El 2010, Geim i Novoselov van guanyar el Premi Nobel de física pel seu treball sobre el grafè. Aquest premi ha deixat una profunda impressió en molta gent. Al cap i a la fi, no totes les eines experimentals del Premi Nobel són tan comunes com la cinta adhesiva, i no tots els objectes de recerca són tan màgics i fàcils d'entendre com el grafè "cristall bidimensional". El treball del 2004 es va poder guardonar el 2010, cosa rara en el registre de Premis Nobel dels darrers anys.
El grafè és un tipus de substància que consisteix en una sola capa d'àtoms de carboni disposats estretament en una xarxa hexagonal bidimensional de tipus bresca. Igual que el diamant, el grafit, el ful·lerè, els nanotubs de carboni i el carboni amorf, és una substància (substància simple) composta per elements de carboni. Com es mostra a la figura següent, els ful·lerens i els nanotubs de carboni es poden veure enrotllats d'alguna manera a partir d'una sola capa de grafè, que està apilada per moltes capes de grafè. La investigació teòrica sobre l'ús del grafè per descriure les propietats de diverses substàncies simples de carboni (grafit, nanotubs de carboni i grafè) ha durat gairebé 60 anys, però generalment es creu que aquests materials bidimensionals són difícils d'existir establement sols, només units a la superfície del substrat tridimensional o dins de substàncies com el grafit. No va ser fins al 2004 que Andre Geim i el seu estudiant Konstantin Novoselov van treure una sola capa de grafè del grafit mitjançant experiments que la investigació sobre el grafè va aconseguir un nou desenvolupament.
Tant el ful·lerè (esquerra) com el nanotub de carboni (mig) es poden considerar com si estiguessin enrotllats per una sola capa de grafè d'alguna manera, mentre que el grafit (dreta) està apilat per múltiples capes de grafè a través de la connexió de la força de van der Waals.
Avui dia, el grafè es pot obtenir de moltes maneres, i els diferents mètodes tenen els seus propis avantatges i desavantatges. Geim i Novoselov van obtenir el grafè d'una manera senzilla. Utilitzant una cinta transparent disponible als supermercats, van pelar el grafè, una làmina de grafit amb només una capa d'àtoms de carboni de gruix, d'un tros de grafit pirolític d'ordre superior. Això és convenient, però la controlabilitat no és tan bona, i només es pot obtenir grafè amb una mida inferior a 100 micres (una dècima de mil·límetre), que es pot utilitzar per a experiments, però és difícil d'utilitzar per a aplicacions pràctiques. La deposició química de vapor pot fer créixer mostres de grafè amb una mida de desenes de centímetres a la superfície del metall. Tot i que l'àrea amb orientació consistent és de només 100 micres [3,4], ha estat adequada per a les necessitats de producció d'algunes aplicacions. Un altre mètode comú és escalfar el cristall de carbur de silici (SIC) a més de 1100 ℃ al buit, de manera que els àtoms de silici propers a la superfície s'evaporin i els àtoms de carboni restants es reorganitzin, cosa que també pot obtenir mostres de grafè amb bones propietats.
El grafè és un material nou amb propietats úniques: la seva conductivitat elèctrica és tan excel·lent com la del coure i la seva conductivitat tèrmica és millor que la de qualsevol material conegut. És molt transparent. Només una petita part (2,3%) de la llum visible incident vertical serà absorbida pel grafè, i la major part de la llum el travessarà. És tan dens que ni tan sols els àtoms d'heli (les molècules de gas més petites) poden passar-hi. Aquestes propietats màgiques no s'hereten directament del grafit, sinó de la mecànica quàntica. Les seves propietats elèctriques i òptiques úniques determinen que té àmplies perspectives d'aplicació.
Tot i que el grafè només ha aparegut fa menys de deu anys, ha mostrat moltes aplicacions tècniques, cosa molt rara en els camps de la física i la ciència dels materials. Els materials generals triguen més de deu anys o fins i tot dècades a passar del laboratori a la vida real. De què serveix el grafè? Vegem dos exemples.
Elèctrode transparent suau
En molts aparells elèctrics, cal utilitzar materials conductors transparents com a elèctrodes. Els rellotges electrònics, les calculadores, els televisors, les pantalles de cristall líquid, les pantalles tàctils, els panells solars i molts altres dispositius no poden deixar de banda l'existència d'elèctrodes transparents. L'elèctrode transparent tradicional utilitza òxid d'indi i estany (ITO). A causa de l'alt preu i el subministrament limitat d'indi, el material és fràgil i no té flexibilitat, i l'elèctrode s'ha de dipositar a la capa mitjana de buit, i el cost és relativament elevat. Durant molt de temps, els científics han estat intentant trobar el seu substitut. A més dels requisits de transparència, bona conductivitat i fàcil preparació, si la flexibilitat del material en si és bona, serà adequat per fabricar "paper electrònic" o altres dispositius de visualització plegables. Per tant, la flexibilitat també és un aspecte molt important. El grafè és un material d'aquest tipus, que és molt adequat per a elèctrodes transparents.
Investigadors de Samsung i la Universitat de Chengjunguan a Corea del Sud van obtenir grafè amb una longitud diagonal de 30 polzades mitjançant deposició química de vapor i el van transferir a una pel·lícula de tereftalat de polietilè (PET) de 188 micres de gruix per produir una pantalla tàctil basada en grafè [4]. Com es mostra a la figura següent, el grafè que creix sobre la làmina de coure s'uneix primer amb la cinta de decapament tèrmic (part blava transparent), després la làmina de coure es dissol mitjançant un mètode químic i, finalment, el grafè es transfereix a la pel·lícula de PET mitjançant escalfament.
Nou equip d'inducció fotoelèctrica
El grafè té propietats òptiques molt singulars. Tot i que només hi ha una capa d'àtoms, pot absorbir el 2,3% de la llum emesa en tot el rang de longituds d'ona, des de la llum visible fins a l'infraroig. Aquest nombre no té res a veure amb altres paràmetres del material del grafè i està determinat per l'electrodinàmica quàntica [6]. La llum absorbida conduirà a la generació de portadors (electrons i forats). La generació i el transport de portadors en el grafè són molt diferents dels dels semiconductors tradicionals. Això fa que el grafè sigui molt adequat per a equips d'inducció fotoelèctrica ultraràpids. S'estima que aquests equips d'inducció fotoelèctrica poden funcionar a la freqüència de 500 GHz. Si s'utilitza per a la transmissió de senyals, pot transmetre 500.000 milions de zeros o uns per segon i completar la transmissió del contingut de dos discs Blu-ray en un segon.
Experts del Centre de Recerca IBM Thomas J. Watson als Estats Units han utilitzat el grafè per fabricar dispositius d'inducció fotoelèctrica que poden funcionar a una freqüència de 10 GHz [8]. En primer lloc, es van preparar flocs de grafè sobre un substrat de silici recobert amb sílice de 300 nm de gruix mitjançant el "mètode de trencament de cinta", i després es van fabricar elèctrodes d'or de pal·ladi o or de titani amb un interval d'1 micra i una amplada de 250 nm. D'aquesta manera, s'obté un dispositiu d'inducció fotoelèctrica basat en grafè.
Diagrama esquemàtic de l'equip d'inducció fotoelèctrica de grafè i fotos de microscopi electrònic de rastreig (SEM) de mostres reals. La línia curta negra de la figura correspon a 5 micres i la distància entre les línies metàl·liques és d'una micra.
Mitjançant experiments, els investigadors van descobrir que aquest dispositiu d'inducció fotoelèctrica d'estructura metàl·lica de grafè metàl·lic pot assolir una freqüència de treball de 16 GHz com a màxim, i pot funcionar a alta velocitat en el rang de longitud d'ona de 300 nm (ultraviolat proper) a 6 micres (infraroig), mentre que el tub d'inducció fotoelèctrica tradicional no pot respondre a la llum infraroja amb una longitud d'ona més llarga. La freqüència de treball dels equips d'inducció fotoelèctrica de grafè encara té un gran marge de millora. El seu rendiment superior fa que tingui una àmplia gamma de perspectives d'aplicació, incloent la comunicació, el control remot i la monitorització ambiental.
Com a nou material amb propietats úniques, la recerca sobre l'aplicació del grafè està sorgint una rere l'altra. Ens és difícil enumerar-les aquí. En el futur, hi pot haver tubs d'efecte de camp fets de grafè, interruptors moleculars fets de grafè i detectors moleculars fets de grafè a la vida quotidiana... El grafè que surti gradualment del laboratori brillarà a la vida quotidiana.
Podem esperar que en un futur proper aparegui un gran nombre de productes electrònics que utilitzen grafè. Penseu en com seria d'interessant si els nostres telèfons intel·ligents i netbooks poguessin enrotllar-se, subjectar-se a les orelles, ficar-se a les butxaques o embolicar-se al voltant dels canells quan no els fem servir!
Data de publicació: 09 de març de 2022