Od strony teoretycznej grafen badany jest już od ponad siedemdziesięciu lat, przy czym na jego praktyczne wytworzenie trzeba było czekać aż do 2004 roku. Od tego czasu naukowcy bezustannie wytwarzają, badają i stopniowo poznają jego unikatowe własności. O tym, jak wyjątkowym jest on materiałem może świadczyć chociażby fakt, że wytrzymałość grafenu na rozciąganie wynosi 130 GPa, co jest ogromną wartością jeżeli porównamy to do wytrzymałości stali konstrukcyjnej wynoszącej zaledwie 0,4 GPa.
Pięć warstw grafenu to nie jedna
W najnowszym projekcie badawczym naukowcy z Massachusetts Institute of Technology ustalili, że jeżeli ułoży się na sobie w odpowiedni sposób pięć osobnych warstw grafenu, dzieje się coś nietypowego. Naukowcy przyznają, że takiego zachowania nikt się nie spodziewał.
Czytaj także: Stworzono pierwszy taki grafen na świecie. Może zrewolucjonizować elektronikę
Sześciokątna siatka atomów węgla nie tylko jest niezwykle wytrzymała, ale także przewodzi prąd. Wszystko jednak wskazuje, że w pewnym ułożeniu pięciu warstw tego materiału pojawiają się ekscytujące właściwości magnetyczne i elektroniczne.
Aby tego dokonać, fizycy z MIT skorzystali z grafitu, dokładnie takiego, jaki znajduje się w każdym ołówku, następnie oddzielili od niego najcieńsze warstwy, a następnie pięć z nich ułożyli w romboedryczny wzór (równoległościan, w którym każda ściana jest rombem).
Pomiary właściwości takiego tworu pozwoliły ustalić, że charakteryzuje się on niezwykle rzadką własnością magnetyczną, tzw. stanem “multiferroicznym”. Co więcej, okazało się, że zaskoczenie czeka nie tylko w kontekście magnetyzmu. Pięć warstw grafenu w tym ułożeniu wykazuje nietypowe zachowanie elektroniczne, które jest przyczyną powstawania stanu multiferroicznego.
Wnioski są zatem takie, że każda dodatkowa warstwa grafenu sprawia, że właściwości całego stosu się zmieniają i powstaje zupełnie nowy materiał. Wyżej wymienionych właściwości nie ma bowiem stos składający się z jednej, dwóch, trzech, czy czterech warstw grafenu. Dopiero przy piątej wszystko się zmienia.
Specjalne ułożenie warstw i umieszczenie całego stosu w warunkach zbliżonych do zera absolutnego umożliwia powstawanie interakcji pomiędzy poszczególnymi elektronami. Co więcej, próbując wyjaśnić zachowanie całego takiego stosu, trzeba uwzględnić zachodzące w nim interakcje kwantowe.
Czytaj także: Zielony grafen – gdy grafen może być jeszcze lepszy. Co to takiego?
Naukowcy wyjaśniają, że przy takim ułożeniu pięciu warstw grafenu elektrony przemieszczając się po sieci, poruszają się powoli, przez co lepiej wchodzą w interakcje z innymi elektronami. To właśnie w takim środowisku zaczynają dominować efekty korelacji elektronów i zaczynają się one układać w pełne ferroiczne układy.
Efekt? Wszystkie elektrony porządkują swój ruch orbitalny. Co więcej, w grafenie istnieją dwa najniższe stany energetyczne, jakie mogą być zajęte przez elektrony. Zazwyczaj elektrony nie odróżniają jednego od drugiego. W pięciowarstwowym grafenie jednak wyraźnie preferuję one jeden z nich, wybierając go częściej niż drugi. Te dwie właściwości sprawiają, że właściwości magnetyczne całego układu są multiferroiczne. Dzięki temu do takiego materiału można przykładać pola magnetyczne tak, aby otrzymać wiele preferowanych stanów. To z kolei oznacza, że materiał tego typu charakteryzuje się wyższą wydajnością niż inne materiały.
Naukowcy wskazują praktyczne zastosowania takiego materiału. Gdyby np. zastosować go w dyskach twardych, można byłoby na takim dysku zapisać więcej informacji, znacznie szybciej, wykorzystując przy tym znacznie mniej energii elektrycznej. Możemy mieć zatem pewność, że chętnych do dalszych prac nad badaniem właściwości i wykorzystaniem nowego materiału będzie wielu.
