Árið 2010 hlutu Geim og Novoselov Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði fyrir rannsóknir sínar á grafíni. Þessi verðlaun hafa haft djúpstæð áhrif á marga. Því að ekki eru öll tilraunaverkfæri Nóbelsverðlaunanna eins algeng og límband, og ekki eru öll rannsóknarverkfæri eins töfrandi og auðskiljanleg og „tvívíddarkristall“ grafín. Verkið sem hlaut Nóbelsverðlaunin árið 2004 getur hlotið verðlaunin árið 2010, sem er sjaldgæft í sögu Nóbelsverðlauna undanfarin ár.
Grafín er efni sem samanstendur af einu lagi af kolefnisatómum sem raðast þétt saman í tvívítt, sexhyrnt grindarnet með hunangsseim. Eins og demantur, grafít, fúlleren, kolefnisnanórör og ókristölluð kolefni, er það efni (einfalt efni) sem samanstendur af kolefnisþáttum. Eins og sést á myndinni hér að neðan má sjá fúlleren og kolefnisnanórör sem rúllaðar upp á einhvern hátt úr einu lagi af grafíni, sem er staflað saman af mörgum lögum af grafíni. Fræðilegar rannsóknir á notkun grafíns til að lýsa eiginleikum ýmissa einföldu kolefnisefna (grafít, kolefnisnanórör og grafín) hafa staðið yfir í næstum 60 ár, en almennt er talið að slík tvívíð efni eigi erfitt með að vera stöðug ein og sér, aðeins fest við þrívítt undirlagsyfirborð eða inni í efnum eins og grafíti. Það var ekki fyrr en árið 2004 að Andre Geim og nemandi hans, Konstantin Novoselov, fjarlægðu eitt lag af grafíni úr grafíti með tilraunum að rannsóknir á grafíni náðu nýrri þróun.
Bæði fúleren (vinstri) og kolefnisnanórör (miðja) má líta á sem eitt lag af grafeni sem rúllað er upp á einhvern hátt, en grafít (hægri) er staflað saman af mörgum lögum af grafeni með tengingu van der Waals kraftsins.
Nú til dags er hægt að fá grafen á marga vegu og mismunandi aðferðir hafa sína kosti og galla. Geim og Novoselov fengu grafen á einfaldan hátt. Með því að nota gegnsætt límband sem fæst í matvöruverslunum fjarlægðu þeir grafen, grafítplötu með aðeins einu lagi af kolefnisatómum þykkt, úr stykki af hágæða hitamyndandi grafíti. Þetta er þægilegt en stjórnanleiki er ekki eins góður og hægt er að fá grafen sem er minna en 100 míkron (einn tíundi úr millimetra) að stærð, sem hægt er að nota í tilraunum en erfitt er að nota í hagnýtum tilgangi. Efnafræðileg gufuútfelling getur ræktað grafensýni sem eru tugir sentimetra að stærð á málmyfirborðinu. Þó að svæðið með stöðugri stefnu sé aðeins 100 míkron [3,4] hefur það verið hentugt fyrir framleiðsluþarfir sumra nota. Önnur algeng aðferð er að hita kísilkarbíð (SIC) kristalla í meira en 1100 ℃ í lofttæmi, þannig að kísilatómin nálægt yfirborðinu gufa upp og eftirstandandi kolefnisatóm eru endurraðað, sem getur einnig fengið grafensýni með góðum eiginleikum.
Grafín er nýtt efni með einstaka eiginleika: rafleiðni þess er jafn góð og kopar og varmaleiðni þess er betri en nokkurs þekkts efnis. Það er mjög gegnsætt. Aðeins lítill hluti (2,3%) af lóðréttu innfallandi sýnilegu ljósi mun frásogast af grafíni og megnið af ljósinu mun fara í gegn. Það er svo þétt að jafnvel helíumatóm (minnstu gassameindirnar) geta ekki farið í gegn. Þessir töfrandi eiginleikar eru ekki erfðir beint frá grafíti, heldur frá skammtafræði. Einstakir rafmagns- og ljósfræðilegir eiginleikar þess ákvarða víðtæka notkunarmöguleika.
Þótt grafín hafi aðeins komið fram í innan við tíu ár hefur það sýnt fram á marga tæknilega notkunarmöguleika, sem er mjög sjaldgæft á sviði eðlisfræði og efnisfræði. Það tekur meira en tíu ár eða jafnvel áratugi fyrir almenn efni að flytjast frá rannsóknarstofu til raunverulegs lífs. Hver er notkun grafíns? Við skulum skoða tvö dæmi.
Mjúkt gegnsætt rafskaut
Í mörgum raftækjum þarf að nota gegnsætt leiðandi efni sem rafskaut. Rafræn úr, reiknivélar, sjónvörp, LCD skjáir, snertiskjáir, sólarplötur og mörg önnur tæki geta ekki horfið fram hjá gegnsæjum rafskautum. Hefðbundin gegnsæ rafskaut notar indíum-tínoxíð (ITO). Vegna hátt verðs og takmarkaðs framboðs af indíum er efnið brothætt og sveigjanlegt og rafskautið þarf að setja í miðlag lofttæmis og kostnaðurinn er tiltölulega hár. Í langan tíma hafa vísindamenn reynt að finna staðgengil fyrir það. Auk krafna um gegnsæi, góða leiðni og auðvelda undirbúning, ef sveigjanleiki efnisins sjálfs er góður, þá hentar það til að búa til „rafrænt pappír“ eða önnur samanbrjótanleg skjátæki. Þess vegna er sveigjanleiki einnig mjög mikilvægur þáttur. Grafín er slíkt efni sem er mjög hentugt fyrir gegnsæ rafskaut.
Rannsakendur frá Samsung og Chengjunguan-háskólanum í Suður-Kóreu fengu grafen með skálengd upp á 30 tommur með efnafræðilegri gufuútfellingu og fluttu það yfir á 188 míkrona þykka pólýetýlen tereftalat (PET) filmu til að framleiða grafen-byggðan snertiskjá [4]. Eins og sést á myndinni hér að neðan er grafenið sem ræktað er á koparfilmunni fyrst tengt við hitaupplausnarteip (blár gegnsær hluti), síðan er koparfilman leyst upp með efnafræðilegri aðferð og að lokum er grafenið flutt yfir á PET-filmuna með upphitun.
Nýr ljósrafvirkur örvunarbúnaður
Grafín hefur mjög einstaka ljósfræðilega eiginleika. Þótt það sé aðeins eitt lag af atómum getur það gleypt 2,3% af geislunarljósinu á öllu bylgjulengdarsviðinu frá sýnilegu ljósi til innrauðs ljóss. Þessi tala hefur ekkert að gera með aðra efnisþætti grafíns og er ákvörðuð af skammtarafdýnamík [6]. Gleypt ljós leiðir til myndunar flutningsaðila (rafeinda og holna). Myndun og flutningur flutningsaðila í grafíni er mjög frábrugðinn þeim sem eru í hefðbundnum hálfleiðurum. Þetta gerir grafín mjög hentugt fyrir ofurhraðan ljósvirkjunarbúnað. Talið er að slíkur ljósvirkjunarbúnaður geti virkað á tíðninni 500 GHz. Ef hann er notaður til merkjasendingar getur hann sent 500 milljarða núlla eða einna á sekúndu og lokið sendingu á innihaldi tveggja Blu-ray diska á einni sekúndu.
Sérfræðingar frá IBM Thomas J. Watson rannsóknarmiðstöðinni í Bandaríkjunum hafa notað grafín til að framleiða ljósrafvirka rafleiðara sem geta virkað á 10 GHz tíðni [8]. Fyrst voru grafínflögur útbúnar á kísilundirlagi þakið 300 nm þykku kísil með „teiprifunaraðferð“ og síðan voru palladíumgull- eða títaníumgull-rafskautar með 1 míkron millibili og 250 nm breidd búnar til á því. Á þennan hátt fæst grafín-byggður ljósrafvirkur rafleiðari.
Skýringarmynd af ljósrafvirkjunarbúnaði fyrir grafín og ljósmyndum af raunverulegum sýnum tekin með rafeindasmásjá (SEM). Svarta stutta línan á myndinni samsvarar 5 míkronum og fjarlægðin milli málmlínanna er einn míkron.
Með tilraunum komust vísindamennirnir að því að þetta ljósvirka örvunartæki úr málmgrafíni getur náð allt að 16 GHz vinnutíðni og getur unnið á miklum hraða á bylgjulengdarbilinu frá 300 nm (nálægt útfjólubláu) til 6 míkron (innrautt), en hefðbundin ljósvirkjunarrör geta ekki brugðist við innrauðu ljósi með lengri bylgjulengd. Vinnslutíðni ljósvirkjunarbúnaðar úr grafíni hefur enn mikið svigrúm til úrbóta. Framúrskarandi afköst þess gera það að verkum að það hefur fjölbreytt úrval af notkunarmöguleikum, þar á meðal samskiptum, fjarstýringu og umhverfisvöktun.
Sem nýtt efni með einstaka eiginleika koma rannsóknir á notkun grafens fram hver á fætur annarri. Það er erfitt fyrir okkur að telja þær upp hér. Í framtíðinni gætu áhrifarör úr grafeni, sameindarofar úr grafeni og sameindaskynjarar úr grafeni verið notaðir í daglegu lífi ... Grafen sem smám saman kemur út úr rannsóknarstofunni mun skína í daglegu lífi.
Við getum búist við að fjöldi raftækja sem nota grafín muni koma fram í náinni framtíð. Hugsið ykkur hversu áhugavert það væri ef hægt væri að rúlla snjallsímum og fartölvum saman, klemma þær á eyrun, troða þeim í vasana eða vefja þær utan um úlnliðina þegar þær eru ekki í notkun!
Birtingartími: 9. mars 2022