Ce este grafenul? Iată ce trebuie să știți despre un material care ar putea fi următorul siliciu

• Tweet
• Share
• Post

Graphene, un material emergent care ar putea schimba modul de fabricare a componentelor electronice și ar putea contribui la creșterea continuă a performanțelor de calcul, este peste tot în lumea cercetării în aceste zile.

Doar luna aceasta, progresele au sugerat că ar putea crește viteza internetului, ar putea servi ca un strat sensibil la atingere și ar putea prelungi durata de viață a computerelor. Este mai rezistent decât diamantul și conduce electricitatea și căldura mai bine decât orice alt material descoperit vreodată și probabil că va juca un rol important în multe produse și procese în viitor.

Ce este grafenul?

Grafenul este alcătuit dintr-un singur strat de atomi de carbon care sunt legați împreună într-un model repetitiv de hexagoane. Grafenul este de un milion de ori mai subțire decât hârtia; atât de subțire încât este considerat de fapt bidimensional.

Carbonul este un element incredibil de versatil. În funcție de modul în care sunt aranjați atomii, acesta poate produce diamante dure sau grafit moale. Modelul plat în formă de fagure de miere al grafenei îi conferă multe caracteristici neobișnuite, inclusiv statutul de cel mai puternic material din lume. Profesorul de inginerie mecanică de la Universitatea Columbia, James Hone, a spus odată că este „atât de puternic încât ar fi nevoie de un elefant, în echilibru pe un creion, pentru a străpunge o foaie de grafenă de grosimea unui Saran Wrap”, potrivit universității.

Aceste straturi unice de atomi de carbon oferă fundația pentru alte materiale importante. Grafitul – sau mina de creion – se formează atunci când se suprapune grafenul. Nanotuburile de carbon, care sunt un alt material emergent, sunt făcute din grafenul rulat. Aceștia sunt folosiți la biciclete, rachete de tenis și chiar la ingineria țesuturilor vii.

Cum a fost descoperit?

Sunt șanse mari să fi făcut grafenul de multe ori în viața dumneavoastră. Desenați o linie cu un creion și mici bucăți de grafenă se vor desprinde. Dar nimeni nu a avut atât instrumentele, cât și interesul de a izola în mod fiabil grafenul de sine stătător până la începutul anilor 2000.

Grafenul a fost studiat teoretic pentru prima dată în anii 1940. La acea vreme, oamenii de știință au crezut că era fizic imposibil ca un material bidimensional să existe, așa că nu au urmărit izolarea grafenului. Decenii mai târziu, interesul a crescut și cercetătorii au început să viseze la tehnici pentru a desprinde grafenul. Aceștia au încercat să introducă molecule între straturile de grafenă și să răzuiască și să frece grafitul, dar nu au ajuns niciodată la un singur strat. În cele din urmă, au reușit să izoleze grafenul deasupra altor materiale, dar nu și de unul singur.

În 2002, Andre Geim, cercetător la Universitatea din Manchester, a devenit interesat de grafen și a provocat un doctorand să șlefuiască o bucată de grafit pentru a obține cât mai puține straturi posibile. Studentul a reușit să ajungă la 1.000 de straturi, dar nu a putut atinge obiectivul lui Geim de 10 până la 100 de straturi. Geim a încercat o abordare diferită: banda adezivă. El a aplicat-o pe grafit și a desprins-o pentru a crea fulgi de grafenă stratificată. Mai multe pelicule de bandă au creat straturi din ce în ce mai subțiri, până când a obținut o bucată de grafenă cu grosimea de 10 straturi.

Echipa lui Geim a lucrat la rafinarea tehnicii lor și, în cele din urmă, a produs un singur strat de atomi de carbon. Ei și-au publicat descoperirile în „Science” în octombrie 2004. Geim și colegul său Kostya Novoselov au primit Premiul Nobel pentru fizică în 2010 pentru munca lor.

De la acei primii fulgi realizați cu bandă adezivă, producția de grafenă s-a îmbunătățit într-un ritm rapid. În 2009, cercetătorii au reușit să creeze o peliculă de grafenă care măsura 30 de centimetri în diametru.

De ce este neobișnuit?

Articolul lui Geim și Novoselov a fost extrem de interesant pentru alți oameni de știință din cauza descrierii proprietăților fizice ciudate ale grafenului. Electronii se mișcă prin grafenă incredibil de repede și încep să aibă comportamente ca și cum nu ar avea masă, imitând fizica care guvernează particulele la scări foarte mici.

„Acest tip de interacțiune în interiorul unui solid, din câte se știe, este unic pentru grafenă”, au scris Geim și un alt cercetător celebru în domeniul grafenei, Philip Kim, într-un articol din 2008 din Scientific American. „Mulțumită acestui material nou provenit dintr-un creion, mecanica cuantică relativistă nu mai este limitată la cosmologie sau la fizica energiilor înalte; ea a intrat acum în laborator.”

Proprietățile speciale ale grafenului nu se opresc la fizica ciudată. Este, de asemenea:

• Conductiv: Electronii sunt particulele care alcătuiesc electricitatea. Deci, atunci când grafenul permite electronilor să se miște rapid, permite electricității să se miște rapid. Se știe că mișcă electronii de 200 de ori mai repede decât siliciul, deoarece aceștia călătoresc cu o întrerupere atât de mică. De asemenea, este un excelent conductor de căldură. Grafenul este conducător independent de temperatură și funcționează în mod normal la temperatura camerei.
• Fierbinte: Așa cum am menționat mai devreme, ar fi nevoie de un elefant cu un echilibru excelent pentru a străpunge o foaie de grafenă. Acesta este foarte rezistent datorită modelului său neîntrerupt și a legăturilor puternice dintre atomii de carbon. Chiar și atunci când petice de grafenă sunt cusute împreună, aceasta rămâne cel mai puternic material existent.
• Flexibil: Aceste legături puternice dintre atomii de carbon ai grafenului sunt, de asemenea, foarte flexibile. Ele pot fi răsucite, trase și curbate într-o anumită măsură fără a se rupe, ceea ce înseamnă că grafenul este flexibil și extensibil.
• Transparent: Grafenul absoarbe 2,3 la sută din lumina vizibilă care îl lovește, ceea ce înseamnă că puteți vedea prin el fără a avea de-a face cu nicio strălucire.

La ce poate fi folosit?

Utilizarea grafenului în viața de zi cu zi nu este departe, datorită, în parte, cercetărilor existente în domeniul nanotuburilor de carbon – versiunea rulată, cilindrică a grafenului. Tuburile au fost popularizate de o lucrare din 1991 (necesită abonament) și au fost promovate pentru calitățile lor fizice incredibile, cele mai multe dintre acestea fiind foarte asemănătoare cu grafenul. Dar este mai ușor de produs foi mari de grafenă și poate fi fabricat într-un mod similar cu siliciul. Multe dintre aplicațiile actuale și planificate pentru nanotuburile de carbon sunt acum adaptate la grafenă.

Câteva dintre cele mai mari aplicații emergente sunt:

• Pile solare: Celulele solare se bazează pe semiconductori pentru a absorbi lumina solară. Semiconductorii sunt făcuți dintr-un element precum siliciul și au două straturi de electroni. La un strat, electronii sunt calmi și rămân alături de semiconductor. În celălalt strat, electronii se pot deplasa liber, formând un flux de electricitate. Celulele solare funcționează prin transferul de energie de la particulele de lumină către electronii calmi, care devin excitați și sar în stratul cu flux liber, creând mai multă electricitate. Straturile de electroni ale grafenei se suprapun de fapt, ceea ce înseamnă că este nevoie de mai puțină energie luminoasă pentru ca electronii să sară între straturi. În viitor, această proprietate ar putea da naștere unor celule solare foarte eficiente. Utilizarea grafenului ar permite, de asemenea, celule care sunt de sute de mii de ori mai subțiri și mai ușoare decât cele care se bazează pe siliciu.

  

• Transistori: Cipurile de calculator se bazează pe miliarde de tranzistori pentru a controla fluxul de electricitate în circuitele lor. Cercetările s-au axat în principal pe creșterea puterii cipurilor prin încorporarea mai multor tranzistori, iar grafenul ar putea, cu siguranță, să dea naștere celor mai subțiri tranzistori de până acum. Dar tranzistorii pot fi, de asemenea, mai puternici prin accelerarea fluxului de electroni – particulele care alcătuiesc electricitatea. Pe măsură ce știința se apropie de limita de micime a tranzistoarelor, grafenul ar putea împinge limita înapoi atât prin deplasarea mai rapidă a electronilor, cât și prin reducerea dimensiunii acestora la câțiva atomi sau mai puțin.
• Screenuri transparente: Dispozitive precum televizoarele cu plasmă și telefoanele sunt în mod obișnuit acoperite cu un material numit oxid de indiu și staniu. Producătorii caută în mod activ alternative care ar putea reduce costurile și ar putea oferi o mai bună conductivitate, flexibilitate și transparență. Grafenul este o opțiune emergentă. Acesta este nereflectorizant și pare foarte transparent. Conductivitatea sa îl califică, de asemenea, ca un strat de acoperire pentru a crea dispozitive cu ecran tactil. Deoarece grafenul este în același timp puternic și subțire, se poate îndoi fără să se rupă, ceea ce îl face să se potrivească bine pentru electronicele pliabile care vor ajunge în curând pe piață.

Grafenul ar putea avea, de asemenea, aplicații pentru senzorii camerelor foto, secvențierea ADN-ului, detectarea gazelor, întărirea materialelor, desalinizarea apei și nu numai.

Care sunt criticile?

Grafenul este încă într-un stadiu infantil în comparație cu materialele dezvoltate, cum ar fi siliciul și ITO. Pentru ca acesta să fie adoptat pe scară largă, va trebui să poată fi produs în cantități mari la costuri egale sau mai mici decât materialele existente. Tehnicile emergente de producție roll-to-roll, de depunere de vapori și alte tehnici de producție sugerează că acest lucru este posibil, dar nu sunt încă pregătite pentru a aduce grafenul pe toate ecranele dispozitivelor mobile existente. Cercetătorii vor trebui, de asemenea, să continue să lucreze la îmbunătățirea transparenței și a conductivității grafenei în forma sa comercială.

În timp ce grafenul se arată promițător pentru tranzistori, acesta are o problemă majoră: nu poate întrerupe fluxul de electricitate „off” precum materiale precum siliciul, ceea ce înseamnă că electricitatea va curge în mod constant. Acest lucru înseamnă că grafenul nu poate servi ca tranzistor de unul singur. Cercetătorii explorează acum modalități de a-l ajusta și de a-l combina cu alte materiale pentru a depăși această limitare. O tehnică implică plasarea unui strat de nitrură de bor – un alt material cu grosimea de un atom – între două straturi de grafenă. Tranzistorul rezultat poate fi pornit și oprit, dar viteza electronilor este oarecum încetinită. O altă tehnică implică introducerea de impurități în grafenă.

Grafenul ar putea, de asemenea, să apară prea târziu pentru multe dintre aplicațiile sale posibile. Bateriile mașinilor electrice și fibra de carbon ar putea fi fabricate cu grafenă, dar acestea se bazează deja pe carbon activat și, respectiv, grafit – două materiale foarte ieftine. Grafenul va rămâne deocamdată mai scump și s-ar putea să nu fie niciodată suficient de ieftin pentru a-i convinge pe producători să schimbe.

Lumea este la doar un deceniu de explorare a ceea ce poate face cu grafenul. În schimb, siliciul există de aproape 200 de ani. În ritmul în care se mișcă cercetarea, am putea ști foarte curând dacă grafenul va deveni omniprezent sau doar un alt pas în descoperirea următorului material minune.

.