Grafeeni – maailman lujin materiaali: ominaisuudet ja käyttökohteet

Grafeeni on yhden atomin paksuinen hiilikerros, joka nousi maailman otsikoihin vuonna 2008, kun Yhdysvaltain Columbian yliopiston tutkijat mittasivat sen lujimmaksi koskaan mitatuksi materiaaliksi. Vaikka aihe ei ole enää uusi, grafeeni on yhä yksi materiaalitieteen kiehtovimmista läpimurroista: se on samaan aikaan äärimmäisen kevyttä, poikkeuksellisen lujaa, lähes läpinäkyvää ja johtaa sähköä paremmin kuin kupari. Tässä artikkelissa käydään läpi, mitä grafeeni oikeastaan on, miten se löydettiin, miksi se on niin lujaa ja mihin sitä käytetään tänä päivänä.

Mitä grafeeni on?

Grafeeni on kaksiulotteinen materiaali, joka koostuu yhdestä ainoasta kerroksesta hiiliatomeja. Atomit ovat järjestäytyneet säännölliseen, hunajakennoa muistuttavaan kuusikulmiohilaan. Kerros on vain yhden atomin paksuinen – noin 0,34 nanometriä eli alle miljoonasosan millimetristä – ja silti se muodostaa yhtenäisen, kestävän verkon.

Grafeeni on itse asiassa saman aineen rakennuspalikka, jota löytyy jokaisen lyijykynän kärjestä. Grafiitti, eli lyijykynän ”lyijy”, koostuu lukemattomista päällekkäisistä grafeenikerroksista. Kun kynällä kirjoitetaan, näitä kerroksia irtoaa paperille. Yksittäisen kerroksen eristäminen osoittautui kuitenkin pitkään erittäin vaikeaksi, sillä tutkijat epäilivät, pystyisikö näin ohut kaksiulotteinen kide ylipäätään pysymään koossa ilman alustaa.

Hiili on sama alkuaine, joka esiintyy myös timanttina ja hiilinanoputkina. Erona on se, miten atomit ovat sitoutuneet toisiinsa. Timantissa hiiliatomit muodostavat kolmiulotteisen, erittäin kovan ristikon, kun taas grafeenissa jokainen atomi on sitoutunut kolmeen naapuriinsa samassa tasossa. Juuri nämä vahvat, tasomaiset hiili–hiili-sidokset selittävät suuren osan grafeenin poikkeuksellisista ominaisuuksista. Käytännön sovelluksissa yksittäisiä grafeenikerroksia voidaan ladota päällekkäin, jolloin saadaan halutun paksuinen ja vahvuinen materiaali.

Grafeenin löytö ja Nobel-palkinto

Grafeeni eristettiin ensimmäisen kerran vuonna 2004 Manchesterin yliopistossa. Fyysikot Andre Geim ja Konstantin Novoselov käyttivät yllättävän yksinkertaista menetelmää: he irrottivat grafiittilohkareesta ohuita kerroksia tavallisella teipillä ja toistivat tempun, kunnes jäljelle jäi vain yhden atomin paksuinen kerros. Tätä kutsutaan mekaaniseksi eksfoliaatioksi eli kansankielellä ”teippimenetelmäksi”. Harvinaiset yksikerroksiset hiutaleet tunnistettiin optisella mikroskoopilla piidioksidialustan päältä.

Löytö oli niin merkittävä, että Geim ja Novoselov palkittiin fysiikan Nobelilla vuonna 2010. Ruotsin kuninkaallinen tiedeakatemia perusteli palkintoa ”uraauurtavilla kokeilla kaksiulotteisen grafeenimateriaalin parissa”. Tutkijat osoittivat myös, että grafeeni ei ole pelkkä kuriositeetti: jo vuonna 2005 he havaitsivat, että elektronit liikkuvat materiaalissa kuin massattomat hiukkaset, mikä tekee siitä poikkeuksellisen hyvän sähkönjohteen. Grafeenin tarina on hieno esimerkki siitä, miten yksinkertainen oivallus voi mullistaa kokonaisen tieteenalan – samaan tapaan kuin monet kautta aikojen tehdyt keksinnöt ovat syntyneet arkisista havainnoista.

Miksi grafeeni on niin lujaa?

Grafeenin lujuus mitattiin tarkasti vuonna 2008, kun Columbian yliopiston tutkijaryhmä (Changgu Lee, James Hone ja kollegat) julkaisi tuloksensa arvostetussa Science-lehdessä. Kokeessa yhden atomin paksuinen grafeenikalvo pingotettiin piikiekkoon porattujen pienten reikien päälle, ja kalvoa painettiin timanttikärkisellä atomivoimamikroskoopin neulalla, kunnes se murtui. Tätä menetelmää kutsutaan nanoindentaatioksi.

Tulokset olivat hämmästyttäviä. Grafeenin kimmomoduuli eli jäykkyys on noin 1 terapascal (TPa) ja sen sisäinen vetolujuus noin 130 gigapascalia (GPa). Käytännössä tämä tekee grafeenista arviolta noin 200 kertaa lujempaa kuin rakenneteräs, kun lujuutta mitataan samalla painolla. Juuri näiden mittausten perusteella grafeenia alettiin kutsua maailman lujimmaksi koskaan mitatuksi materiaaliksi – uutinen levisi tuolloin nopeasti myös muotoilu- ja teknologiamediassa.

Professori James Hone havainnollisti tulosta tunnetulla vertauksella: kuvittele, että muovikelmu pingotetaan kahvikupin päälle ja sitä yritetään puhkaista kynällä. Jos kelmu olisi grafeenia, kynää pitäisi painaa kokonaisen henkilöauton painolla ennen kuin kalvo antaisi periksi. Myöhemmässä Columbian materiaalissa sama ajatus esitettiin kuvauksella norsusta, joka tasapainoilee kynän päällä.

Lujuuden salaisuus piilee hiili–hiili-sidosten vahvuudessa ja siinä, että testatut näytteet olivat täysin virheettömiä. Tämä on tärkeä varaus: ennätyslujuus pätee vain pieniin, täydellisiin näytteisiin. Suuremmassa mittakaavassa – kahvikupin tai auton kokoluokassa – mikä tahansa materiaali sisältää halkeamia ja virheitä, jotka heikentävät sitä. Myöhemmät tutkimukset ovat silti osoittaneet, että myös monista pienistä kiteistä koottu grafeeni säilyttää lähes koko lujuutensa.

Grafeenin muut poikkeukselliset ominaisuudet

Lujuus on vain osa grafeenin kiehtovuutta. Yhdistelmä erilaisia huippuominaisuuksia samassa materiaalissa tekee siitä tutkijoiden mielestä niin lupaavan:

• Erinomainen sähkönjohtavuus: Grafeeni johtaa sähköä jopa paremmin kuin kupari. Sen elektronien liikkuvuus on erittäin suuri, mikä tekee siitä kiinnostavan nopeiden elektroniikkakomponenttien ja antureiden kannalta.
• Huippuluokan lämmönjohtavuus: Yksikerroksisen grafeenin lämmönjohtavuus on noin 3 000–5 300 W/mK, selvästi enemmän kuin kuparilla tai hopealla. Tämä on hyödyllistä esimerkiksi elektroniikan jäähdytyksessä.
• Lähes läpinäkyvää: Yksi grafeenikerros imee itseensä vain noin 2,3 prosenttia näkyvästä valosta, eli se läpäisee valoa noin 97,7-prosenttisesti. Siksi sitä tutkitaan läpinäkyvien, taipuisien näyttöjen ja aurinkokennojen materiaalina.
• Kevyttä ja joustavaa: Koska materiaali on vain atomin paksuinen, se on erittäin kevyttä mutta samalla taipuisaa ja venyvää.
• Läpäisemätöntä: Tiiviistä hilarakenteestaan johtuen grafeeni estää jopa heliumatomien läpipääsyn, mikä tekee siitä kiinnostavan suojakalvojen ja suodattimien kannalta.

Tämä ominaisuuksien yhdistelmä on harvinainen. Esimerkiksi metallit johtavat sähköä hyvin mutta eivät ole läpinäkyviä, ja lasi on läpinäkyvää mutta eriste. Samankaltaista materiaalien hienosäätöä hyödynnetään myös muualla modernissa teknologiassa, kuten valokuidun valmistuksessa, jossa äärimmäisen puhtaasta lasista syntyy internetin selkäranka.

Miten grafeenia valmistetaan?

Grafeenin yleistymistä on pitkään jarruttanut sen valmistus. Alkuperäinen teippimenetelmä tuottaa erittäin laadukasta grafeenia, mutta vain mikroskooppisen pieniä hiutaleita kerrallaan – se sopii tutkimukseen, ei teolliseen tuotantoon. Nykyään käytössä on useita menetelmiä, joilla on omat vahvuutensa ja heikkoutensa:

• Mekaaninen eksfoliaatio (teippimenetelmä): Tuottaa laadukkainta grafeenia, mutta vain pieninä määrinä. Käytetään lähinnä laboratorioissa.
• Kemiallinen kaasufaasikasvatus (CVD): Grafeenia kasvatetaan metallipinnalle, tyypillisesti kuparin päälle, kuumassa kaasukehässä. Menetelmällä saadaan suuria, yhtenäisiä kalvoja, mutta se on hidasta ja kallista.
• Pelkistetty grafeenioksidi (rGO): Grafiitti hapetetaan ja pelkistetään takaisin jauhemaiseksi grafeeniksi. Menetelmä on edullinen ja soveltuu suuriin määriin, mutta lopputuote on laadultaan heikompaa ja täynnä virheitä.
• Nestefaasieksfoliaatio: Grafiitti hajotetaan nesteeseen ohuiksi hiutaleiksi. Sopii hyvin esimerkiksi maalien ja komposiittien lisäaineiksi.

Juuri laadukkaan grafeenin edullinen massatuotanto on yhä alan suurimpia haasteita. Korkealaatuinen materiaali on kallista, ja halpa materiaali ei useinkaan yllä laboratorioennätysten tasolle.

Grafeenin käyttökohteet

Vuonna 2008 grafeenia osattiin valmistaa vain pieninä paloina, ja sitä käytettiin lähinnä sähköä johtavissa komponenteissa. Reilussa 15 vuodessa tilanne on muuttunut: grafeenia hyödynnetään jo useissa kaupallisissa tuotteissa, vaikka moni sovellus on edelleen tutkimusvaiheessa. Keskeisiä käyttökohteita ovat:

• Komposiitit: Grafeenia lisätään muoveihin ja hartseihin pieninä määrinä parantamaan lujuutta, iskunkestävyyttä ja keveyttä. Tämä on yksi pisimmälle ehtineistä sovelluksista, ja sitä hyödynnetään esimerkiksi auto- ja urheiluvälineteollisuudessa. Hiilipohjaisten materiaalien keveys ja lujuus näkyvät myös arkisemmissa tuotteissa, kuten hiilikuidusta valmistetuissa pelikorteissa.
• Pinnoitteet: Grafeenipohjaisia pinnoitteita käytetään korroosion- ja kulutuksenkestoon. Esimerkiksi laivojen runkopinnoitteissa niillä pyritään vähentämään kitkaa ja polttoaineenkulutusta.
• Akut ja energianvarastointi: Grafeenia tutkitaan litiumioniakkujen ja superkondensaattoreiden materiaalina, tavoitteena suurempi energiatiheys ja nopeampi lataus. Suuri osa tästä on vielä tuotekehitysvaiheessa.
• Betoni ja rakentaminen: Pieni määrä grafeenia sementtiin on koetuloksissa parantanut betonin puristuslujuutta. Kaupallinen käyttö on vasta pilottivaiheessa.
• Anturit ja elektroniikka: Grafeenin herkkyys ja sähkönjohtavuus tekevät siitä lupaavan materiaalin erittäin tarkoissa antureissa ja nopeissa elektroniikkakomponenteissa.
• Suodatus: Grafeenioksidista valmistettuja kalvoja tutkitaan veden puhdistukseen ja suolanpoistoon, koska ne päästävät vesimolekyylit läpi mutta pidättävät epäpuhtauksia.

Onko grafeeni edelleen maailman kestävin materiaali?

Lyhyt vastaus: kyllä, kun puhutaan mitatusta vetolujuudesta. Grafeeni on edelleen lujin materiaali, jonka lujuus on käytännössä mitattu laboratoriossa. Teoriassa joitakin rakenteita, kuten yksittäistä hiiliatomiketjua (karbyyni), on ennustettu vieläkin lujemmiksi, mutta niitä ei ole pystytty valmistamaan ja testaamaan kokonaisina rakenteina samalla tavalla.

On tärkeää erottaa toisistaan lujuus ja kovuus. Timantti on edelleen yksi kovimmista tunnetuista luonnonmateriaaleista eli se naarmuuntuu erittäin vaikeasti, mutta se on hauras ja voi lohjeta. Grafeeni puolestaan kestää poikkeuksellisen suuria vetovoimia murtumatta. Alla olevassa taulukossa grafeenia verrataan muihin tunnettuihin lujiin materiaaleihin. Materiaalitieteen kehitys on jatkuvaa, ja uusia ratkaisuja syntyy vähän väliä – kuten aikoinaan kokeilut läpinäkyvän alumiinin parissa osoittivat.

Taulukon luvut ovat suuntaa antavia, sillä lujuus riippuu paljon näytteen puhtaudesta ja valmistustavasta. Grafeenin huippuarvot pätevät vain virheettömiin, mikroskooppisen pieniin näytteisiin.

Yleisimmät väärinkäsitykset grafeenista

Grafeeniin liittyy paljon innostusta mutta myös liioittelua. Tässä muutama yleinen väärinkäsitys:

• ”Grafeeni on lujaa myös suurina kappaleina.” Ennätyslujuus pätee vain atomitasolla virheettömissä näytteissä. Suuressa mittakaavassa materiaalin virheet heikentävät sitä, aivan kuten muitakin aineita.
• ”Grafeeni on jo kaikkialla.” Vaikka kaupallisia tuotteita on, moni näyttävä sovellus – kuten grafeeniakut tai läpinäkyvät näytöt – on yhä tutkimus- tai pilottivaiheessa. Laadukkaan grafeenin edullinen massatuotanto on yhä kesken.
• ”Grafeeni on uusi ihmekeksintö.” Materiaali eristettiin jo vuonna 2004, ja sen lujuus mitattiin 2008. Kyseessä ei siis ole aivan tuore löytö, vaan pitkäjänteisen tutkimuksen tulos.
• ”Grafeeni ja grafiitti ovat eri aineita.” Molemmat koostuvat samasta alkuaineesta, hiilestä. Grafiitti on käytännössä suuri pino grafeenikerroksia.

Grafeeni on siis yhtä aikaa aidosti vallankumouksellinen materiaali ja kohde, johon liittyy runsaasti ylisuuria odotuksia. Realistinen kuva syntyy, kun erottaa laboratoriotulokset ja kaupalliset tuotteet toisistaan.

Usein kysytyt kysymykset (UKK)

Mistä grafeeni on tehty?

Grafeeni koostuu pelkästä hiilestä. Se on yhden atomin paksuinen kerros hiiliatomeja, jotka ovat järjestäytyneet kuusikulmioista muodostuvaan hunajakennohilaan. Sama alkuaine esiintyy myös timantissa ja grafiitissa – ero on vain siinä, miten atomit ovat sitoutuneet toisiinsa.

Kuinka paljon lujempaa grafeeni on kuin teräs?

Täydellisessä, virheettömässä näytteessä grafeeni on arviolta noin 200 kertaa lujempaa kuin rakenneteräs samalla painolla mitattuna. Sen sisäinen vetolujuus on noin 130 gigapascalia. Käytännön sovelluksissa luku jää kuitenkin pienemmäksi, koska suuret kappaleet sisältävät aina virheitä.

Milloin grafeeni löydettiin?

Grafeeni eristettiin ensimmäisen kerran vuonna 2004 Manchesterin yliopistossa. Tutkijat Andre Geim ja Konstantin Novoselov saivat työstään fysiikan Nobel-palkinnon vuonna 2010.

Mihin grafeenia käytetään tänä päivänä?

Grafeenia käytetään muun muassa komposiiteissa, pinnoitteissa ja antureissa. Sitä tutkitaan myös akuissa, betonissa, elektroniikassa ja veden suodatuksessa. Moni sovellus on yhä tutkimus- tai pilottivaiheessa, sillä laadukkaan grafeenin edullinen massatuotanto on vaikeaa.

Onko grafeeni vaarallista ihmiselle?

Grafeeni koostuu hiilestä, eikä sitä pidetä akuutisti myrkyllisenä. Kuten kaikkien hienojakoisten materiaalien kohdalla, pölyn ja pienhiukkasten hengittämistä kannattaa kuitenkin välttää, ja grafeenin pitkäaikaisvaikutuksia tutkitaan yhä. Valmiissa tuotteissa, kuten komposiiteissa, grafeeni on sitoutuneena muuhun materiaaliin.