Upptäckt i en pennfläck, kan grafen vara det nya supermaterialet som förvandlar cykelindustrin?
Grafen är ett enkelt material. Det är ett enda lager kolatomer som är 0,3 nanometer tjockt – en miljon gånger tunnare än papperet i denna tidning. Ändå är den 150 gånger starkare än stål och 20 % mer elastisk. Den leder elektricitet bättre än koppar eller guld, med en hastighet av en miljon meter per sekund. Det avger värme snabbt. Den är transparent och helt ogenomtränglig, och den borde ha samma inverkan på 2000-talet som kolfiber gjorde på 20-talet och stål på 1800-talet. Inte konstigt att de två materialforskarna vid Manchester University som upptäckte det 2003, Andre Geim och Konstantin Novoselov, blev snabbspårade till ett Nobelpris och riddare. Men vad har detta med cyklar att göra?
Graphene's early adopters
De första cykelprodukterna som innehåller grafen börjar komma ut på marknaden. Vittoria använder grafen i sina senaste kolfälgar Qurano (se sid 20) och Catlike använder det också i sin toppklassiga Mixino-hjälm. Den anpassade rambyggaren i kolfiber, Richard Craddock från Craddock Cycles, säger: Det finns mycket spänning kring grafen just nu, men det här är bara de första försöken. Som varje nytt material är dess fulla potential ännu inte känd, men det är troligtvis att den maximala nyttan inte är som en ersättning för kol utan som en förbättring. Jag skulle använda det när det är bevisat.’
Paul Wiper, forskarassistent vid National Graphene Institute vid Manchester University, säger: Graphene kan förbättra de mekaniska egenskaperna hos en komposit, eftersom den kan dela belastningen när den läggs till epoxihartsmatrisen och göra den styvare. Du måste dock hitta rätt balans. Mycket grafen, säg 10 eller 20% av matrisen, skulle göra den riktigt styv men den skulle också vara skör.’
Hans kollegor förfinar för närvarande användningen av grafen i kompositramar för flyg- och rymdfart, och den spanska biltillverkaren Spain inkluderar det redan i sitt GTA-superbilschassi. Så kan cykelramar vara nästa? "Det finns ingen anledning alls till varför den inte kunde användas i cykelramar och jag är säker på att någon redan arbetar med dem", förutspår Wiper. Vittoria har en sådan tilltro till grafen, det har lagt sina pengar där munnen är. "Jag råkade äta middag för fem år sedan med grundaren av Directa Plus, en av de första grafenfabrikerna i Europa, och jag kom på idén att använda grafen i våra produkter", säger Vittorias president Rudie Campagne. "Då bestämde vi oss för att investera i dem, för att ligga i framkant."
Vittoria hävdar att genom att använda grafen i de nya Qurano-kolhjulen har den ökat ekerhålstyrkan och sidostyvheten på fälgen med upp till 30 %. Men framför allt entusiasmerar Campagne: 'Den förbättrade värmeavledningen av grafen minskar den ackumulerade temperaturen på fälgen [under bromsning] och håller den långt under tröskeln där kolfiber skulle börja sönderfalla.’
Att tillsätta grafen till kol är dock inte fullt så enkelt som att tillsätta socker i ditt kaffe. Directa Plus levererar grafen till Vittoria som "nano-blodplättar", som bara är tre till sju atomer tjocka. "Den stora utmaningen var att uppnå en nästan perfekt spridning av grafen i masterbatchen av epoxiharts för prepreg-kolskivorna", säger Campagne.
bit av inspiration
'Folk hade spekulerat i decennier att grafen fanns i allotroper av kolmaterial som grafit, kol och diamant, men ingen hade vetat hur man gör det som ett enda tvådimensionellt lager, säger Wiper. I ett inspirerat ögonblick hade Geim och Novoselov börjat med en kladd av kristallin grafit – i praktiken ett pennmärke – som är sammansatt av flera staplade lager av grafen, och med hjälp av klibbig tejp tog de bort en del av grafiten. Eftersom de var nyfikna gjorde de det om och om igen, tills de slutligen isolerade ett enda lager – ren grafen. Sedan testade de det.
‘Vanligtvis när man gör material tunnare och tunnare försämras deras egenskaper, säger Geim själv. "Men med grafen fann vi att saker bara blev bättre."
Laboratorier runt om i världen tillverkar nu grafen på många sätt, med olika renhet, varierande provstorlekar och satskvantiteter. Till exempel säger Catlike att de använder nanofibrer för att bibehålla styrkan hos sina Mixino-hjälmar, som nu är 10 g lättare än tidigare modeller. Andra använder det i form av nanoband, och Samsung och Sony hävdar att de har uppfunnit sätt att göra kontinuerliga ark. Vad som kanske är förvånande är att det inte är överdrivet dyrt. Du kan köpa ett kilo nano-blodplättar för mindre än 150 pund. När fler versioner av materialet skapas är det säkert att användningen av ordet "grafen" i marknadsföringsmaterial kommer att skapa förvirring för konsumenterna. Det kommer att vara svårt att avgöra om en produkt som påstår sig vara "grafenförbättrad" verkligen innehåller det submikroskopiska materialet, eller om det gör någon nytta. Det är ett kryphål som de skrupelfria kan utnyttja.
‘Ett labb skulle kunna testa materialet för att se om det fungerar som det påstås, men du måste göra ett kemiskt test för att se till att grafen är närvarande, säger Wiper. Och eftersom grafen finns i de flesta former av kol, till och med koldamm, kan det vara ett helvete i Trade Description Act. Men i de rätta händerna är dess löfte för cykelbranschen stort. Potentiella användningsområden för grafen inkluderar att förhindra korrosion på utsatta delar som fälgar, kedjor och ekrar, eller, om de är inbäddade i kolkomponenter, kan nanofibrer av grafen leda elektricitet eller till och med överföra data. Det skulle minska kablage för elektroniska växlings- och cykeldatorer. Alternativt kan den bilda töjningsmätare i kolnav, vevar, pedaler, kedjer eller skosulor, där dess nanofibrer skulle minska komplexiteten och potentiellt sänka priset på effektmätare.
Nano-diamanter har redan belagts med grafen för att skapa supersmörjmedel, som skulle kunna eliminera nästan all friktion från lager, och superljusa, grafenförbättrade lysdioder utlovas så snart som nästa år. En grafen-superkondensator kan potentiellt lagra mer energi än alla befintliga batterier, så därför skulle betydligt lättare elektroniska växlingskomponenter också bli möjliga. Dessutom pågår försök med att bädda in grafenelektroder i polypropenfibrer, så det finns till och med en viss potential för framtida införande i klädesplagg. Det är hypotetiskt i det här skedet men det kan finnas en tidpunkt när din tröja och shorts blir smarta, känner av din puls, blodtryck, temperatur, svetthastighet och till och med aktiviteten hos enskilda muskler. Det verkar verkligen som att dess användningsområden och fördelar har få gränser.
‘Graphene är uppenbarligen så nytt att dess tillämpningar bara har börjat studeras, säger Campagne. Det kommer att ta många år av grundläggande och tillämpade studier för att komma fram till stora nya förbättringar av befintliga produkter eller nya applikationer och förbättringar. Resan har bara börjat.’
