Czym jest grafen? Oto, co musisz wiedzieć o materiale, który może być następnym krzemem

• Tweet
• Share
• Post

Grafen, powstający materiał, który może zmienić sposób wytwarzania komponentów elektronicznych i pomóc w dalszym wzroście wydajności obliczeniowej, jest obecnie wszędzie w świecie badań.

Tylko w tym miesiącu, postępy sugerowały, że może on zwiększyć prędkość Internetu, służyć jako powłoka wrażliwa na dotyk i przedłużyć życie komputerów. Jest mocniejszy niż diament i przewodzi elektryczność i ciepło lepiej niż jakikolwiek materiał kiedykolwiek odkryty, i prawdopodobnie będzie odgrywał ważną rolę w wielu produktach i procesach w przyszłości.

Czym jest grafen?

Grafen jest wykonany z pojedynczej warstwy atomów węgla, które są połączone razem w powtarzający się wzór sześciokątów. Grafen jest milion razy cieńszy od papieru; tak cienki, że jest uważany za dwuwymiarowy.

Węgiel jest niezwykle wszechstronnym pierwiastkiem. W zależności od tego, jak ułożone są atomy, może wytwarzać twarde diamenty lub miękki grafit. Płaski wzór plastra miodu grafenu nadaje mu wiele niezwykłych właściwości, w tym status najmocniejszego materiału na świecie. Profesor inżynierii mechanicznej Uniwersytetu Columbia, James Hone, powiedział kiedyś, że jest on „tak mocny, że trzeba by słonia, balansującego na ołówku, aby przebić się przez arkusz grafenu o grubości folii Saran”, według uniwersytetu.

Te pojedyncze warstwy atomów węgla stanowią podstawę dla innych ważnych materiałów. Grafit – lub ołówek do ołówka – powstaje, gdy układa się grafen. Nanorurki węglowe, które są kolejnym wschodzącym materiałem, są wykonane z grafenu zwiniętego w rulon. Są one wykorzystywane w rowerach, rakietach tenisowych, a nawet w inżynierii tkankowej.

Jak go odkryto?

Są duże szanse, że tworzyłeś grafen wiele razy w swoim życiu. Narysuj linię ołówkiem, a małe kawałki grafenu będą się łuszczyć. Ale nikt nie miał zarówno narzędzi, jak i zainteresowania, aby wiarygodnie wyizolować wolnostojący grafen aż do wczesnych lat 2000.

Grafen był po raz pierwszy badany teoretycznie w latach 40-tych. W tym czasie naukowcy uważali, że istnienie dwuwymiarowego materiału jest fizycznie niemożliwe, więc nie zajmowali się izolacją grafenu. Dziesiątki lat później zainteresowanie wzrosło i naukowcy zaczęli wymyślać techniki, które pozwoliłyby im rozdzielić grafen. Próbowali zaklinować molekuły pomiędzy warstwami grafenu oraz skrobać i pocierać grafit, ale nigdy nie udało im się dotrzeć do pojedynczej warstwy. W końcu udało im się wyizolować grafen na wierzchu innych materiałów, ale nie na nim samym.

W 2002 r. badacz z Uniwersytetu w Manchesterze Andre Geim zainteresował się grafenem i rzucił doktorantowi wyzwanie wypolerowania kawałka grafitu do jak najmniejszej liczby warstw. Studentowi udało się uzyskać 1000 warstw, ale nie udało mu się osiągnąć celu Geima, czyli 10 do 100 warstw. Geim spróbował innego rozwiązania: taśmy. Nałożył ją na grafit i odkleił, aby stworzyć płatki warstwowego grafenu. Kolejne odklejenia taśmy tworzyły coraz cieńsze warstwy, aż do uzyskania kawałka grafenu o grubości 10 warstw.

Zespół Geima pracował nad udoskonaleniem swojej techniki i w końcu wyprodukował pojedynczą warstwę atomów węgla. Swoje odkrycia opublikowali w „Science” w październiku 2004 roku. Geim i jego kolega Kostya Novoselov otrzymali za swoją pracę Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2010 roku.

Od czasu tych pierwszych płatków wykonanych za pomocą taśmy produkcja grafenu poprawiła się w szybkim tempie. W 2009 roku naukowcy byli w stanie stworzyć warstwę grafenu o średnicy 30 cali.

Dlaczego jest niezwykły?

Praca Geima i Novoselova była szalenie interesująca dla innych naukowców ze względu na opis dziwnych właściwości fizycznych grafenu. Elektrony poruszają się po grafenie niezwykle szybko i zaczynają zachowywać się tak, jakby były bezmasowe, naśladując fizykę, która rządzi cząstkami w bardzo małych skalach.

„Ten rodzaj interakcji wewnątrz ciała stałego, o ile ktokolwiek wie, jest unikalny dla grafenu” – napisali Geim i inny znany badacz grafenu, Philip Kim, w artykule w Scientific American z 2008 roku. „Dzięki temu nowemu materiałowi z ołówka, relatywistyczna mechanika kwantowa nie jest już ograniczona do kosmologii lub fizyki wysokich energii; teraz wkroczyła do laboratorium.”

Specjalne właściwości grafenu nie kończą się na dziwnej fizyce. Jest on również:

• Przewodzący: Elektrony są cząstkami, które tworzą elektryczność. Więc kiedy grafen pozwala elektronom szybko się przemieszczać, pozwala na szybkie przemieszczanie się elektryczności. Wiadomo, że porusza elektrony 200 razy szybciej niż krzem, ponieważ podróżują one z tak małą przerwą. Jest on również doskonałym przewodnikiem ciepła. Grafen jest przewodnikiem niezależnym od temperatury i działa normalnie w temperaturze pokojowej.
• Silny: Jak wspomniano wcześniej, trzeba by słonia z doskonałą równowagą, aby przebić się przez arkusz grafenu. Jest on bardzo wytrzymały ze względu na swój nieprzerwany wzór i silne wiązania między atomami węgla. Nawet jeśli łaty grafenu są zszyte razem, pozostaje on najmocniejszym materiałem.
• Giętkość: Te silne wiązania pomiędzy atomami węgla w grafenie są również bardzo elastyczne. Można je skręcać, ciągnąć i zakrzywiać do pewnego stopnia bez łamania, co oznacza, że grafen jest zginany i rozciągliwy.
• Przezroczysty: Grafen pochłania 2,3 procent światła widzialnego, które w niego uderza, co oznacza, że można przez niego widzieć bez konieczności radzenia sobie z jakimikolwiek odblaskami.

Do czego może być wykorzystany?

Wykorzystanie grafenu w życiu codziennym nie jest odległe, częściowo dzięki istniejącym badaniom nad nanorurkami węglowymi – zwiniętą, cylindryczną wersją grafenu. Rurki zostały spopularyzowane przez pracę z 1991 roku (wymagana subskrypcja) i wychwalane za ich niesamowite właściwości fizyczne, z których większość jest bardzo podobna do grafenu. Jednak łatwiej jest produkować duże arkusze grafenu i można go wytwarzać w podobny sposób jak krzem. Wiele z obecnych i planowanych zastosowań nanorurek węglowych jest obecnie dostosowywanych do grafenu.

Kilka z największych pojawiających się zastosowań to:

• Ogniwa słoneczne: Ogniwa słoneczne polegają na półprzewodnikach do absorpcji światła słonecznego. Półprzewodniki są wykonane z pierwiastka takiego jak krzem i mają dwie warstwy elektronów. W jednej warstwie, elektrony są spokojne i pozostają przy półprzewodniku. W drugiej warstwie elektrony mogą poruszać się swobodnie, tworząc przepływ prądu elektrycznego. Ogniwa słoneczne działają poprzez przekazywanie energii z cząsteczek światła do spokojnych elektronów, które stają się pobudzone i przeskakują do warstwy swobodnie przepływającej, tworząc więcej energii elektrycznej. Warstwy elektronów w grafenie zachodzą na siebie, co oznacza, że potrzeba mniej energii świetlnej, aby elektrony przeskakiwały pomiędzy warstwami. W przyszłości ta właściwość może przyczynić się do powstania bardzo wydajnych ogniw słonecznych. Wykorzystanie grafenu pozwoliłoby również na zastosowanie ogniw, które są setki tysięcy razy cieńsze i lżejsze niż te, które bazują na krzemie.

  

• Tranzystory: Chipy komputerowe polegają na miliardach tranzystorów, aby kontrolować przepływ energii elektrycznej w swoich obwodach. Badania skupiają się głównie na zwiększaniu mocy chipów poprzez umieszczanie w nich większej liczby tranzystorów, a grafen z pewnością mógłby dać początek najcieńszym tranzystorom. Ale tranzystory mogą być również bardziej wydajne poprzez przyspieszenie przepływu elektronów – cząsteczek, które tworzą elektryczność. Ponieważ nauka zbliża się do granicy tego, jak małe mogą być tranzystory, grafen mógłby przesunąć granicę z powrotem zarówno poprzez szybsze poruszanie elektronami, jak i zmniejszenie ich rozmiaru do kilku atomów lub mniej.
• Przezroczyste ekrany: Urządzenia takie jak telewizory plazmowe i telefony są powszechnie pokryte materiałem zwanym tlenkiem cyny indu. Producenci aktywnie poszukują alternatywnych rozwiązań, które mogłyby obniżyć koszty i zapewnić lepszą przewodność, elastyczność i przejrzystość. Grafen jest pojawiającą się opcją. Jest on nierefleksyjny i wydaje się bardzo przezroczysty. Jego przewodnictwo kwalifikuje go również jako powłokę do tworzenia urządzeń z ekranami dotykowymi. Ponieważ grafen jest zarówno mocny, jak i cienki, może zginać się bez łamania, co czyni go dobrym odpowiednikiem dla zginanej elektroniki, która wkrótce trafi na rynek.

Grafen może mieć również zastosowanie w czujnikach kamer, sekwencjonowaniu DNA, wykrywaniu gazu, wzmacnianiu materiałów, odsalaniu wody i nie tylko.

Jakie są krytyczne uwagi?

Grafen jest wciąż na etapie niemowlęcym w porównaniu z rozwiniętymi materiałami, takimi jak krzem i ITO. Aby mógł zostać powszechnie przyjęty, będzie musiał być produkowany w dużych ilościach przy kosztach równych lub niższych od istniejących materiałów. Pojawiające się techniki produkcji typu roll-to-roll, vapor deposit i inne sugerują, że jest to możliwe, ale nie są jeszcze gotowe, by wprowadzić grafen na każdy ekran urządzenia mobilnego. Naukowcy będą również musieli kontynuować pracę nad poprawą przejrzystości i przewodnictwa grafenu w jego komercyjnej formie.

Choć grafen jest obiecującym materiałem na tranzystory, ma jednak poważny problem: nie jest w stanie wyłączyć przepływu prądu, jak materiały takie jak krzem, co oznacza, że prąd będzie płynął nieprzerwanie. Oznacza to, że grafen sam w sobie nie może służyć jako tranzystor. Naukowcy poszukują obecnie sposobów na dostosowanie go i połączenie z innymi materiałami, aby pokonać to ograniczenie. Jedna z technik polega na umieszczeniu warstwy azotku boru – innego materiału o grubości jednego atomu – pomiędzy dwiema warstwami grafenu. Powstały w ten sposób tranzystor może być włączany i wyłączany, ale prędkość elektronów jest nieco spowolniona. Inna technika polega na wprowadzeniu zanieczyszczeń do grafenu.

Grafen może również pojawić się zbyt późno dla wielu z jego możliwych zastosowań. Baterie do samochodów elektrycznych i włókna węglowe mogłyby być wykonane z grafenu, ale już opierają się na węglu aktywnym i graficie – dwóch bardzo tanich materiałach. Grafen na razie pozostanie droższy i może nigdy nie będzie na tyle tani, by przekonać producentów do zmiany.

Świat dopiero od dekady bada, co może zrobić z grafenem. Dla porównania, krzem istnieje już od prawie 200 lat. W takim tempie, w jakim posuwają się badania, już wkrótce możemy się dowiedzieć, czy grafen stanie się wszechobecny, czy będzie tylko kolejnym krokiem w odkrywaniu kolejnego cudownego materiału.