Mi az a grafén? Ezt kell tudni egy olyan anyagról, amely a következő szilícium lehet

• Tweet
• Share
• Post

Graphene, egy feltörekvő anyag, amely megváltoztathatja az elektronikai alkatrészek gyártását és hozzájárulhat a számítástechnikai teljesítmény további növekedéséhez, manapság mindenhol jelen van a kutatások világában.

Csak ebben a hónapban a fejlesztések azt sugallták, hogy növelheti az internet sebességét, érintésérzékeny bevonatként szolgálhat, és meghosszabbíthatja a számítógépek élettartamát. Erősebb, mint a gyémánt, és jobban vezeti az elektromosságot és a hőt, mint bármely eddig felfedezett anyag, és valószínűleg a jövőben számos termékben és folyamatban fontos szerepet fog játszani.

Mi a grafén?

A grafén szénatomok egyetlen rétegéből áll, amelyek hatszögek ismétlődő mintázatában kapcsolódnak egymáshoz. A grafén egymilliószor vékonyabb, mint a papír; olyan vékony, hogy tulajdonképpen kétdimenziósnak tekinthető.

A szén hihetetlenül sokoldalú elem. Attól függően, hogy az atomok hogyan helyezkednek el, kemény gyémántot vagy lágy grafitot tud előállítani. A grafén lapos méhsejtmintázata számos szokatlan tulajdonságot kölcsönöz neki, többek között a világ legerősebb anyagának státuszát. A Columbia Egyetem gépészmérnök professzora, James Hone egyszer azt mondta, hogy “olyan erős, hogy egy ceruzán egyensúlyozó elefántnak is át kellene törnie egy szarufólia vastagságú grafénlapot” – írja az egyetem.”

A szénatomok ezen egyetlen rétegei adják más fontos anyagok alapját. A grafit – vagy ceruzaólom – a grafén egymásra halmozásakor keletkezik. A szén nanocsövek, amelyek egy másik feltörekvő anyagot jelentenek, hengerelt grafénből készülnek. Ezeket kerékpárokban, teniszütőkben, sőt élő szövettechnológiában is használják.

Hogyan fedezték fel?

Nagy az esélye annak, hogy életedben sokszor készítettél már grafént. Rajzolj egy vonalat egy ceruzával, és a grafén apró darabkái lepattognak. De a 2000-es évek elejéig senkinek sem voltak meg az eszközei és az érdeklődése sem ahhoz, hogy megbízhatóan izolálja a szabadon álló grafént.

A grafént először az 1940-es években tanulmányozták elméletben. Akkoriban a tudósok úgy gondolták, hogy fizikailag lehetetlen egy kétdimenziós anyag létezése, ezért nem foglalkoztak a grafén izolálásával. Évtizedekkel később az érdeklődés megélénkült, és a kutatók elkezdtek olyan technikákat megálmodni, amelyekkel a grafitot szét lehet hámozni. Megpróbáltak molekulákat ékelni a grafénrétegek közé, valamint kaparni és dörzsölni a grafitot, de soha nem jutottak el egyetlen rétegig sem. Végül sikerült a grafént más anyagok tetején izolálniuk, de önmagában nem.

2002-ben Andre Geim, a Manchesteri Egyetem kutatója érdeklődni kezdett a grafén iránt, és kihívta egy doktoranduszát, hogy csiszoljon le egy darab grafitot a lehető legkevesebb rétegre. A diáknak sikerült elérnie az 1000 réteget, de Geim célját, a 10-100 réteget nem tudta elérni. Geim más megközelítéssel próbálkozott: szalaggal. Felhordta a grafitra, majd lehúzta, hogy réteges grafénpelyheket hozzon létre. További szalaghúzásokkal egyre vékonyabb és vékonyabb rétegeket hozott létre, míg végül egy 10 réteg vastagságú graféndarabot kapott.

Geim csapata a technika finomításán dolgozott, és végül egyetlen szénatomból álló réteget állított elő. Eredményeiket 2004 októberében publikálták a “Science” című szaklapban. Geim és kollégája, Kosztya Novoselov 2010-ben fizikai Nobel-díjat kapott munkájukért.

A szalaggal készített első pelyhek óta a grafén előállítása rohamos ütemben fejlődött. 2009-ben a kutatóknak sikerült egy 30 hüvelyk átmérőjű grafénfilmet létrehozniuk.

Miért szokatlan?

Geim és Novoselov tanulmánya a grafén furcsa fizikai tulajdonságainak leírása miatt vadul érdekelte a többi tudóst. Az elektronok hihetetlenül gyorsan mozognak a grafénon keresztül, és olyan viselkedést kezdenek mutatni, mintha tömeg nélküliek lennének, utánozva a szuperkisméretű részecskéket irányító fizikát.

“Ez a fajta kölcsönhatás egy szilárd anyagon belül, amennyire bárki tudja, egyedülálló a grafénben” – írta Geim és egy másik híres grafénkutató, Philip Kim egy 2008-as Scientific American cikkben. “Ennek a ceruzából származó újszerű anyagnak köszönhetően a relativisztikus kvantummechanika többé nem korlátozódik a kozmológiára vagy a nagyenergiájú fizikára; most már a laboratóriumba is bekerült.”

A grafén különleges tulajdonságai nem állnak meg a furcsa fizikánál. Ez is:

• Vezetőképes: Az elektronok az elektromosságot alkotó részecskék. Tehát amikor a grafén lehetővé teszi az elektronok gyors mozgását, akkor lehetővé teszi az elektromosság gyors mozgását. Köztudott, hogy 200-szor gyorsabban mozgatja az elektronokat, mint a szilícium, mert olyan kis megszakítással haladnak. Emellett kiváló hővezető is. A grafén a hőmérséklettől függetlenül vezet, és szobahőmérsékleten is normálisan működik.
• Súlyos: Mint korábban említettük, egy kiváló egyensúlyérzékkel rendelkező elefántra lenne szükség ahhoz, hogy áttörjön egy grafénlapot. Nagyon erős a töretlen mintázatának és a szénatomok közötti erős kötéseknek köszönhetően. Még akkor is a legerősebb anyag marad, ha a grafén foltokat összevarrják.
• Flexibilis: Ezek az erős kötések a grafén szénatomjai között nagyon rugalmasak is. Bizonyos mértékig csavarhatók, húzhatók és hajlíthatók anélkül, hogy elszakadnának, ami azt jelenti, hogy a grafén hajlítható és nyújtható.
• Átlátszó: A grafén elnyeli a ráeső látható fény 2,3 százalékát, ami azt jelenti, hogy át lehet látni rajta anélkül, hogy tükröződéssel kellene számolnunk.

Mire lehet használni?

A grafén mindennapi életben való felhasználása nem áll messze, ami részben a szén nanocsövekkel – a grafén hengeres, hengeres változatával – kapcsolatos meglévő kutatásoknak köszönhető. A csöveket egy 1991-es cikk (előfizetés szükséges) tette népszerűvé, és hihetetlen fizikai tulajdonságaik miatt reklámozták őket, amelyek többsége nagyon hasonlít a grafénhoz. A grafénből azonban könnyebb nagy lapokat előállítani, és a szilíciumhoz hasonló módon lehet előállítani. A szén nanocsövek jelenlegi és tervezett alkalmazásai közül számosat most adaptálnak a grafénre.

A legnagyobb feltörekvő alkalmazások közül néhány:

• Napelemek: A napelemek a félvezetőkre támaszkodnak a napfény elnyelésében. A félvezetők egy olyan elemből készülnek, mint a szilícium, és két elektronréteggel rendelkeznek. Az egyik rétegben az elektronok nyugodtak, és a félvezető oldalán maradnak. A másik rétegben az elektronok szabadon mozoghatnak, elektromos áramot képezve. A napelemek úgy működnek, hogy a fényrészecskék energiáját átadják a nyugodt elektronoknak, amelyek gerjesztetté válnak, és a szabadon áramló rétegbe ugranak, így több elektromosság keletkezik. A grafén elektronrétegei valójában átfedik egymást, ami azt jelenti, hogy kevesebb fényenergia szükséges ahhoz, hogy az elektronok a rétegek között ugráljanak. A jövőben ez a tulajdonsága nagyon hatékony napelemeket eredményezhet. A grafén használata olyan cellákat is lehetővé tenne, amelyek több százezerszer vékonyabbak és könnyebbek, mint a szilíciumra épülő cellák.

  

• Tranzisztorok: A számítógépes chipek tranzisztorok milliárdjaira támaszkodnak, hogy irányítsák az áramáramlást az áramköreikben. A kutatások eddig leginkább arra összpontosítottak, hogy a chipeket nagyobb teljesítményűvé tegyék több tranzisztor beépítésével, és a grafén minden bizonnyal az eddigi legvékonyabb tranzisztorokat eredményezheti. A tranzisztorok azonban az elektronok – az elektromosságot alkotó részecskék – áramlásának felgyorsításával is erősebbé tehetők. Miközben a tudomány közeledik ahhoz a határhoz, hogy milyen kicsik lehetnek a tranzisztorok, a grafén az elektronok gyorsabb mozgatásával és méretük néhány atomra vagy annál kisebbre csökkentésével visszavetheti a határt.
• Átlátszó képernyők: Az olyan eszközöket, mint a plazmatévék és a telefonok, általában egy indium-ón-oxid nevű anyaggal vonják be. A gyártók aktívan keresik azokat az alternatívákat, amelyek csökkenthetik a költségeket és jobb vezetőképességet, rugalmasságot és átláthatóságot biztosítanak. A grafén az egyik feltörekvő lehetőség. Nem tükröződik és nagyon átlátszónak tűnik. Vezetőképessége alkalmassá teszi arra is, hogy érintőképernyős eszközök bevonataként használják. Mivel a grafén egyszerre erős és vékony, törés nélkül hajlítható, így jól illeszkedik a hamarosan piacra kerülő hajlítható elektronikához.

A grafén a kameraérzékelők, a DNS-szekvenálás, a gázérzékelés, az anyagerősítés, a vízsótalanítás és más területeken is alkalmazható lehet.

Mi a kritika?

A grafén még gyerekcipőben jár az olyan fejlett anyagokhoz képest, mint a szilícium és az ITO. Ahhoz, hogy széles körben elterjedjen, nagy mennyiségben, a meglévő anyagokkal megegyező vagy azoknál alacsonyabb költséggel kell előállíthatóvá válnia. A kialakulóban lévő roll-to-roll, gőzfelhordásos és egyéb gyártási technikák arra utalnak, hogy ez lehetséges, de még nem állnak készen arra, hogy a grafén minden mobilkészülék képernyőjén megjelenjen. A kutatóknak tovább kell dolgozniuk a grafén kereskedelmi formában való átláthatóságának és vezetőképességének javításán is.

Míg a grafén ígéretesnek tűnik a tranzisztorok számára, van egy nagy problémája: nem tudja “kikapcsolni” az elektromos áramlást, mint az olyan anyagok, mint például a szilícium, ami azt jelenti, hogy az áram folyamatosan áramlik. Ez azt jelenti, hogy a grafén önmagában nem szolgálhat tranzisztorként. A kutatók most azt vizsgálják, hogyan lehet beállítani és más anyagokkal kombinálni, hogy leküzdjék ezt a korlátozást. Az egyik technika lényege, hogy két grafénréteg közé bór-nitridet – egy másik egy atom vastagságú anyagot – helyeznek. Az így kapott tranzisztor be- és kikapcsolható, de az elektronok sebessége némileg lelassul. Egy másik technika során szennyeződéseket visznek be a grafénbe.

A grafén sok lehetséges alkalmazásához talán túl későn jelenik meg. Az elektromos autók akkumulátorai és a szénszálak is készülhetnének grafénnel, de ezek már most is aktív szénre, illetve grafitra támaszkodnak – két nagyon olcsó anyagra. A grafén egyelőre drágább marad, és talán soha nem lesz elég olcsó ahhoz, hogy meggyőzze a gyártókat a váltásról.

A világ még csak egy évtizede vizsgálja, hogy mit tehet a grafénnel. Ezzel szemben a szilícium már közel 200 éve létezik. A kutatások jelenlegi ütemében nagyon hamar megtudhatjuk, hogy a grafén mindenütt jelen lesz-e, vagy csak egy újabb lépés a következő csodaanyag felfedezésében.