Godine 2010., Geim i Novoselov osvojili su Nobelovu nagradu za fiziku za svoj rad na grafenu. Ova je nagrada ostavila dubok dojam na mnoge ljude. Uostalom, nije svaki eksperimentalni alat dobitnik Nobelove nagrade toliko uobičajen kao ljepljiva traka, a nije svaki istraživački objekt toliko magičan i lako razumljiv kao „dvodimenzionalni kristalni“ grafen. Rad iz 2004. može biti dodijeljen 2010., što je rijetkost u povijesti Nobelovih nagrada posljednjih godina.
Grafen je vrsta tvari koja se sastoji od jednog sloja atoma ugljika gusto raspoređenih u dvodimenzionalnu heksagonalnu rešetku saćastog oblika. Poput dijamanta, grafita, fulerena, ugljikovih nanocjevčica i amorfnog ugljika, to je tvar (jednostavna tvar) sastavljena od ugljikovih elemenata. Kao što je prikazano na donjoj slici, fulereni i ugljikove nanocjevčice mogu se vidjeti kao da su na neki način smotani iz jednog sloja grafena, koji je složen s mnogo slojeva grafena. Teorijsko istraživanje upotrebe grafena za opis svojstava različitih jednostavnih ugljikovih tvari (grafit, ugljikove nanocjevčice i grafen) traje gotovo 60 godina, ali općenito se vjeruje da je takvim dvodimenzionalnim materijalima teško stabilno postojati samostalno, već samo pričvršćen za trodimenzionalnu površinu podloge ili unutar tvari poput grafita. Tek su 2004. godine Andre Geim i njegov student Konstantin Novoselov eksperimentima uklonili jedan sloj grafena s grafita, čime je istraživanje grafena postiglo novi razvoj.
I fuleren (lijevo) i ugljikova nanocjevčica (sredina) mogu se smatrati na neki način smotanima jednim slojem grafena, dok je grafit (desno) složen s više slojeva grafena putem van der Waalsove sile.
Danas se grafen može dobiti na mnogo načina, a različite metode imaju svoje prednosti i nedostatke. Geim i Novoselov dobili su grafen na jednostavan način. Koristeći prozirnu traku dostupnu u supermarketima, skinuli su grafen, grafitni list debljine samo jednog sloja atoma ugljika, s komada pirolitičkog grafita visokog reda. To je praktično, ali upravljivost nije tako dobra, a može se dobiti samo grafen veličine manje od 100 mikrona (jedna desetinka milimetra) koji se može koristiti za eksperimente, ali ga je teško koristiti za praktične primjene. Kemijsko taloženje iz pare može uzgojiti uzorke grafena veličine nekoliko desetaka centimetara na metalnoj površini. Iako je područje s konzistentnom orijentacijom samo 100 mikrona [3,4], pokazalo se prikladnim za proizvodne potrebe nekih primjena. Druga uobičajena metoda je zagrijavanje kristala silicijevog karbida (SIC) na više od 1100 ℃ u vakuumu, tako da atomi silicija blizu površine isparavaju, a preostali atomi ugljika se preuređuju, što također može dobiti uzorke grafena s dobrim svojstvima.
Grafen je novi materijal s jedinstvenim svojstvima: njegova električna vodljivost je izvrsna kao kod bakra, a toplinska vodljivost bolja od bilo kojeg poznatog materijala. Vrlo je proziran. Grafen će apsorbirati samo mali dio (2,3%) vertikalno upadne vidljive svjetlosti, a većina svjetlosti će proći kroz njega. Toliko je gust da čak ni atomi helija (najmanje molekule plina) ne mogu proći kroz njega. Ova magična svojstva nisu izravno naslijeđena od grafita, već iz kvantne mehanike. Njegova jedinstvena električna i optička svojstva određuju da ima široke mogućnosti primjene.
Iako se grafen pojavio tek prije manje od deset godina, pokazao je mnoge tehničke primjene, što je vrlo rijetko u područjima fizike i znanosti o materijalima. Potrebno je više od deset godina ili čak desetljeća da opći materijali prijeđu iz laboratorija u stvarni život. Čemu služi grafen? Pogledajmo dva primjera.
Mekana prozirna elektroda
U mnogim električnim uređajima, prozirni vodljivi materijali moraju se koristiti kao elektrode. Elektronički satovi, kalkulatori, televizori, LCD zasloni, zasloni osjetljivi na dodir, solarni paneli i mnogi drugi uređaji ne mogu izbjeći postojanje prozirnih elektroda. Tradicionalna prozirna elektroda koristi indij-kositar-oksid (ITO). Zbog visoke cijene i ograničene zalihe indija, materijal je krhak i nedostaje mu fleksibilnost, a elektrodu je potrebno taložiti u srednjem sloju vakuuma, a cijena je relativno visoka. Znanstvenici već dugo pokušavaju pronaći njegovu zamjenu. Osim zahtjeva za prozirnošću, dobrom vodljivošću i jednostavnom pripremom, ako je sama fleksibilnost materijala dobra, bit će prikladna za izradu "elektroničkog papira" ili drugih sklopivih uređaja za prikaz. Stoga je fleksibilnost također vrlo važan aspekt. Grafen je takav materijal koji je vrlo prikladan za prozirne elektrode.
Istraživači iz Samsunga i Sveučilišta Chengjunguan u Južnoj Koreji dobili su grafen dijagonalne duljine 30 inča kemijskim taloženjem iz pare i prenijeli ga na polietilen tereftalat (PET) film debljine 188 mikrona kako bi proizveli zaslon osjetljiv na dodir na bazi grafena [4]. Kao što je prikazano na donjoj slici, grafen uzgojen na bakrenoj foliji prvo se veže termičkom trakom za skidanje (plavi prozirni dio), zatim se bakrena folija kemijskim putem otapa i na kraju se grafen zagrijavanjem prenosi na PET film.
Nova oprema za fotoelektričnu indukciju
Grafen ima vrlo jedinstvena optička svojstva. Iako postoji samo jedan sloj atoma, može apsorbirati 2,3% emitirane svjetlosti u cijelom rasponu valnih duljina od vidljive svjetlosti do infracrvene. Ovaj broj nema nikakve veze s drugim materijalnim parametrima grafena i određen je kvantnom elektrodinamikom [6]. Apsorbirana svjetlost dovest će do stvaranja nositelja (elektrona i rupa). Stvaranje i transport nositelja u grafenu vrlo su različiti od onih u tradicionalnim poluvodičima. To čini grafen vrlo pogodnim za ultrabrzu fotoelektričnu indukcijsku opremu. Procjenjuje se da takva fotoelektrična indukcijska oprema može raditi na frekvenciji od 500 GHz. Ako se koristi za prijenos signala, može prenijeti 500 milijardi nula ili jedinica u sekundi i dovršiti prijenos sadržaja dva Blu-ray diska u jednoj sekundi.
Stručnjaci iz IBM-ovog istraživačkog centra Thomas J. Watson u Sjedinjenim Državama koristili su grafen za proizvodnju fotoelektričnih indukcijskih uređaja koji mogu raditi na frekvenciji od 10 GHz [8]. Prvo su grafenske pahuljice pripremljene na silicijskoj podlozi prekrivenoj silicijevim dioksidom debljine 300 nm "metodom kidanja trake", a zatim su na njima izrađene paladijevo-zlatne ili titanijevo-zlatne elektrode s razmakom od 1 mikrona i širinom od 250 nm. Na taj je način dobiven fotoelektrični indukcijski uređaj na bazi grafena.
Shematski dijagram opreme za fotoelektričnu indukciju grafena i fotografije stvarnih uzoraka snimljene skenirajućim elektronskim mikroskopom (SEM). Crna kratka linija na slici odgovara 5 mikrona, a udaljenost između metalnih linija je jedan mikron.
Kroz eksperimente, istraživači su otkrili da ovaj fotoelektrični indukcijski uređaj s metalnom grafenskom strukturom može doseći radnu frekvenciju od najviše 16 GHz i raditi velikom brzinom u rasponu valnih duljina od 300 nm (blizu ultraljubičastog zračenja) do 6 mikrona (infracrveno zračenje), dok tradicionalna fotoelektrična indukcijska cijev ne može reagirati na infracrveno svjetlo s većim valnim duljinama. Radna frekvencija fotoelektrične indukcijske opreme s grafenom još uvijek ima mnogo prostora za poboljšanje. Njegove vrhunske performanse omogućuju mu širok raspon primjena, uključujući komunikaciju, daljinsko upravljanje i praćenje okoliša.
Kao novi materijal s jedinstvenim svojstvima, istraživanja o primjeni grafena pojavljuju se jedno za drugim. Teško nam ih je ovdje nabrojati. U budućnosti bi se u svakodnevnom životu mogle pojaviti cijevi s efektom polja izrađene od grafena, molekularni prekidači izrađeni od grafena i molekularni detektori izrađeni od grafena... Grafen koji postupno izlazi iz laboratorija zablistat će u svakodnevnom životu.
Možemo očekivati da će se u bliskoj budućnosti pojaviti veliki broj elektroničkih proizvoda koji koriste grafen. Zamislite koliko bi zanimljivo bilo kada bi se naši pametni telefoni i netbookovi mogli smotati, stegnuti na ušima, staviti u džepove ili omotati oko zapešća kada se ne koriste!
Vrijeme objave: 09.03.2022.