Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →
Silniki wodorowe i superkamizelki kuloodporne, ultrakondensatory i procesory następnej generacji: nowa postać węgla może zrewolucjonizować te i wiele innych dziedzin technologii. Wszystko za sprawą tylko jednej warstwy atomów.
Węgiel to niezwykły pierwiastek. Jest podstawą całego życia, jakie znamy, oraz podstawą najbardziej rozwiniętej gałęzi chemii - chemii organicznej. W formie czystej może występować w przeróżnych postaciach - od czarnej sadzy poprzez szary grafit aż po przeźroczyste diamenty. Od wielu lat naukowcy tworzą jednak kolejne, zaskakujące postacie węgla, takie jak fulereny czy nanorurki, nanopianki czy nawet nanocebulki. Ostatnimi laty ogromny wysiłek kładzie się na badania nad nową formą węgla, blisko związaną z grafitem. Jak się wydaje, może ona zrewolucjonizować przemysł elektroniczny, motoryzacyjny, lotniczy, budownictwo i prawdopodobnie wiele innych dziedzin naszego życia.
Jedna warstwa atomów
Od dawna znana była budowa grafitu: dość luźno powiązane warstwy, podobne do plastrów miodu, bardzo silnie związanych atomów węgla. Podczas pisania ołówkiem na papierze zostawiają, między innymi, niewielkie fragmenty właśnie tych niezwykle cienkich, o grubości jednego atomu, warstw. Jednak dopiero w 2004 r. udało się mechanicznie oderwać taką jedną warstwę o stosunkowo dużych rozmiarach. Naukowcy błyskawicznie zdali sobie sprawę, że tak wytworzony nowy materiał posiada niesłychane własności. Nazwano go grafen.
Pomimo trudności z otrzymywaniem go na skalę przemysłową, uważa się grafen za potencjalny materiał przyszłości. Jest obecnie najbardziej wytrzymałym mechanicznie materiałem znanym ludzkości. Gdyby udało się stworzyć idealną, jednoatomową warstewkę grafenu, przykryć nią otwór wielkości kubka, to do jej przebicia przy pomocy gwoździa należałoby użyć siły tak dużej jak ciężar średniej wielkości samochodu. Grafen byłby zatem doskonały do tworzenia niezwykle cienkich i lekkich elementów samolotów, statków kosmicznych czy choćby superwytrzymałych, elastycznych kamizelek kuloodpornych.
Często rozważa się zastosowanie wodoru jako paliwa przyszłości w nowej generacji ekologicznych samochodów. W wyniku spalania wodoru powstaje jedynie para wodna, która nie stanowi żadnego zagrożenia dla środowiska. Niestety, wodór jest gazem bardzo niebezpiecznym i do jego przechowywania należy wykorzystywać szczególnie wytrzymałe materiały. Dziś jedynie grafen spełnia restrykcyjne wymogi bezpieczeństwa.
Grafen mógłby służyć do budowy nowych ultrakondensatorów. Ocenia się, że pojemność takich grafenowych kondensatorów mogłaby być co najmniej dwukrotnie większa niż tych obecnie produkowanych.
Elektryczne własności grafenu są jeszcze bardziej niezwykłe. Przewodnictwo może odbywać się w nim przy udziale zarówno elektronów, jak i dziur, co oznacza, że grafen jest półprzewodnikiem. Jednak jego przewodnictwo właściwe w temperaturze pokojowej jest większe nawet niż przewodnictwo właściwe srebra. Co więcej, grafen jest aktywny chemicznie i można go łączyć z innymi pierwiastkami, zmieniając jego własności elektryczne w bardzo szerokim zakresie.
W połączeniu z wodorem, grafen tworzy nowy materiał, zwany grafanem, będący doskonałym izolatorem.
Przyszły król szybkości
Właściwości te sprawiają, że grafen może być idealnym materiałem do produkcji nowej generacji niezwykle małych, elastycznych i wytrzymałych układów scalonych. Sugeruje się, że zastąpi w przyszłości krzem, który wykorzystuje się dziś w każdym urządzeniu elektronicznym. Jeśli utrzyma się obecne tempo rozwoju elektroniki i miniaturyzacji, to najprawdopodobniej około 2025 r. dojdziemy do granicy, której nie będzie można przekroczyć, używając dotychczasowych materiałów. Dlatego ogromne nadzieje pokłada się właśnie w grafenie.
W kwietniu 2008 r. zbudowano najmniejszy na świecie tranzystor na bazie grafenu. Miał on zaledwie 10 atomów szerokości. Inne materiały przestają być stabilne lub tracą własności elektryczne nawet przy znacznie większych rozmiarach. W grudniu doniesiono o zbudowaniu tranzystorów opartych na grafenie, których szybkość wynosiła 26 GHz, czyli kilka razy mniej niż szybkość tranzystorów opartych na krzemie i znacznie poniżej rekordu 1000 GHz tranzystorów zbudowanych z fosforku indu. Należy jednak pamiętać, że są to jedynie pierwsze, nieśmiałe wręcz próby i być może w niezbyt odległej przyszłości to właśnie grafen będzie królem szybkości. Jego dodatkowym atutem jest fakt, że elektrony w temperaturze pokojowej poruszają się w nim z zawrotną prędkością stanowiącą około 1/300 prędkości światła, podczas gdy w innych materiałach prędkości te są wielokrotnie mniejsze.
Niestety, proces mechanicznego oddzierania ultracienkich warstewek grafenu jest niezwykle kosztowny. Mikroskopijny płatek grafenu może kosztować nawet kilkaset dolarów, co oznacza, że jest on najdroższym materiałem na świecie. Chemiczne próby uzyskania odpowiednio czystego grafenu nie przynosiły rezultatu.
Ogromne nadzieje wiąże się jednak z niedawno odkrytą metodą. Gazowa mieszanka węglowodorów w zetknięciu z przegrzanym niklem osadza atomowy węgiel, który z kolei formuje się w grafen. Błyskawiczne chłodzenie zapewnia powstanie cienkich warstw tego materiału. Metoda ta pozwala tworzyć dość duże (nawet o powierzchni kilku centymetrów kwadratowych) jego płaty. Zachowują one doskonałe właściwości zarówno elektryczne, jak i mechaniczne. Co więcej, powierzchnię niklu można dość łatwo przygotować chemicznie, tak aby na warstwie grafenu odbił się odpowiedni wzór, tworząc podstawę np. układu scalonego. W taki sposób mogą powstawać niedrogie, bardzo wytrzymałe, elastyczne i przeźroczyste podzespoły elektroniczne.
Grafen i naukowcy
Oprócz niezwykłych parametrów fizycznych i chemicznych czyniących grafen materiałem, który ma szansę zrewolucjonizować przyszłość technologii, ma on też szereg niezwykłych własności ogromnie interesujących naukowców.
Do opisania zachowań elektronów w większości materiałów występujących na Ziemi, takich jak np. metale lub półprzewodniki, wystarczy "zwykła" fizyka kwantowa. Dopiero w warunkach ekstremalnych gęstości i temperatury należy wykorzystywać równania relatywistyczne (tzn. uwzględniające teorię względności Einsteina). Takie warunki występują zazwyczaj dopiero w egzotycznych obiektach astronomicznych, jak białe karły czy gwiazdy neutronowe. Jednak grafen również pod tym względem jest wyjątkowy. Elektrony efektywnie poruszają się w nim jak ultrarelatywistyczne cząstki bezmasowe (tzn. takie, dla których energia kinetyczna jest nieporównywalnie większa niż tzw. energia spoczynkowa
E = mc2, i dla których dominują efekty szczególnej teorii względności). Co więcej, oddziaływanie elektronów w grafenie z polem magnetycznym bardzo przypomina oddziaływania fotonów z polem grawitacyjnym. Ten niezwykły materiał może zostać zatem wykorzystany do badań laboratoryjnych nad właściwościami skrajnie astrofizycznych stanów materii. I to już w temperaturze pokojowej.
W naturze występuje kilka fundamentalnych stałych fizycznych, takich jak stała Plancka, prędkość światła czy ładunek elektronu. W bardzo wielu sytuacjach pojawia się ich bezwymiarowa (czyli taka, która nie zależy od wyboru układu jednostek) kombinacja, tak zwana stała struktury subtelnej, równa około 1/137. Stała ta określa między innymi siłę oddziaływania elektronów i fotonów, a jednocześnie jest to stosunek prędkości elektronu w modelu Bohra do prędkości światła. Okazuje się, że światło przechodząc przez jednoatomową warstwę grafenu traci około 2,3 procent, co stanowi mniej więcej ułamek równy stałej struktury subtelnej pomnożonej przez pi. Badanie pochłaniania światła przez grafen jest zatem najprostszą (choć mało dokładną) metodą wyznaczania wartości stałej struktury subtelnej.
***
W ciągu ostatnich lat praktycznie każdy tydzień przynosi nowe zaskakujące fakty dotyczące grafenu. Możemy być zatem pewni, że w ciągu kilku najbliższych lat powstanie wiele urządzeń na bazie tego niezwykłego materiału.
Chwilowo ogromną przeszkodą może być astronomiczny koszt stworzenia wystarczająco dużych płatków grafenu. Jednak również tutaj postęp jest niezwykle szybki i naukowcy z całą pewnością wkrótce odkryją wystarczająco tanie sposoby pozyskiwania grafenu i jego pochodnych do celów przemysłowych.
Być może już niebawem czeka nas kolejna rewolucja technologiczna. Znowu za sprawą węgla.
Dr TOMASZ ROMAŃCZUKIEWICZ jest fizykiem teoretykiem, pracuje na Uniwersytecie Jagiellońskim. Współautor "Tygodnikowego" blogu www.swiat-jaktodziala.blog.onet.pl
