Što je grafen? Evo što biste trebali znati

Daljnje čitanje

• Devet nevjerojatnih upotreba grafena, od filtriranja vode do pametne boje
• Što je Hyperloop? Ovdje je sve što trebate znati

Danas novi materijal ima potencijal promijeniti budućnost. Nazvan "supermaterijal", grafen tjera istraživače diljem svijeta da ga bolje razumiju. Dugi popis čudesnih svojstava grafena čini ga gotovo magičnim, ali mogao bi imati vrlo stvarne i drastične implikacije na budućnost fizike i inženjerstva.

Što je zapravo grafen?

Najjednostavniji način da se opiše grafen je da je to jedan, tanak sloj grafita — mekog, ljuskavog materijala koji se koristi u olovci za olovke. Grafit je alotrop elementa ugljika, što znači da posjeduje iste atome, ali su raspoređeni na drugačiji način, što materijalu daje drugačija svojstva. Na primjer, i dijamant i grafit su oblici ugljika, ali imaju potpuno različite prirode. Dijamanti su nevjerojatno čvrsti, dok je grafit krt. Atomi grafena raspoređeni su u šesterokutni raspored.

Zanimljivo, kada se grafen izolira iz grafita on poprima neka čudesna svojstva. To je debeo samo jedan atom, prvi dvodimenzionalni materijal ikada otkriven. Unatoč tome, grafen je također jedan od najjačih materijala u poznatom svemiru. Uz vlačnu čvrstoću od 130 GPa (gigapaskala), više je od 100 puta jači od čelika.

Nevjerojatna snaga grafena unatoč tome što je tako tanak već je dovoljna da ga učini nevjerojatnim, međutim, njegova jedinstvena svojstva tu ne završavaju. Također je fleksibilan, proziran, visoko vodljiv i naizgled nepropustan za većinu plinova i tekućina. Čini se kao da ne postoji područje u kojem grafen ne briljira.

Povijest grafena: Rola trake i san

Grafit je već dugo poznata količina (ljudi ga koriste još od neolitika). Njegova je atomska struktura dobro dokumentirana, a znanstvenici su dugo vremena razmišljali mogu li se izolirati pojedinačni slojevi grafita. Sve do nedavno, međutim, grafen je bio samo teorija, budući da znanstvenici nisu bili sigurni hoće li grafit ikada biti moguće narezati na jednu, poput atoma tanku ploču. Prvi izolirani uzorak grafena otkrili su 2004. Andre Geim i Konstantin Novoselov sa Sveučilišta u Manchesteru. Moglo bi se očekivati ​​da su izolirali legendarnu tvar pomoću nekog masivnog, skupog stroja, ali alat koji su koristili bio je zabavno jednostavan: smotuljak selotejpa.

Prilikom korištenja trake za poliranje velikog bloka grafita, istraživači su primijetili iznimno tanke ljuskice na traci. Nastavljajući guliti sloj i sloj s pahuljica grafita, na kraju su proizveli što tanji uzorak. Pronašli su grafen. Otkriće je bilo toliko bizarno da je znanstveni svijet isprva bio skeptičan. Popularni časopis Priroda čak dva puta odbio njihov rad o eksperimentu. Na kraju je njihovo istraživanje objavljeno, a 2010. Geim i Novoselov su za svoje otkriće dobili Nobelovu nagradu za fiziku.

Potencijalne primjene

Kad bi grafen imao samo jednu od svojih mnogih vrhunskih osobina, bio bi predmet intenzivnog istraživanja potencijalne upotrebe. Budući da je tako izvanredan na mnogo načina, grafen je nadahnuo znanstvenike da razmišljaju o širokom rasponu upotrebe ovog materijala, u različitim poljima poput potrošačke tehnologije i znanosti o okolišu.

Fleksibilna elektronika

Uz moćna električna svojstva, grafen je također vrlo fleksibilan i proziran. To ga čini privlačnim za korištenje u prijenosnoj elektronici. Pametni telefoni i tableti mogli bi postati puno izdržljiviji pomoću grafena, a možda bi se čak mogli presavijati poput papira. Nosivi elektronički uređaji u posljednje vrijeme postaju sve popularniji. Uz grafen, ovi bi uređaji mogli postati još korisniji, dizajnirani da tijesno prianjaju oko udova i savijaju se kako bi se prilagodili raznim oblicima vježbe.

Međutim, fleksibilnost i mikroskopska širina grafena pružaju mogućnosti izvan pukih potrošačkih uređaja. Također bi mogao biti koristan u biomedicinskim istraživanjima. Mali strojevi i senzori mogli bi se napraviti od grafena, sposobni da se lako i bezopasno kreću kroz ljudsko tijelo, analiziraju tkivo ili čak dostavljaju lijekove na određena područja. Ugljik je već ključni sastojak u ljudskom tijelu; Dodano malo grafena možda neće škoditi.

Solarne ćelije/fotonapon

Grafen je i visoko vodljiv i proziran. Kao takav, ima veliki potencijal kao materijal u solarnim ćelijama. Obično solarne ćelije koriste silicij, koji proizvodi naboj kada foton udari u materijal, oslobađajući slobodni elektron. Silicij oslobađa samo jedan elektron po fotonu koji ga pogodi. Istraživanje je pokazalo da grafen može osloboditi više elektrona za svaki foton koji ga pogodi. Kao takav, grafen bi mogao biti daleko bolji u pretvaranju sunčeve energije. Uskoro bi jeftinije, snažnije ćelije od grafena mogle proizvesti golem porast obnovljive energije.

Grafenova fotonaponska svojstva također znače da bi se mogao koristiti za razvoj boljih senzora slike za uređaje kao što su kamere.

Poluvodiči

Zbog svoje visoke vodljivosti, grafen bi se mogao koristiti u poluvodičima kako bi se znatno povećala brzina kojom informacije putuju. Nedavno je Ministarstvo energetike provelo testove koji su pokazali da poluvodljivi polimeri mnogo brže provode struju kada se stave na sloj grafena nego na sloj silicija. Ovo vrijedi čak i ako je polimer deblji. Polimer debljine 50 nanometara, kada se stavi na vrh sloja grafena, provodi naboj bolje od sloja polimera od 10 nanometara. To se kosilo s prethodnom mudrošću koja je tvrdila da što je polimer tanji, to može bolje provoditi naboj.

Najveća prepreka korištenju grafena u elektronici je njegov nedostatak zazora, jaza između valentnih i vodljivih pojasa u materijalu koji, kada se prekriže, omogućuje protok električne struje. Zazor je ono što omogućuje poluvodljivim materijalima kao što je silicij da funkcioniraju kao tranzistori; mogu se prebacivati ​​između izolacije i provođenja električne struje, ovisno o tome jesu li njihovi elektroni gurnuti preko zabranjenog pojasa ili ne.

Istraživači su testirali razne metode kako bi grafenu dali zazor; ako uspije, to bi moglo dovesti do mnogo brže elektronike izgrađene s grafenom.

Filtriranje vode

Čvrste atomske veze grafena čine ga nepropusnim za gotovo sve plinove i tekućine. Zanimljivo, molekule vode su izuzetak. Budući da voda može ispariti kroz grafen, dok većina drugih plinova i tekućina ne može, grafen bi mogao biti izvanredan alat za filtraciju. Istraživači sa Sveučilišta u Manchesteru testirali su propusnost grafena s alkoholom i uspjeli su destilirajte vrlo jake uzorke jakih alkoholnih pića, jer je samo voda u uzorcima mogla proći kroz grafen.

Naravno, korištenje grafena kao filtra ima potencijal izvan destilacije jačih alkoholnih pića. Grafen bi također mogao biti od velike pomoći u pročišćavanju vode od toksina. U studiji koju je objavilo The Royal Society of Chemistry, istraživači su pokazali da bi oksidirani grafen mogao čak povucite radioaktivne materijale kao što su uran i plutonij prisutni u vodi, ostavljajući tekućinu bez onečišćenja. Implikacije ove studije su ogromne. Neke od najvećih opasnosti za okoliš u povijesti, uključujući nuklearni otpad i kemijsko otjecanje, mogle bi se očistiti iz izvora vode zahvaljujući grafenu.

Budući da je prenaseljenost i dalje jedan od najhitnijih ekoloških problema u svijetu, održavanje zaliha čiste vode postat će samo važnije. Doista, nestašica vode pogađa više od milijardu ljudi diljem svijeta, broj koji će samo nastaviti rasti s obzirom na trenutne trendove. Grafenski filtri imaju golem potencijal poboljšanja pročišćavanja vode, povećavajući količinu dostupne svježe vode. Zapravo, Lockheed Martin je nedavno razvio filter od grafena nazvan "Perforene", za koji tvrtka tvrdi da bi mogao revolucionirati proces desalinizacije.

Sadašnja postrojenja za desalinizaciju koriste metodu zvanu reverzna osmoza za filtriranje soli iz morske vode. Reverzna osmoza koristi pritisak za kretanje vode kroz membranu. Kako bi se proizvele velike količine pitke vode, potreban je pritisak goleme količine energije. A Inženjer Lockheed Martina tvrdi njihovi Perforene filtri mogli bi smanjiti energetske potrebe sto puta manje od ostalih filtara.

MIT stvorio grafen s “nanoporama”

Filtracija je jedna od najočitijih upotreba grafena, a inženjeri MIT-a napravili su velike korake u usavršavanju sposobnosti grafena da odvaja molekule. U 2018. godini, tim s MIT-a osmislio je metodu za stvaranje sićušnih rupica u grafenu. Istraživači MIT-a koriste pristup "roll-to-roll" za proizvodnju grafena. Njihovo postavljanje uključuje dva kalema: jedan kalem dovodi bakreni list u peć gdje se zagrijava do odgovarajuću temperaturu, tada inženjeri dodaju metan i plin vodik, što u biti uzrokuje nakupine grafena kako bi se dobilo. Grafenski film izlazi iz peći, namotavajući se na drugi kalem.

U teoriji, ovaj proces omogućuje da se velike ploče grafena formiraju u relativno kratkom vremenu, što je ključno za komercijalne primjene. Istraživači su morali fino podesiti proces kako bi se grafen savršeno oblikovao, a zanimljivo je da su se nesavršeni pokušaji na tom putu kasnije pokazali korisnima. Dok je tim s MIT-a pokušavao stvoriti pore u grafenu, započeli su korištenjem kisikove plazme kako bi ih izrezbarili. Kako se ovaj proces pokazao dugotrajnim, željeli su nešto brže i potražili rješenja u svojim prethodnim eksperimentima. Snižavanjem temperature tijekom rasta grafena, pojavile su se pore. Ono što se tijekom procesa razvoja činilo kao nedostaci, na kraju je postalo koristan način za stvaranje poroznog grafena.

Supravodljivost

Nedugo zatim pokazali su znanstvenici s Cambridgea da grafen može djelovati kao supravodič (materijal bez električnog otpora) kada je uparen s praseodim cerijem bakrenim oksidom, istraživači s MIT-a otkrio još jedno zapanjujuće svojstvo: očito može funkcionirati sam kao supravodič, u ispravnoj konfiguraciji. Istraživači su naslagali dvije kriške grafena, ali su ih pomaknuli pod kutom od 1,1 stupanj. Prema izvješću objavljenom u časopisu Nature, “fizičar Pablo Jarillo-Herrero s Instituta Massachusetts Technology (MIT) u Cambridgeu i njegov tim nisu tražili supravodljivost kada su postavili svoj eksperiment. Umjesto toga, istraživali su kako bi orijentacija nazvana magični kut mogla utjecati na grafen.”

Ono što su otkrili jest da je, kada su struju pustili kroz nesređeni grafenski skup, ona funkcionirala kao supravodič. Ovaj jednostavan postupak primjene elektriciteta čini grafen lakšim za proučavanje od slične klase supravodiči, kuprati, iako ti materijali pokazuju mnogo veću supravodljivost temperature. Većina materijala koji pokazuju supravodljivost samo to čine blizu temperature apsolutne nule. Neki takozvani "visokotemperaturni supravodiči" mogu pokazati supravodljivost na temperaturama od oko 133 Kelvina (-140 Celzija), što je relativno visoko; vodikov sulfid, pod dovoljnim pritiskom, pokazuje svojstvo na čudesnih -70 Celzijevih stupnjeva!

Raspored grafena je morao biti ohlađen na 1,7 stupnjeva iznad apsolutne nule, međutim, istraživači smatraju da je njegovo ponašanje slično onom kuprata, i pa se nadaju da će to biti puno lakši materijal za proučavanje nekonvencionalne supravodljivosti, što je još uvijek područje velikih neslaganja među fizičari. Budući da se supravodljivost obično događa samo na tako niskim temperaturama, supravodiči se koriste samo u skupim strojevima poput MRI strojeva, ali znanstvenici se nadaju da će jednog dana pronaći supravodič koji radi na sobnoj temperaturi, što bi smanjilo troškove uklanjanjem potrebe za hlađenjem jedinice.

U studija objavljena 2019, istraživači su pokazali kako uvijanje slojeva grafena pod određenim "čarobnim" kutovima može proizvesti supravodljiva svojstva na nižim temperaturama nego prije.

Obrana od komaraca

Malo je stvorenja tako odvratno kao komarac, zbog svojih ugriza koji svrbe i sklonosti širenju užasnih bolesti poput malarije. Srećom, istraživači sa Sveučilišta Brown pronašli su moguće rješenje pomoću grafena. Istraživanje, objavljeno 2019, pokazuje da grafenski film na koži ne samo da sprječava ugrize komaraca, nego ih čak i odvraća od slijetanja na kožu. Jedno od mogućih objašnjenja je da je grafen spriječio komarce da namirišu plijen.

Budućnost istraživanja grafena

S obzirom na naizgled beskrajan popis prednosti grafena, moglo bi se očekivati ​​da će ga se vidjeti posvuda. Zašto onda grafen nije široko prihvaćen? Kao i kod većine stvari, sve se svodi na novac. Grafen je još uvijek iznimno skup za proizvodnju u velikim količinama, što ograničava njegovu upotrebu u bilo kojem proizvodu koji bi zahtijevao masovnu proizvodnju. Štoviše, kada se proizvode veliki listovi grafena, postoji povećan rizik od sitnih pukotina i drugih nedostataka koji se pojavljuju u materijalu. Koliko god znanstveno otkriće bilo nevjerojatno, ekonomija će uvijek odlučiti o uspjehu.

Na stranu problemi s proizvodnjom, istraživanje grafena nipošto ne usporava. Istraživački laboratoriji diljem svijeta - uključujući Sveučilište u Manchesteru, gdje je grafen prvi put otkriven - neprestano podnose patente za nove metode stvaranja i korištenja grafena. Europska unija odobrila je financiranje vodećeg programa 2013., koji će financirati istraživanje grafena za upotrebu u elektronici. U međuvremenu, velike tehnološke tvrtke u Aziji provode istraživanja grafena, uključujući Samsung.

Revolucije se ne događaju preko noći. Silicij je otkriven sredinom 19. stoljeća, ali je trebalo proći gotovo jedno stoljeće prije nego što su silicijevi poluvodiči utrli put usponu računala. Može li grafen, sa svojim gotovo mitskim svojstvima, biti resurs koji pokreće sljedeću eru ljudske povijesti? Samo će vrijeme pokazati.

Preporuke urednika

• Najbolje lampe za svjetlosnu terapiju
• Koliko dugo bi trebali trajati vaši uređaji?
• Najbolji solarni punjači za vaš telefon ili tablet
• 17 crnih izumitelja koji su promijenili svijet tehnologije
• Najbolji uređaji za zdravlje i fitness