Το 2010, οι Geim και Novoselov κέρδισαν το βραβείο Νόμπελ Φυσικής για την εργασία τους στο γραφένιο. Αυτό το βραβείο άφησε βαθιά εντύπωση σε πολλούς ανθρώπους. Άλλωστε, δεν είναι κάθε πειραματικό εργαλείο που έχει βραβευτεί με Νόμπελ τόσο συνηθισμένο όσο η κολλητική ταινία, και δεν είναι κάθε ερευνητικό αντικείμενο τόσο μαγικό και εύκολο στην κατανόηση όσο το «δισδιάστατο κρυσταλλικό» γραφένιο. Η εργασία του 2004 μπορεί να βραβευτεί το 2010, κάτι που είναι σπάνιο στα αρχεία των βραβείων Νόμπελ τα τελευταία χρόνια.
Το γραφένιο είναι ένα είδος ουσίας που αποτελείται από ένα μόνο στρώμα ατόμων άνθρακα, στενά διατεταγμένα σε ένα δισδιάστατο εξαγωνικό πλέγμα σε σχήμα κηρήθρας. Όπως το διαμάντι, ο γραφίτης, το φουλερένιο, οι νανοσωλήνες άνθρακα και ο άμορφος άνθρακας, είναι μια ουσία (απλή ουσία) που αποτελείται από στοιχεία άνθρακα. Όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, τα φουλερένια και οι νανοσωλήνες άνθρακα μπορούν να θεωρηθούν ως τυλιγμένα με κάποιο τρόπο από ένα μόνο στρώμα γραφενίου, το οποίο στοιβάζεται από πολλά στρώματα γραφενίου. Η θεωρητική έρευνα σχετικά με τη χρήση του γραφενίου για την περιγραφή των ιδιοτήτων διαφόρων απλών ουσιών άνθρακα (γραφίτης, νανοσωλήνες άνθρακα και γραφένιο) διαρκεί σχεδόν 60 χρόνια, αλλά γενικά πιστεύεται ότι τέτοια δισδιάστατα υλικά είναι δύσκολο να υπάρχουν σταθερά μόνα τους, μόνο προσκολλημένα στην τρισδιάστατη επιφάνεια του υποστρώματος ή μέσα σε ουσίες όπως ο γραφίτης. Μόλις το 2004, ο Αντρέ Γκάιμ και ο μαθητής του Κονσταντίν Νοβοσελόφ αφαίρεσαν ένα μόνο στρώμα γραφενίου από τον γραφίτη μέσω πειραμάτων, ώστε η έρευνα για το γραφένιο να επιτύχει νέα ανάπτυξη.
Τόσο το φουλερένιο (αριστερά) όσο και ο νανοσωλήνας άνθρακα (μέση) μπορούν να θεωρηθούν ότι τυλίγονται από ένα μόνο στρώμα γραφενίου με κάποιο τρόπο, ενώ ο γραφίτης (δεξιά) στοιβάζεται από πολλαπλά στρώματα γραφενίου μέσω της σύνδεσης της δύναμης van der Waals.
Στις μέρες μας, το γραφένιο μπορεί να ληφθεί με πολλούς τρόπους και οι διαφορετικές μέθοδοι έχουν τα δικά τους πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Οι Geim και Novoselov έλαβαν γραφένιο με έναν απλό τρόπο. Χρησιμοποιώντας διαφανή ταινία που διατίθεται στα σούπερ μάρκετ, απογύμνωσαν το γραφένιο, ένα φύλλο γραφίτη με πάχος μόνο ενός στρώματος ατόμων άνθρακα, από ένα κομμάτι πυρολυτικού γραφίτη υψηλής τάξης. Αυτό είναι βολικό, αλλά η δυνατότητα ελέγχου δεν είναι τόσο καλή και το γραφένιο με μέγεθος μικρότερο από 100 μικρά (ένα δέκατο του χιλιοστού) μπορεί να ληφθεί μόνο, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για πειράματα, αλλά είναι δύσκολο να χρησιμοποιηθεί για πρακτικές εφαρμογές. Η χημική εναπόθεση ατμών μπορεί να αναπτύξει δείγματα γραφενίου με μέγεθος δεκάδων εκατοστών στην μεταλλική επιφάνεια. Αν και η περιοχή με σταθερό προσανατολισμό είναι μόνο 100 μικρά [3,4], έχει αποδειχθεί κατάλληλη για τις ανάγκες παραγωγής ορισμένων εφαρμογών. Μια άλλη κοινή μέθοδος είναι η θέρμανση του κρυστάλλου καρβιδίου του πυριτίου (SIC) σε θερμοκρασία άνω των 1100 ℃ σε κενό, έτσι ώστε τα άτομα πυριτίου κοντά στην επιφάνεια να εξατμιστούν και τα υπόλοιπα άτομα άνθρακα να αναδιαταχθούν, γεγονός που μπορεί επίσης να ληφθούν δείγματα γραφενίου με καλές ιδιότητες.
Το γραφένιο είναι ένα νέο υλικό με μοναδικές ιδιότητες: η ηλεκτρική του αγωγιμότητα είναι τόσο εξαιρετική όσο του χαλκού και η θερμική του αγωγιμότητα καλύτερη από οποιοδήποτε γνωστό υλικό. Είναι πολύ διαφανές. Μόνο ένα μικρό μέρος (2,3%) του κάθετα προσπίπτοντος ορατού φωτός θα απορροφηθεί από το γραφένιο και το μεγαλύτερο μέρος του φωτός θα περάσει από μέσα του. Είναι τόσο πυκνό που ακόμη και άτομα ηλίου (τα μικρότερα μόρια αερίου) δεν μπορούν να περάσουν. Αυτές οι μαγικές ιδιότητες δεν κληρονομούνται άμεσα από τον γραφίτη, αλλά από την κβαντομηχανική. Οι μοναδικές ηλεκτρικές και οπτικές του ιδιότητες καθορίζουν ότι έχει ευρείες προοπτικές εφαρμογής.
Αν και το γραφένιο εμφανίστηκε πριν από λιγότερο από δέκα χρόνια, έχει παρουσιάσει πολλές τεχνικές εφαρμογές, κάτι που είναι πολύ σπάνιο στους τομείς της φυσικής και της επιστήμης των υλικών. Χρειάζονται περισσότερα από δέκα χρόνια ή και δεκαετίες για να μεταφερθούν τα γενικά υλικά από το εργαστήριο στην πραγματική ζωή. Ποια είναι η χρήση του γραφενίου; Ας δούμε δύο παραδείγματα.
Μαλακό διαφανές ηλεκτρόδιο
Σε πολλές ηλεκτρικές συσκευές, διαφανή αγώγιμα υλικά πρέπει να χρησιμοποιούνται ως ηλεκτρόδια. Ηλεκτρονικά ρολόγια, αριθμομηχανές, τηλεοράσεις, οθόνες υγρών κρυστάλλων, οθόνες αφής, ηλιακοί συλλέκτες και πολλές άλλες συσκευές δεν μπορούν να αφήσουν την ύπαρξη διαφανών ηλεκτροδίων. Το παραδοσιακό διαφανές ηλεκτρόδιο χρησιμοποιεί οξείδιο ινδίου-κασσιτέρου (ITO). Λόγω της υψηλής τιμής και της περιορισμένης προσφοράς ινδίου, το υλικό είναι εύθραυστο και δεν έχει ευελιξία, και το ηλεκτρόδιο πρέπει να εναποτίθεται στο μεσαίο στρώμα κενού, και το κόστος είναι σχετικά υψηλό. Για μεγάλο χρονικό διάστημα, οι επιστήμονες προσπαθούν να βρουν το υποκατάστατό του. Εκτός από τις απαιτήσεις διαφάνειας, καλής αγωγιμότητας και εύκολης προετοιμασίας, εάν η ευελιξία του ίδιου του υλικού είναι καλή, θα είναι κατάλληλο για την κατασκευή «ηλεκτρονικού χαρτιού» ή άλλων πτυσσόμενων συσκευών προβολής. Επομένως, η ευελιξία είναι επίσης μια πολύ σημαντική πτυχή. Το γραφένιο είναι ένα τέτοιο υλικό, το οποίο είναι πολύ κατάλληλο για διαφανή ηλεκτρόδια.
Ερευνητές από τη Samsung και το Πανεπιστήμιο chengjunguan στη Νότια Κορέα έλαβαν γραφένιο με διαγώνιο μήκος 30 ιντσών μέσω χημικής εναπόθεσης ατμών και το μετέφεραν σε μια μεμβράνη τερεφθαλικού πολυαιθυλενίου (PET) πάχους 188 μικρών για να παράγουν μια οθόνη αφής με βάση το γραφένιο [4]. Όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, το γραφένιο που αναπτύσσεται στο φύλλο χαλκού πρώτα συγκολλάται με την ταινία θερμικής απογύμνωσης (μπλε διαφανές μέρος), στη συνέχεια το φύλλο χαλκού διαλύεται με χημική μέθοδο και τέλος το γραφένιο μεταφέρεται στην μεμβράνη PET με θέρμανση.
Νέος εξοπλισμός φωτοηλεκτρικής επαγωγής
Το γραφένιο έχει πολύ μοναδικές οπτικές ιδιότητες. Αν και υπάρχει μόνο ένα στρώμα ατόμων, μπορεί να απορροφήσει το 2,3% του εκπεμπόμενου φωτός σε ολόκληρο το εύρος μήκους κύματος από το ορατό φως έως το υπέρυθρο. Αυτός ο αριθμός δεν έχει καμία σχέση με άλλες παραμέτρους υλικών του γραφενίου και καθορίζεται από την κβαντική ηλεκτροδυναμική [6]. Το απορροφούμενο φως θα οδηγήσει στη δημιουργία φορέων (ηλεκτρονίων και οπών). Η δημιουργία και η μεταφορά φορέων στο γραφένιο είναι πολύ διαφορετικές από εκείνες στους παραδοσιακούς ημιαγωγούς. Αυτό καθιστά το γραφένιο πολύ κατάλληλο για εξαιρετικά γρήγορο εξοπλισμό φωτοηλεκτρικής επαγωγής. Εκτιμάται ότι ένας τέτοιος εξοπλισμός φωτοηλεκτρικής επαγωγής μπορεί να λειτουργήσει στη συχνότητα των 500ghz. Εάν χρησιμοποιηθεί για μετάδοση σήματος, μπορεί να μεταδώσει 500 δισεκατομμύρια μηδενικά ή μονάδες ανά δευτερόλεπτο και να ολοκληρώσει τη μετάδοση του περιεχομένου δύο δίσκων Blu-ray σε ένα δευτερόλεπτο.
Ειδικοί από το Ερευνητικό Κέντρο IBM Thomas J. Watson στις Ηνωμένες Πολιτείες χρησιμοποίησαν γραφένιο για την κατασκευή φωτοηλεκτρικών επαγωγικών συσκευών που μπορούν να λειτουργήσουν σε συχνότητα 10 GHz [8]. Αρχικά, παρασκευάστηκαν νιφάδες γραφενίου σε υπόστρωμα πυριτίου καλυμμένο με πυρίτιο πάχους 300 nm με τη «μέθοδο σχισίματος ταινίας» και στη συνέχεια κατασκευάστηκαν πάνω σε αυτό ηλεκτρόδια παλλαδίου χρυσού ή τιτανίου χρυσού με διάστημα 1 μικρού και πλάτος 250 nm. Με αυτόν τον τρόπο, λαμβάνεται μια φωτοηλεκτρική επαγωγική συσκευή με βάση το γραφένιο.
Σχηματικό διάγραμμα εξοπλισμού φωτοηλεκτρικής επαγωγής γραφενίου και φωτογραφιών ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (SEM) πραγματικών δειγμάτων. Η μαύρη κοντή γραμμή στο σχήμα αντιστοιχεί σε 5 μικρά και η απόσταση μεταξύ των μεταλλικών γραμμών είναι ένα μικρό.
Μέσω πειραμάτων, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι αυτή η φωτοηλεκτρική συσκευή επαγωγής μεταλλικής δομής γραφενίου μπορεί να φτάσει τη συχνότητα λειτουργίας των 16ghz το πολύ και μπορεί να λειτουργήσει σε υψηλή ταχύτητα σε εύρος μήκους κύματος από 300 nm (κοντά στην υπεριώδη ακτινοβολία) έως 6 μικρά (υπέρυθρη ακτινοβολία), ενώ ο παραδοσιακός φωτοηλεκτρικός σωλήνας επαγωγής δεν μπορεί να ανταποκριθεί στο υπέρυθρο φως με μεγαλύτερο μήκος κύματος. Η συχνότητα λειτουργίας του εξοπλισμού φωτοηλεκτρικής επαγωγής γραφενίου έχει ακόμα μεγάλα περιθώρια βελτίωσης. Η ανώτερη απόδοσή του τον καθιστά διαθέσιμο σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένης της επικοινωνίας, του τηλεχειρισμού και της παρακολούθησης του περιβάλλοντος.
Ως νέο υλικό με μοναδικές ιδιότητες, η έρευνα για την εφαρμογή του γραφενίου αναδύεται η μία μετά την άλλη. Είναι δύσκολο για εμάς να τις απαριθμήσουμε εδώ. Στο μέλλον, μπορεί να υπάρχουν σωλήνες φαινομένου πεδίου κατασκευασμένοι από γραφένιο, μοριακοί διακόπτες κατασκευασμένοι από γραφένιο και μοριακοί ανιχνευτές κατασκευασμένοι από γραφένιο στην καθημερινή ζωή... Το γραφένιο που σταδιακά θα βγαίνει από το εργαστήριο θα λάμψει στην καθημερινή ζωή.
Μπορούμε να αναμένουμε ότι ένας μεγάλος αριθμός ηλεκτρονικών προϊόντων που χρησιμοποιούν γραφένιο θα εμφανιστεί στο εγγύς μέλλον. Σκεφτείτε πόσο ενδιαφέρον θα ήταν αν τα smartphone και τα netbook μας μπορούσαν να τυλιχτούν, να στερεωθούν στα αυτιά μας, να μπουν στις τσέπες μας ή να τυλιχθούν γύρω από τους καρπούς μας όταν δεν τα χρησιμοποιούμε!
Ώρα δημοσίευσης: 09 Μαρτίου 2022