რაში გვეხმარება გრაფენი? ორი გამოყენების შემთხვევა საშუალებას გვაძლევს გავიგოთ გრაფენის გამოყენების პერსპექტივები.

2010 წელს გეიმმა და ნოვოსელოვმა ფიზიკის დარგში ნობელის პრემია მოიპოვეს გრაფენზე შესრულებული სამუშაოსთვის. ამ ჯილდომ ბევრ ადამიანზე ღრმა შთაბეჭდილება დატოვა. ბოლოს და ბოლოს, ნობელის პრემიის ყველა ექსპერიმენტული ინსტრუმენტი ისეთივე გავრცელებული არ არის, როგორც წებოვანი ლენტი და ყველა კვლევითი ობიექტი ისეთივე ჯადოსნური და ადვილად გასაგები არ არის, როგორც „ორგანზომილებიანი კრისტალური“ გრაფენი. 2004 წელს შესრულებული სამუშაოს მინიჭება შესაძლებელია 2010 წელს, რაც ბოლო წლების ნობელის პრემიების რეესტრში იშვიათია.

გრაფენი არის ნივთიერების სახეობა, რომელიც შედგება ნახშირბადის ატომების ერთი ფენისგან, რომლებიც მჭიდროდ არიან განლაგებული ორგანზომილებიან თაფლისებრ ექვსკუთხა ბადეში. ალმასის, გრაფიტის, ფულერენის, ნახშირბადის ნანომილაკების და ამორფული ნახშირბადის მსგავსად, ეს არის ნივთიერება (მარტივი ნივთიერება), რომელიც შედგება ნახშირბადის ელემენტებისგან. როგორც ქვემოთ მოცემულ ფიგურაზეა ნაჩვენები, ფულერენები და ნახშირბადის ნანომილაკები შეიძლება განვიხილოთ, როგორც გრაფენის ერთი ფენისგან დახვეული, რომელიც გრაფენის მრავალი ფენით არის დაწყობილი. გრაფენის გამოყენების თეორიული კვლევა სხვადასხვა ნახშირბადის მარტივი ნივთიერებების (გრაფიტი, ნახშირბადის ნანომილაკები და გრაფენი) თვისებების აღსაწერად თითქმის 60 წელია გრძელდება, მაგრამ ზოგადად ითვლება, რომ ასეთი ორგანზომილებიანი მასალების სტაბილურად არსებობა რთულია დამოუკიდებლად, ისინი მხოლოდ სამგანზომილებიან სუბსტრატის ზედაპირზე ან გრაფიტის მსგავს ნივთიერებებში არიან მიმაგრებული. მხოლოდ 2004 წელს ანდრე გეიმმა და მისმა სტუდენტმა კონსტანტინ ნოვოსელოვმა ექსპერიმენტების საშუალებით გრაფიტს გრაფენის ერთი ფენა მოაშორეს, რამაც გრაფენის კვლევა ახალ განვითარებას მიაღწია.

როგორც ფულერენი (მარცხნივ), ასევე ნახშირბადის ნანომილაკი (შუაში) შეიძლება ჩაითვალოს გრაფენის ერთი ფენით შემოხვეულებად, მაშინ როცა გრაფიტი (მარჯვნივ) ვან დერ ვაალის ძალის შეერთების გზით გრაფენის მრავალი ფენით არის დაწყობილი.

დღესდღეობით, გრაფენის მიღება მრავალი გზით არის შესაძლებელი და სხვადასხვა მეთოდს თავისი უპირატესობები და ნაკლოვანებები აქვს. გეიმმა და ნოვოსელოვმა გრაფენი მარტივი გზით მიიღეს. სუპერმარკეტებში ხელმისაწვდომი გამჭვირვალე ლენტის გამოყენებით, მათ მაღალი რიგის პიროლიზური გრაფიტის ნაჭრიდან გააშიშვლეს გრაფენი, გრაფიტის ფურცელი, რომელსაც ნახშირბადის ატომების მხოლოდ ერთი ფენა აქვს. ეს მოსახერხებელია, მაგრამ მართვადობა არც ისე კარგია და 100 მიკრონზე (მილიმეტრის ერთი მეათედი) ნაკლები ზომის გრაფენის მიღება მხოლოდ ისეთია შესაძლებელი, რომლის გამოყენებაც ექსპერიმენტებისთვისაა შესაძლებელი, მაგრამ პრაქტიკული გამოყენებისთვის რთულია. ქიმიური ორთქლის დეპონირებით შესაძლებელია ლითონის ზედაპირზე ათობით სანტიმეტრის ზომის გრაფენის ნიმუშების გაზრდა. მიუხედავად იმისა, რომ თანმიმდევრული ორიენტაციის ფართობი მხოლოდ 100 მიკრონია [3,4], ის ზოგიერთი გამოყენების საწარმოო საჭიროებებისთვის შესაფერისია. კიდევ ერთი გავრცელებული მეთოდია სილიციუმის კარბიდის (SIC) კრისტალის ვაკუუმში 1100 ℃-ზე მეტ ტემპერატურაზე გაცხელება, ისე, რომ ზედაპირთან ახლოს სილიციუმის ატომები აორთქლდეს და დარჩენილი ნახშირბადის ატომები გადალაგდეს, რითაც ასევე შესაძლებელია კარგი თვისებების მქონე გრაფენის ნიმუშების მიღება.

გრაფენი ახალი მასალაა უნიკალური თვისებებით: მისი ელექტროგამტარობა ისეთივე შესანიშნავია, როგორც სპილენძის, ხოლო თბოგამტარობა - ნებისმიერი ცნობილი მასალის. ის ძალიან გამჭვირვალეა. ვერტიკალურად დაცემული ხილული სინათლის მხოლოდ მცირე ნაწილს (2.3%) შეიწოვს გრაფენი და სინათლის უმეტესი ნაწილი გაივლის. ის იმდენად მკვრივია, რომ ჰელიუმის ატომებსაც კი (ყველაზე პატარა აირის მოლეკულებს) არ შეუძლიათ მისი გავლა. ეს ჯადოსნური თვისებები პირდაპირ გრაფიტიდან კი არა, კვანტური მექანიკიდან არის მემკვიდრეობით მიღებული. მისი უნიკალური ელექტრული და ოპტიკური თვისებები განსაზღვრავს, რომ მას ფართო გამოყენების პერსპექტივები აქვს.

მიუხედავად იმისა, რომ გრაფენი მხოლოდ ათ წელზე ნაკლები ხნის წინ გამოჩნდა, მან მრავალი ტექნიკური გამოყენება აჩვენა, რაც ძალიან იშვიათია ფიზიკისა და მასალათმცოდნეობის სფეროებში. ზოგადი მასალების ლაბორატორიულიდან რეალურ ცხოვრებაში გადასატანად ათ წელზე მეტი ან თუნდაც ათწლეულებია საჭირო. რაში გვეხმარება გრაფენი? მოდით განვიხილოთ ორი მაგალითი.

რბილი გამჭვირვალე ელექტროდი
ბევრ ელექტრომოწყობილობაში ელექტროდებად გამჭვირვალე გამტარი მასალების გამოყენებაა საჭირო. ელექტრონული საათები, კალკულატორები, ტელევიზორები, თხევადკრისტალური დისპლეები, სენსორული ეკრანები, მზის პანელები და მრავალი სხვა მოწყობილობა გამჭვირვალე ელექტროდების არსებობას ვერ ტოვებს. ტრადიციული გამჭვირვალე ელექტროდი იყენებს ინდიუმის კალის ოქსიდს (ITO). ინდიუმის მაღალი ფასისა და შეზღუდული მარაგის გამო, მასალა მყიფეა და მოქნილობის ნაკლებობა აქვს, ელექტროდი კი ვაკუუმის შუა ფენაში უნდა დაილექოს და ღირებულება შედარებით მაღალია. დიდი ხანია, მეცნიერები მისი შემცვლელის პოვნას ცდილობენ. გამჭვირვალობის, კარგი გამტარობისა და მომზადების სიმარტივის მოთხოვნების გარდა, თუ თავად მასალის მოქნილობა კარგია, ის შესაფერისი იქნება „ელექტრონული ქაღალდის“ ან სხვა დასაკეცი დისპლეის მოწყობილობების დასამზადებლად. ამიტომ, მოქნილობა ასევე ძალიან მნიშვნელოვანი ასპექტია. გრაფენი ისეთი მასალაა, რომელიც ძალიან შესაფერისია გამჭვირვალე ელექტროდებისთვის.

სამხრეთ კორეაში, Samsung-ისა და ჩენჯუნგუანის უნივერსიტეტის მკვლევრებმა ქიმიური ორთქლის დეპონირების გზით მიიღეს 30 ინჩის დიაგონალური სიგრძის გრაფენი და გადაიტანეს 188 მიკრონის სისქის პოლიეთილენტერეფტალატის (PET) ფირზე, გრაფენის ბაზაზე დამზადებული სენსორული ეკრანის მისაღებად [4]. როგორც ქვემოთ მოცემულ ფიგურაზეა ნაჩვენები, სპილენძის ფოლგაზე გაზრდილი გრაფენი ჯერ თერმულად გასაშლელ ლენტზე (ლურჯი გამჭვირვალე ნაწილი) ფიქსირდება, შემდეგ სპილენძის ფოლგა ქიმიური მეთოდით იხსნება და ბოლოს გრაფენი გაცხელებით PET ფირზე გადადის.

ახალი ფოტოელექტრული ინდუქციური მოწყობილობა
გრაფენს ძალიან უნიკალური ოპტიკური თვისებები აქვს. მიუხედავად იმისა, რომ ატომების მხოლოდ ერთი ფენა არსებობს, მას შეუძლია შთანთქოს გამოსხივებული სინათლის 2.3% მთელ ტალღის სიგრძეში ხილული სინათლიდან ინფრაწითელამდე. ამ რიცხვს არაფერი აქვს საერთო გრაფენის სხვა მატერიალურ პარამეტრებთან და განისაზღვრება კვანტური ელექტროდინამიკით [6]. შთანთქმული სინათლე გამოიწვევს მატარებლების (ელექტრონების და ხვრელების) წარმოქმნას. გრაფენში მატარებლების წარმოქმნა და ტრანსპორტირება ძალიან განსხვავდება ტრადიციულ ნახევარგამტარებში არსებულისგან. ეს გრაფენს ძალიან შესაფერისს ხდის ულტრასწრაფი ფოტოელექტრული ინდუქციური მოწყობილობებისთვის. დადგენილია, რომ ასეთი ფოტოელექტრული ინდუქციური მოწყობილობები შეიძლება მუშაობდეს 500 გჰც სიხშირეზე. თუ ის გამოიყენება სიგნალის გადაცემისთვის, მას შეუძლია წამში 500 მილიარდი ნულის ან ერთეულის გადაცემა და ორი Blu-ray დისკის შიგთავსის ერთ წამში გადაცემა.

აშშ-ში IBM Thomas J. Watson-ის კვლევითი ცენტრის ექსპერტებმა გრაფენი გამოიყენეს 10 გჰც სიხშირეზე მომუშავე ფოტოელექტრული ინდუქციური მოწყობილობების დასამზადებლად [8]. პირველ რიგში, გრაფენის ფანტელები მომზადდა სილიციუმის სუბსტრატზე, რომელიც დაფარულია 300 ნმ სისქის სილიციუმით „ლენტის გახევის მეთოდით“, შემდეგ კი მასზე დამზადდა პალადიუმის ოქროს ან ტიტანის ოქროს ელექტროდები 1 მიკრონის ინტერვალით და 250 ნმ სიგანით. ამ გზით მიიღება გრაფენზე დაფუძნებული ფოტოელექტრული ინდუქციური მოწყობილობა.

გრაფენის ფოტოელექტრული ინდუქციის მოწყობილობისა და რეალური ნიმუშების სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპის (SEM) ფოტოების სქემატური დიაგრამა. ნახაზზე შავი მოკლე ხაზი შეესაბამება 5 მიკრონს, ხოლო ლითონის ხაზებს შორის მანძილი ერთი მიკრონია.

ექსპერიმენტების შედეგად, მკვლევარებმა აღმოაჩინეს, რომ ამ მეტალის გრაფენის მეტალის სტრუქტურის ფოტოელექტრული ინდუქციური მოწყობილობას შეუძლია მიაღწიოს მაქსიმუმ 16 გჰც სამუშაო სიხშირეს და იმუშაოს მაღალი სიჩქარით 300 ნმ-დან (ახლოს ულტრაიისფერი) 6 მიკრონამდე (ინფრაწითელი) ტალღის სიგრძის დიაპაზონში, მაშინ როდესაც ტრადიციული ფოტოელექტრული ინდუქციური მილები ვერ რეაგირებენ უფრო გრძელი ტალღის სიგრძის ინფრაწითელ სინათლეზე. გრაფენის ფოტოელექტრული ინდუქციური მოწყობილობის სამუშაო სიხშირეს ჯერ კიდევ აქვს გაუმჯობესების დიდი პოტენციალი. მისი შესანიშნავი მახასიათებლები მას ფართო გამოყენების პერსპექტივებს აძლევს, მათ შორის კომუნიკაციას, დისტანციურ მართვას და გარემოს მონიტორინგს.

როგორც ახალი მასალა უნიკალური თვისებებით, გრაფენის გამოყენების კვლევები ერთმანეთის მიყოლებით ჩნდება. ჩვენთვის რთულია მათი ჩამოთვლა აქ. მომავალში, შესაძლოა, ყოველდღიურ ცხოვრებაში გამოჩნდეს გრაფენისგან დამზადებული ველის ეფექტის მილები, გრაფენისგან დამზადებული მოლეკულური გადამრთველები და გრაფენისგან დამზადებული მოლეკულური დეტექტორები... ლაბორატორიიდან თანდათანობით გამოსული გრაფენი ყოველდღიურ ცხოვრებაშიც გამოავლენს თავის ადგილს.

შეგვიძლია ველოდოთ, რომ უახლოეს მომავალში გრაფენის გამოყენებით შექმნილი ელექტრონული პროდუქტების დიდი რაოდენობა გამოჩნდება. წარმოიდგინეთ, რა საინტერესო იქნებოდა, თუ ჩვენი სმარტფონები და ნეტბუქები შეგვეძლებოდა დახვევა, ყურებზე მოკვრა, ჯიბეებში ჩადება ან მაჯაზე შემოხვევა, როცა არ ვიყენებთ!