Kas yra grafenas? Štai ką turite žinoti apie medžiagą, kuri gali būti kitas silicis – „Gigaom“

Grafenas, nauja medžiaga, galinti pakeisti elektroninių komponentų gamybos būdą ir padėti toliau didinti skaičiavimo našumą, šiais laikais yra visur mokslinių tyrimų pasaulyje.

Vien šį mėnesį pažanga parodė, kad tai gali padidinti interneto spartą, būti lietimui jautri danga ir prailginti kompiuterių gyvenimą. Jis yra stipresnis už deimantą ir praleidžia elektrą bei šilumą geriau nei bet kokia atrasta medžiaga, ir ateityje jis greičiausiai atliks svarbų vaidmenį daugelyje produktų ir procesų.

Kas yra grafenas?

Grafenas yra pagamintas iš vieno anglies atomų sluoksnio, sujungto kartotiniu šešiakampių pavidalu. Grafenas yra milijoną kartų plonesnis už popierių; tokia plona, ​​kad ji iš tikrųjų laikoma dvimatė.

Anglis yra nepaprastai universalus elementas. Priklausomai nuo to, kaip išsidėstę atomai, jis gali gaminti kietuosius deimantus arba minkštą grafitą. Grafeno plokščias korio raštas suteikia jam daug neįprastų savybių, įskaitant stipriausios medžiagos statusą pasaulyje. Kolumbijos universiteto mechanikos inžinerijos profesorius Jamesas Hone’as kartą pasakė, kad „taip stipri, kad dramblys, subalansuotas ant pieštuko, pralaužtų grafano lakštą, kurio storis būtų Saran Wrap“, pasak universiteto.

Šie pavieniai anglies atomų sluoksniai sudaro pagrindą kitoms svarbioms medžiagoms. Grafitas – arba pieštukas – susidaro sukraunant grafeną. Anglies nanovamzdeliai, kurie yra dar viena atsirandanti medžiaga, yra pagaminti iš valcuoto grafeno. Jie naudojami dviračiuose, teniso raketėse ir net gyvų audinių inžinerijoje.

Kaip tai buvo atrasta?

Didelė tikimybė, kad daug kartų gyvenime gaminote grafeną. Nubrėžkite pieštuku liniją, o smulkūs grafeno gabalėliai atsiskleis. Tačiau iki 2000-ųjų pradžios niekas neturėjo ir įrankių, ir intereso patikimai izoliuoti grafeną.

Pirmą kartą grafenas teoriškai buvo tiriamas 1940 m. Tuo metu mokslininkai manė, kad fiziškai neįmanoma egzistuoti dviejų matmenų medžiagos, todėl jie nesiekė izoliuoti grafeno. Po kelių dešimtmečių susidomėjimas išaugo ir tyrėjai pradėjo svajoti apie grafito atskyrimo būdus. Jie bandė klijuoti molekules tarp grafeno sluoksnių ir gremžti bei trinti grafitą, tačiau jie niekada nepateko į vieną sluoksnį. Galų gale jie sugebėjo izoliuoti grafeną ant kitų medžiagų, bet ne atskirai.

2002 m. Mančesterio universiteto mokslininkas Andre Geimas susidomėjo grafenu ir metė doktorantui iššūkį išblizginti grafito dalį kuo mažiau sluoksnių. Studentas sugebėjo pasiekti 1000 sluoksnių, tačiau negalėjo patekti į Geimo tikslą nuo 10 iki 100 sluoksnių. Geimas išbandė kitokį požiūrį: juostą. Jis pritaikė jį grafitui ir nulupo, kad susidarytų sluoksniuoto grafeno dribsniai. Daugiau juostelių žievelių sukūrė vis plonesnius sluoksnius, kol jis turėjo 10 sluoksnių storio grafeno gabalėlį.

Geimo komanda dirbo tobulindama savo techniką ir galiausiai pagamino vieną anglies atomų sluoksnį. Savo išvadas jie paskelbė 2004 m. Spalio mėn. Leidinyje „Science“. Geimas ir jo kolega Kostya Novoselov už savo darbą 2010 m. Gavo Nobelio fizikos premiją.

Nuo tų pirmųjų juostele pagamintų dribsnių grafeno gamyba sparčiai gerėjo. 2009 m. Mokslininkams pavyko sukurti grafeno plėvelę, kurios skersmuo buvo 30 colių.

Kodėl tai neįprasta?

Geimo ir Novoselovo darbas buvo be galo įdomus kitiems mokslininkams, nes jame aprašytos keistos grafeno fizinės savybės. Elektronai neįtikėtinai greitai juda grafenu ir pradeda elgtis taip, lyg jie būtų be masės, imituodami fiziką, valdančią daleles itin mažais masteliais.

„Tokia sąveika kietame kūne, kiek kas žino, būdinga tik grafenui“, – 2008 m. „Scientific American“ straipsnyje parašė Geimas ir kitas garsus grafeno tyrinėtojas Philipas Kim. „Šios naujos pieštuko medžiagos dėka reliatyvistinė kvantinė mechanika nebesiriboja kosmologija ar didelės energijos fizika; dabar jis pateko į laboratoriją “.

Ypatingos grafeno savybės nesibaigia keista fizika. Tai taip pat:

• Laidūs: elektronai yra dalelės, sudarančios elektrą. Taigi, kai grafenas leidžia elektronams greitai judėti, tai leidžia greitai judėti elektrai. Yra žinoma, kad elektronai juda 200 kartų greičiau nei silicis, nes jie keliauja taip mažai pertraukdami. Tai taip pat puikus šilumos laidininkas. Grafenas yra laidus nepriklausomai nuo temperatūros ir normaliai veikia kambario temperatūroje.
• Stipri: kaip minėta anksčiau, norint pralaužti grafeno lapą reikėtų dramblio, kurio balansas būtų puikus. Jis yra labai stiprus dėl savo nenutrūkstamo modelio ir stiprių ryšių tarp anglies atomų. Net kai grafeno lopai sujungiami, ji išlieka tvirčiausia medžiaga.
• Lankstus: tie stiprūs ryšiai tarp grafeno anglies atomų taip pat yra labai lankstūs. Jie gali būti susukti, traukti ir išlenkti tam tikru mastu, nesulaužant, o tai reiškia, kad grafenas yra sulenkiamas ir ištemptas.
• Skaidrus: grafenas sugeria 2,3 proc. Matomos šviesos, kuri ją pataiko, o tai reiškia, kad jūs galite ją pamatyti be jokio akinimo.

Kam jis gali būti naudojamas?

Grafeno naudojimas kasdienybėje nėra toli, iš dalies dėl esamų anglies nanovamzdelių – valcuotos, cilindrinės grafeno versijos – tyrimų. Vamzdžiai buvo išpopuliarinti 1991 m. (Reikalinga prenumerata) ir reklamuojami dėl neįtikėtinų fizinių savybių, kurių dauguma yra labai panašios į grafeną. Bet lengviau pagaminti didelius grafeno lakštus ir jį galima pagaminti panašiai kaip silicį. Daugelis dabartinių ir planuojamų naudoti anglies nanovamzdelių pritaikomi grafenui.

Keletas didžiausių atsirandančių programų yra šios:

Grafenas taip pat gali būti naudojamas fotoaparatų jutikliams, DNR sekos nustatymui, dujų jutimui, medžiagų stiprinimui, vandens gėlinimui ir kitur.

Kokios kritikos?

Grafenas vis dar yra infantiliame etape, palyginti su sukurtomis medžiagomis, tokiomis kaip silicis ir ITO. Kad jis būtų plačiai pritaikytas, jį reikės gaminti dideliais kiekiais, kurių kaina yra lygi arba mažesnė už esamas medžiagas. Nauji „roll-to-roll“, garų kaupimasis ir kiti gamybos būdai rodo, kad tai įmanoma, tačiau jie dar nėra pasirengę nešti grafeno į kiekvieno ten esančio mobiliojo prietaiso ekraną. Mokslininkai taip pat turės toliau dirbti gerindami grafeno skaidrumą ir laidumą komercine forma.

Nors grafenas rodo pažadą tranzistoriams, jis turi didelę problemą: jis negali „išjungti“ elektros srauto, pavyzdžiui, tokių medžiagų kaip silicis, o tai reiškia, kad elektra nuolat tekės. Tai reiškia, kad grafenas atskirai negali būti naudojamas kaip tranzistorius. Mokslininkai dabar ieško būdų, kaip jį pritaikyti ir derinti su kitomis medžiagomis, kad įveiktų šį apribojimą. Viena technika apima boro nitrido sluoksnio – kitos vieno atomo storio medžiagos – padėjimą tarp dviejų grafeno sluoksnių. Gautą tranzistorių galima įjungti ir išjungti, tačiau elektronų greitis šiek tiek sulėtėja. Kita technika apima priemaišų įvedimą į grafeną.

Grafenas taip pat gali pasirodyti per vėlai daugeliui galimų programų. Elektrinių automobilių akumuliatorius ir anglies pluoštą būtų galima gaminti iš grafeno, tačiau jie jau dabar remiasi aktyvuota anglimi ir grafitu – dviem labai nebrangiomis medžiagomis. Grafenas kol kas išliks brangesnis ir niekada negali būti pakankamai pigus, kad įtikintų gamintojus pereiti.

Pasaulis turi tik dešimtmetį ieškoti, ką jis gali padaryti su grafenu. Priešingai, silicis gyvuoja beveik 200 metų. Kai tempo tyrimai juda, mes galime greitai sužinoti, ar grafenas taps visur, ar tik dar vienas žingsnis atrandant kitą stebuklų medžiagą.