Grafen następca krzemu

Grafen następca krzemu

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 obliczeniowej.
Przy czym układy te grzałyby się mniej, przez wzgląd na swoje wysokie przewodnictwo cieplne. Wraz ze wzrostem częstotliwości taktowania procesor wydziela coraz więcej ciepła, kluczowym zagadnieniem staje się więc optymalne jego odprowadzanie. Grafen, gdyby miał trafić pod strzechy, ułatwia to zadanie, łatwo bowiem ciepło oddaje. Jedynym wyzwaniem pozostałoby odprowadzenie tego ciepła poza obudowę komputera.
Świętym Graalem przemysłu elektronicznego pozostają elastyczne wyświetlacze, które można byłoby zwinąć w rulon i schować do kieszeni albo opiąć dookoła ręki. Ponieważ grafen jest elastyczny, może odegrać w konstrukcji takich paneli kluczową rolę. Elastyczne materiały, które wyświetlają obraz, już są (diody LED). Podpięty do nich grafen dostarczałby energii elektrycznej.
Wytrzymałość i elastyczność wciąż są cechami pożądanymi w inżynierii materiałowej. Grafenem można byłoby wzmacniać już istniejące materiały lub wykorzystać go do stworzenia nowych. Korzyści najprędzej będą odczuwalne w technologiach kosmicznych, gdzie nieustannie trwa walka o każdy kilogram mniej, bo to w efekcie przedkłada się na niższe koszty wysyłania urządzeń w kosmos. Korzyści z orbity zaczną spływać coraz niżej; najpierw do stratosfery, gdzie z własności nowego materiału z pewnością skorzysta przemysł lotniczy; a potem na ziemię, gdzie potencjalnych aplikacji jeszcze nie jesteśmy w stanie sobie wyobrazić.
Jak już zostało powiedziane, grafen składa się z sześciokątnych „oczek”. Przestrzeni wewnątrz tych heksagonów jest tak mało, że nie może się przez nie prześlizgnąć nawet pojedyncza cząstka helu. Daje to nadzieję na superczułe wykrywacze, które byłyby w stanie alarmować nawet o pojedynczych cząstkach niepożądanych substancji.
Wreszcie nowy materiał może kompletnie zmienić podejście do paneli słonecznych. Obecnie dostępne na rynku produkty są horrendalnie drogie i przez wzgląd na zaporową cenę koszt uzyskania kilowatogodziny wielokrotnie przewyższa tradycyjne technologie. Co prawda od czasu do czasu słyszy się o nowych, egzotycznych materiałach, które pozwoliłyby panelom na osiągnięcie większej wydajności. Niemniej jednak potrzebny jest materiał o wyższej sprawności i tańszy w produkcji. Energetyka solarna, zarówno ta domowa, jak i przemysłowa, znacznie by na tym skorzystała.

Przyszłość jest w węglu

Choć z polskiej perspektywy, pod wpływem niefortunnych doświadczeń z górnictwem węgla kamiennego trudno w to uwierzyć, zdaje się, że tak właśnie jest: materiały oparte na węglu stanowią przyszłość. Przy czym grafen jest w tej rodzinie nowicjuszem; naukowy świat od półwiecza pochyla się nad węglowymi nanorurkami, a od ćwierć wieku także nad węglowymi piłkami, zwanymi fullerenami.
Nanorurki, które można traktować jak zwinięty grafen, fascynują podobnymi właściwościami. Stanowią doskonały przewodnik, zarówno elektryczny, jak i cieplny; są wytrzymałe i elastyczne. Nadzieje wiążą z nimi producenci baterii; być może dopiero przełom w produkcji nanorurek zapewni nam baterie o większych pojemnościach. Co jest palącą potrzebą przez wzgląd na rozwój motoryzacji opartej na prądzie elektrycznym i przyrost przenośnej elektroniki. Fullereny natomiast to już znacznie bardziej egzotyczne pole badawcze.
Oczywiście grafen trafi pod strzechy, tylko pod warunkiem że uda się opracować techniki jego wytwarzania na skalę przemysłową. Nie idzie tylko o ilość, lecz także jakość – aby grafen spełniał pokładane w nim nadzieje, wymagane są duże płaszczyzny o wysokiej czystości. Jak we wszystkich kryształach, zanieczyszczenia i defekty strukturalne powodują nagły spadek właściwości.
Jeszcze do niedawna był to najdroższy materiał na świecie; wraz ze wzrostem zainteresowania znaczny wysiłek włożono też w opracowanie metod produkcji. Koreańczykom podobno udało się uzyskać płat o długości 70 cm; ponieważ nie zostało to na razie opublikowane w żadnym czasopiśmie naukowym, należy takie rewelacje traktować z przymrużeniem oka.

______________________________

Najpierw był Ignobel

W 2000 r. Andre Geim otrzymał Ig Nobla z dziedziny fizyki „za użycie magnesów do lewitacji żaby”. Ig Noble przyznaje się za badania, które na pierwszy rzut oka śmieszą, a potem zmuszają do myślenia. 10 lat później nagrodzono go za badania, które wyłącznie zmuszają do myślenia.

Wydanie: 42/2010

Kategorie: Nauka

Napisz komentarz

Odpowiedz na treść artykułu lub innych komentarzy