Grafen – czym jest i tak właściwie, po co nam on?

dwuwymiarowy model grafenu

Tytułowy grafen – pożądany przez wiele działów przemysłu, ze względu na swoje właściwości elektryczne i mechaniczne. Tyle wie na jego temat większość zainteresowanych choć trochę osób, ale to zdecydowanie za mało. W tym artykule spróbuje wam dokładniej przybliżyć, czym jest grafen i dlaczego tak chcemy jego wprowadzenia na szerszą skale.

Dokładniejszą definicje możecie przeczytać np. na wikipedia.org, z której do artykułu będę głównie czerpał informacje. Mimo wszystko, spróbuję nieco uprościć większość zagadnień, tak, aby były łatwiejsze do zrozumienia. Co do definicji, Grafen to warstwa grafitu o grubości jednego atomu, zatem w uproszczeniu, jest strukturą dwuwymiarową. Kształtem przypomina plaster miodu, ale nie próbowałbym go jeść, nawet gdybym miał okazję.

Grafit jest zbudowany z warstw grafenowych.
źródło: wikipedia.org

A teraz trochę historii…    

Spokojnie, będę się streszczał. Teoretyczny opis grafenu powstał już w 1947 roku, którego autorem był Philip Rusell Wallace. Na początku lat 80’ dowiedziono, że nie może on występować naturalnie w przyrodzie – jak wszystkie materiały dwuwymiarowe. Jednak można było go wytworzyć, co nastąpiło dopiero w 2004 roku równolegle w Georgii i Manchesterze. Co ciekawe, miał dokładnie takie właściwości jakie przewidziano prawie 60 lat wcześniej. Spowodowało to przyśpieszenie prac nad grafenem pod kątem czysto badawczym, ale i w poszukiwaniu lepszych metod na jego produkcje. W 2010 roku, dwóch uczonych z uniwersytetu w Manchesterze otrzymało nagrodę nobla w dziedzinie fizyki za prace nad grafenem. Obecnie uznaje się ich za odkrywców tego materiału, a są to niejacy: Andriej Gejm oraz Konstantin Nowosiołow. Do zapamiętania – mimo faktu, że koncepcyjnie znamy grafen od ponad 70 lat, to jesteśmy w jego posiadaniu od niedawna.

A jak tak właściwie powstał ten „plaster węgla”?

Odpowiedź na to pytanie jest bardzo prosta. Wystarczyła zwykła taśma klejąca i kawałek (bardzo dobrej jakości) grafitu, czyli odmiany węgla. Zabawne jest to ,że przy pomocy tylko tych dwóch przedmiotów jesteśmy w stanie otrzymać grafen naprawdę wysokiej jakości – taki jest stosowany głównie w badaniach, gdyż produkcja na szerszą skale w ten sposób byłaby niewyobrażalnie droga.

Grafen również można otrzymać na miedzi. Ten sposób wymyślili Koreańczycy, ale obecnie jest stosowany w laboratoriach na całym świecie, w końcu, to zdecydowanie tańsza metoda od poprzedniej. Niestety, nie jest tak pięknie, poza zmniejszeniem kosztów, pogarsza się jakość samego materiału. Nie można go zastosować do produkcji urządzeń elektronicznych, za to w wytwarzaniu dotykowych ekranów sprawdziłby się świetnie. Sama metoda jest dosyć skomplikowana, dokładniej możecie o niej przeczytać tutaj.

Spokojnie, pamiętam o „polskim grafenie”, ale to dosyć przykra historia. Jeżeli ktoś jest zainteresowany tematem, wystarczy wpisać frazę w Google. Warto wspomnieć, że to prawdopodobnie jedna z lepszych, aktualnie znanych, metoda otrzymywania „plastra” – pozwalała tworzyć grafen o stosunkowo dużej powierzchni.

Jest jeszcze kilka metod (w tym jedna wynaleziona na łódzkiej uczelni!), ale nie czuje się na tyle kompetentny by je omówić, jednocześnie w tekście pisanym nie wydają się mi nadto ciekawe. Myślę, że ciekawsze i ważniejsze ze sposobów omówiłem dosyć dobrze.

Ale co w nim takiego wyjątkowego?
– czyli właściwości i zastosowania związane z grafenem

Po pierwsze i najważniejsze dla miłośników sprzętu elektronicznego, grafen może zastąpić krzem. W końcu jest świetnym przewodnikiem ciepła i elektryczności – ponad 30 razy lepszym od materiału obecnie wykorzystywanego w sercach naszych komputerów. Nie, tu nie ma literówki. Jednak nie popadajmy w euforie, AMD poinformowało, że nie zamierza porzucić krzemu przed 2025 rokiem, jeżeli nie jeszcze później. Teraz czas na ciekawostkę: grafenowy tranzystor jest w stanie osiągnąć częstotliwość 427 GHz! A My się “jaramy” jakimiś 7,6 GHz, osiągniętymi na procesorze w 14nm, chłodzonym ciekłym azotem… Mogliby się bardziej postarać ci producenci mikroprocesorów. Phi!
Wszystko fajnie, ale mamy problem. Grafen nie ma pasma wzbronionego, a to oznacza, że nie da się go wyłączyć. Zatem, po jednym włączeniu, tranzystor wykonany z grafenu, marnuje ogromną ilość energii i traci prąd, chociaż dzięki zbudowaniu poziomego tranzystora udało się z tym ostatnim poradzić.

Poziomy tranzystor grafenowy,
źródło: chip.pl

Uwaga, tu będzie niespodzianka. Guanxiong Liu, razem ze swoim zespołem z Kalifornijskiego Uniwersytetu, znalazł sposób na “wyłączenie” grafenu. Jak podaje technologyreview.com, skupiono się na ujemnej rezystancji . To zjawisko polega na tym, że po wprowadzeniu prądu na dany obszar, napięcie na tym polu spada. Właśnie spadek napięcia ma służyć za wyłącznik, a grafen w odpowiednich warunkach jest w stanie odtwarzać to zjawisko wielokrotnie. Pierwsze wyniki badań są obiecujące, ale na namacalny efekt jeszcze długo poczekamy.

Dla nas, ludzi interesujących się nowymi technologiami, istotna jest jeszcze jedna właściwość grafenu. Jest przezroczysty, a jak wcześniej wspomniałem, świetnie przewodzi prąd. To czyni go idealnym materiałem do produkcji zwijanych ekranów dotykowych, które w teorii mogą być niezniszczalne. Te własność wykorzystuje się też w wytwarzaniu energii odnawialnej przez moduły fotowoltaiczne i przechowywaniu jej w superkondensatorach lub wysokowydajnych akumulatorach.

Grafen może też uratować ludzkie życie!

Czujniki z niego wykonane potrafią wykryć pojedynczą cząsteczkę szkodliwej substancji, jednak nie tylko w ten sposób może nam pomóc.

Dwutlenek węgla, to gaz cieplarniany, którego nie chcemy mieć zbyt dużo w powietrzu, prawda? Jak podaje interia.pl, naukowcy z Instytutu Technologii w Karlshruhe w Niemczech pokazali, że możemy się go pozbyć produkując grafen i to dosyć dobrej jakości! Metoda polega na wprowadzeniu do komory reakcyjnej gazów – wodoru oraz właśnie dwutlenku węgla. Cienka płytka ze stopu miedzi i palladu jest tu katalizatorem. W komorze temperatura rośnie do 1000 stopni Celsjusza, a wraz z temperaturą rośnie ciśnienie. Jeśli płytka ma odpowiednie proporcje miedzi i palladu – viola, mamy grafen!
W kolejnych badaniach, naukowcy będą chcieli wykorzystać tak wytworzony grafen do produkcji urządzeń elektronicznych.

Wiecie, że woda pitna na całym globie stanowi ledwie 1% całych zasobów wodnych? Zastanawiacie się, czemu o tym mówię? Membrana z utlenianego grafenu nie przepuszcza żadnych atomów, nawet helu, ale za to bezproblemowo przechodzi przez nią czysta woda. Daje to możliwość taniej filtracji wody morskiej, sprawiając, że będzie pitna. Nieźle, co?

Czyli grafen to “Święty Graal” przemysłu?

Nie do końca. To niezwykły materiał, nie da się zaprzeczyć, ale już teraz pozycji grafenu zagraża borofen – również struktura dwuwymiarowa, składająca się z 36 atomów boru, z resztą tak jak grafen, tylko że ten z atomów węgla. Jednak nad nim może zastanowimy się innym razem. Tymczasem ten artykuł nieuchronnie zbliża się do końca.

Myślicie, że grafen zmieni nasze codzienne życie? Jeżeli tak, to jak szybko?

Bez odbioru!

źródła: wikipedia.org; tech.wp.pl; technologyreview.com; chip.pl; interia.pl;

2 thoughts on “Grafen – czym jest i tak właściwie, po co nam on?

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

%d bloggers like this: