Ի՞նչ է գրաֆենի օգտագործումը։ Երկու կիրառման դեպք թույլ կտան հասկանալ գրաֆենի կիրառման հեռանկարը։

2010 թվականին Գեյմը և Նովոսելովը ֆիզիկայի Նոբելյան մրցանակ ստացան գրաֆենի վերաբերյալ իրենց աշխատանքի համար։ Այս մրցանակը խորը տպավորություն է թողել շատերի վրա։ Ի վերջո, ոչ բոլոր Նոբելյան մրցանակի փորձարարական գործիքներն են այնքան տարածված, որքան կպչուն ժապավենը, և ոչ բոլոր հետազոտական ​​օբյեկտներն են այնքան կախարդական և հեշտ հասկանալի, որքան «երկչափ բյուրեղային» գրաֆենը։ 2004 թվականի աշխատանքը կարող է շնորհվել 2010 թվականին, ինչը վերջին տարիներին Նոբելյան մրցանակների ցուցակում հազվադեպ է հանդիպում։

Գրաֆենը նյութի տեսակ է, որը բաղկացած է ածխածնի ատոմների մեկ շերտից, որոնք սերտորեն դասավորված են երկչափ մեղրամոմաձև վեցանկյուն ցանցի մեջ: Ինչպես ադամանդը, գրաֆիտը, ֆուլերենը, ածխածնային նանոխողովակները և ամորֆ ածխածինը, այն նյութ է (պարզ նյութ), որը կազմված է ածխածնային տարրերից: Ինչպես ցույց է տրված ստորև բերված նկարում, ֆուլերենները և ածխածնային նանոխողովակները կարելի է դիտարկել որպես գրաֆենի մեկ շերտից փաթաթված, որը դարսված է գրաֆենի բազմաթիվ շերտերով: Տարբեր ածխածնային պարզ նյութերի (գրաֆիտ, ածխածնային նանոխողովակներ և գրաֆեն) հատկությունները նկարագրելու համար գրաֆենի օգտագործման տեսական հետազոտությունները տևել են գրեթե 60 տարի, բայց ընդհանուր առմամբ կարծում են, որ նման երկչափ նյութերը դժվար է կայուն գոյատևել առանձին, միայն եռաչափ հիմքի մակերեսին կպած կամ գրաֆիտի նման նյութերի ներսում: Միայն 2004 թվականին Անդրե Գեյմը և նրա ուսանող Կոնստանտին Նովոսելովը փորձերի միջոցով գրաֆենից հեռացրին գրաֆենի մեկ շերտը, որ գրաֆենի վերաբերյալ հետազոտությունները նոր զարգացումներ ունեցան:

Ֆուլերենը (ձախից), և ածխածնային նանոխողովակը (մեջտեղում) կարելի է դիտարկել որպես ինչ-որ կերպ գրաֆենի մեկ շերտով փաթաթված, մինչդեռ գրաֆիտը (աջից) դարսված է գրաֆենի բազմաթիվ շերտերով՝ վան դեր Վալսի ուժի միացման միջոցով։

Այսօր գրաֆենը կարելի է ստանալ բազմաթիվ եղանակներով, և տարբեր մեթոդներն ունեն իրենց առավելություններն ու թերությունները: Գեյմը և Նովոսելովը գրաֆենը ստացան պարզ եղանակով: Օգտագործելով սուպերմարկետներում վաճառվող թափանցիկ ժապավենը, նրանք բարձր կարգի պիրոլիտիկ գրաֆիտի մի կտորից մաքրեցին գրաֆենը՝ գրաֆիտի թերթիկ, որն ունի միայն մեկ շերտ ածխածնի ատոմների հաստություն: Սա հարմար է, բայց կառավարելիությունը այդքան էլ լավը չէ, և 100 միկրոնից (միլիմետրի մեկ տասներորդ մասը) պակաս չափի գրաֆեն կարելի է ստանալ միայն այն դեպքում, երբ այն կարող է օգտագործվել փորձերի համար, բայց դժվար է օգտագործել գործնական կիրառությունների համար: Քիմիական գոլորշու նստեցումը կարող է մետաղի մակերեսին աճեցնել տասնյակ սանտիմետր չափի գրաֆենի նմուշներ: Չնայած հաստատուն կողմնորոշմամբ տարածքը ընդամենը 100 միկրոն է [3,4], այն հարմար է եղել որոշ կիրառությունների արտադրական կարիքների համար: Մեկ այլ տարածված մեթոդ է սիլիցիումի կարբիդի (SIC) բյուրեղը վակուումում ավելի քան 1100 ℃ տաքացնելը, որպեսզի մակերեսին մոտ գտնվող սիլիցիումի ատոմները գոլորշիանան, իսկ մնացած ածխածնի ատոմները վերադասավորվեն, ինչը նույնպես կարող է ստանալ լավ հատկություններով գրաֆենի նմուշներ:

Գրաֆենը նոր նյութ է՝ եզակի հատկություններով. նրա էլեկտրահաղորդականությունը նույնքան գերազանց է, որքան պղնձի, իսկ ջերմահաղորդականությունը՝ ավելի լավ, քան ցանկացած հայտնի նյութի։ Այն շատ թափանցիկ է։ Գրաֆենը կլանում է ուղղահայաց ընկնող տեսանելի լույսի միայն մի փոքր մասը (2.3%), և լույսի մեծ մասը կանցնի դրա միջով։ Այն այնքան խիտ է, որ նույնիսկ հելիումի ատոմները (ամենափոքր գազի մոլեկուլները) չեն կարող անցնել դրա միջով։ Այս կախարդական հատկությունները ուղղակիորեն ժառանգված չեն գրաֆիտից, այլ քվանտային մեխանիկայից։ Դրա եզակի էլեկտրական և օպտիկական հատկությունները որոշում են դրա լայն կիրառման հեռանկարները։

Չնայած գրաֆենը հայտնվել է ընդամենը տասը տարուց էլ քիչ ժամանակ առաջ, այն ցուցաբերել է բազմաթիվ տեխնիկական կիրառություններ, ինչը շատ հազվադեպ է ֆիզիկայի և նյութագիտության ոլորտներում: Ընդհանուր նյութերի համար լաբորատորիայից իրական կյանք տեղափոխվելու համար պահանջվում է տասը տարուց կամ նույնիսկ տասնամյակներից ավելի: Ի՞նչ օգուտ ունի գրաֆենը: Եկեք նայենք երկու օրինակի:

Փափուկ թափանցիկ էլեկտրոդ
Շատ էլեկտրական սարքերում որպես էլեկտրոդներ անհրաժեշտ է օգտագործել թափանցիկ հաղորդիչ նյութեր: Էլեկտրոնային ժամացույցները, հաշվիչները, հեռուստացույցները, հեղուկ բյուրեղային էկրանները, սենսորային էկրանները, արևային վահանակները և շատ այլ սարքեր չեն կարող անտեսել թափանցիկ էլեկտրոդները: Ավանդական թափանցիկ էլեկտրոդը օգտագործում է ինդիումի անագի օքսիդ (ITO): Ինդիումի բարձր գնի և սահմանափակ մատակարարման պատճառով նյութը փխրուն է և ճկուն չէ, և էլեկտրոդը պետք է նստեցվի վակուումի միջին շերտում, և արժեքը համեմատաբար բարձր է: Երկար ժամանակ գիտնականները փորձում էին գտնել դրա փոխարինողը: Բացի թափանցիկության, լավ հաղորդունակության և հեշտ պատրաստման պահանջներից, եթե նյութի ճկունությունն ինքնին լավն է, այն հարմար կլինի «էլեկտրոնային թուղթ» կամ այլ ծալովի ցուցադրման սարքեր պատրաստելու համար: Հետևաբար, ճկունությունը նույնպես շատ կարևոր ասպեկտ է: Գրաֆենը նման նյութ է, որը շատ հարմար է թափանցիկ էլեկտրոդների համար:

Հարավային Կորեայի Samsung-ի և Չենջունգուանի համալսարանի հետազոտողները քիմիական գոլորշու նստեցման միջոցով ստացել են 30 դյույմ անկյունագծային երկարությամբ գրաֆեն և այն տեղափոխել են 188 միկրոն հաստությամբ պոլիէթիլեն տերեֆտալատ (PET) թաղանթի վրա՝ գրաֆենի վրա հիմնված սենսորային էկրան ստանալու համար [4]: ​​Ինչպես ցույց է տրված ստորև բերված նկարում, պղնձե փայլաթիթեղի վրա աճեցված գրաֆենը նախ կապվում է ջերմային շերտազատման ժապավենի հետ (կապույտ թափանցիկ մաս), այնուհետև պղնձե փայլաթիթեղը լուծվում է քիմիական մեթոդով, և վերջապես գրաֆենը տաքացման միջոցով տեղափոխվում է PET թաղանթի վրա:

Նոր ֆոտոէլեկտրական ինդուկցիոն սարքավորումներ
Գրաֆենն ունի շատ յուրահատուկ օպտիկական հատկություններ։ Չնայած այն ունի ատոմների միայն մեկ շերտ, այն կարող է կլանել արձակված լույսի 2.3%-ը՝ տեսանելի լույսից մինչև ինֆրակարմիր ամբողջ ալիքի երկարության տիրույթում։ Այս թիվը որևէ կապ չունի գրաֆենի այլ նյութական պարամետրերի հետ և որոշվում է քվանտային էլեկտրադինամիկայով [6]: Կլանված լույսը կհանգեցնի կրիչների (էլեկտրոնների և անցքերի) առաջացմանը։ Գրաֆենում կրիչների առաջացումը և տեղափոխումը շատ տարբեր են ավանդական կիսահաղորդիչների մեջ եղածից։ Սա գրաֆենը դարձնում է շատ հարմար գերարագ ֆոտոէլեկտրական ինդուկցիոն սարքավորումների համար։ Հաշվարկվում է, որ նման ֆոտոէլեկտրական ինդուկցիոն սարքավորումները կարող են աշխատել 500 ԳՀց հաճախականությամբ։ Եթե այն օգտագործվի ազդանշանի փոխանցման համար, այն կարող է փոխանցել 500 միլիարդ զրո կամ միավոր վայրկյանում և մեկ վայրկյանում ավարտել երկու Blu-ray սկավառակների բովանդակության փոխանցումը։

ԱՄՆ-ի IBM Thomas J. Watson հետազոտական ​​կենտրոնի մասնագետները գրաֆենն օգտագործել են 10 ԳՀց հաճախականությամբ աշխատող ֆոտոէլեկտրական ինդուկցիոն սարքեր պատրաստելու համար [8]: Սկզբում գրաֆենի փաթիլները պատրաստվել են 300 նմ հաստությամբ սիլիցիումային հիմքի վրա՝ «ժապավենի պատռման մեթոդով», ապա դրա վրա պատրաստվել են պալադիումի ոսկուց կամ տիտանից ոսկուց էլեկտրոդներ՝ 1 միկրոն միջակայքով և 250 նմ լայնությամբ: Այս կերպ ստացվել է գրաֆենի վրա հիմնված ֆոտոէլեկտրական ինդուկցիոն սարք:

Գրաֆենի ֆոտոէլեկտրական ինդուկցիոն սարքավորումների և իրական նմուշների սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակի (SEM) լուսանկարների սխեմատիկ դիագրամ: Նկարում սև կարճ գիծը համապատասխանում է 5 միկրոն, իսկ մետաղական գծերի միջև հեռավորությունը մեկ միկրոն է:

Փորձերի միջոցով հետազոտողները պարզել են, որ այս մետաղական գրաֆենի մետաղական կառուցվածքի ֆոտոէլեկտրական ինդուկցիոն սարքը կարող է հասնել առավելագույնը 16 ԳՀց աշխատանքային հաճախականության և կարող է աշխատել բարձր արագությամբ՝ 300 նմ-ից (մոտ ուլտրամանուշակագույն) մինչև 6 միկրոն (ինֆրակարմիր) ալիքի երկարության տիրույթում, մինչդեռ ավանդական ֆոտոէլեկտրական ինդուկցիոն խողովակը չի կարող արձագանքել ավելի երկար ալիքի երկարությամբ ինֆրակարմիր լույսին: Գրաֆենի ֆոտոէլեկտրական ինդուկցիոն սարքավորումների աշխատանքային հաճախականությունը դեռևս մեծ բարելավման տեղ ունի: Դրա գերազանց կատարողականությունը հնարավորություն է տալիս ունենալ լայն կիրառման հեռանկարներ, ներառյալ հաղորդակցությունը, հեռակառավարումը և շրջակա միջավայրի մոնիթորինգը:

Որպես նոր նյութ՝ եզակի հատկություններով, գրաֆենի կիրառման վերաբերյալ հետազոտությունները ի հայտ են գալիս մեկը մյուսի հետևից։ Մեզ համար դժվար է դրանք թվարկել այստեղ։ Ապագայում կարող են լինել գրաֆենից պատրաստված դաշտային էֆեկտի լամպեր, գրաֆենից պատրաստված մոլեկուլային անջատիչներ և գրաֆենից պատրաստված մոլեկուլային դետեկտորներ առօրյա կյանքում… Լաբորատորիաներից աստիճանաբար դուրս եկող գրաֆենը կփայլի առօրյա կյանքում։

Մենք կարող ենք ակնկալել, որ մոտ ապագայում կհայտնվեն գրաֆեն օգտագործող մեծ թվով էլեկտրոնային արտադրանքներ: Մտածեք, թե որքան հետաքրքիր կլիներ, եթե մեր սմարթֆոններն ու նեթբուքերը կարողանայինք փաթաթել, ամրացնել մեր ականջներին, դնել մեր գրպանները կամ փաթաթել մեր դաստակներին, երբ դրանք չեն օգտագործվում: