Węgiel, podstawa całego życia na Ziemi, zadziwił nas raz jeszcze – napisał w oficjalnym komunikacie Komitet Noblowski Nagrodę Nobla z dziedziny fizyki otrzymali Andre Geim i Konstantin Novoselov, „za przełomowe eksperymenty na dwuwymiarowym materiale grafenie”. Duet z Uniwersytetu w Manchesterze, co należy podkreślić, bynajmniej nie odkrył grafenu. „Grafen istniał od zawsze; najważniejsze było go dostrzec. Podobnie inne naturalnie występujące formy węgla pokazywały się naukowcom, kiedy ci patrzyli na nie we właściwy sposób: najpierw nanorurki, potem fullereny. Uwięziony wewnątrz grafitu, grafen czekał, aby go uwolnić. Nikt jednak nie myślał, że będzie to możliwe”, można przeczytać w komunikacie Komitetu Noblowskiego. Aby otrzymać grafen, dwaj badacze wykorzystali grafit. Grafit jest jednym z najbardziej miękkich materiałów, jakie zna nauka. Wykorzystując tę właściwość, okleili czysty grafit taśmą klejącą, odrywając z niego w ten sposób cienki plaster. Następnie powtarzali ten proces 10 do 20 razy, za każdym razem otrzymując cieńsze warstwy. – Ja również otrzymałem grafen tą samą metodą – mówi dr inż. M. Zdrojek z Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej. – Że osiągnęło się swój cel, można dostrzec gołym okiem, grafem bowiem w charakterystyczny sposób odbija światło. Metoda, choć prosta, taką właśnie nosi nazwę: metoda taśmy klejącej. Jeśli kiedykolwiek pisaliście państwo ołówkiem, to być może udało się wam w warunkach domowych uzyskać grafenopodobne warstwy. Wszak pisanie ołówkiem to nic innego, jak odrywanie od wkładu kolejnych warstw grafenu. Właściwości Przełomowy artykuł Geima i Novoselova opisujący ich odkrycie z 2004 r. zapoczątkował falę badań nad grafenem. Naukowcy wiedzieli mniej więcej, że można było się spodziewać fantastycznych właściwości, teraz tylko należało je zbadać. Przede wszystkim grafen jest świetnym przewodnikiem prądu. Elektrony poruszają się w tym materiale 100 razy szybciej niż w krzemie, który obecnie stanowi podstawę wszystkich układów elektronicznych. Przepływ elektronów przez przewodnik nigdy nie obywa się bez strat, odbijają się one bowiem od atomów tworzących przewodnik. Natomiast w grafenie ruch ten ma charakter znacznie bardziej płynny, mniej jest zderzeń, w związku z czym mniejsze są straty i mniejsze wydzielanie ciepła. Jeśli o ciepło chodzi, noblowski materiał jest również doskonałym przewodnikiem cieplnym. Znaczy to, że ciepło powstałe np. w wyniku zderzeń elektronów z atomami węgla jest bardzo szybko oddawane na zewnątrz. Dodatkowo grafen jest niezwykle wytrzymały – 100 razy bardziej od najbardziej wytrzymałej stali – a do tego niezwykle elastyczny. Wytrzyma rozciągnięcie o 20% w stosunku do pierwotnego rozmiaru. Jakby tego było mało, jest przezroczysty – odbija zaledwie 2,3% docierającego do niego światła, a przepuszcza całą resztę. Grafen ma jeszcze jedną cechę, ważną z punktu widzenia zastosowań masowych – łatwo jest modyfikować jego właściwości za pomocą obróbki chemicznej. Brzmi to jak sen, jednak wszystkie właściwości grafen zawdzięcza swojej strukturze. – To jest płaska warstwa pojedynczych atomów, ułożona w heksagony. Powoduje to, że elektrony mają pewną specyficzną własność, mianowicie zachowują się, jak gdyby nie miały masy. Cała gama własności jest w związku z tym dosyć unikalna i w wielu przypadkach przewyższa własności różnych innych materiałów – wyjaśnia dr inż. Zdrojek z Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej. Pieśni przyszłości Z grafenem wielkie nadzieje wiąże przede wszystkim świat elektroniki. Z racji swoich właściwości doskonale nadaje się on jako kandydat na następcę niepodzielnie panującego w tej dziedzinie krzemu. Jeśli kupowaliście państwo komputer, to wiecie na pewno, że podstawową charakterystyką, jaką podają sprzedawcy, jest częstotliwość taktowania procesora. To ona w znacznej mierze determinuje, czy procesor, jaki nabywamy, jest szybki. Obecnie na rynku dostępne są układy pracujące z szybkością 3 GHz (gigaherców, czyli miliarda herców). Kiedy naukowcy z IBM wzięli na warsztat grafen, wykonane z niego tranzystory (podstawowe cegiełki, z miliardów których składa się procesor) osiągały częstotliwość taktowania rzędu 100 GHz. Przełączały się zatem 100 mld razy na sekundę! Przesiadka z krzemu na węgiel, gdyby była technologicznie możliwa już w tej chwili, zapewniłaby nam więc od razu przeszło 30-krotny wzrost mocy
Tagi:
Kuba Kapiszewski
