Właśnie tutaj zaczyna się historia pewnej zmarszczki. Tyle i tylko tyle. Zespół naukowców wykazał bowiem, że wystarczy bardzo mocno zakrzywić pojedynczą warstwę grafenu, aby lokalnie zmienić zachowanie elektronów. W nanoskali dochodzi wtedy do czegoś, co można obrazowo porównać do powstania dwóch końców maleńkiej baterii.
Grafen robi się elektrycznie “dwustronny”
Mowa tutaj o tak zwanej flexoelektryczności, czyli zjawisku, w którym niejednorodne odkształcenie materiału prowadzi do powstania polaryzacji elektrycznej. Nie chodzi więc po prostu o ściśnięcie całej struktury jednakowo, lecz o sytuację, w której jedna jej część jest deformowana mocniej od drugiej. W przypadku grafenu naukowcy zeszli z tym efektem do wręcz absurdalnej skali. Badane nanowarstwy miały bowiem wierzchołki zakrzywione z promieniem liczonym w ułamkach nanometra.
Czytaj też: Ten dach łamie zasady klasycznej fotowoltaiki. Ma ekosystem i produkuje nawet 23% więcej prądu
Przy takim wygięciu elektrony związane z orbitalami przestają zachowywać się identycznie po obu stronach atomowej warstwy. Pojawia się lokalne przesunięcie ładunku, czyli właśnie polaryzacja. Jeśli potraktujemy grafenową zmarszczkę jak mikroskopijną górkę, to z automatu jedna jej strona zaczyna być elektrycznie inna od drugiej. Stąd właśnie porównanie do “maleńkiej baterii”.
Nie oznacza to jednak, że naukowcy zbudowali akumulator z pojedynczej zmarszczki i tak oto pokazali darmowe źródło energii. W pomiarach przewodzącym mikroskopem sił atomowych powtarzalny prąd związany ze zmarszczkami pojawiał się po przyłożeniu napięcia około 1 V. Co ciekawe, obliczenia przewidywały związaną z zakrzywieniem barierę energetyczną odpowiadającą około 1,2 V, więc w tym akurat przypadku eksperyment bardzo dobrze zgodził się z modelem.
Najbardziej liczy się nie wielkość zmarszczki, a jej ostrość
Można byłoby oczekiwać, że im większą fałdę tego typu stworzymy, tym silniejszy będzie efekt. Tymczasem kluczowa okazała się przede wszystkim krzywizna jej wierzchołka. Innymi słowy, ważniejsze od tego, jak wysoka jest zmarszczka, jest to, jak gwałtownie grafen zmienia na niej kierunek. Badacze oszacowali lokalną gęstość polaryzacji na około 1 C/m² w eksperymencie, podczas gdy model teoretyczny wskazywał około 4 C/m². W przeliczeniu na skalę zjawiska oznacza to wartości o pięć do siedmiu rzędów wielkości większe od obserwowanych w znacznie większych układach flexoelektrycznych.
Pokazuje to bardzo ciekawy motyw, który wcześniej pojawił się już przy nanometrowych strukturach, które wraz ze zmniejszaniem grubości zaczynały zachowywać się zupełnie inaczej. Coraz częściej nie szukamy nowej substancji o cudownych właściwościach. Zamiast tego bierzemy tę już znaną i zmuszamy ją geometrią do robienia czegoś nowego.
Czytaj też: 750 Wh/kg i rok niemal bez utraty energii. Chiny zbudowały baterię na trudne misje
Cała historia robi się ciekawsza, kiedy cofniemy się do 2008 roku. Wtedy bowiem Vincent Meunier przewidział teoretycznie, że bardzo silne zakrzywienie grafenu powinno prowadzić do przebudowy jego właściwości elektronowych. Problem polegał na tym, że efekt należało sprawdzić w strukturze szerokiej na zaledwie kilka atomów, a ówczesne możliwości pomiarowe nie pozwalały zrobić tego dostatecznie precyzyjnie.
Dopiero wiele lat później Sathvik Ajay Iyengar i Manoj Tripathi zauważyli nietypowe sygnały właśnie przy najostrzejszych fałdach swoich próbek i wrócili z nimi do starej koncepcji Meuniera. Mamy więc jeden z tych rzadkich przypadków, gdy stara teoria nie tyle zostaje zastąpiona nową, co po prostu czeka prawie dwie dekady, aż technologia eksperymentalna dogoni matematykę.
Przyszła elektronika może być projektowana kształtem
Nie spodziewałbym się teraz grafenowych “baterii ze zmarszczek”. Znacznie ciekawszy jest inny kierunek. Jeśli nauczymy się powtarzalnie tworzyć fałdy o określonej krzywiźnie, to będziemy mogli lokalnie zmieniać potencjał elektryczny materiału bez klasycznego domieszkowania chemicznego. Autorzy wskazują tutaj przede wszystkim ultracienką elektronikę, układy elektromechaniczne i bardzo czułe sensory, co pasuje do większej zmiany, którą coraz częściej widać w materiałach 2D.
Czytaj też: Nabudują OZE, a ryzyko blackoutu wzrośnie. Skąd ten paradoks i czy ma sens?
Przy najmniejszym tranzystorze FeFET opartym m.in. na MoS2, grafenie i hBN również nie chodziło o znalezienie jednej cudownej substancji, lecz o zbudowanie odpowiedniej architektury z kilku ultracienkich warstw. Mam więc wrażenie, że właśnie tutaj kryje się ciekawsza przyszłość grafenu niż w dawnych obietnicach zastąpienia nim wszystkiego. Materiał ten nie musi być idealnie płaski, czysty i niezmienny. Czasami wystarczy celowo zrobić mu wadę, bo wygląda na to, że odpowiedniej skali nawet zwyczajna zmarszczka przestaje bowiem być defektem i staje się elementem elektronicznym.
Źródła: Rice University, Advanced Materials
