Mitä grafeeni on? Tätä sinun on tiedettävä materiaalista, joka voi olla seuraava pii

• Tweet
• Jaa
• Postita

Grafeni, nouseva materiaali, joka voi muuttaa elektroniikkakomponenttien valmistustapaa ja auttaa laskentatehon jatkuvaa kasvua, on nykyään kaikkialla tutkimusmaailmassa.

Pelkästään tässä kuussa saavutetut edistysaskeleet viittaavat siihen, että se voisi lisätä internetin nopeuksia, toimia kosketusherkkänä pinnoitteena ja pidentää tietokoneiden käyttöikää. Se on vahvempi kuin timantti ja johtaa sähköä ja lämpöä paremmin kuin mikään koskaan löydetty materiaali, ja sillä on todennäköisesti tärkeä rooli monissa tuotteissa ja prosesseissa tulevaisuudessa.

Mitä grafeeni on?

Grafeeni koostuu yhdestä kerroksesta hiiliatomeja, jotka ovat sitoutuneet toisiinsa toistuvaan kuusikulmioiden kuvioon. Grafeeni on miljoona kertaa ohuempi kuin paperi; niin ohut, että sitä pidetään itse asiassa kaksiulotteisena.

Hiili on uskomattoman monipuolinen alkuaine. Riippuen siitä, miten atomit on järjestetty, se voi tuottaa kovaa timanttia tai pehmeää grafiittia. Grafeenin litteä hunajakennokuvio antaa sille monia epätavallisia ominaisuuksia, kuten maailman vahvimman materiaalin aseman. Columbian yliopiston konetekniikan professori James Hone sanoi kerran, että se on ”niin vahvaa, että tarvittaisiin norsu, joka tasapainoilee lyijykynän päällä, jotta se pystyisi murtamaan Saran Wrapin paksuisen grafeenilevyn”, yliopiston mukaan.

Nämä yksittäiset hiiliatomikerrokset luovat perustan muille tärkeille materiaaleille. Grafiittia – tai lyijykynän lyijyä – muodostuu, kun grafeenia pinotaan. Hiilinanoputket, jotka ovat toinen nouseva materiaali, valmistetaan rullatusta grafeenista. Niitä käytetään polkupyörissä, tennismailoissa ja jopa elävässä kudostekniikassa.

Miten se löydettiin?

Mahdollisuudet ovat hyvät, että olet tehnyt grafeenia monta kertaa elämässäsi. Piirrä viivaa lyijykynällä, ja pienet grafeenin palaset irtoavat. Mutta kenelläkään ei ollut sekä välineitä että kiinnostusta eristää luotettavasti vapaasti seisovaa grafeenia ennen 2000-luvun alkua.

Grafeenia tutkittiin ensimmäisen kerran teoreettisesti 1940-luvulla. Tuolloin tutkijat pitivät kaksiulotteisen materiaalin olemassaoloa fysikaalisesti mahdottomana, joten he eivät pyrkineet eristämään grafeenia. Vuosikymmeniä myöhemmin kiinnostus heräsi, ja tutkijat alkoivat haaveilla tekniikoista grafiitin irrottamiseksi toisistaan. He yrittivät kiilata molekyylejä grafeenikerrosten väliin sekä raaputtaa ja hieroa grafiittia, mutta he eivät koskaan päässeet yksittäiseen kerrokseen. Lopulta he pystyivät eristämään grafeenia muiden materiaalien päälle, mutta eivät yksinään.

Vuonna 2002 Manchesterin yliopiston tutkija Andre Geim kiinnostui grafeenista ja haastoi tohtoriopiskelijan kiillottamaan grafiittikimpaleen mahdollisimman vähiin kerroksiin. Opiskelija pääsi 1000 kerrokseen, mutta ei saavuttanut Geimin tavoitetta 10-100 kerroksesta. Geim kokeili erilaista lähestymistapaa: teippiä. Hän levitti sitä grafiitin päälle ja irrotti sitä kuorimalla, jolloin syntyi kerroksittaisia grafeenihiutaleita. Useammat teipin kuoriutumiset loivat yhä ohuempia kerroksia, kunnes hän sai aikaan 10 kerroksen paksuisen grafeenipalan.

Geimin tiimi työskenteli tekniikan hiomisen parissa ja tuotti lopulta yhden hiiliatomikerroksen. He julkaisivat tuloksensa ”Science”-lehdessä lokakuussa 2004. Geim ja hänen kollegansa Kostya Novoselov saivat työstään Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 2010.

Näiden ensimmäisten teipillä tehtyjen hiutaleiden jälkeen grafeenin tuotanto on parantunut nopeasti. Vuonna 2009 tutkijat pystyivät luomaan grafeenikalvon, jonka läpimitta oli 30 tuumaa.

Miksi se on epätavallista?

Geimin ja Novoselovin paperi kiinnosti villisti muita tiedemiehiä, koska siinä kuvattiin grafeenin outoja fysikaalisia ominaisuuksia. Elektronit liikkuvat grafeenin läpi uskomattoman nopeasti ja alkavat käyttäytyä ikään kuin ne olisivat massattomia, jäljitellen fysiikkaa, joka hallitsee hiukkasia erittäin pienissä mittakaavoissa.

”Tällainen vuorovaikutus kiinteän aineen sisällä, sikäli kuin kukaan tietää, on ainutlaatuista grafeenille”, Geim ja toinen kuuluisa grafeenitutkija Philip Kim kirjoittivat vuonna 2008 Scientific American -lehdessä. ”Tämän lyijykynästä peräisin olevan uudenlaisen materiaalin ansiosta relativistinen kvanttimekaniikka ei enää rajoitu kosmologiaan tai korkea-energian fysiikkaan, vaan se on nyt päässyt laboratorioon.”

Grafeenin erikoisominaisuudet eivät lopu outoon fysiikkaan. Se on myös:

• johtavaa: Elektronit ovat hiukkasia, joista sähkö muodostuu. Kun grafeeni siis sallii elektronien liikkua nopeasti, se sallii sähkön liikkua nopeasti. Sen tiedetään liikuttavan elektroneja 200 kertaa nopeammin kuin pii, koska ne liikkuvat niin vähän keskeytyksettä. Se on myös erinomainen lämmönjohdin. Grafeeni johtaa lämpötilasta riippumatta ja toimii normaalisti huoneenlämmössä.
• Vahva: Kuten aiemmin mainittiin, tarvitsisi norsun, jolla on erinomainen tasapaino, murtautua grafeenilevyn läpi. Se on erittäin vahva sen katkeamattoman kuvion ja hiiliatomien välisten vahvojen sidosten ansiosta. Jopa silloin, kun grafeenilaikkuja ommellaan yhteen, se pysyy vahvimpana materiaalina.
• Joustava: Nämä grafeenin hiiliatomien väliset vahvat sidokset ovat myös hyvin joustavia. Niitä voidaan vääntää, vetää ja taivuttaa tiettyyn rajaan asti murtumatta, mikä tarkoittaa, että grafeeni on taivutettavissa ja venytettävissä.
• Läpinäkyvä: Grafeeni absorboi 2,3 prosenttia siihen osuvasta näkyvästä valosta, mikä tarkoittaa, että sen läpi voi nähdä ilman häikäisyä.

Mihin sitä voidaan käyttää?

Grafeenin käyttö jokapäiväisessä elämässä ei ole kaukana, mikä johtuu osittain jo olemassa olevasta tutkimuksesta, joka koskee hiilinanoputkia – grafeenin rullattua, sylinterimäistä versiota. Putket popularisoitiin vuonna 1991 julkaistussa artikkelissa (tilaus vaaditaan) ja niitä mainostettiin niiden uskomattomien fysikaalisten ominaisuuksien vuoksi, joista useimmat ovat hyvin samankaltaisia kuin grafeeni. Suuria grafeenilevyjä on kuitenkin helpompi valmistaa, ja niitä voidaan valmistaa samalla tavalla kuin piitä. Monet hiilinanoputkien nykyisistä ja suunnitelluista sovelluksista sovitetaan nyt grafeeniin.

Joitakin suurimpia uusia sovelluksia ovat:

• Aurinkokennot: Aurinkokennot perustuvat puolijohteisiin, jotka imevät auringonvaloa. Puolijohteet on valmistettu alkuaineesta, kuten piistä, ja niissä on kaksi elektronikerrosta. Toisessa kerroksessa elektronit ovat rauhallisia ja pysyvät puolijohteen vieressä. Toisessa kerroksessa elektronit voivat liikkua vapaasti muodostaen sähkövirran. Aurinkokennot toimivat siirtämällä valohiukkasten energiaa rauhallisiin elektroneihin, jotka innostuvat ja hyppäävät vapaasti virtaavaan kerrokseen, jolloin syntyy lisää sähköä. Grafeenin elektronikerrokset ovat itse asiassa päällekkäin, mikä tarkoittaa, että tarvitaan vähemmän valoenergiaa, jotta elektronit hyppäisivät kerrosten välillä. Tulevaisuudessa tämä ominaisuus voi johtaa erittäin tehokkaisiin aurinkokennoihin. Grafeenin käyttö mahdollistaisi myös kennot, jotka ovat satojatuhansia kertoja ohuempia ja kevyempiä kuin piihin perustuvat kennot.

  

• Transistorit: Tietokonesirut tukeutuvat miljardeihin transistoreihin, jotka ohjaavat sähkön kulkua niiden virtapiireissä. Tutkimus on enimmäkseen keskittynyt tekemään siruista tehokkaampia pakkaamalla niihin enemmän transistoreja, ja grafeenin avulla voitaisiin varmasti saada aikaan ohuimmat transistorit tähän mennessä. Transistoreista voidaan kuitenkin tehdä tehokkaampia myös nopeuttamalla elektronien – sähkön muodostavien hiukkasten – virtausta. Kun tiede lähestyy rajaa sille, kuinka pieniä transistorit voivat olla, grafeeni voisi työntää rajan taaksepäin sekä liikuttamalla elektroneja nopeammin että pienentämällä niiden kokoa muutamaan atomiin tai pienemmäksi.
• Läpinäkyvät näytöt: Laitteet, kuten plasmatelevisiot ja puhelimet, on yleisesti päällystetty indiumtinaoksidiksi kutsutulla materiaalilla. Valmistajat etsivät aktiivisesti vaihtoehtoja, jotka voisivat alentaa kustannuksia ja tarjota paremman johtavuuden, joustavuuden ja läpinäkyvyyden. Grafeeni on yksi nouseva vaihtoehto. Se on heijastamaton ja hyvin läpinäkyvä. Sen johtavuus kelpuuttaa sen myös pinnoitteeksi kosketusnäyttölaitteisiin. Koska grafeeni on sekä vahvaa että ohutta, se voi taipua murtumatta, joten se sopii hyvin taivutettavaan elektroniikkaan, joka tulee pian markkinoille.

Grafeenilla voisi olla sovelluksia myös kameran antureissa, DNA:n sekvensoinnissa, kaasun havaitsemisessa, materiaalien lujittamisessa, veden suolanpoistossa ja monissa muissa sovelluksissa.

Mitä kritiikkiä?

Grafeeni on vielä lapsenkengissään kehittyneisiin materiaaleihin, kuten piihin ja ITO:oon verrattuna. Jotta se voitaisiin ottaa laajasti käyttöön, sitä on voitava tuottaa suuria määriä nykyisiä materiaaleja vastaavilla tai alhaisemmilla kustannuksilla. Kehitteillä olevat roll-to-roll-, höyrystys- ja muut tuotantotekniikat antavat viitteitä siitä, että tämä on mahdollista, mutta ne eivät ole vielä valmiita tuomaan grafeenia jokaiseen mobiililaitteen näyttöön. Tutkijoiden on myös jatkettava työtä grafeenin läpinäkyvyyden ja johtavuuden parantamiseksi kaupallisessa muodossa.

Kaikkakin grafeeni näyttää lupaavalta transistoreiden kannalta, sillä on suuri ongelma: se ei voi kytkeä sähkövirtaa ”pois päältä” kuten piin kaltaiset materiaalit, mikä tarkoittaa, että sähkö virtaa jatkuvasti. Tämä tarkoittaa, että grafeeni ei voi toimia transistorina yksinään. Tutkijat tutkivat nyt tapoja säätää sitä ja yhdistää se muihin materiaaleihin tämän rajoituksen poistamiseksi. Eräässä tekniikassa kahden grafeenikerroksen väliin asetetaan kerros boorinitridiä, joka on toinen yhden atomin paksuinen materiaali. Näin saatu transistori voidaan kytkeä päälle ja pois, mutta elektronien nopeus hidastuu jonkin verran. Toisessa tekniikassa grafeeniin lisätään epäpuhtauksia.

Grafeeni saattaa myös olla tulossa liian myöhään moniin mahdollisiin sovelluksiinsa. Sähköautojen akkuja ja hiilikuitua voitaisiin valmistaa grafeenilla, mutta ne perustuvat jo nyt aktiivihiileen ja grafiittiin – kahteen hyvin edulliseen materiaaliin. Grafeeni pysyy toistaiseksi kalliimpana, eikä se ehkä koskaan ole tarpeeksi edullinen vakuuttaakseen valmistajat vaihtamaan.

Maailma on vasta vuosikymmenen verran tutkimassa, mitä grafeenilla voi tehdä. Piitä sen sijaan on ollut olemassa jo lähes 200 vuotta. Tutkimuksen etenemisvauhdilla voimme hyvin pian tietää, tuleeko grafeenista jokapäiväistä vai onko se vain yksi askel seuraavan ihmeellisen materiaalin löytämisessä.