pekskärmar, mobiltelefoner, solceller och ljuspaneler. Dessutom hoppas man på utveckling av en ny generation stryktåliga, mikroskopiskt små och supersnabba datorkomponenter. Redan i dag finns prototyper till grafittransistorer som jämfört med traditionella kiselbaserade transistorerna är både mindre och snabbare. Genom att tillsätta en liten mängd grafen i plast kan plasten göras starkare, mer värmetålig och dessutom elektriskt ledande. Detta material är tunt, lätt och elastiskt och förväntas få stor användning i kompositmaterial för konstruktion av bilar, flygplan och satelliter.
Utvecklingen av grafenmaterialet och forskningen om dess egenskaper går blixtsnabbt. Redan i dag kan upp till 70 cm breda filmer av atomtjockt grafen produceras. Men inte bara de tekniska användningsmöjligheterna lockar. Grafenets egenskaper öppnar för studier av kvantmekaniska system som annars är möjliga bara vid mycket höga energier. Fördelarna med detta är svåra att överskatta. Materialet kommer att ge forskarna möjligheter att testa nya teorier inom fysiken som inverkar på allt från datorns hastighet till svarta håls egenskaper och universums uppkomst.
Temaartikel ur Nationalencyklopedins årsbok 2010
Nobelpriset 2010: Fysik
http://www.ne.se/rep/nobelpriset-2010-fysik
Nationalencyklopedin, 2012-05-27
Kopiera källangivelse
