Britain is investing £60m in developing graphene. But are our businesses already falling behind in the race to exploit it, asks Rebecca Clancy.
Stacked graphene sheets form graphite, used in pencils.
It is lighter than a feather, stronger than steel, yet incredibly flexible and more conductive than copper. It has been hailed as “the miracle material”, its possible uses apparently almost endless.
The material is graphene, a single layer of carbon atoms forming a regular hexagonal pattern, extracted from graphite, with astonishing properties and impressive potential.
Unbreakable, foldable touch screens for mobile phones; a revolution in how drugs are administered; protective coating for everything from food packaging to wind turbines, faster computer chips and broadband; batteries of infinitely higher capacity than today’s – these are just a few of graphene’s possibilities.
Imagine a supermarket where you could wheel your trolley between two sensors that would scan every product immediately and give you your final bill in the blink of an eye. Graphene, it is claimed, could make this a reality.
But so far, these are just possibilities as researchers and scientists recognise that applications in the real, commercial world are still some way off.
“Graphene is still in the research phase and it remains too expensive,” said Dr Branson Belle, head of graphene research at 2-DTech, based at the University of Manchester’s Innovation Centre.
“Graphene has lots of amazing properties and each one has led to suggestions of an application. Some are likely in a few years, while others will be quite far into the future.” The most likely to arrive first will be flexible electronic screens, which can be used on mobile phones, for example. A working prototype is expected in the next two years, but the costs are still too high for any marketable product.
This is the focus of 2-DTech, which is developing intellectual property around the large-scale production of graphene.
One method of creating graphene is via an inkjet printer, which costs roughly £20,000 and can print a sheet of graphene. On an industrial scale, such printers could cost £200,000 to £320,000.
Prof Andre Geim, who isolated graphene along with Prof Kostya Novoselov
(BBC/MICHAEK COCKERHAM)
However, while this may seem expensive, Professor Brian Derby at the University of Manchester notes that a new plant to build computer chips, say, would run into the millions.
“We are starting from a pretty cheap base,” he said. “The main thing now is to combine cheapness with precision.”
Prof Derby said there would always be issues with printing, but as these issues were known it was possible to control the quality. “If there are any problems, we can send it off to be cleaned,” he said.
The favoured method for making graphene is to “grow” it at 900C using a chemical vapour deposition (CVD) machine, as used in Dr Belle’s lab and by American tech giant IBM in its research.
It requires carbon to be vaporised, and then the atoms are encouraged to form on another material, usually copper.
Graphene was first isolated in 2004 by two University of Manchester scientists, Andre Geim and Konstantin Novoselov, who were awarded the Nobel prize for physics in 2010 and later knighted.
Graphene is seen as such a game-changer that the Government has allocated more than £60m to study the material and the University of Manchester was given a £23m grant from the European Regional Development Fund, believed to be the largest so far awarded.
A National Graphene Institute is currently under construction at the university and the £61m building, which is in sight of the lab where the one-atom-thick material was originally isolated, is due to open in the spring of 2015.
Cambridge University is also building its own graphene centre, at a cost of £8m-£10m, which it has funded itself and aims to have open by the end of next year.
But the UK has been accused of falling behind in the global race to harness the potential of this remarkable material.
A look at the number of patents already filed around the world shows just how competitive the race has become.
China leads the way with more than 2,200 patents, according to British patent consultancy, CambridgeIP. The US comes in second with more than 1,700 patents, while South Korea has just under 1,200. The UK trails quite some way behind, with little more than 50 patents.
“The picture is more complex than mere number counting suggests. Not all of the patents necessarily equal real business opportunities,” argues Clive Rowland, chief executive at Manchester University’s Innovation Group.
“Much of the early work on graphene was – and still is – for electronic and related applications. So much of the patenting activity has been by electronics firms, which reflects that industry’s structure and geography – predominantly in the Far East and the US.”
South Korean electronics giant Samsung leads the corporate field with more than 400 patents. But, while it is pouring hundreds of millions of pounds into graphene research, it has so far remained secretive about its precise plans.
America’s IBM is in second place, with nearly 150 patents. Wilfried Haensch, senior research scientist at IBM, told The Daily Telegraph that graphene was still in the “fundamental research stage”.
“There is a lot of hype, but the commercial value is still unknown,” he said.
“There are a lot of ideas out there that make sense, but from concept to implementation it is not known how many will survive.”
Indeed, a recent paper entitled A Roadmap for Graphene, co-authored by Nobel laureate Sir Konstantin Novoselov, said it was unlikely that graphene would be used in drug delivery before 2030.
“Given the high safety, clinical and regulatory hurdles and long timescales associated with drug development, which are exacerbated when new materials are involved, it is unlikely that products using graphene-based drug delivery technology will be near the market before 2030.”
The paper adds that while developments in the last few years have been “extremely rapid”, established benchmark materials, such as silicon, “will only be replaced if the properties of graphene, however appealing, can be translated into applications that are sufficiently competitive to justify the cost and disruption of changing existing industrial processes”.
But one company, Head, is already using graphene. It has used graphene in the tennis racquets that it provides to Novak Djokovic, the world’s number one tennis player, and former Wimbledon champion Maria Sharapova.
Novac Djokovic’s tennis racket uses graphene. Photo: Reuters
Head has revealed very little detail as to how the graphene is used or even how much is in the racquet. Dr Belle said it was likely that the middle of the racquet’s handle is lined with graphene, instead of graphite, as it is stronger and lighter.
But it is not just about graphene any more. Focus has turned towards combining graphene with other materials.
In a paper for Nature, Sir Andre Geim said this new research field was “going to be as big as graphene itself”.
“It is already clear that graphene combined with other atomically-thin materials shows properties better or different from its own,” he said.
“Because of the amount of possibilities of combining these graphene-like materials together […] is practically unlimited, there must be new materials with unique properties no one has even dreamed of as yet. We are spoiled for choice.” However, Dr Irina Grigorieva, who works alongside the Nobel laureates at Manchester University, said graphene “remained the best and it is unlikely anything will beat it”.
“It really has an exceptional combination of properties – strongest, thinnest, most thermally conductive and so on,” she said.
“Some materials can beat it in certain aspects but it will only be one or two of its properties. Graphene remains unique and has a fantastic range of properties.”
She also noted that it was possible to modify graphene to bring about properties that it does not naturally have, such as magnetism.
While graphene’s full potential in the commercial world is still unknown, as ideas turn into practical solutions British companies are being warned that they risk being left behind in the global race to harness this “miracle material”.
Mr Rowland warns that the window of opportunity could narrow as graphene’s potential becomes clearer and has urged British firms to increase their knowledge of two-dimensional materials.
“For Britain to be successful, graphene will need to be treated as a project on a very large scale,” he said.
“To keep themselves in the picture, British firms should invest now in long-range R&D, and engage in university research partnerships and collaborative projects.”
Rebecca Clancy
Phát Minh Kỳ Diệu Siêu Vật liệu Công Nghệ Thế Giới
Các nhà khoa học và công nghệ Mỹ đã phát hiện ứng dụng không có giới hạn của loại vật liệu mới graphene – một vật liệu công nghệ cao cứng hơn thép và nhẹ hơn cả lông chim – trong các lĩnh vực của cuộc sống con người và dự báo vật liệu mới này sẽ tác động rất lớn đến nền kinh tế Mỹ, thậm chí có thể làm thay đổi cả thế giới.
Graphene được tạo thành từ một nguyên tử cácbon được 2 nhà khoa học người Nga Andre Geim và Konstantin Novoselov phát hiện 7 năm trước và đã đem lại cho 2 nhà khoa học này Giải thưởng Nobel Vật lý năm 2010.
Các nhà khoa học và công nghệ Mỹ dự báo graphene sẽ tạo ra cuộc cách mạng trong thông tin không dây, đặc biệt con người có thể phóng vệ tinh với kích thước bằng tòa nhà nhiều tầng nhưng trọng lượng chưa bằng trọng lượng của miếng thịt nướng.
Người ta có thể tải về điện thoại thông minh một băng hình có độ phân giải cao chỉ trong thời gian tính bằng nano giây. Hãng sản xuất điện thoại thông minh sớm khai thác tính năng ưu việt của grephene sẽ chiến thắng trong cuộc cạnh tranh khốc liệt trên thị trường điện thoại thông minh thế giới.
Trong y tế, nhờ grephene, các bác sĩ có thể sử dụng các loại dược phẩm mới với liều lượng cao để tiêu diệt tế bào ung thư nhưng không gây hại những tế bào lành. Graphene có thể sử dụng chế tạo máu nhân tạo, giúp con người tránh được nguy cơ bị truyền máu nhiễm virus hoặc không phải mất nhiều thời gian tìm kiếm các loại máu hiếm. Graphene có thể được sử dụng làm thuốc chữa bách bệnh cho người già.
Nhờ nghiên cứu mới của các nhà khoa học Đại học Wayne State thuộc bang Michigan (Mỹ), các bác sĩ có thể điều trị hiệu quả bệnh Alzheimer bằng việc cấy các điện cực graphene vào não người bệnh. Các điện cực graphene có tuổi thọ tới 5 năm thay thế các điện cực chỉ có tuổi thọ tính bằng tháng như hiện nay, góp phần cải thiện cuộc sống của nhiều triệu người bệnh trên thế giới. Các điện cực graphene cũng có thể được sử dụng điều trị hiệu quả những tổn thương cột sống và khiếm thị.
Chỉ mới 3 tuần trước đây, các nhà khoa học Mỹ đã phát hiện khả năng sử dụng graphene để kích thích sự phát triển của các mô trong cơ thể người. Ứng dụng này của graphene mở ra khả năng chữa khỏi các khuyết tật bẩm sinh về tim, căn bệnh đã được nghiên cứu điều trị thử nghiệm hơn 100 năm qua nhưng chưa thành công.
Trong lĩnh vực máy tính, nghiên cứu của các nhà khoa học Viện Rensselaer ở bang New York đã loại bỏ được trở ngại lớn trong lĩnh vực vi điện tử. Họ đã biến một tấm graphene siêu mỏng thành các bóng bán dẫn siêu nhỏ, mở ra khả năng chế tạo máy vi tính siêu nhỏ cũng như những vi mạch cứng siêu nhỏ trong tương lai.
Các nhà khoa học trên dự báo vào cuối thập kỷ này, thế giới có thể có máy tính kích thước đặt trong lòng bàn tay nhưng có sức mạnh tính toán bằng 10.000 máy tính hiện nay. Graphene cũng tạo ra cuộc cách mạng trong lĩnh vực chế tạo màn hình siêu mỏng và siêu lớn. Người ta có thể mang tivi này trong túi đến bất cứ đâu và treo lên tường để thưởng thức các chương trình truyền hình.
Trong quân sự, các nhà khoa học Đại học Texas ở thành phố Dallas đã sử dụng graphene để làm biến mất các vật thể khỏi tầm mắt của con người. Những tấm áo choàng vô hình này sẽ giúp tàng hình các phương tiện quân sự như xe tăng, pháo… thậm chí cả con người trước mắt đối phương.
Tóm lại, giới khoa học nhận định graphene sẽ góp phần định hình mọi lĩnh vực đời sống hàng ngày của con người vào cuối thập kỷ này.
[Nguồn TTXVN/Vietnam]