2010ean, Geimek eta Novoselovek fisikako Nobel saria irabazi zuten grafenoari buruz egindako lanagatik. Sari honek jende askorengan inpresio sakona utzi du. Azken finean, ez da Nobel saridun tresna esperimental guztiak zinta itsasgarria bezain ohikoak, eta ez da ikerketa-objektu guztiak "bi dimentsioko kristal" grafenoa bezain magikoak eta ulertzeko errazak. 2004ko lana 2010ean eman ahal izan zen, eta hori arraroa da azken urteotako Nobel sarien erregistroan.
Grafenoa karbono atomoen geruza bakar batez osatutako substantzia mota bat da, bi dimentsioko ezti-orratz hexagonal sare batean estu antolatuta. Diamantea, grafitoa, fullerenoa, karbono nanotuboak eta karbono amorfoa bezala, karbono elementuz osatutako substantzia (substantzia sinplea) da. Beheko irudian ikusten den bezala, fullerenoak eta karbono nanotuboak grafeno geruza bakar batetik bilduta ikus daitezke, eta geruza hori grafeno geruza askotan pilatuta dago. Grafenoa hainbat karbono substantzia sinpleen (grafitoa, karbono nanotuboak eta grafenoa) propietateak deskribatzeko erabiltzeari buruzko ikerketa teorikoak ia 60 urte iraun du, baina, oro har, uste da bi dimentsioko material horiek zailak direla bakarrik egonkor existitzen, hiru dimentsioko substratuaren gainazalean edo grafitoa bezalako substantzien barruan lotuta soilik. 2004ra arte ez zen Andre Geimek eta bere ikasle Konstantin Novoselovek grafitoari grafeno geruza bakarra kendu ziotenean esperimentuen bidez, grafenoari buruzko ikerketak garapen berria lortu.
Fullerenoa (ezkerrean) eta karbono nanotuboa (erdian) grafeno geruza bakar batek bilduta daudela kontsidera daiteke, eta grafitoa (eskuinean), berriz, grafeno geruza anitzek pilatzen dute van der Waals indarraren bidez.
Gaur egun, grafenoa modu askotan lor daiteke, eta metodo ezberdinek abantailak eta desabantailak dituzte. Geimek eta Novoselovek grafenoa modu sinple batean lortu zuten. Supermerkatuetan eskuragarri dagoen zinta gardena erabiliz, grafenoa, karbono atomo geruza bakarra duen grafito xafla bat, grafito pirolitiko handiko zati batetik kendu zuten. Hau erosoa da, baina kontrolatzeko gaitasuna ez da hain ona, eta 100 mikra (milimetro baten hamarren bat) baino gutxiagoko tamaina duen grafenoa bakarrik lor daiteke, esperimentuetarako erabil daitekeena, baina aplikazio praktikoetarako erabiltzea zaila da. Lurrun kimikoaren bidezko deposizioak hamarnaka zentimetroko tamainako grafeno laginak haz ditzake metalaren gainazalean. Orientazio koherentea duen eremua 100 mikra baino ez den arren [3,4], aplikazio batzuen ekoizpen beharretarako egokia izan da. Beste metodo ohiko bat silizio karburo (SIC) kristala 1100 ℃ baino gehiagora berotzea da hutsean, gainazaletik gertu dauden silizio atomoak lurrundu daitezen eta gainerako karbono atomoak berrantolatu daitezen, eta horrek ere propietate onak dituzten grafeno laginak lor ditzake.
Grafenoa propietate bereziak dituen material berria da: bere eroankortasun elektrikoa kobrea bezain bikaina da, eta bere eroankortasun termikoa ezagutzen den edozein material baino hobea. Oso gardena da. Grafenoak bertikalki erasandako argi ikusgaiaren zati txiki bat (% 2,3) baino ez du xurgatuko, eta argi gehiena zeharkatuko du. Hain da trinkoa, ezen helio atomoek ere (gas molekula txikienak) ezin baitute zeharkatu. Propietate magiko hauek ez dira zuzenean grafitotik heredatu, mekanika kuantikotik baizik. Bere propietate elektriko eta optiko bereziek aplikazio aukera zabalak dituela zehazten dute.
Grafenoa hamar urte baino gutxiago daramatzan arren agertu, aplikazio tekniko asko erakutsi ditu, eta hori oso arraroa da fisikaren eta materialen zientziaren arloetan. Hamar urte baino gehiago edo hamarkadak ere behar dira material orokorrak laborategitik benetako bizitzara igarotzeko. Zertarako balio du grafenoak? Ikus ditzagun bi adibide.
Elektrodo garden biguna
Tresna elektriko askotan, material eroale gardenak erabili behar dira elektrodo gisa. Erloju elektronikoek, kalkulagailuek, telebistek, kristal likidozko pantailek, ukipen-pantailek, eguzki-panelek eta beste hainbat gailuk ezin dute elektrodo gardenen existentzia utzi. Elektrodo garden tradizionalak indio-eztainu oxidoa (ITO) erabiltzen du. Indioaren prezio altua eta eskaintza mugatua direla eta, materiala hauskorra eta malgutasunik gabekoa da, eta elektrodoa hutseko erdiko geruzan jarri behar da, eta kostua nahiko altua da. Denbora luzez, zientzialariek haren ordezkoa aurkitzen saiatu dira. Gardentasunaren, eroankortasun onaren eta prestaketa errazaren eskakizunez gain, materialaren beraren malgutasuna ona bada, "paper elektronikoa" edo beste pantaila-gailu tolesgarri batzuk egiteko egokia izango da. Beraz, malgutasuna ere oso alderdi garrantzitsua da. Grafenoa material hori da, oso egokia elektrodo gardenetarako.
Samsung eta Hego Koreako Chengjunguan Unibertsitateko ikertzaileek 30 hazbeteko diagonaleko luzera zuen grafenoa lortu zuten lurrun-deposizio kimikoaren bidez eta 188 mikrako lodierako polietileno tereftalato (PET) film batera transferitu zuten grafenoan oinarritutako ukipen-pantaila bat sortzeko [4]. Beheko irudian ikusten den bezala, kobrezko xaflan hazitako grafenoa lehenik zinta termikoarekin (zati urdin gardenarekin) lotzen da, ondoren kobrezko xafla metodo kimiko bidez disolbatzen da, eta azkenik grafenoa PET filmera transferitzen da berotuz.
Indukzio fotoelektrikoko ekipamendu berria
Grafenoak propietate optiko oso bereziak ditu. Atomo geruza bakarra izan arren, igorritako argiaren % 2,3 xurgatu dezake uhin-luzera osoan, argi ikusgaitik infragorriraino. Zenbaki honek ez du zerikusirik grafenoaren beste material-parametroekin eta elektrodinamika kuantikoak zehazten du [6]. Xurgatutako argiak eramaileen (elektroien eta zuloen) sorrera ekarriko du. Grafenoan eramaileen sorrera eta garraioa oso desberdinak dira erdieroale tradizionaletan daudenekin alderatuta. Horrek grafenoa oso egokia bihurtzen du indukzio fotoelektriko ultra-azkarreko ekipoetarako. Kalkulatzen da indukzio fotoelektrikoko ekipo horiek 500 GHz-ko maiztasunean funtziona dezaketela. Seinaleen transmisiorako erabiltzen bada, segundoko 500.000 milioi zero edo bat transmititu ditzake, eta bi Blu-ray diskoren edukiaren transmisioa osatu segundo batean.
Ameriketako Estatu Batuetako IBM Thomas J. Watson Ikerketa Zentroko adituek grafenoa erabili dute 10 GHz-ko maiztasunean funtziona dezaketen indukzio fotoelektrikoko gailuak fabrikatzeko [8]. Lehenik eta behin, grafeno malutak prestatu ziren 300 nm-ko lodierako silizez estalitako siliziozko substratu batean "zinta urratzeko metodoaren" bidez, eta ondoren, paladio urre edo titanio urre elektrodoak egin ziren gainean, 1 mikra tartearekin eta 250 nm-ko zabalerarekin. Horrela, grafenoan oinarritutako indukzio fotoelektrikoko gailu bat lortzen da.
Grafenozko indukzio fotoelektrikoaren ekipoaren eta eskaneatze-mikroskopio elektronikoaren (SEM) argazkien eskema-diagrama. Irudiko lerro beltz laburrak 5 mikrari dagokio, eta metal-lerroen arteko distantzia mikra bat da.
Esperimentuen bidez, ikertzaileek aurkitu zuten metalezko grafenozko egitura metalikoko indukzio fotoelektrikoko gailu honek gehienez 16 GHz-ko lan-maiztasuna lor dezakeela, eta abiadura handian funtziona dezakeela 300 nm-tik (ultramore hurbila) 6 mikrara (infragorria) bitarteko uhin-luzera-tartean, ohiko indukzio fotoelektrikoko hodiak, berriz, ezin diola erantzun infragorri argiari uhin-luzera luzeagoarekin. Grafenozko indukzio fotoelektrikoko ekipamenduaren lan-maiztasunak oraindik hobekuntza-tarte handia du. Bere errendimendu bikainak aplikazio-aukera ugari ematen dizkio, besteak beste, komunikazioa, urrutiko kontrola eta ingurumen-monitorizazioa.
Propietate bereziak dituen material berri gisa, grafenoaren aplikazioei buruzko ikerketak bata bestearen atzetik sortzen ari dira. Zaila egiten zaigu hemen zerrendatzea. Etorkizunean, grafenozko eremu-efektuko hodiak, grafenozko etengailu molekularrak eta grafenozko detektagailu molekularrak egon daitezke eguneroko bizitzan... Laborategitik pixkanaka ateratzen den grafenoa eguneroko bizitzan distira egingo du.
Grafenoa erabiltzen duten produktu elektroniko ugari agertuko direla espero dezakegu etorkizun hurbilean. Pentsa ezazu zein interesgarria litzatekeen gure telefonoak eta netbookak bildu, belarrietan jarri, poltsikoetan sartu edo eskumuturretan bildu ahal izatea erabiltzen ez ditugunean!
Argitaratze data: 2022ko martxoaren 9a