Kaj je grafen? Tukaj je tisto, kar bi morali vedeti

nadaljnje branje

• Devet neverjetnih načinov uporabe grafena, od filtriranja vode do pametne barve
• Kaj je Hyperloop? Tukaj je vse, kar morate vedeti

Danes lahko nov material spremeni prihodnost. Grafen, imenovan »supermaterial«, spodbuja raziskovalce po vsem svetu, da bi ga bolje razumeli. Zaradi dolgega seznama čudežnih lastnosti grafena se zdi skoraj čaroben, vendar bi lahko imel zelo resnične in drastične posledice za prihodnost fizike in tehnike.

Kaj pravzaprav je grafen?

Najenostavnejši način za opis grafena je, da gre za eno samo tanko plast grafita - mehkega, luskastega materiala, ki se uporablja v svinčniku. Grafit je alotrop elementa ogljika, kar pomeni, da ima enake atome, vendar so razporejeni na drugačen način, kar daje materialu drugačne lastnosti. Na primer, tako diamant kot grafit sta obliki ogljika, vendar imata zelo različno naravo. Diamanti so neverjetno močni, medtem ko je grafit krhek. Grafenovi atomi so razporejeni v šesterokotni razporeditvi.

Zanimivo je, da ko grafen izoliramo iz grafita, prevzame nekatere čudežne lastnosti. Je le en atom debel, prvi dvodimenzionalni material, ki so ga kdaj odkrili. Kljub temu je grafen tudi eden najmočnejših materialov v znanem vesolju. Z natezno trdnostjo 130 GPa (gigapaskalov) je več kot 100-krat močnejši od jekla.

Neverjetna moč grafena, čeprav je tako tanek, je že dovolj, da je neverjeten, vendar se njegove edinstvene lastnosti ne končajo tu. Je tudi prožen, prozoren, zelo prevoden in na videz neprepusten za večino plinov in tekočin. Skoraj se zdi, kot da ni področja, kjer se grafen ne bi izkazal.

Zgodovina grafena: zvitek traku in sanje

Grafit je že dolgo znana količina (človek ga uporablja že od neolitika). Njegova atomska struktura je dobro dokumentirana in znanstveniki so dolgo časa razmišljali, ali bi lahko izolirali posamezne plasti grafita. Do nedavnega pa je bil grafen zgolj teorija, saj znanstveniki niso bili prepričani, ali bo grafit kdaj mogoče razrezati na en sam, kot atom tanek list. Prvi izolirani vzorec grafena sta leta 2004 odkrila Andre Geim in Konstantin Novoselov na univerzi v Manchestru. Lahko bi pričakovali, da so legendarno snov izolirali z ogromnim, dragim strojem, vendar je bilo orodje, ki so ga uporabili, smešno preprosto: zvitek škotskega traku.

Pri uporabi traku za poliranje velikega bloka grafita so raziskovalci opazili izjemno tanke kosmiče na traku. Nadaljevali so z luščenjem plasti in plasti iz kosmičev grafita in na koncu izdelali čim tanjši vzorec. Našli so grafen. Odkritje je bilo tako bizarno, da je bil znanstveni svet sprva skeptičen. Priljubljena revija Narava celo dvakrat zavrnil njihov dokument o poskusu. Sčasoma so njune raziskave objavili in leta 2010 sta Geim in Novoselov za svoje odkritje prejela Nobelovo nagrado za fiziko.

Potencialne aplikacije

Če bi imel grafen samo eno od svojih številnih vrhunskih lastnosti, bi bil predmet intenzivnih raziskav možnih uporab. Ker je grafen tako izjemen na toliko načinov, je znanstvenike navdihnil k razmišljanju o široki paleti uporab tega materiala na tako različnih področjih, kot sta potrošniška tehnologija in okoljska znanost.

Prilagodljiva elektronika

Poleg močnih električnih lastnosti je grafen tudi zelo prožen in pregleden. Zaradi tega je privlačen za uporabo v prenosni elektroniki. Pametni telefoni in tablični računalniki bi z uporabo grafena lahko postali veliko bolj vzdržljivi in ​​bi jih morda celo zložili kot papir. Nosljive elektronske naprave so v zadnjem času vse bolj priljubljene. Z grafenom bi te naprave lahko naredili še bolj uporabne, zasnovane tako, da se tesno prilegajo okončinam in se upogibajo za različne oblike vadbe.

Prilagodljivost in mikroskopska širina grafena pa ponujata priložnosti, ki presegajo zgolj potrošniške naprave. Lahko bi bil uporaben tudi v biomedicinskih raziskavah. Z grafenom bi lahko izdelali majhne stroje in senzorje, ki bi se lahko enostavno in neškodljivo premikali skozi človeško telo, analizirali tkiva ali celo dovajali zdravila na določena področja. Ogljik je že zdaj ključna sestavina v človeškem telesu; malo dodanega grafena morda ne bo škodilo.

Sončne celice/fotovoltaika

Grafen je zelo prevoden in prozoren. Kot tak ima velik potencial kot material v sončnih celicah. Običajno sončne celice uporabljajo silicij, ki proizvede naboj, ko foton zadene material in izloči prosti elektron. Silicij sprosti samo en elektron na foton, ki ga zadene. Raziskave so pokazale, da lahko grafen sprosti več elektronov za vsak foton, ki ga zadene. Kot tak bi lahko bil grafen veliko boljši pri pretvorbi sončne energije. Kmalu bi lahko cenejše in zmogljivejše grafenske celice povzročile velik porast obnovljive energije.

Fotovoltaične lastnosti grafena prav tako pomenijo, da bi ga lahko uporabili za razvoj boljših slikovnih senzorjev za naprave, kot so kamere.

Polprevodniki

Zaradi njegove visoke prevodnosti bi lahko grafen uporabili v polprevodnikih za močno povečanje hitrosti, s katero potujejo informacije. Pred kratkim je Ministrstvo za energijo izvedlo teste, ki so pokazali, da polprevodni polimeri prevajajo elektriko veliko hitreje, če so postavljeni na plast grafena kot plast silicija. To velja tudi, če je polimer debelejši. Polimer debeline 50 nanometrov, ko je bil postavljen na vrh grafenske plasti, je prevajal naboj bolje kot 10-nanometrska plast polimera. To je bilo v nasprotju s prejšnjo modrostjo, ki je trdila, da tanjši kot je polimer, bolje lahko prevaja naboj.

Največja ovira za uporabo grafena v elektroniki je pomanjkanje pasovne vrzeli, vrzeli med valenčnimi in prevodnimi pasovi v materialu, ki ob prekrižanju omogoča pretok električnega toka. Pasovna vrzel je tisto, kar omogoča, da polprevodni materiali, kot je silicij, delujejo kot tranzistorji; lahko preklapljajo med izolacijo ali prevajanjem električnega toka, odvisno od tega, ali so njihovi elektroni potisnjeni čez vrzel v pasu ali ne.

Raziskovalci preizkušajo različne metode, da bi grafenu dali pasovno vrzel; če bo uspešen, bi to lahko vodilo do veliko hitrejše elektronike, zgrajene z grafenom.

Filtracija vode

Zaradi tesnih atomskih vezi je grafen neprepusten za skoraj vse pline in tekočine. Zanimivo je, da so molekule vode izjema. Ker lahko voda izhlapi skozi grafen, medtem ko večina drugih plinov in tekočin ne more, je lahko grafen izjemno orodje za filtracijo. Raziskovalci na Univerzi v Manchestru so preizkusili prepustnost grafena z alkoholom in jim je uspelo destilirajte zelo močne vzorce žganih pijač, saj je skozi vzorce lahko prešla le voda grafen.

Seveda ima uporaba grafena kot filtra potencial, ki presega destilacijo močnejših žganih pijač. Grafen bi lahko bil tudi izjemno koristen pri čiščenju vode toksinov. V študiji, ki jo je objavilo The Royal Society of Chemistry, so raziskovalci pokazali, da bi lahko oksidiran grafen celo povlecite radioaktivne snovi, kot sta uran in plutonij, ki so prisotni v vodi, tako da ostane tekočina brez onesnaževalci. Posledice te študije so velike. Nekatere največje okoljske nevarnosti v zgodovini, vključno z jedrskimi odpadki in kemičnimi odtoki, bi lahko očistili vodne vire zahvaljujoč grafenu.

Ker je prenaseljenost še vedno ena najbolj perečih okoljskih težav na svetu, bo vzdrževanje zalog čiste vode postalo le še pomembnejše. Pomanjkanje vode dejansko prizadene več kot milijardo ljudi po vsem svetu, število pa bo glede na trenutne trende le še naraščalo. Grafenski filtri imajo ogromen potencial za izboljšanje čiščenja vode in povečanje količine razpoložljive sveže vode. Pravzaprav je Lockheed Martin nedavno razvil filter iz grafena, imenovan "Perforene", za katerega podjetje trdi, da bi lahko revolucioniral postopek razsoljevanja.

Trenutni obrati za razsoljevanje uporabljajo metodo, imenovano reverzna osmoza, za filtriranje soli iz morske vode. Reverzna osmoza uporablja pritisk za premikanje vode skozi membrano. Da bi proizvedli velike količine pitne vode, so zaradi pritiska potrebne ogromne količine energije. A Trdi inženir Lockheed Martin njihovi filtri Perforene bi lahko stokrat manj zmanjšali potrebe po energiji kot drugi filtri.

MIT ustvaril grafen z "nanoporami"

Filtracija je ena najbolj očitnih uporab grafena in inženirji MIT so naredili velike korake pri izpopolnjevanju sposobnosti grafena za ločevanje molekul. Leta 2018, je skupina na MIT iznašla metodo za ustvarjanje drobnih luknjic z iglami v listih grafena. Raziskovalci MIT uporabljajo pristop "roll-to-roll" za proizvodnjo grafena. Njihova postavitev vključuje dve tuljavi: ena tuljava dovaja bakreno ploščo v peč, kjer se segreje na primerni temperaturi, potem inženirji dodajo metan in vodikov plin, kar v bistvu povzroči bazene grafena oblikovati. Grafenski film izstopi iz peči in se navije na drugo tuljavo.

Teoretično ta proces omogoča oblikovanje velikih listov grafena v relativno kratkem času, kar je ključnega pomena za komercialne aplikacije. Raziskovalci so morali natančno prilagoditi postopek, da bi dobili grafen v popolni obliki, in zanimivo je, da so se nepopolni poskusi na poti pozneje izkazali za koristne. Ko je skupina MIT poskušala ustvariti pore v grafenu, je začela z uporabo kisikove plazme, da bi jih izrezala. Ker se je izkazalo, da je ta proces dolgotrajen, so želeli nekaj hitrejšega in so iskali rešitve pri svojih prejšnjih poskusih. Z znižanjem temperature med rastjo grafena so se pojavile pore. Kar se je med razvojnim procesom zdelo kot napaka, je na koncu postalo uporaben način za ustvarjanje poroznega grafena.

Superprevodnost

Nedolgo zatem dokazali znanstveniki iz Cambridgea da lahko grafen deluje kot superprevodnik (material brez električnega upora), ko je povezan s prazeodim cerijevim bakrovim oksidom, so raziskovalci na MIT odkriti še ena osupljiva lastnost: očitno lahko deluje samo kot superprevodnik v pravi konfiguraciji. Raziskovalci so zložili dve rezini grafena, vendar ju zamaknili za kot 1,1 stopinje. Po poročilu, objavljenem v Nature, "fizik Pablo Jarillo-Herrero z Massachusetts Institute of Technology (MIT) v Cambridgeu in njegova ekipa niso iskali superprevodnosti, ko so postavili svoje poskus. Namesto tega so raziskovali, kako bi lahko usmeritev, imenovana magični kot, vplivala na grafen.«

Odkrili so, da je elektrika, ko so jo speljali skozi neobičajni sklad grafena, delovala kot superprevodnik. Zaradi tega preprostega postopka uporabe električne energije je grafen lažji za preučevanje kot podoben razred superprevodniki, kuprati, čeprav ti materiali kažejo veliko večjo superprevodnost temperature. Večina materialov, ki kažejo superprevodnost, to počnejo le blizu temperature absolutne ničle. Nekateri tako imenovani »visokotemperaturni superprevodniki« lahko kažejo superprevodnost pri temperaturah okoli 133 Kelvinov (-140 Celzija), kar je razmeroma visoko; vodikov sulfid, pod zadostnim pritiskom, prikaže lastnost pri čudežnih -70 stopinj Celzija!

Razporeditev grafena je bilo treba ohladiti na 1,7 stopinje nad absolutno ničlo, vendar raziskovalci menijo, da je njegovo obnašanje podobno obnašanju kupratov in zato upajo, da bo to veliko lažji material za preučevanje nekonvencionalne superprevodnosti, ki je še vedno področje velikega nesoglasja med fiziki. Ker se superprevodnost običajno pojavi le pri tako nizkih temperaturah, se superprevodniki uporabljajo le v dragih strojih, kot so naprave za MRI, vendar znanstveniki upajo, da bodo nekega dne našli superprevodnik, ki deluje pri sobni temperaturi, kar bi znižalo stroške, saj ne bi bilo potrebe po hlajenju enote.

notri študija, objavljena leta 2019, so raziskovalci pokazali, kako lahko zvijanje plasti grafena pod posebnimi "čarobnimi" koti povzroči superprevodne lastnosti pri nižjih temperaturah kot prej.

Zaščita pred komarji

Nekaj ​​bitij je tako gnusnih kot komar, zaradi svojih srbečih ugrizov in nagnjenosti k širjenju grozljivih bolezni, kot je malarija. Na srečo so raziskovalci z univerze Brown našli možno rešitev z uporabo grafena. Raziskava, objavljeno leta 2019, dokazuje, da grafenski film na koži ni le preprečil ugriza komarjev, ampak jih je celo odvrnil od pristanka na koži. Ena od možnih razlag je, da je grafen preprečil komarjem, da bi zavohali plen.

Prihodnost raziskav grafena

Glede na na videz neskončen seznam prednosti grafena bi pričakovali, da ga bomo videli povsod. Zakaj torej grafen ni bil široko sprejet? Kot pri večini stvari, gre tudi tukaj za denar. Grafen je še vedno izjemno drag za proizvodnjo v velikih količinah, kar omejuje njegovo uporabo v vseh izdelkih, ki bi zahtevali množično proizvodnjo. Poleg tega, ko se proizvajajo veliki listi grafena, obstaja povečano tveganje, da se v materialu pojavijo drobne razpoke in druge napake. Ne glede na to, kako neverjetno je znanstveno odkritje, bo o uspehu vedno odločala ekonomija.

Če pustimo težave pri proizvodnji, raziskave grafena nikakor ne pojenjajo. Raziskovalni laboratoriji po vsem svetu – vključno z Univerzo v Manchestru, kjer so prvič odkrili grafen – nenehno vlagajo patente za nove metode ustvarjanja in uporabe grafena. Evropska unija je leta 2013 odobrila financiranje vodilnega programa, ki bo financiral raziskave grafena za uporabo v elektroniki. Medtem velika tehnološka podjetja v Aziji izvajajo raziskave grafena, vključno s Samsungom.

Revolucije se ne zgodijo čez noč. Silicij so odkrili sredi 19. stoletja, vendar je trajalo skoraj stoletje, preden so silicijevi polprevodniki utrli pot vzponu računalnikov. Ali je lahko grafen s svojimi skoraj mitskimi lastnostmi vir, ki poganja naslednje obdobje človeške zgodovine? Samo čas bo povedal.

Priporočila urednikov

• Najboljše svetilke za svetlobno terapijo
• Kako dolgo naj zdržijo vaši aparati?
• Najboljši solarni polnilci za vaš telefon ali tablico
• 17 črnih izumiteljev, ki so spremenili svet tehnologije
• Najboljši pripomočki za zdravje in fitnes