Mnamo 2010, Geim na Novoselov walishinda Tuzo ya Nobel katika fizikia kwa kazi yao kwenye graphene. Tuzo hii imeacha hisia kubwa kwa watu wengi. Baada ya yote, si kila zana ya majaribio ya Tuzo ya Nobel ni ya kawaida kama mkanda wa gundi, na si kila kitu cha utafiti ni cha kichawi na rahisi kuelewa kama graphene ya "fuwele zenye pande mbili". Kazi hiyo mnamo 2004 inaweza kutolewa mnamo 2010, ambayo ni nadra katika rekodi ya Tuzo ya Nobel katika miaka ya hivi karibuni.
Graphene ni aina ya dutu ambayo ina safu moja ya atomi za kaboni iliyopangwa kwa karibu katika kimiani ya hexagonal ya sega yenye pande mbili. Kama almasi, grafiti, fullerene, mirija ya kaboni na kaboni isiyo na umbo, ni dutu (dutu rahisi) inayoundwa na elementi za kaboni. Kama inavyoonyeshwa kwenye mchoro ulio hapa chini, fullerenes na mirija ya kaboni inaweza kuonekana kama imekunjwa kwa njia fulani kutoka kwa safu moja ya graphene, ambayo imerundikwa na tabaka nyingi za graphene. Utafiti wa kinadharia kuhusu matumizi ya graphene kuelezea sifa za vitu mbalimbali rahisi vya kaboni (grafiti, mirija ya kaboni na graphene) umedumu kwa karibu miaka 60, lakini kwa ujumla inaaminika kwamba vifaa hivyo vya pande mbili ni vigumu kuwepo peke yake, vimeunganishwa tu kwenye uso wa substrate wenye pande tatu au vitu vya ndani kama grafiti. Haikuwa hadi 2004 ambapo Andre Geim na mwanafunzi wake Konstantin Novoselov waliondoa safu moja ya graphene kutoka kwa grafiti kupitia majaribio ndipo utafiti kuhusu graphene ulipata maendeleo mapya.
Fullerene (kushoto) na mirija ya kaboni (katikati) zote zinaweza kuzingatiwa kama zimekunjwa na safu moja ya grafini kwa njia fulani, huku grafiti (kulia) ikiwa imerundikwa na tabaka nyingi za grafini kupitia muunganisho wa nguvu ya van der Waals.
Siku hizi, graphene inaweza kupatikana kwa njia nyingi, na mbinu tofauti zina faida na hasara zake. Geim na Novoselov walipata graphene kwa njia rahisi. Kwa kutumia tepi ya uwazi inayopatikana katika maduka makubwa, waliondoa graphene, karatasi ya grafiti yenye safu moja tu ya atomi za kaboni nene, kutoka kwa kipande cha grafiti ya pyrolytic ya hali ya juu. Hii ni rahisi, lakini udhibiti si mzuri sana, na graphene yenye ukubwa wa chini ya mikroni 100 (moja ya kumi ya milimita) inaweza kupatikana tu, ambayo inaweza kutumika kwa majaribio, lakini ni vigumu kutumika kwa matumizi ya vitendo. Uwekaji wa mvuke wa kemikali unaweza kukuza sampuli za graphene zenye ukubwa wa makumi ya sentimita kwenye uso wa chuma. Ingawa eneo lenye mwelekeo thabiti ni mikroni 100 pekee [3,4], limekuwa linafaa kwa mahitaji ya uzalishaji wa baadhi ya matumizi. Njia nyingine ya kawaida ni kupasha joto fuwele ya silicon carbide (SIC) hadi zaidi ya 1100 ℃ kwenye utupu, ili atomi za silicon zilizo karibu na uso zivukie, na atomi za kaboni zilizobaki zipangiliwe upya, ambazo zinaweza pia kupata sampuli za graphene zenye sifa nzuri.
Graphene ni nyenzo mpya yenye sifa za kipekee: upitishaji wake wa umeme ni bora kama shaba, na upitishaji wake wa joto ni bora kuliko nyenzo yoyote inayojulikana. Ni wazi sana. Sehemu ndogo tu (2.3%) ya mwanga unaoonekana wima utafyonzwa na graphene, na mwanga mwingi utapita. Ni mnene sana kiasi kwamba hata atomi za heliamu (molekuli ndogo zaidi za gesi) haziwezi kupita. Sifa hizi za kichawi hazirithiwi moja kwa moja kutoka kwa grafiti, bali kutoka kwa mechanics ya quantum. Sifa zake za kipekee za umeme na macho huamua kuwa zina matarajio mapana ya matumizi.
Ingawa graphene imeonekana kwa chini ya miaka kumi tu, imeonyesha matumizi mengi ya kiufundi, ambayo ni nadra sana katika nyanja za fizikia na sayansi ya nyenzo. Inachukua zaidi ya miaka kumi au hata miongo kadhaa kwa nyenzo za jumla kuhama kutoka maabara hadi maisha halisi. Matumizi ya graphene ni nini? Hebu tuangalie mifano miwili.
Elektrodi laini inayoonekana wazi
Katika vifaa vingi vya umeme, vifaa vya upitishaji umeme vinavyoonekana wazi vinahitaji kutumika kama elektrodi. Saa za kielektroniki, vikokotoo, televisheni, maonyesho ya fuwele za kioevu, skrini za kugusa, paneli za jua na vifaa vingine vingi haviwezi kuacha uwepo wa elektrodi zinazoonekana wazi. Elektrodi ya upitishaji umeme ya kitamaduni hutumia oksidi ya bati ya indiamu (ITO). Kwa sababu ya bei ya juu na usambazaji mdogo wa indium, nyenzo hiyo ni dhaifu na haina unyumbufu, na elektrodi inahitaji kuwekwa kwenye safu ya kati ya utupu, na gharama ni kubwa kiasi. Kwa muda mrefu, wanasayansi wamekuwa wakijaribu kupata mbadala wake. Mbali na mahitaji ya uwazi, upitishaji umeme mzuri na utayarishaji rahisi, ikiwa unyumbufu wa nyenzo yenyewe ni mzuri, itafaa kwa kutengeneza "karatasi ya kielektroniki" au vifaa vingine vya kuonyesha vinavyoweza kukunjwa. Kwa hivyo, unyumbufu pia ni jambo muhimu sana. Graphene ni nyenzo kama hiyo, ambayo inafaa sana kwa elektrodi zinazoonekana wazi.
Watafiti kutoka Chuo Kikuu cha Samsung na chengjuguan huko Korea Kusini walipata graphene yenye urefu wa mlalo wa inchi 30 kwa kutumia mvuke wa kemikali na kuihamisha kwenye filamu ya polyethilini tereftalati (PET) yenye unene wa mikroni 188 ili kutoa skrini ya kugusa inayotegemea graphene [4]. Kama inavyoonyeshwa kwenye mchoro ulio hapa chini, graphene iliyopandwa kwenye karatasi ya shaba huunganishwa kwanza na mkanda wa kuondoa joto (sehemu ya bluu inayong'aa), kisha karatasi ya shaba huyeyushwa kwa njia ya kemikali, na hatimaye graphene huhamishiwa kwenye filamu ya PET kwa kupasha joto.
Vifaa vipya vya kuingiza umeme kwa njia ya picha
Graphene ina sifa za kipekee sana za macho. Ingawa kuna safu moja tu ya atomi, inaweza kunyonya 2.3% ya mwanga unaotolewa katika safu nzima ya urefu wa wimbi kutoka mwanga unaoonekana hadi infrared. Nambari hii haina uhusiano wowote na vigezo vingine vya nyenzo vya graphene na imedhamiriwa na elektrodinamiki ya quantum [6]. Mwanga unaofyonzwa utasababisha uzalishaji wa vibebaji (elektroni na mashimo). Uzalishaji na usafirishaji wa vibebaji katika graphene ni tofauti sana na zile zilizo katika semiconductors za kitamaduni. Hii inafanya graphene kufaa sana kwa vifaa vya uanzishaji wa fotoelectric vya kasi ya juu. Inakadiriwa kuwa vifaa hivyo vya uanzishaji wa fotoelectric vinaweza kufanya kazi kwa masafa ya 500ghz. Ikiwa itatumika kwa uwasilishaji wa mawimbi, inaweza kusambaza sufuri bilioni 500 au moja kwa sekunde, na kukamilisha uwasilishaji wa yaliyomo kwenye diski mbili za miale ya Blu kwa sekunde moja.
Wataalamu kutoka Kituo cha Utafiti cha IBM Thomas J. Watson nchini Marekani wametumia graphene kutengeneza vifaa vya kuingiza umeme vinavyoweza kufanya kazi kwa masafa ya 10GHz [8]. Kwanza, vipande vya graphene vilitayarishwa kwenye substrate ya silicon iliyofunikwa na silika yenye unene wa nm 300 kwa "njia ya kurarua mkanda", na kisha elektrodi za dhahabu za palladium au titani zenye muda wa mikroni 1 na upana wa nm 250 zilitengenezwa juu yake. Kwa njia hii, kifaa cha kuingiza umeme kinachotegemea graphene kinapatikana.
Mchoro wa kimfumo wa vifaa vya uanzishaji wa fotoelectric vya grafini na picha za darubini ya elektroni ya kuchanganua (SEM) za sampuli halisi. Mstari mfupi mweusi kwenye mchoro unalingana na mikroni 5, na umbali kati ya mistari ya chuma ni mikroni moja.
Kupitia majaribio, watafiti waligundua kuwa kifaa hiki cha kuingiza umeme cha graphene cha chuma kinaweza kufikia masafa ya kufanya kazi ya 16ghz kwa kiwango cha juu, na kinaweza kufanya kazi kwa kasi ya juu katika safu ya urefu wa wimbi kuanzia 300 nm (karibu na urujuanimno) hadi mikroni 6 (infrared), huku bomba la kawaida la kuingiza umeme wa foto haliwezi kujibu mwanga wa infrared kwa urefu wa wimbi mrefu. Masafa ya kufanya kazi ya vifaa vya kuingiza umeme vya graphene bado yana nafasi nzuri ya kuboreshwa. Utendaji wake bora unaifanya iwe na matarajio mbalimbali ya matumizi, ikiwa ni pamoja na mawasiliano, udhibiti wa mbali na ufuatiliaji wa mazingira.
Kama nyenzo mpya yenye sifa za kipekee, utafiti kuhusu matumizi ya graphene unaibuka mmoja baada ya mwingine. Ni vigumu kwetu kuorodhesha hapa. Katika siku zijazo, kunaweza kuwa na mirija ya athari ya shambani iliyotengenezwa kwa graphene, swichi za molekuli zilizotengenezwa kwa graphene na vigunduzi vya molekuli vilivyotengenezwa kwa graphene katika maisha ya kila siku… Graphene ambayo hutoka polepole kutoka maabara itang'aa katika maisha ya kila siku.
Tunaweza kutarajia kwamba idadi kubwa ya bidhaa za kielektroniki zinazotumia graphene zitaonekana hivi karibuni. Fikiria jinsi ingekuwa ya kuvutia ikiwa simu zetu mahiri na netbooks zingeweza kukunjwa, kubanwa masikioni mwetu, kujazwa mifukoni mwetu, au kuzungushwa kwenye vifundo vyetu vya mikono wakati hazitumiki!
Muda wa chapisho: Machi-09-2022