Co to jest grafen? Oto, co powinieneś wiedzieć

Dalsza lektura

• Dziewięć niesamowitych zastosowań grafenu, od filtrowania wody po inteligentną farbę
• Co to jest Hyperloop? Oto wszystko, co musisz wiedzieć

Dziś nowy materiał może zmienić przyszłość. Nazywany „nadmateriałem” grafen zachęca badaczy na całym świecie do lepszego zrozumienia go. Długa lista cudownych cech grafenu sprawia, że ​​wydaje się on niemal magiczny, ale może mieć bardzo realne i drastyczne konsekwencje dla przyszłości fizyki i inżynierii.

Czym właściwie jest grafen?

Najprościej opisać grafen, mówiąc, że jest to pojedyncza, cienka warstwa grafitu – miękkiego, łuszczącego się materiału stosowanego w ołówkach. Grafit jest alotropem pierwiastka węgla, co oznacza, że ​​posiada te same atomy, ale są one ułożone w inny sposób, co nadaje materiałowi inne właściwości. Na przykład zarówno diament, jak i grafit są formami węgla, choć mają zupełnie różną naturę. Diamenty są niezwykle mocne, a grafit jest kruchy. Atomy grafenu ułożone są w sposób sześciokątny.

Co ciekawe, grafen wyizolowany z grafitu nabiera cudownych właściwości. Jest to pierwszy dwuwymiarowy materiał o grubości zaledwie jednego atomu, jaki kiedykolwiek odkryto. Mimo to grafen jest także jednym z najmocniejszych materiałów w znanym wszechświecie. Dzięki wytrzymałości na rozciąganie wynoszącej 130 GPa (gigapaskali) jest ponad 100 razy mocniejsza od stali.

Niesamowita wytrzymałość grafenu, mimo że jest tak cienka, wystarczy, aby uczynić go niesamowitym, jednak na tym nie kończą się jego wyjątkowe właściwości. Jest również elastyczny, przezroczysty, wysoce przewodzący i pozornie nieprzepuszczalny dla większości gazów i cieczy. Wygląda na to, że nie ma dziedziny, w której grafen nie przoduje.

Historia grafenu: rolka taśmy i marzenie

Grafit jest ilością znaną od dawna (człowiek wykorzystywał go już w epoce neolitu). Jego struktura atomowa jest dobrze udokumentowana i przez długi czas naukowcy zastanawiali się, czy można wyizolować pojedyncze warstwy grafitu. Jednak do niedawna grafen był jedynie teorią, ponieważ naukowcy nie byli pewni, czy kiedykolwiek będzie możliwe pocięcie grafitu na pojedynczy arkusz cienki jak atom. Pierwszą wyizolowaną próbkę grafenu odkryli w 2004 roku Andre Geim i Konstantin Novoselov na Uniwersytecie w Manchesterze. Można by się spodziewać, że wyizolowali legendarną substancję za pomocą ogromnej, drogiej maszyny, ale narzędzie, którego użyli, było zabawnie proste: rolka taśmy klejącej.

Używając taśmy do polerowania dużego bloku grafitu, badacze zauważyli na taśmie wyjątkowo cienkie płatki. Kontynuując odrywanie kolejnych warstw płatków grafitu, w końcu uzyskali próbkę tak cienką, jak to tylko możliwe. Znaleźli grafen. Odkrycie było tak dziwaczne, że świat naukowy był początkowo sceptyczny. Popularny dziennik Natura nawet dwukrotnie odrzucił ich artykuł na temat eksperymentu. Ostatecznie ich badania zostały opublikowane, a w 2010 roku Geim i Novoselov otrzymali za swoje odkrycie Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Potencjalne aplikacje

Gdyby grafen miał tylko jedną z wielu doskonałych cech, byłby przedmiotem intensywnych badań nad potencjalnymi zastosowaniami. Grafen, będący pod wieloma względami niezwykły, zainspirował naukowców do rozważenia szerokiego zakresu zastosowań tego materiału w tak różnorodnych dziedzinach, jak technologie konsumenckie i nauki o środowisku.

Elastyczna elektronika

Oprócz swoich silnych właściwości elektrycznych grafen jest również bardzo elastyczny i przezroczysty. Dzięki temu jest atrakcyjny do stosowania w przenośnej elektronice. Dzięki zastosowaniu grafenu smartfony i tablety mogłyby stać się znacznie trwalsze, a być może można by je było nawet złożyć jak papier. W ostatnim czasie coraz większą popularnością cieszą się przenośne urządzenia elektroniczne. Dzięki grafenowi urządzenia te mogłyby stać się jeszcze bardziej przydatne, zaprojektowane tak, aby dobrze przylegały do ​​kończyn i zginały się, aby umożliwić różne formy ćwiczeń.

Elastyczność i mikroskopijna szerokość grafenu stwarzają jednak możliwości wykraczające poza zwykłe urządzenia konsumenckie. Może być również przydatny w badaniach biomedycznych. Z grafenu można zbudować małe maszyny i czujniki, które będą w stanie łatwo i nieszkodliwie przemieszczać się po organizmie człowieka, analizując tkanki, a nawet dostarczając leki do określonych obszarów. Węgiel jest już kluczowym składnikiem ludzkiego ciała; trochę grafenu dodanego może nie zaszkodzić.

Ogniwa słoneczne/fotowoltaika

Grafen jest zarówno wysoce przewodzący, jak i przezroczysty. Jako taki ma ogromny potencjał jako materiał w ogniwach słonecznych. Zazwyczaj ogniwa słoneczne wykorzystują krzem, który wytwarza ładunek, gdy foton uderza w materiały, wytrącając wolny elektron. Krzem uwalnia tylko jeden elektron na każdy foton, który w niego uderza. Badania wykazały, że grafen może uwolnić wiele elektronów na każdy foton, który w niego uderza. W związku z tym grafen mógłby znacznie lepiej przetwarzać energię słoneczną. Wkrótce tańsze i mocniejsze ogniwa grafenowe mogą spowodować ogromny wzrost energii odnawialnej.

Właściwości fotowoltaiczne grafenu oznaczają również, że można go wykorzystać do opracowania lepszych czujników obrazu do urządzeń takich jak kamery.

Półprzewodniki

Ze względu na wysoką przewodność grafen można zastosować w półprzewodnikach, aby znacznie zwiększyć prędkość przesyłania informacji. Niedawno Departament Energii przeprowadził testy, które wykazały, że polimery półprzewodzące przewodzą prąd znacznie szybciej, gdy są umieszczone na warstwie grafenu niż na warstwie krzemu. Dzieje się tak nawet wtedy, gdy polimer jest grubszy. Polimer o grubości 50 nanometrów umieszczony na warstwie grafenu przewodził ładunek lepiej niż 10-nanometrowa warstwa polimeru. Stało to w sprzeczności z wcześniejszym przekonaniem, że im cieńszy jest polimer, tym lepiej może przewodzić ładunek.

Największą przeszkodą w zastosowaniu grafenu w elektronice jest brak pasma wzbronionego, czyli przerwy pomiędzy pasmami walencyjnymi i przewodnictwa w materiale, który po skrzyżowaniu umożliwia przepływ prądu elektrycznego. Pasmo wzbronione pozwala materiałom półprzewodzącym, takim jak krzem, działać jako tranzystory; mogą przełączać się między izolowaniem lub przewodzeniem prądu elektrycznego, w zależności od tego, czy ich elektrony są przepychane przez pasmo wzbronione, czy nie.

Naukowcy testowali różne metody tworzenia pasma wzbronionego dla grafenu; jeśli się powiedzie, może to doprowadzić do znacznie szybszej elektroniki zbudowanej z grafenu.

Filtracja wody

Ścisłe wiązania atomowe grafenu sprawiają, że jest on nieprzepuszczalny dla prawie wszystkich gazów i cieczy. Co ciekawe, cząsteczki wody stanowią wyjątek. Ponieważ woda może odparować przez grafen, podczas gdy większość innych gazów i cieczy nie, grafen może być wyjątkowym narzędziem do filtracji. Naukowcy z Uniwersytetu w Manchesterze przetestowali przepuszczalność grafenu przez alkohol i udało im się to zrobić destylować bardzo mocne próbki spirytusu, gdyż tylko woda z próbek mogła przedostać się przez próbkę grafen.

Oczywiście zastosowanie grafenu jako filtra ma potencjał wykraczający poza destylację mocniejszych alkoholi. Grafen może być również niezwykle pomocny w oczyszczaniu wody z toksyn. W badaniu opublikowanym przez Królewskie Towarzystwo Chemii naukowcy wykazali, że utleniony grafen może nawet wciągnąć materiały radioaktywne, takie jak uran i pluton, obecne w wodzie, pozostawiając ciecz wolną od substancji zanieczyszczenia. Konsekwencje tego badania są ogromne. Niektóre z największych zagrożeń dla środowiska w historii, w tym odpady nuklearne i spływy chemiczne, można oczyścić ze źródeł wody dzięki grafenowi.

Ponieważ przeludnienie w dalszym ciągu jest jednym z najpilniejszych problemów środowiskowych na świecie, utrzymanie dostaw czystej wody stanie się jeszcze ważniejsze. W rzeczywistości niedobór wody dotyka ponad miliard ludzi na całym świecie, a liczba ta będzie nadal rosła, biorąc pod uwagę obecne tendencje. Filtry grafenowe mają ogromny potencjał w zakresie poprawy oczyszczania wody, zwiększając ilość dostępnej świeżej wody. W rzeczywistości firma Lockheed Martin opracowała niedawno filtr grafenowy o nazwie „Perforene”, który według firmy może zrewolucjonizować proces odsalania.

Obecne zakłady odsalania wykorzystują metodę zwaną odwróconą osmozą do filtrowania soli z wody morskiej. Odwrócona osmoza wykorzystuje ciśnienie do przemieszczania wody przez membranę. Aby wyprodukować duże ilości wody pitnej, wymagane jest ogromne ciśnienie, które wymaga ogromnej ilości energii. A Inżynier Lockheed Martin twierdzi ich filtry Perforene mogą zmniejszyć zapotrzebowanie na energię sto razy mniej niż inne filtry.

MIT stworzył grafen z „nanoporami”

Filtracja to jedno z najbardziej oczywistych zastosowań grafenu, a inżynierowie z MIT poczynili ogromne postępy w doskonaleniu zdolności grafenu do oddzielania cząsteczek. W 2018 rzespół z MIT opracował metodę tworzenia małych, „kłutych szpilką” dziurek w arkuszach grafenu. Badacze z MIT do produkcji grafenu stosują metodę „roll-to-roll”. Ich konfiguracja obejmuje dwie szpule: jedna szpula podaje arkusz miedzi do pieca, gdzie jest on podgrzewany do odpowiedniej temperaturze, następnie inżynierowie dodają metan i wodór, co zasadniczo powoduje powstanie kałuż grafenu kształtować. Folia grafenowa opuszcza piec i nawija się na drugą szpulę.

Teoretycznie proces ten pozwala na uformowanie dużych arkuszy grafenu w stosunkowo krótkim czasie, co ma kluczowe znaczenie w zastosowaniach komercyjnych. Naukowcy musieli dostroić proces, aby grafen uformował się idealnie i, co ciekawe, niedoskonałe próby okazały się później przydatne. Gdy zespół MIT próbował stworzyć pory w grafenie, zaczął od wyrzeźbienia ich za pomocą plazmy tlenowej. Ponieważ proces ten okazał się czasochłonny, chcieli czegoś szybszego i szukali rozwiązań w swoich poprzednich eksperymentach. Obniżając temperaturę podczas wzrostu grafenu, spowodowano pojawienie się porów. To, co w procesie opracowywania okazało się defektami, okazało się użytecznym sposobem na stworzenie porowatego grafenu.

Nadprzewodnictwo

Niedługo po tym wykazali naukowcy z Cambridge że grafen może działać jako nadprzewodnik (materiał pozbawiony oporności elektrycznej) w połączeniu z tlenkiem prazeodymu, ceru i miedzi, twierdzą naukowcy z MIT odkryty kolejna zdumiewająca właściwość: najwyraźniej może działać sam jako nadprzewodnik, w odpowiedniej konfiguracji. Naukowcy ułożyli dwa plasterki grafenu, ale przesunęli je pod kątem 1,1 stopnia. Według raportu opublikowanego w Nature „Fizyk Pablo Jarillo-Herrero z Massachusetts Institute of Technology (MIT) w Cambridge i jego zespół, konfigurując swoje urządzenia, nie szukali nadprzewodnictwa eksperyment. Zamiast tego badali, w jaki sposób orientacja zwana magicznym kątem może wpłynąć na grafen”.

Odkryli, że gdy przepuścili prąd przez nieprawidłowy stos grafenu, zaczął on działać jak nadprzewodnik. Ten prosty proces stosowania elektryczności sprawia, że ​​grafen jest łatwiejszy do badania niż podobne klasy nadprzewodniki, miedziany, chociaż materiały te wykazują znacznie wyższe nadprzewodnictwo temperatury. Większość materiałów wykazujących nadprzewodnictwo robi to tylko w pobliżu temperatury zera absolutnego. Niektóre tak zwane „nadprzewodniki wysokotemperaturowe” mogą wykazywać nadprzewodnictwo w temperaturach około 133 kelwinów (-140 stopni Celsjusza), co jest stosunkowo wysoką wartością; siarkowodór pod wystarczającym ciśnieniem wykazuje właściwość przy cudowne -70 stopni Celsjusza!

Układ grafenu musiał zostać schłodzony do 1,7 stopnia powyżej zera absolutnego, jednak badacze uważają, że jego zachowanie jest podobne do miedzianów i mają więc nadzieję, że będzie to znacznie łatwiejszy materiał do badania niekonwencjonalnego nadprzewodnictwa, które wciąż jest przedmiotem wielkich sporów między fizycy. Ponieważ nadprzewodnictwo zwykle zachodzi tylko w tak niskich temperaturach, nadprzewodniki są stosowane tylko w kosztownych maszynach, takich jak maszyny MRI, ale Naukowcy mają nadzieję, że pewnego dnia znajdą nadprzewodnik działający w temperaturze pokojowej, co obniży koszty, eliminując potrzebę chłodzenia jednostki.

W badanie opublikowane w 2019 rokubadacze wykazali, jak skręcenie warstw grafenu pod określonymi „magicznym” kątem może wytworzyć właściwości nadprzewodzące w niższych niż dotychczas temperaturach.

Ochrona przed komarami

Niewiele stworzeń jest tak odrażających jak komary, które mają swędzące ukąszenia i skłonność do rozprzestrzeniania strasznych chorób, takich jak malaria. Na szczęście naukowcy z Brown University znaleźli możliwe rozwiązanie wykorzystujące grafen. Badanie, opublikowane w 2019 roku, pokazuje, że warstwa grafenu na skórze nie tylko zapobiega ukąszeniom komarów, ale przede wszystkim zapobiega ich lądowaniu na skórze. Jednym z możliwych wyjaśnień jest to, że grafen uniemożliwia komarom wąchanie ofiary.

Przyszłość badań nad grafenem

Biorąc pod uwagę pozornie nieskończoną listę mocnych stron grafenu, można by się spodziewać, że będzie on widoczny wszędzie. Dlaczego zatem grafen nie został powszechnie przyjęty? Jak w przypadku większości rzeczy, wszystko sprowadza się do pieniędzy. Produkcja grafenu w dużych ilościach jest nadal niezwykle droga, co ogranicza jego zastosowanie w każdym produkcie wymagającym masowej produkcji. Co więcej, gdy produkowane są duże arkusze grafenu, istnieje zwiększone ryzyko pojawienia się drobnych pęknięć i innych wad materiału. Bez względu na to, jak niesamowite może być odkrycie naukowe, o sukcesie zawsze zadecyduje ekonomia.

Pomijając kwestie produkcyjne, badania nad grafenem wcale nie spowalniają. Laboratoria badawcze na całym świecie – w tym na Uniwersytecie w Manchesterze, gdzie po raz pierwszy odkryto grafen – nieustannie zgłaszają patenty na nowe metody wytwarzania i wykorzystania grafenu. W 2013 r. Unia Europejska zatwierdziła finansowanie sztandarowego programu, który finansuje badania nad grafenem do zastosowania w elektronice. Tymczasem największe firmy technologiczne w Azji prowadzą badania nad grafenem, w tym Samsung.

Rewolucje nie zdarzają się z dnia na dzień. Krzem odkryto w połowie XIX wieku, ale minęło prawie sto lat, zanim półprzewodniki krzemowe utorowały drogę rozwojowi komputerów. Czy grafen, ze swoimi niemal mitycznymi właściwościami, może być zasobem, który napędza następną erę historii ludzkości? Tylko czas powie.

Zalecenia redaktorów

• Najlepsze lampy do terapii światłem
• Jak długo powinny wytrzymać Twoje urządzenia?
• Najlepsze ładowarki słoneczne do Twojego telefonu lub tabletu
• 17 czarnych wynalazców, którzy zmienili świat technologii
• Najlepsze gadżety zdrowotne i fitness