Mi az a grafén? Íme, amit tudnia kell

További irodalom

• A grafén kilenc csodálatos felhasználási módja, a víz szűrésétől az intelligens festékig
• Mi az a Hyperloop? Itt van minden, amit tudnia kell

Ma egy új anyag képes megváltoztatni a jövőt. A „szuperanyagnak” nevezett grafén kutatói szerte a világon igyekeznek jobban megérteni. A grafén csodás tulajdonságainak hosszú listája miatt szinte varázslatosnak tűnik, de nagyon valós és drasztikus következményei lehetnek a fizika és a mérnöki tudomány jövőjére nézve.

Mi is pontosan a grafén?

A grafén leírásának legegyszerűbb módja az, hogy egyetlen, vékony grafitrétegről van szó – a ceruzaólom lágy, pelyhes anyagáról. A grafit a szén elem allotrópja, ami azt jelenti, hogy ugyanazokat az atomokat tartalmazza, de ezek eltérő módon vannak elrendezve, így az anyag eltérő tulajdonságokat ad. Például a gyémánt és a grafit is a szén egyik formája, mégis vadul eltérő természetűek. A gyémántok hihetetlenül erősek, míg a grafit törékeny. A grafén atomjai hatszögletű elrendezésben helyezkednek el.

Érdekes módon, amikor a grafént a grafitból izolálják, az csodálatos tulajdonságokat kölcsönöz. Csupán egy atom vastagságú, a valaha felfedezett első kétdimenziós anyag. Ennek ellenére a grafén az egyik legerősebb anyag az ismert univerzumban. 130 GPa (gigapascal) szakítószilárdságával több mint 100-szor erősebb, mint az acél.

A grafén hihetetlen ereje annak ellenére, hogy olyan vékony, már elég ahhoz, hogy csodálatos legyen, azonban egyedülálló tulajdonságai ezzel még nem érnek véget. Rugalmas, átlátszó, erősen vezetőképes, és látszólag áthatolhatatlan a legtöbb gáz és folyadék számára. Szinte úgy tűnik, nincs olyan terület, ahol a grafén ne jeleskedik.

A grafén története: egy tekercs szalag és egy álom

A grafit régóta ismert mennyiség (az ember a neolitikum óta használja). Atomszerkezete jól dokumentált, és a tudósok sokáig azon töprengtek, hogy izolálhatók-e egyetlen grafitréteg. Egészen a közelmúltig azonban a grafén csak elmélet volt, mivel a tudósok nem voltak biztosak abban, hogy valaha is lehetséges lesz-e a grafitot egyetlen, atomvékony lapra felszeletelni. Az első izolált grafénmintát 2004-ben Andre Geim és Konstantin Novoselov fedezte fel a Manchesteri Egyetemen. Azt várhatnánk, hogy valami masszív, drága géppel izolálták a mesés anyagot, de az általuk használt eszköz mulatságosan egyszerű volt: egy tekercs szalag.

Amikor szalagot használtak egy nagy grafittömb polírozására, a kutatók kivételesen vékony pelyheket észleltek a szalagon. Folytatva a grafitpelyhek rétegének leválasztását, végül a lehető legvékonyabb mintát állítottak elő. Találtak grafént. A felfedezés annyira bizarr volt, hogy a tudományos világ eleinte szkeptikus volt. A népszerű folyóirat Természet kétszer is elutasította a kísérletről írt dolgozatukat. Végül publikálták kutatásaikat, és 2010-ben Geim és Novoselov fizikai Nobel-díjat kapott felfedezésükért.

Lehetséges alkalmazások

Ha a grafénnek csupán egy lenne a sok kiváló tulajdonsága közül, akkor intenzív kutatás tárgya lenne a lehetséges felhasználási területekről. Mivel a grafén oly sok szempontból figyelemre méltó, arra ösztönözte a tudósokat, hogy az anyag felhasználási területeinek széles skáláján gondolkodjanak, olyan változatos területeken, mint a fogyasztói technológia és a környezettudomány.

Rugalmas elektronika

Erőteljes elektromos tulajdonságai mellett a grafén rendkívül rugalmas és átlátszó is. Ez vonzóvá teszi a hordozható elektronikában való használatra. Az okostelefonok és táblagépek sokkal tartósabbá válhatnak grafén használatával, és talán még papírszerűen össze is hajthatók. A hordható elektronikus eszközök az utóbbi időben egyre népszerűbbek. A grafén segítségével ezeket az eszközöket még hasznosabbá lehet tenni, úgy tervezték, hogy szorosan illeszkedjenek a végtagokhoz, és hajlítsanak, hogy alkalmazkodjanak a különféle edzésformákhoz.

A grafén rugalmassága és mikroszkopikus szélessége azonban a fogyasztói eszközökön túl lehetőségeket kínál. Hasznos lehet az orvosbiológiai kutatásokban is. Grafénből kis gépeket és érzékelőket lehetne készíteni, amelyek könnyen és veszélytelenül képesek áthaladni az emberi testen, szöveteket elemezni, vagy akár gyógyszereket is eljuttatni meghatározott területekre. A szén már most is kulcsfontosságú összetevő az emberi szervezetben; egy kis grafén hozzáadása nem árthat.

Napelemek/fotovoltaik

A grafén egyszerre nagy vezetőképességű és átlátszó. Mint ilyen, nagy potenciállal rendelkezik a napelemek anyagaként. A napelemek általában szilíciumot használnak, amely töltést hoz létre, amikor egy foton az anyagokba ütközik, és kiszabadít egy szabad elektront. A szilícium minden fotononként csak egy elektront szabadít fel. A kutatások kimutatták, hogy a grafén több elektront tud felszabadítani minden egyes fotonhoz, amely eltalálja. Mint ilyen, a grafén sokkal jobb lehet a napenergia átalakítására. Nemsokára az olcsóbb, erősebb graféncellák a megújuló energia hatalmas megugrását eredményezhetik.

A grafén fotovoltaikus tulajdonságai azt is jelentik, hogy felhasználható jobb képérzékelők fejlesztésére olyan eszközökhöz, mint a fényképezőgépek.

Félvezetők

Nagy vezetőképessége miatt a grafén felhasználható félvezetőkben, hogy nagymértékben megnövelje az információáramlás sebességét. Nemrég az Energiaügyi Minisztérium olyan teszteket végzett, amelyek kimutatták, hogy a félvezető polimerek sokkal gyorsabban vezetik az elektromosságot, ha grafénrétegre helyezik őket, mint egy szilíciumréteg. Ez akkor is igaz, ha a polimer vastagabb. Egy 50 nanométer vastag polimer, ha egy grafénréteg tetejére helyezték, jobban vezette a töltést, mint egy 10 nanométeres polimerréteg. Ez szembeszállt a korábbi bölcsességgel, amely szerint minél vékonyabb egy polimer, annál jobban képes töltést vezetni.

A grafén elektronikában való felhasználásának legnagyobb akadálya a sávköz hiánya, vagyis az anyag vegyérték- és vezetési sávjai közötti rés, amely keresztezve lehetővé teszi az elektromos áram áramlását. A sávszélesség az, ami lehetővé teszi, hogy a félvezető anyagok, például a szilícium tranzisztorként működjenek; válthatnak az elektromos áram szigetelése vagy vezetése között, attól függően, hogy elektronjaikat átnyomják-e a sávközön vagy sem.

A kutatók számos módszert teszteltek annak érdekében, hogy a grafént sávréshez jussanak; ha sikerül, az sokkal gyorsabb, grafénből készült elektronikához vezethet.

Vízszűrés

A grafén szoros atomkötései szinte minden gáz és folyadék számára áthatolhatatlanná teszik. Érdekes módon a vízmolekulák kivételt képeznek. Mivel a víz a grafénon keresztül el tud párologni, míg a legtöbb más gáz és folyadék nem, a grafén kivételes eszköz lehet a szűréshez. A Manchesteri Egyetem kutatói alkohollal tesztelték a grafén permeabilitását, és sikerült desztilláljanak nagyon erős szeszesitalmintákat, mivel csak a mintákban lévő víz tudott átjutni a grafén.

Természetesen a grafén szűrőként való felhasználásában az erősebb szeszes italok lepárlásán túl is van lehetőség. A grafén a víz méreganyagoktól való megtisztításában is rendkívül hasznos lehet. A The Royal Society of Chemistry által közzétett tanulmányban a kutatók kimutatták, hogy az oxidált grafén akár húzza be a vízben lévő radioaktív anyagokat, például uránt és plutóniumot, így a folyadék szabadon marad szennyeződések. Ennek a tanulmánynak a következményei hatalmasak. A történelem legnagyobb környezeti veszélyei közül néhányat, beleértve a nukleáris hulladékot és a vegyi anyagok lefolyását, a grafénnek köszönhetően meg lehet tisztítani a vízforrásoktól.

Mivel a túlnépesedés továbbra is a világ egyik legégetőbb környezetvédelmi problémája, a tiszta vízellátás fenntartása egyre fontosabbá válik. Valójában a vízhiány több mint egymilliárd embert sújt világszerte, ez a szám a jelenlegi tendenciák mellett csak tovább fog növekedni. A grafénszűrők hatalmas potenciállal rendelkeznek a víztisztítás javításában, növelve a rendelkezésre álló édesvíz mennyiségét. Valójában a Lockheed Martin nemrégiben kifejlesztett egy „Perforene” nevű grafénszűrőt, amely a cég szerint forradalmasíthatja a sótalanítási folyamatot.

A jelenlegi sótalanító üzemek fordított ozmózisnak nevezett módszert alkalmaznak a só kiszűrésére a tengervízből. A fordított ozmózis nyomás segítségével mozgatja a vizet a membránon. A nagy mennyiségű ivóvíz előállításához az ezzel járó nyomás óriási mennyiségű energiát igényel. A A Lockheed Martin mérnöke állítja Perforene szűrőik százszor kevésbé tudják csökkenteni az energiaigényt, mint más szűrők.

Az MIT "nanopórusokkal" hozta létre a grafént

A szűrés a grafén egyik legnyilvánvalóbb felhasználási módja, és az MIT mérnökei nagy lépéseket tettek a grafén molekulák szétválasztási képességének tökéletesítésében. 2018-ban, az MIT egyik csapata kidolgozott egy módszert, amellyel apró, „tűszúrású” lyukakat lehet létrehozni grafénlapokon. Az MIT kutatói „roll-to-roll” megközelítést alkalmaznak a grafén előállítására. Felállításuk két orsót foglal magában: Az egyik orsó egy rézlapot táplál be a kemencébe, ahol felmelegszik. megfelelő hőmérsékleten, majd a mérnökök metánt és hidrogéngázt adnak hozzá, ami lényegében grafén medencéket okoz alkotnak. A grafénfilm kilép a kemencéből, és a második orsóra tekercselődik.

Elméletileg ez az eljárás lehetővé teszi nagy grafénlapok kialakítását viszonylag rövid idő alatt, ami kulcsfontosságú a kereskedelmi alkalmazásokhoz. A kutatóknak finomhangolniuk kellett a folyamatot, hogy a grafén tökéletesen kialakuljon, és érdekes módon a tökéletlen próbálkozások később hasznosnak bizonyultak. Miközben az MIT csapata megpróbált pórusokat létrehozni a grafénben, először oxigénplazmával vágták ki azokat. Mivel ez a folyamat időigényesnek bizonyult, valami gyorsabbat akartak, és korábbi kísérleteikben keresték a megoldásokat. A hőmérséklet csökkentésével a grafén növekedése során pórusokat hoztak létre. Ami a fejlesztési folyamat során hibaként jelent meg, végül hasznos módja lett a porózus grafén előállításának.

Szupravezetés

Nem sokkal később Cambridge-i tudósok kimutatták Az MIT kutatói szerint a grafén szupravezetőként működhet (elektromos ellenállás nélküli anyag), ha prazeodímium cérium-réz-oxiddal párosul. felfedezték egy másik meghökkentő tulajdonság: láthatóan önmagában is képes szupravezetőként működni, megfelelő konfigurációban. A kutatók két grafénszeletet raktak egymásra, de 1,1 fokos szögben eltolták őket. A Nature-ben megjelent jelentés szerint „Pablo Jarillo-Herrero fizikus, a Massachusettsi Intézetben A cambridge-i Technology (MIT) és csapata nem a szupravezetést kereste, amikor beállították kísérlet. Ehelyett azt vizsgálták, hogy a mágikus szögnek nevezett tájolás hogyan befolyásolhatja a grafént.

Amit felfedeztek, az az, hogy amikor áramot vezettek a grafénkötegben, az szupravezetőként működött. Az elektromos áram alkalmazásának ez az egyszerű folyamata megkönnyíti a grafén tanulmányozását, mint egy hasonló osztályt szupravezetők, kuprátok, bár ezek az anyagok sokkal magasabb szupravezető képességet mutatnak hőmérsékletek. A legtöbb olyan anyag, amely szupravezető képességet mutat, csak az abszolút nulla hőmérséklet közelében működik. Egyes úgynevezett „magas hőmérsékletű szupravezetők” 133 Kelvin (-140 Celsius) körüli hőmérsékleten képesek szupravezetést mutatni, ami viszonylag magas; hidrogén-szulfid, kellő nyomás alatt, a tulajdonságot mutatja csodálatos -70 Celsius-fok!

A grafénelrendezést 1,7 fokkal az abszolút nulla fölé kellett hűteni, azonban a kutatók a kuprátokéhoz hasonlónak tartják a viselkedését, ill. így azt remélik, hogy ez sokkal könnyebb anyag lesz a nem konvencionális szupravezetés tanulmányozásához, ami még mindig nagy nézeteltérések tárgya. fizikusok. Mivel a szupravezetés jellemzően csak ilyen alacsony hőmérsékleten következik be, a szupravezetőket csak költséges gépekben, például MRI-gépekben használják, de A tudósok azt remélik, hogy egy napon találnak egy szobahőmérsékleten működő szupravezetőt, amely csökkentené a költségeket a hűtés szükségességének megszüntetésével egységek.

Ban ben egy 2019-ben megjelent tanulmány, a kutatók megmutatták, hogy a grafénrétegek meghatározott „varázslatos” szögekben csavarodó rétegei hogyan képesek szupravezető tulajdonságokat produkálni a korábbinál alacsonyabb hőmérsékleten.

Szúnyog elleni védekezés

Kevés lény olyan undorító, mint a szúnyog, a viszkető csípésekkel és olyan szörnyű betegségek terjesztésére való hajlamával, mint a malária. Szerencsére a Brown Egyetem kutatói találtak egy lehetséges megoldást a grafén használatával. A kutatás, 2019-ben jelent meg, azt bizonyítja, hogy a bőrön lévő grafénréteg nemcsak meggátolta a szúnyogokat a csípéstől, de még a bőrön való landolástól is elriasztja őket. Az egyik lehetséges magyarázat az, hogy a grafén megakadályozta, hogy a szúnyogok megszagolják a zsákmányt.

A grafénkutatás jövője

Tekintettel a grafén végtelennek tűnő erősségeinek listájára, azt várnánk, hogy mindenhol látni fogjuk. Akkor miért nem alkalmazták széles körben a grafént? Mint a legtöbb dolog, ez is a pénzen múlik. A grafént még mindig rendkívül drága nagy mennyiségben előállítani, ami korlátozza a felhasználását minden olyan termékben, amely tömegtermelést igényel. Ezen túlmenően, amikor nagy grafénlapokat állítanak elő, megnő annak a veszélye, hogy apró repedések és egyéb hibák jelennek meg az anyagban. Bármilyen hihetetlen is egy tudományos felfedezés, a közgazdaságtan mindig dönt a sikerről.

Eltekintve a gyártási problémáktól, a grafénkutatás semmiképpen sem lassul. A kutatólaboratóriumok világszerte – köztük a Manchesteri Egyetem, ahol a grafént először fedezték fel – folyamatosan benyújtják a szabadalmakat a grafén előállításának és felhasználásának új módszereire. Az Európai Unió 2013-ban jóváhagyta egy kiemelt program finanszírozását, amely az elektronikai felhasználásra szánt grafénkutatást finanszírozza. Eközben a nagy ázsiai technológiai cégek kutatásokat végeznek a grafénről, köztük a Samsung is.

A forradalmak nem egyik napról a másikra történnek. A szilíciumot a 19. század közepén fedezték fel, de csaknem egy évszázadba telt, mire a szilícium félvezetők megnyitották az utat a számítógépek térnyerése előtt. Lehet, hogy a grafén a maga szinte mitikus tulajdonságaival az az erőforrás, amely az emberi történelem következő korszakát mozgatja? Csak az idő fogja megmondani.

Szerkesztői ajánlások

• A legjobb fényterápiás lámpák
• Mennyi ideig kell kitartania a készülékeinek?
• A legjobb napelemes töltők telefonjához vagy táblagépéhez
• 17 fekete feltaláló, akik megváltoztatták a technológiai világot
• A legjobb egészségügyi és fitnesz kütyük