Fl-2010, Geim u Novoselov rebħu l-Premju Nobel fil-fiżika għax-xogħol tagħhom fuq il-grafene. Dan il-premju ħalla impressjoni profonda fuq ħafna nies. Wara kollox, mhux kull għodda sperimentali tal-Premju Nobel hija komuni daqs it-tejp adeżiv, u mhux kull oġġett ta’ riċerka huwa maġiku u faċli biex jinftiehem daqs il-grafene “kristall bidimensjonali”. Ix-xogħol fl-2004 seta’ jingħata fl-2010, li huwa rari fir-rekord tal-Premju Nobel fis-snin riċenti.
Il-grafene huwa tip ta’ sustanza li tikkonsisti f’saff wieħed ta’ atomi tal-karbonju rranġati mill-qrib f’kannizzata eżagonali bidimensjonali tax-xehda. Bħad-djamant, il-grafita, il-fullerene, in-nanotubi tal-karbonju u l-karbonju amorfu, hija sustanza (sustanza sempliċi) magħmula minn elementi tal-karbonju. Kif muri fil-figura t’hawn taħt, il-fullereni u n-nanotubi tal-karbonju jistgħu jidhru bħala rrumblati b’xi mod minn saff wieħed ta’ grafene, li huwa mqiegħed f’munzelli minn ħafna saffi ta’ grafene. Ir-riċerka teoretika dwar l-użu tal-grafene biex tiddeskrivi l-proprjetajiet ta’ diversi sustanzi sempliċi tal-karbonju (grafita, nanotubi tal-karbonju u grafene) ilha għaddejja għal kważi 60 sena, iżda ġeneralment huwa maħsub li materjali bidimensjonali bħal dawn huma diffiċli biex jeżistu b’mod stabbli waħedhom, imwaħħla biss mal-wiċċ tas-sottostrat tridimensjonali jew ġewwa sustanzi bħall-grafita. Kien biss fl-2004 li Andre Geim u l-istudent tiegħu Konstantin Novoselov neħħew saff wieħed ta’ grafene mill-grafita permezz ta’ esperimenti li r-riċerka fuq il-grafene kisbet żvilupp ġdid.
Kemm il-fullerene (xellug) kif ukoll in-nanotubu tal-karbonju (nofs) jistgħu jitqiesu bħala li huma rrumblati minn saff wieħed ta' grafene b'xi mod, filwaqt li l-grafita (lemin) hija f'munzelli minn saffi multipli ta' grafene permezz tal-konnessjoni tal-forza ta' van der Waals.
Illum il-ġurnata, il-grafina tista' tinkiseb b'ħafna modi, u metodi differenti għandhom il-vantaġġi u l-iżvantaġġi tagħhom. Geim u Novoselov kisbu l-grafina b'mod sempliċi. Bl-użu ta' tejp trasparenti disponibbli fis-supermarkets, neħħew il-grafina, folja tal-grafita b'saff wieħed biss ta' atomi tal-karbonju ħoxna, minn biċċa grafita pirolitika ta' ordni għolja. Dan huwa konvenjenti, iżda l-kontrollabbiltà mhix daqshekk tajba, u l-grafina b'daqs ta' inqas minn 100 mikron (wieħed minn għaxra ta' millimetru) tista' tinkiseb biss, li tista' tintuża għal esperimenti, iżda hija diffiċli li tintuża għal applikazzjonijiet prattiċi. Id-depożizzjoni kimika tal-fwar tista' tkabbar kampjuni tal-grafina b'daqs ta' għexieren ta' ċentimetri fuq il-wiċċ tal-metall. Għalkemm iż-żona b'orjentazzjoni konsistenti hija biss 100 mikron [3,4], kienet adattata għall-ħtiġijiet tal-produzzjoni ta' xi applikazzjonijiet. Metodu komuni ieħor huwa li l-kristall tal-karbur tas-silikon (SIC) jissaħħan għal aktar minn 1100 ℃ fil-vakwu, sabiex l-atomi tas-silikon ħdejn il-wiċċ jevaporaw, u l-atomi tal-karbonju li jifdal jiġu rranġati mill-ġdid, li jistgħu wkoll jiksbu kampjuni tal-grafina bi proprjetajiet tajbin.
Il-grafene huwa materjal ġdid bi proprjetajiet uniċi: il-konduttività elettrika tiegħu hija eċċellenti daqs tar-ram, u l-konduttività termali tiegħu hija aħjar minn kwalunkwe materjal magħruf. Huwa trasparenti ħafna. Parti żgħira biss (2.3%) tad-dawl viżibbli inċidentali vertikali tiġi assorbita mill-grafene, u l-biċċa l-kbira tad-dawl tgħaddi minnu. Huwa tant dens li lanqas l-atomi tal-elju (l-iżgħar molekuli tal-gass) ma jistgħu jgħaddu minnu. Dawn il-proprjetajiet maġiċi mhumiex wirt dirett mill-grafita, iżda mill-mekkanika kwantistika. Il-proprjetajiet elettriċi u ottiċi uniċi tiegħu jiddeterminaw li għandu prospetti wesgħin ta' applikazzjoni.
Għalkemm il-grafene ilu jidher biss għal inqas minn għaxar snin, wera ħafna applikazzjonijiet tekniċi, li huwa rari ħafna fl-oqsma tal-fiżika u x-xjenza tal-materjali. Jieħu aktar minn għaxar snin jew saħansitra għexieren ta' snin biex il-materjali ġenerali jiċċaqalqu mil-laboratorju għall-ħajja reali. X'inhu l-użu tal-grafene? Ejja nagħtu ħarsa lejn żewġ eżempji.
Elettrodu trasparenti artab
F'ħafna apparati elettriċi, materjali konduttivi trasparenti jeħtieġ li jintużaw bħala elettrodi. Arloġġi elettroniċi, kalkolaturi, televiżjonijiet, wirjiet tal-kristalli likwidi, skrins tattili, pannelli solari u ħafna apparati oħra ma jistgħux iħallu l-eżistenza ta' elettrodi trasparenti. L-elettrodu trasparenti tradizzjonali juża l-ossidu tal-landa tal-indju (ITO). Minħabba l-prezz għoli u l-provvista limitata tal-indju, il-materjal huwa fraġli u nieqes mill-flessibilità, u l-elettrodu jeħtieġ li jiġi depożitat fis-saff tan-nofs tal-vakwu, u l-ispiża hija relattivament għolja. Għal żmien twil, ix-xjentisti ilhom jippruvaw isibu sostitut għalih. Minbarra r-rekwiżiti ta' trasparenza, konduttività tajba u preparazzjoni faċli, jekk il-flessibilità tal-materjal innifsu hija tajba, ikun adattat għall-manifattura ta' "karta elettronika" jew apparati oħra tal-wiri li jintwew. Għalhekk, il-flessibilità hija wkoll aspett importanti ħafna. Il-grafene huwa materjal bħal dan, li huwa adattat ħafna għal elettrodi trasparenti.
Riċerkaturi minn Samsung u l-Università ta' Chengjunguan fil-Korea t'Isfel kisbu grafen b'tul djagonali ta' 30 pulzier permezz ta' depożizzjoni kimika tal-fwar u ttrasferewh għal film tal-polietilen tereftalat (PET) ta' ħxuna ta' 188 mikron biex jipproduċu touch screen ibbażat fuq il-grafen [4]. Kif muri fil-figura t'hawn taħt, il-grafen imkabbar fuq il-fojl tar-ram l-ewwel jingħaqad mat-tejp tat-tqaxxir termali (il-parti blu trasparenti), imbagħad il-fojl tar-ram jinħall b'metodu kimiku, u fl-aħħar il-grafen jiġi trasferit għall-film tal-PET permezz ta' tisħin.
Tagħmir ġdid ta' induzzjoni fotoelettrika
Il-grafene għandu proprjetajiet ottiċi uniċi ħafna. Għalkemm hemm saff wieħed biss ta' atomi, jista' jassorbi 2.3% tad-dawl emess fil-medda kollha tat-tul tal-mewġ mid-dawl viżibbli għall-infra-aħmar. Dan in-numru m'għandu x'jaqsam xejn ma' parametri oħra tal-materjal tal-grafene u huwa determinat mill-elettrodinamika kwantistika [6]. Id-dawl assorbit iwassal għall-ġenerazzjoni ta' trasportaturi (elettroni u toqob). Il-ġenerazzjoni u t-trasport tat-trasportaturi fil-grafene huma differenti ħafna minn dawk fis-semikondutturi tradizzjonali. Dan jagħmel il-grafene adattat ħafna għal tagħmir ta' induzzjoni fotoelettrika ultraveloċi. Huwa stmat li tagħmir ta' induzzjoni fotoelettrika bħal dan jista' jaħdem fil-frekwenza ta' 500ghz. Jekk jintuża għat-trażmissjoni tas-sinjali, jista' jittrażmetti 500 biljun żerijiet jew wieħed kull sekonda, u jlesti t-trażmissjoni tal-kontenut ta' żewġ diski Blu-ray f'sekonda waħda.
Esperti miċ-Ċentru ta' Riċerka IBM Thomas J. Watson fl-Istati Uniti użaw il-grafene biex jimmanifatturaw apparati ta' induzzjoni fotoelettrika li jistgħu jaħdmu bi frekwenza ta' 10GHz [8]. L-ewwelnett, ġew ippreparati qxur tal-grafene fuq sottostrat tas-silikon miksi b'silika ħoxna 300 nm permezz tal-"metodu tat-tqattigħ tat-tejp", u mbagħad saru elettrodi tad-deheb tal-palladju jew tad-deheb tat-titanju b'intervall ta' 1 mikron u wisa' ta' 250 nm fuqu. B'dan il-mod, jinkiseb apparat ta' induzzjoni fotoelettrika bbażat fuq il-grafene.
Dijagramma skematika ta' tagħmir ta' induzzjoni fotoelettrika tal-grafene u ritratti ta' mikroskopju elettroniku tal-iskannjar (SEM) ta' kampjuni attwali. Il-linja sewda qasira fil-figura tikkorrispondi għal 5 mikroni, u d-distanza bejn il-linji tal-metall hija mikron wieħed.
Permezz ta' esperimenti, ir-riċerkaturi sabu li dan l-apparat ta' induzzjoni fotoelettrika bi struttura tal-metall tal-grafene jista' jilħaq frekwenza ta' ħidma ta' massimu ta' 16ghz, u jista' jaħdem b'veloċità għolja fil-medda ta' wavelength minn 300 nm (qrib l-ultravjola) sa 6 mikroni (infra-aħmar), filwaqt li t-tubu ta' induzzjoni fotoelettrika tradizzjonali ma jistax jirrispondi għad-dawl infra-aħmar b'wavelength itwal. Il-frekwenza ta' ħidma tat-tagħmir ta' induzzjoni fotoelettrika tal-grafene għad għandha lok kbir għal titjib. Il-prestazzjoni superjuri tiegħu tagħmilha disponibbli għal firxa wiesgħa ta' prospetti ta' applikazzjoni, inklużi komunikazzjoni, kontroll remot u monitoraġġ ambjentali.
Bħala materjal ġdid bi proprjetajiet uniċi, ir-riċerka dwar l-applikazzjoni tal-grafina qed toħroġ waħda wara l-oħra. Huwa diffiċli għalina li nissemmihom hawn. Fil-futur, jista' jkun hemm tubi b'effett ta' kamp magħmula mill-grafina, swiċċijiet molekulari magħmula mill-grafina u ditekters molekulari magħmula mill-grafina fil-ħajja ta' kuljum... Il-grafina li gradwalment toħroġ mil-laboratorju se tiddi fil-ħajja ta' kuljum.
Nistgħu nistennew li numru kbir ta’ prodotti elettroniċi li jużaw il-grafene se jidhru fil-futur qarib. Aħseb kemm ikun interessanti kieku l-ismartphones u n-netbooks tagħna jistgħu jiġu rrumblati, imwaħħlin ma’ widnejna, imdaħħla fil-bwiet tagħna, jew imgeżwra madwar il-polz tagħna meta ma nkunux qed nużawhom!
Ħin tal-posta: 09 ta' Marzu 2022