Шта је Графен? Ево шта треба да знате

Додатна литература

• Девет невероватних употреба графена, од филтрирања воде до паметне боје
• Шта је Хиперлооп? Ево свега што треба да знате

Данас нови материјал има потенцијал да промени будућност. Назван „суперматеријалом“, графен је навео истраживаче широм света да се труде да га боље разумеју. Дугачка листа чудесних особина Грапхене чини га готово магичним, али може имати врло стварне и драстичне импликације за будућност физике и инжењерства.

Шта је заправо графен?

Најједноставнији начин да се опише графен је да је то један, танак слој графита - меког, љускавог материјала који се користи у оловци за оловке. Графит је алотроп елемента угљеника, што значи да поседује исте атоме, али су распоређени на другачији начин, дајући материјалу другачија својства. На пример, и дијамант и графит су облици угљеника, али имају веома различите природе. Дијаманти су невероватно јаки, док је графит крхак. Атоми графена су распоређени у хексагоналном распореду.

Занимљиво је да када се графен изолује из графита он поприма нека чудесна својства. То је само један атом дебљине, први дводимензионални материјал икада откривен. Упркос томе, графен је такође један од најјачих материјала у познатом универзуму. Са затезном чврстоћом од 130 ГПа (гигапаскала), више је од 100 пута јачи од челика.

Невероватна снага графена, упркос томе што је тако танак, већ је довољна да га учини невероватним, међутим, његова јединствена својства се ту не завршавају. Такође је флексибилан, провидан, високо проводљив и наизглед непропустан за већину гасова и течности. Готово да изгледа као да не постоји област у којој се графен не истиче.

Историја графена: ролна траке и сан

Графит је одавно позната количина (људи га користе још од неолита). Његова атомска структура је добро документована, а научници су дуго размишљали да ли се појединачни слојеви графита могу изоловати. До недавно, међутим, графен је био само теорија, јер научници нису били сигурни да ли ће икада бити могуће исећи графит на један, атом танак лист. Први изоловани узорак графена открили су 2004. Андре Геим и Константин Новоселов на Универзитету у Манчестеру. Могло би се очекивати да су изоловали легендарну супстанцу користећи неку масивну, скупу машину, али алат који су користили био је забавно једноставан: ролна селотејпа.

Када су користили траку за полирање великог блока графита, истраживачи су приметили изузетно танке љуспице на траци. Настављајући да гуле слој и слој од љускица графита, на крају су произвели што тањи узорак. Нашли су графен. Откриће је било толико бизарно да је научни свет у почетку био скептичан. Популарни часопис Природа чак су два пута одбацили њихов рад о експерименту. На крају је њихово истраживање објављено, а 2010. Гејм и Новоселов су за своје откриће добили Нобелову награду за физику.

Потенцијалне апликације

Ако би графен имао само једну од својих многих суперлативних особина, био би предмет интензивног истраживања потенцијалних употреба. Будући да је тако изванредан на много начина, графен је инспирисао научнике да размисле о широком спектру употребе материјала, у различитим пољима као што су технологија потрошача и наука о животној средини.

Флексибилна електроника

Поред својих моћних електричних својстава, графен је такође веома флексибилан и транспарентан. То га чини атрактивним за употребу у преносивој електроници. Паметни телефони и таблети могли би да постану много издржљивији коришћењем графена, а можда би се чак могли и пресавијати као папир. Носиви електронски уређаји у последње време постају све популарнији. Са графеном, ови уређаји би могли да буду још кориснији, дизајнирани да се чврсто уклапају око удова и савијају како би се прилагодили различитим облицима вежбања.

Међутим, флексибилност и микроскопска ширина графена пружају могућности изван пуких потрошачких уређаја. Такође би могло бити корисно у биомедицинским истраживањима. Мале машине и сензори могу бити направљени од графена, способни да се лако и безопасно крећу кроз људско тело, анализирају ткиво или чак испоручују лекове у одређена подручја. Угљеник је већ кључни састојак у људском телу; мало графена додато можда неће шкодити.

Соларне ћелије/фотоволтаика

Графен је и високо проводљив и провидан. Као такав, има велики потенцијал као материјал у соларним ћелијама. Типично, соларне ћелије користе силицијум, који производи наелектрисање када фотон удари у материјале, ослобађајући слободан електрон. Силицијум ослобађа само један електрон по фотону који га удари. Истраживања су показала да графен може ослободити више електрона за сваки фотон који га погоди. Као такав, графен би могао бити далеко бољи у претварању сунчеве енергије. Убрзо, јефтиније, снажније ћелије графена могле би произвести огроман пораст обновљиве енергије.

Фотонапонске особине графена такође значе да би се могао користити за развој бољих сензора слике за уређаје као што су камере.

Полупроводници

Због своје високе проводљивости, графен би се могао користити у полупроводницима како би се у великој мери повећала брзина којом информације путују. Недавно је Министарство енергетике спровело тестове који су показали да полупроводни полимери проводе електричну енергију много брже када су постављени на слој графена него на слој силицијума. Ово важи чак и ако је полимер дебљи. Полимер дебљине 50 нанометара, када се постави на слој графена, проводио је пуњење боље од слоја полимера од 10 нанометара. Ово је утицало на претходну мудрост која је сматрала да што је полимер тањи, то боље може да спроведе наелектрисање.

Највећа препрека употреби графена у електроници је недостатак појаса у појасу, јаз између валентних и проводних појасева у материјалу који, када се пређе, омогућава проток електричне струје. Размак у појасу је оно што омогућава полупроводним материјалима као што је силицијум да функционишу као транзистори; могу се пребацивати између изолације или вођења електричне струје, у зависности од тога да ли су њихови електрони гурнути кроз појас или не.

Истраживачи су тестирали различите методе да би графену дали размак у појасу; ако успе, то би могло довести до много брже електронике изграђене од графена.

Филтрација воде

Чврсте атомске везе графена чине га непропусним за скоро све гасове и течности. Занимљиво је да су молекули воде изузетак. Пошто вода може да испари кроз графен, док већина других гасова и течности не може, графен би могао бити изузетан алат за филтрацију. Истраживачи са Универзитета у Манчестеру тестирали су пропусност графена са алкохолом и успели су дестиловати веома јаке узорке алкохолних пића, пошто је само вода у узорцима могла да прође кроз графен.

Наравно, употреба графена као филтера има потенцијал изван дестилације јачих алкохолних пића. Графен такође може бити од велике помоћи у пречишћавању воде од токсина. У студији коју је објавило Краљевско хемијско друштво, истраживачи су показали да оксидовани графен може чак повући радиоактивне материјале као што су уранијум и плутонијум присутни у води, остављајући течност без ње загађивачи. Импликације ове студије су огромне. Неке од највећих опасности по животну средину у историји, укључујући нуклеарни отпад и хемијско отицање, могле би се очистити из извора воде захваљујући графену.

Како пренасељеност и даље представља један од најхитнијих еколошких проблема у свету, одржавање залиха чисте воде ће постати само важније. Заиста, несташица воде погађа више од милијарду људи широм света, број који ће само наставити да расте с обзиром на тренутне трендове. Графенски филтери имају огроман потенцијал да побољшају пречишћавање воде, повећавајући количину свеже воде на располагању. У ствари, Лоцкхеед Мартин је недавно развио графенски филтер под називом „Перфорене“, за који компанија тврди да би могао да револуционише процес десалинизације.

Садашња постројења за десалинизацију користе методу која се зове реверзна осмоза за филтрирање соли из морске воде. Реверзна осмоза користи притисак за кретање воде кроз мембрану. Да би се произвеле велике количине воде за пиће, притисак који је укључен захтева огромне количине енергије. А Лоцкхеед Мартин инжењер тврди њихови Перфорене филтери би могли да смање потребе за енергијом сто пута мање него код других филтера.

МИТ је направио графен са "нанопорама"

Филтрација је једна од најочигледнијих употреба графена, а инжењери МИТ-а су направили велики напредак у усавршавању способности графена да одваја молекуле. У 2018, тим са МИТ-а смислио је метод за стварање сићушних, „убодних“ рупа у листовима графена. Истраживачи са МИТ-а користе приступ „ролл-то-ролл“ за производњу графена. Њихово подешавање укључује два калема: један калем убацује лим бакра у пећ где се загрева до одговарајућу температуру, онда инжењери додају метан и гас водоник, што у суштини изазива накупине графена да се формира. Графенски филм излази из пећи, намотавајући се на други калем.

У теорији, овај процес омогућава формирање великих листова графена за релативно кратко време, што је кључно за комерцијалне примене. Истраживачи су морали да фино подесе процес како би се графен савршено формирао, а занимљиво је да су се несавршени покушаји на том путу касније показали кориснима. Док је тим МИТ-а покушавао да створи поре у графену, почели су да користе кисеоникову плазму да би их изрезали. Пошто се показало да је овај процес дуготрајан, желели су нешто брже и потражили су решења у својим претходним експериментима. Смањивањем температуре током раста графена, појавиле су се поре. Оно што се појавило као недостаци током процеса развоја завршило је као користан начин за стварање порозног графена.

Суперпроводљивост

Не дуго после демонстрирали су научници са Кембриџа да графен може да делује као суперпроводник (материјал без електричног отпора) када је упарен са празеодимијум церијум бакарним оксидом, истраживачи са МИТ-а откривено још једно запањујуће својство: очигледно може да функционише сам као супрапроводник, у правој конфигурацији. Истраживачи су сложили две кришке графена, али су их померили под углом од 1,1 степен. Према извештају објављеном у часопису Натуре, „физичар Пабло Јариљо-Ереро са Масачусетског института Технологија (МИТ) у Кембриџу и његов тим нису тражили суперпроводљивост када су поставили своју експеримент. Уместо тога, они су истраживали како би оријентација названа магијским углом могла утицати на графен.

Оно што су открили је да је, када су пуштали струју кроз графенски сноп, функционисао као суперпроводник. Овај једноставан процес примене електричне енергије чини графен лакшим за проучавање од сличне класе суперпроводници, купрати, иако ти материјали показују суправодљивост на много већој температуре. Већина материјала који показују суправодљивост то раде само близу температуре апсолутне нуле. Неки такозвани „суперпроводници високе температуре“ могу показати суправодљивост на температурама око 133 Келвина (-140 Целзијуса), што је релативно високо; водоник сулфид, под довољним притиском, приказује својство на чудесних -70 степени Целзијуса!

Аранжман графена је морао да се охлади на 1,7 степени изнад апсолутне нуле, међутим, истраживачи сматрају да је његово понашање слично оном купрата, и па се надају да ће то бити много лакши материјал за проучавање неконвенционалне суправодљивости, што је и даље подручје великих неслагања међу физичари. Пошто се суперпроводљивост обично дешава само на тако ниским температурама, суперпроводници се користе само у скупим машинама као што су МРИ машине, али научници се надају да ће једног дана пронаћи суперпроводник који ради на собној температури, што би смањило трошкове уклањањем потребе за хлађењем јединице.

Ин студија објављена 2019, истраживачи су показали како уврнути слојеви графена под одређеним "магијским" угловима могу произвести суперпроводна својства на нижим температурама него раније.

Одбрана од комараца

Мало је створења тако одвратно као комарац, због угриза који сврбе и склоности ширењу ужасних болести попут маларије. Срећом, истраживачи са Универзитета Браун пронашли су могуће решење користећи графен. Истраживање, објављено 2019, показује да графенски филм на кожи не само да је блокирао комарце од уједа, већ их је чак и одвраћао од пада на кожу. Једно од могућих објашњења је да је графен спречио комарце да нањуше плен.

Будућност истраживања графена

С обзиром на наизглед бескрајну листу предности графена, очекивало би се да се види свуда. Зашто онда графен није широко прихваћен? Као и код већине ствари, све се своди на новац. Графен је и даље изузетно скуп за производњу у великим количинама, што ограничава његову употребу у било ком производу који би захтевао масовну производњу. Штавише, када се производе велики листови графена, постоји повећан ризик од појаве ситних пукотина и других недостатака у материјалу. Колико год научно откриће било невероватно, економија ће увек одлучивати о успеху.

Ако занемаримо производне проблеме, истраживање графена никако не успорава. Истраживачке лабораторије широм света - укључујући Универзитет у Манчестеру, где је графен први пут откривен - непрестано подносе патенте за нове методе стварања и коришћења графена. Европска унија је 2013. одобрила финансирање главног програма, који ће финансирати истраживање графена за употребу у електроници. У међувремену, велике технолошке компаније у Азији спроводе истраживања о графену, укључујући Самсунг.

Револуције се не дешавају преко ноћи. Силицијум је откривен средином 19. века, али је требало скоро век пре него што су силицијумски полупроводници утрли пут успону рачунара. Може ли графен, са својим готово митским квалитетима, бити ресурс који покреће следећу еру људске историје? Само ће време показати.

Препоруке уредника

• Најбоље лампе за светлосну терапију
• Колико дуго треба да трају ваши уређаји?
• Најбољи соларни пуњачи за ваш телефон или таблет
• 17 црних проналазача који су променили свет технологије
• Најбољи уређаји за здравље и фитнес