Grafen – heksagonowa rewolucja

Choć przyznanie Nagród Nobla jest czasem dyskusyjne, tegoroczna – z dziedziny fizyki – nie powinna budzić wątpliwości. Otrzymali ją Andre Geim i Kostya Novoselov z University of Manchester.

To, że naukowcy wynaleźli grafen jest stwierdzeniem nieprecyzyjnym. Ta alotropowa forma węgla intrygowała naukowców już w latach 70. ubiegłego stulecia. Nazwę zaś nadano jej dopiero w 1987 roku. Przez przeszło 30 lat nikomu nie udało się jej jednak wyizolować. Dopiero w 2004 roku dokonało tego dwóch Rosjan, którzy przenieśli się do Wielkiej Brytanii jeszcze w czasach istnienia ZSRR: Andre Geim i Kostya Novoselov.

Geim posiada swoją pracownię w której to razem z Novoselovem przeprowadzają różne eksperymenty. Nazywają je „friday evening”, są niecodzienne i zwariowane. Najlepszym dowodem mogą być doświadczenia w którym główną rolę grała… lewitująca żaba unosząca się za pomocą magnesów. Oczywiście eksperyment miał na celu udowodnienie, że „stan nieważkości można osiągnąć nie tylko w kosmosie”. Nie zmienia to faktu, że właśnie za te odkrycia naukowcy zostali uhonorowani Anty Noblem w 2001 roku.

Także i ich opus vitae było wynikiem jednego z podobnych badań. Ścinali opiłki grafitu na taśmę klejącą. Sam Novoselov przyznaje, że odkrycie metody otrzymywania grafenu było szczęśliwym zbiegiem okoliczności: ”

Grafen, który ma grubość jednego atomu, można dostrzec wyłącznie na specjalnym podłożu. Wtedy tego nie wiedzieliśmy, ale przypadkowo użyliśmy tego właściwego. To był łut szczęścia”.

Andre Geim i Kostya Novoselov odkryli metodę wyizolowywania grafenu z grafitu

Andre Geim i Kostya Novoselov odkryli metodę wyizolowywania grafenu z grafitu

Czym jest grafen?

Grafen to alotropowa forma węgla, czyli taka, która różni się właściwościami fizycznymi od podstawowego pierwiastka. Inną odmianą alotropową węgla jest diament.

Ponadto jest to forma dwuwymiarowa, gdyż grubość materiału wynosi jedynie jeden atom. Z powodu heksagonalnego wyglądu atomów, całość przypomina plaster miodu. W skrócie można więc powiedzieć, że jest to alotropowa, dwuwymiarowa forma węgla ułożona w sieć heksagonalną. Określenie grafenu mianem niezwykle cienkiego grafitu jest nieprecyzyjne, ale jednak prawdziwe. Grafit jest bowiem niczym innym, jak alotropową formą węgla zbudowaną z warstw grafenu.

Grafen w czystej formie jest bardzo trudny do otrzymania ponieważ ma skłonność do łączenia się z innymi atomami i tworzenia struktur trójwymiarowych. Na początku otrzymywano go za pomocą jego ścierania. Miał wtedy nie więcej niż dziesiątą część milimetra. Już wtedy badano jego niezwykłe właściwości. Rok temu nastąpił przełom, a wszystko za sprawą Koreańczyków, którzy wymyślili genialny w swej prostocie sposób na otrzymywanie grafenu. Stosują metodę chemicznego osadzania par. Warstwę z grafenu osadza się na niklowym podłożu, które następnie się wytrawia. Metoda ta jest dużo tańsza niż ścieranie. To tej pory warstewka o przekroju włosa kosztowała 1000 dolarów.

W lutym tego roku IBM skonstruował tranzystor z wykorzystaniem grafenu. Osiągnął on prędkość 100 GHz.

W lutym tego roku IBM skonstruował tranzystor z wykorzystaniem grafenu. Osiągnął on prędkość 100 GHz.

Grafen-cudotwórca

Grafen posiada niesamowite właściwości, które czynią go fascynującym obiektem badań. Co chwilę ogłaszane są nowe wyniki doświadczeń i z każdym dniem wiemy o grafenie więcej niż w 2004 roku.

Już w rok po odkryciu nowej metody izolowania tego materiału wiemy, że elektrony w nim zawarte poruszają się szybciej niż w jakimkolwiek znanym nam materiale. Dotychczas, aby uzyskać większą częstotliwość pracy w urządzeniach stosowano arsenek galu. Grafen przewyższa jednak możliwości tego materiału 25 razy. To dlatego, że prędkość poruszających  się w nim elektronów wynosi aż 1/300 prędkości światła.

Ponadto dzięki małej rezystancji (oporowi na prąd) materiał ten jest także doskonałym przewodnikiem energii elektrycznej.

Z tego też powodu, materiałem tym interesują się koncerny produkujące elektronikę. W październiku 2007 roku, IBM stworzyło pierwszy tranzystor polowy za pomocą grafenu ułożonego na krzemie.

Rok później kolejne odkrycia wstrząsnęły światem nauki.
Okazało się bowiem, że nowo odkryta forma węgla jest najtwardszym, a zarazem najbardziej rozciągliwym znanym nam materiałem. Profesorowie Jeffrey Kysar i James Hone, pracujący na Columbia University wywiercili otwory w krzemowym waflu, w których umieścili kawałki grafenu. Następnie użyli diamentowej sondy, aby rozerwać wiązania między atomami. Okazało się, że materiał jest 100 razy twardszy od stali. Gdyby płat grafenu byłby grubości folii spożywczej, to aby ją przebić szpilką należałoby użyć nacisku przekraczającego 30 ton. Pod koniec 2008 roku Profesor James Tour oraz Yubao Li i Alexander Sinitskii z Rice University zauważyli też, że materiał nadaje się świetnie do produkcji pamięci komputerowej. Jej żywotność wynosiłaby do 10 milionów cykli i mogłaby pracować w temperaturach od -75 do aż 200 stopni Celsjusza, co pozwoli na osiągnięcie większej wydajności bez konieczności użycia mocnego chłodzenia.

W tym roku badania nabrały rozpędu. W lutym znów wkroczył do akcji IBM. Skonstruował on tranzystor który osiągnął oszałamiającą prędkość 100 GHz. Według naukowców amerykańskiej firmy, układy na bazie grafenu mogłyby osiągnąć nawet 1THz, ale na razie nie wiadomo, jak uzyskać taki wynik.

W międzyczasie profesorowie Matthias Batzill i Ivan Oleynik – którzy prowadzą badania na Uniwersytecie Południowej Florydy – odkryli metodę na dzielenie grafenu. Arkusz rozcina się monokryształami, a następnie stosuje nikiel, by oczyścić krawędzie. Później zbliża się powstałe w ten sposób dwa oddzielne arkusze tak, aby połączyły się w jeden, ale z zaburzeniami w strukturze. Dzięki temu powstają struktury grafenu w formie pięcio- i ośmiokątów, a nie jak to było do tej pory tylko w formie sześciokątów. Tworzą one swoistą „ścieżkę”, po której może podróżować prąd, jak po zwyczajnym przewodzie.

Ponadto dowiedzieliśmy się, że ta odmiana węgla jest znakomitym przewodnikiem ciepła. Dziesięciokrotnie lepszym od srebra, który jak dotąd królował pod tym względem.

Czujnik, który będzie szybko rozpoznawał choroby genetyczne został wykonany z użyciem grafenu

Czujnik, który będzie szybko rozpoznawał choroby genetyczne został wykonany z użyciem grafenu

Grafen lekarz
Znaleziono także zastosowanie dla grefenu w medycynie. Okazało się, że gdy położono bakterie na tlenku grafenu nie były one w stanie się rozmnażać, podczas gdy ludzkie komórki nie miały z tym problemu. Odkrycie to pozwoli na produkcję sterylnych bandaży, pojemników na żywność czy wkładek do butów. Udało się także połączyć grafen z… ludzkim DNA. Spirale DNA świetne łączą się z jego powierzchnią. Wadliwy czynnik umieści się na grafenie, a następnie zanurzy w krwi. Przyczepiony do powierzchni czynnik natychmiast znajdzie i „wyłapie” swój odpowiednik.

Innym „dziwnym” odkryciem jest fakt, że grafen jest obiektem, który najszybciej potrafi się obracać, nawet z prędkością miliona obrotów na sekundę. Dowiódł tego w zeszłym miesiącu Bruce Kane z University of Maryland. Najpierw rozpylił w komorze próżniowej fragmenty nowej odmiany węgla, które utrzymał w powietrzu za pomocą pól elektrycznych, a następnie wprawił je w ruch spolaryzowanym promieniem światła. Bruce Kane zanotował 60 milionów obrotów w ciągu minuty.

Grafen od 2004 roku już zdołał przejść długą drogę, mimo krótkiego czasu obecności. Ciągłe badania doprowadzą w końcu do produkcji wydajnych układów na masową skalę. Biorąc pod uwagę ich szybkość, śmiało można ryzykować stwierdzenie, że czeka nas prawdziwa rewolucja. Eksperci mówią o pierwszych komputerowych układach za 10 lat. Następne 5 musi upłynąć, zanim trafią one pod strzechy. Czyżby czekały nas grafenowe procesory?

Zamknij

Choć staramy się je ograniczać, wykorzystujemy mechanizmy takie jak ciasteczka, które pozwalają naszym partnerom na śledzenie Twojego zachowania w sieci. Dowiedz się więcej.