Ce este grafenul? Iată ce ar trebui să știți

Lectură în continuare

• Nouă utilizări uimitoare pentru grafen, de la filtrarea apei la vopseaua inteligentă
• Ce este Hyperloop-ul? Iată tot ce trebuie să știi

Astăzi, un material nou are potențialul de a schimba viitorul. Supranumit „supermaterial”, grafenul îi obligă pe cercetători din întreaga lume să-l înțeleagă mai bine. Lista lungă de trăsături miraculoase a grafenului îl face să pară aproape magic, dar ar putea avea implicații foarte reale și drastice pentru viitorul fizicii și ingineriei.

Ce este mai exact grafenul?

Cel mai simplu mod de a descrie grafenul este că acesta este un singur strat subțire de grafit - materialul moale și fulminant folosit în mine de creion. Grafitul este un alotrop al elementului carbon, ceea ce înseamnă că posedă aceiași atomi, dar sunt aranjați într-un mod diferit, dând materialului proprietăți diferite. De exemplu, atât diamantul, cât și grafitul sunt forme de carbon, dar au naturi extrem de diferite. Diamantele sunt incredibil de puternice, în timp ce grafitul este fragil. Atomii grafenului sunt aranjați într-un aranjament hexagonal.

Interesant este că atunci când grafenul este izolat de grafit, acesta capătă unele proprietăți miraculoase. Este un simplu gros de un atom, primul material bidimensional descoperit vreodată. În ciuda acestui fapt, grafenul este, de asemenea, unul dintre cele mai puternice materiale din universul cunoscut. Cu o rezistență la tracțiune de 130 GPa (gigapascali), este de peste 100 de ori mai rezistent decât oțelul.

Forța incredibilă a grafenului, în ciuda faptului că este atât de subțire, este deja suficientă pentru a-l face uimitor, cu toate acestea, proprietățile sale unice nu se termină aici. De asemenea, este flexibil, transparent, foarte conductiv și aparent impermeabil la majoritatea gazelor și lichidelor. Se pare că nu există niciun domeniu în care grafenul să nu exceleze.

Istoria grafenului: o rolă de bandă și un vis

Grafitul este o cantitate cunoscută de mult timp (oamenii îl folosesc încă din epoca neolitică). Structura sa atomică este bine documentată și pentru o lungă perioadă de timp, oamenii de știință s-au gândit dacă straturile individuale de grafit ar putea fi izolate. Până de curând, totuși, grafenul a fost doar o teorie, deoarece oamenii de știință nu erau siguri dacă va fi vreodată posibil să se taie grafitul într-o singură foaie subțire ca un atom. Prima mostră izolată de grafen a fost descoperită în 2004 de Andre Geim și Konstantin Novoselov la Universitatea din Manchester. Ne-am putea aștepta că au izolat legendara substanță folosind un utilaj masiv și scump, dar instrumentul pe care l-au folosit a fost amuzant de simplu: o rolă de bandă scotch.

Când au folosit bandă pentru a lustrui un bloc mare de grafit, cercetătorii au observat fulgi excepțional de subțiri pe bandă. Continuând să dezlipească stratul și stratul din fulgii de grafit, au produs în cele din urmă o probă cât mai subțire posibil. Găsiseră grafen. Descoperirea a fost atât de bizară, încât lumea științifică a fost la început sceptică. Jurnalul popular Natură chiar și-au respins de două ori lucrarea despre experiment. În cele din urmă, cercetarea lor a fost publicată, iar în 2010, Geim și Novoselov au primit Premiul Nobel pentru Fizică pentru descoperirea lor.

Aplicații potențiale

Dacă grafenul ar avea doar una dintre numeroasele sale trăsături superlative, ar fi subiectul unor cercetări intense privind potențialele utilizări. Fiind atât de remarcabil în atât de multe feluri, grafenul a inspirat oamenii de știință să se gândească la o gamă largă de utilizări ale materialului, în domenii la fel de variate precum tehnologia de consum și știința mediului.

Electronice flexibile

Pe lângă proprietățile sale electrice puternice, grafenul este, de asemenea, foarte flexibil și transparent. Acest lucru îl face atractiv pentru utilizare în electronice portabile. Smartphone-urile și tabletele ar putea deveni mult mai durabile folosind grafen și poate chiar ar putea fi pliate ca hârtie. Dispozitivele electronice purtabile au crescut în popularitate recent. Cu grafen, aceste dispozitive ar putea deveni și mai utile, concepute pentru a se potrivi perfect în jurul membrelor și îndoindu-se pentru a se potrivi diferitelor forme de exerciții.

Cu toate acestea, flexibilitatea și lățimea microscopică a grafenului oferă oportunități dincolo de simplele dispozitive de consum. Ar putea fi util și în cercetarea biomedicală. Mașinile și senzorii mici ar putea fi fabricați cu grafen, capabili să se deplaseze ușor și inofensiv prin corpul uman, analizând țesuturi sau chiar să livreze medicamente în zone specifice. Carbonul este deja un ingredient crucial în corpul uman; un pic de grafen adăugat s-ar putea să nu doară.

Celule solare/fotovoltaice

Grafenul este atât foarte conductor, cât și transparent. Ca atare, are un mare potențial ca material în celulele solare. De obicei, celulele solare folosesc siliciu, care produce o sarcină atunci când un foton lovește materialele, eliberând un electron liber. Siliciul eliberează doar un electron pe foton care îl lovește. Cercetările au indicat că grafenul poate elibera mai mulți electroni pentru fiecare foton care îl lovește. Ca atare, grafenul ar putea fi mult mai bun la conversia energiei solare. În curând, celulele de grafen mai ieftine și mai puternice ar putea produce o creștere masivă a energiei regenerabile.

Proprietățile fotovoltaice ale grafenului înseamnă, de asemenea, că ar putea fi folosit pentru a dezvolta senzori de imagine mai buni pentru dispozitive precum camerele foto.

Semiconductori

Datorită conductivității sale ridicate, grafenul ar putea fi folosit în semiconductori pentru a crește foarte mult viteza cu care se deplasează informațiile. Recent, Departamentul de Energie a efectuat teste care au demonstrat că polimerii semiconductivi conduc electricitatea mult mai rapid atunci când sunt plasați deasupra unui strat de grafen decât un strat de siliciu. Acest lucru este valabil chiar dacă polimerul este mai gros. Un polimer de 50 de nanometri grosime, atunci când este plasat deasupra unui strat de grafen, a condus o încărcare mai bună decât un strat de 10 nanometri al polimerului. Acest lucru a zburat în fața înțelepciunii anterioare care susținea că, cu cât un polimer este mai subțire, cu atât poate conduce mai bine sarcina.

Cel mai mare obstacol în calea utilizării grafenului în electronică este lipsa unui band gap, decalajul dintre benzile de valență și conducție dintr-un material care, atunci când este încrucișat, permite un flux de curent electric. Banda interzisă este ceea ce permite materialelor semiconductoare precum siliciul să funcționeze ca tranzistori; pot comuta între izolarea sau conducerea unui curent electric, în funcție de dacă electronii lor sunt împinși peste banda interzisă sau nu.

Cercetătorii au testat o varietate de metode pentru a da grafenului un interval de bandă; dacă are succes, asta ar putea duce la o electronică mult mai rapidă construită cu grafen.

Filtrarea apei

Legăturile atomice strânse ale grafenului îl fac impermeabil pentru aproape toate gazele și lichidele. În mod curios, moleculele de apă sunt o excepție. Deoarece apa se poate evapora prin grafen în timp ce majoritatea altor gaze și lichide nu pot, grafenul ar putea fi un instrument excepțional pentru filtrare. Cercetătorii de la Universitatea din Manchester au testat permeabilitatea grafenului cu alcool și au reușit distilează mostre foarte puternice de băuturi spirtoase, deoarece numai apa din probe a putut trece prin grafen.

Desigur, utilizarea grafenului ca filtru are potențial dincolo de distilarea băuturilor spirtoase mai puternice. Grafenul ar putea fi, de asemenea, extrem de util în purificarea apei de toxine. Într-un studiu publicat de Societatea Regală de Chimie, cercetătorii au arătat că grafenul oxidat ar putea chiar trageți în materiale radioactive precum uraniul și plutoniul prezente în apă, lăsând lichidul liber contaminanți. Implicațiile acestui studiu sunt masive. Unele dintre cele mai mari pericole de mediu din istorie, inclusiv deșeurile nucleare și scurgerile chimice, ar putea fi curățate de sursele de apă datorită grafenului.

Pe măsură ce suprapopularea continuă să fie una dintre cele mai presante preocupări de mediu ale lumii, menținerea rezervelor de apă curată va deveni doar mai importantă. Într-adevăr, deficitul de apă afectează mai mult de un miliard de oameni din întreaga lume, un număr care va continua să crească, având în vedere tendințele actuale. Filtrele cu grafen au un potențial imens de a îmbunătăți purificarea apei, crescând cantitatea de apă dulce disponibilă. De fapt, Lockheed Martin a dezvoltat recent un filtru de grafen numit „Perforene”, despre care compania susține că ar putea revoluționa procesul de desalinizare.

Instalațiile actuale de desalinizare folosesc o metodă numită osmoză inversă pentru a filtra sarea din apa de mare. Osmoza inversă folosește presiunea pentru a muta apa printr-o membrană. Pentru a produce cantități mari de apă potabilă, presiunea implicată necesită cantități enorme de energie. A Susține inginerul Lockheed Martin filtrele lor Perforene ar putea reduce necesarul de energie de o sută de ori mai puțin decât cel al altor filtre.

MIT a creat grafen cu „nanopori”

Filtrarea este una dintre cele mai evidente utilizări ale grafenului, iar inginerii MIT au făcut progrese mari în perfecționarea capacității grafenului de a separa molecule. În 2018, o echipă de la MIT a inventat o metodă de a crea găuri mici, „înțepate” în foile de grafen. Cercetătorii MIT folosesc o abordare „roll-to-roll” pentru a produce grafen. Configurarea lor implică două bobine: o bobină alimentează o foaie de cupru într-un cuptor unde este încălzită la temperatura adecvată, apoi inginerii adaugă metan și hidrogen gazos, care provoacă în esență bazine de grafen a forma. Filmul de grafen iese din cuptor, înfășurându-se pe a doua bobină.

În teorie, acest proces permite formarea de foi mari de grafen într-un timp relativ scurt, ceea ce este crucial pentru aplicațiile comerciale. Cercetătorii au trebuit să ajusteze procesul pentru ca grafenul să se formeze perfect și, interesant, încercările imperfecte de pe parcurs s-au dovedit utile mai târziu. Pe măsură ce echipa MIT a încercat să creeze pori în grafen, au început prin a folosi plasmă de oxigen pentru a le tăia. Deoarece acest proces sa dovedit a consuma mult timp, au vrut ceva mai rapid și au căutat soluții la experimentele lor anterioare. Prin scăderea temperaturii în timpul creșterii grafenului, au făcut să apară pori. Ceea ce au apărut ca defecte în timpul procesului de dezvoltare a ajuns să fie o modalitate utilă de a crea grafen poros.

Supraconductivitate

Nu după mult timp au demonstrat oamenii de știință de la Cambridge că grafenul poate acționa ca un supraconductor (un material fără rezistență electrică) atunci când este asociat cu oxid de cupru praseodimiu ceriu, cercetătorii de la MIT descoperit o altă proprietate uluitoare: se pare că poate funcționa ca un supraconductor singur, în configurația corectă. Cercetătorii au stivuit două felii de grafen, dar le-au compensat cu un unghi de 1,1 grade. Potrivit unui raport publicat în Nature, „Fizicianul Pablo Jarillo-Herrero de la Institutul din Massachusetts Technology (MIT) din Cambridge și echipa sa nu căutau supraconductivitate atunci când și-au configurat experiment. În schimb, ei explorau modul în care orientarea numită unghi magic ar putea afecta grafenul.”

Ceea ce au descoperit este că, atunci când au trecut electricitate prin stiva de grafen, aceasta a funcționat ca un supraconductor. Acest proces simplu de aplicare a electricității face grafenul mai ușor de studiat decât o clasă similară supraconductori, cuprați, deși acele materiale prezintă o supraconductivitate mult mai mare temperaturile. Majoritatea materialelor care prezintă supraconductivitate o fac doar în apropierea unei temperaturi de zero absolut. Unii așa-numiți „superconductori de temperatură înaltă” pot prezenta supraconductivitate la temperaturi de aproximativ 133 Kelvin (-140 Celsius), care este relativ ridicată; hidrogenul sulfurat, sub suficientă presiune, afișează proprietatea la un miraculos -70 de grade Celsius!

Aranjamentul de grafen a trebuit să fie răcit la 1,7 grade peste zero absolut, cu toate acestea, cercetătorii consideră că comportamentul său este similar cu cel al cupraților și așa că speră că va fi un material mult mai ușor pentru studiul supraconductivității neconvenționale, care este încă un domeniu de mare dezacord între fizicienilor. Deoarece supraconductivitatea are loc de obicei doar la temperaturi atât de scăzute, supraconductorii sunt utilizați doar în mașini costisitoare, cum ar fi aparatele RMN, dar oamenii de știință speră să găsească într-o zi un supraconductor care să funcționeze la temperatura camerei, ceea ce ar reduce costurile prin eliminarea nevoii de răcire. unitati.

În un studiu publicat în 2019, cercetătorii au arătat cum răsucirea straturilor de grafen la anumite unghiuri „magice” poate produce proprietăți supraconductoare la temperaturi mai scăzute decât înainte.

Apărare împotriva țânțarilor

Puține creaturi sunt la fel de dezgustătoare ca țânțarul, cu mușcăturile lor mâncărime și tendința de a răspândi boli oribile precum malaria. Din fericire, cercetătorii de la Universitatea Brown au găsit o posibilă soluție folosind grafen. Cercetarea, publicat în 2019, demonstrează că un film de grafen pe piele nu numai că a blocat țânțarii să muște, ci chiar i-a descurajat să aterizeze pe piele, în primul rând. O posibilă explicație este că grafenul a împiedicat țânțarii să mirosească prada.

Viitorul cercetării grafenului

Având în vedere lista aparent infinită de puncte forte a grafenului, ne-am aștepta să-l vedem peste tot. De ce, atunci, grafenul nu a fost adoptat pe scară largă? Ca în majoritatea lucrurilor, se reduce la bani. Grafenul este încă extrem de scump de produs în cantități mari, limitând utilizarea lui în orice produs care ar solicita producție în masă. Mai mult, atunci când sunt produse foi mari de grafen, există un risc crescut de apariție a fisurilor minuscule și a altor defecte în material. Indiferent cât de incredibilă ar fi o descoperire științifică, economia va decide întotdeauna succesul.

Lăsând deoparte problemele de producție, cercetarea grafenului nu încetinește în niciun caz. Laboratoarele de cercetare din întreaga lume – inclusiv Universitatea din Manchester, unde a fost descoperit pentru prima dată grafenul – depun în mod continuu brevete pentru noi metode de creare și utilizare a grafenului. Uniunea Europeană a aprobat finanțarea unui program emblematic în 2013, unul care va finanța cercetarea grafenului pentru utilizare în electronică. Între timp, marile companii tehnologice din Asia efectuează cercetări despre grafen, inclusiv Samsung.

Revoluțiile nu au loc peste noapte. Siliciul a fost descoperit la mijlocul secolului al XIX-lea, dar a durat aproape un secol până când semiconductorii de siliciu au deschis calea pentru ascensiunea computerelor. Ar putea fi grafenul, cu calitățile sale aproape mitice, resursa care conduce următoarea eră a istoriei omenirii? Numai timpul va spune.

Recomandările editorilor

• Cele mai bune lămpi de terapie cu lumină
• Cât ar trebui să țină aparatele dvs.?
• Cele mai bune încărcătoare solare pentru telefon sau tabletă
• 17 inventatori de culoare care au schimbat lumea tehnologiei
• Cele mai bune gadget-uri pentru sănătate și fitness