Centar za edukaciju-BiH

Predmet:Grafen - materijal budućnosti

---

Provodi energiju bolje od bilo kojeg poznatog materijala. Tko bi ikad pomislio da je budućnost čovječanstva i nanotehnologija koje se svakodnevno primijenjuju, ni manje ni više, u običnim olovkama. Naime, znanstveno je dokazano da grafen, bliski srodnik grafita, predstavlja budućnost računala i energije.

Europska je unija upravo prije nekoliko tjedana odlučila uložiti milijardu eura u desetogodišnje istraživanje ovog materijala, za kojeg je vjerojatno da će zamijeniti silicij, upravo zahvaljujući vrlo velikoj vodljivosti. Štoviše, proces minijaturizacije, koji je vrlo važan za istraživanje mikročipova i tranzistora, u središte stavlja upravo ovaj element, koji može biti smanjen na veličinu atoma.

Andre Geim i Konstantin Novoselov, dobitnici Nobeove nagrade za fiziku 2010. godine, uočili su da se grafen sastoji od atoma ugljika međusobno vezanih samo na jednoj razini, te da može provoditi električnu i toplinsku energiju bolje i brže od bilo kojeg poznatog materijala. Gotovo je u potpunosti proziran i vrlo gust, lagan, fleksibilan i sto puta jači od čelika.

Grafen je dostupan u velikim količinama, ali kako bi ga se ekonomično pribavilo i stabiliziralo, potrebno je provesti dodatna istraživanja. Nakon što je jednom dobivena smjesa u prahu – što izgleda jednostavno – potrebno je grafen oblikovati u listove, što je puno teže. Nobelovci su potvrdili da je grafen u kristalnom obliku jedan od najskupljih materijala na svijetu. Utrka za patentiranje i pokušaji korištenja od strane brojnih američkih tvrtki pokazuju koliku je pozornost dobila tema grafena. Čini se da je budućnost još jednom zapisana olovkom.

Dvojci znanstvenika sa sveučilišta u Manchesteru dodijeljena je u utorak Nobelova nagrada za fiziku 2010. godine za istraživanje grafena.Nagradu su osvojili zahvaljujući jedinstvenom istraživanju grafena, lista ugljika debljine jednog atoma čija su svojstva (čvrstoća, fleksibilnost i jedinstvena električna vodljivost) otvorila posve nove horizonte za istraživanja kako na području čiste fizike tako i na području visoke tehnike.

Radi se o spomena vrijednoj Nobelovoj nagradi iz posve jednostavnog razloga: grafen bi mogao biti jedan od najsvestranijih materijala koji uistinu mnogo obećava. Nadalje, u njemu bi mogao ležati ključ konstrukcije majušnih računala, ali i baterija nevjerojatnog životnog vijeka. Svojstva grafena jednako su interesantna i fizičarima čvrstog stanja i inženjerima elektrotehnike iz cijelog niza razloga, od kojih je vjerojatno najvažnija mogućnost izrade sklopova koji će biti manji i brži od onih zasnovanih na siliciju.

O čemu se zapravo radi?
"Zamislite kristale debljine svega jednog atoma, dvodimenzionalne plohe atoma oguljene s površine konvencionalnih kristala", navodi Andre Geim, dobitnik Nobelove nagrade, u znanstvenom časopisu New Scientist. "Grafen je čvršći i krući od dijamanta, a opet ga se može rastegnuti za četvrtinu duljine, poput gume. Površina plohe grafena najpoznatija je po svojoj težini." Geim i njegov kolega Konstantin Novoselov, bivši asistent na postdoktorskom studiju, prvi puta su proizveli grafen još 2004. godine. Opetovanim guljenjem slojeva grafita pomoću ljepljive trake uspjeli su izolirati ploče debljine jednog atoma. Analiza čvrstoće, prozirnosti i svojstva vodljivosti objavljena je iste godine u znanstvenom časopisu Science.

Super-mali tranzistori
Tim znanstvenika iz Manchestera je 2008. godine uspio stvoriti nanometarski grafenski tranzistor, debljine jednog atoma i duljine deset atoma. To nije samo tranzistor manji od bilo kojeg zasnovanog na siliciju, Novoselov je tvrdio i kako se radi o apsolutnoj granici Mooreovog zakona koji propisuje odnos između smanjenja računalnih procesora i povećanja njihove brzine. "Gotovo da ne može manje od tog", Novoselova je izjava za znanstveni časopis Wired Science. "Sa stajališta fizike, grafen je poput rudnika zlata. Može ga se proučavati godinama."

Super-gusta pohrana podataka
Znanstvenici diljem svijeta već koriste grafen. Tim sa sveučilišta Rice konstruirao je novi uređaj zasnovan na grafenu, tip 'flash' memorije s mnogo većim kapacitetom i bržim radnim odlikama u odnosu na postojeću tehnologiju pohrane podataka. Dvojca su znanstvenika sa sveučilišta South Florida, ranije iste godine razvila tehnike usmjeravanja vodljivosti grafena pomoću kvazi-linijskih defekata.

Pohrana energije
Postoje i mnogobrojne primjene grafena kao tehnologije za pohranu energije. Tvrtka Graphene Energy iz Texasa koristi grafen za stvaranje novih ultrakondenzatora koji bi mogli pohraniti i razvoditi električnu struju. Razne tvrtke koje za proizvodnju nosive elektronike (odjeće koje može puniti električne uređaje) trenutačno koriste karbonske nanocijevi, počinju prelaziti na grafen jer je tanji, a obećava i potencijalno jeftiniju proizvodnju. Sve se više istraživanja počinje baviti razvojem bržih i jeftinijih načina masovne proizvodnje grafena.

Optički uređaji: solarne ćelije i fleksibilni zasloni osjetljivi na dodir
Tim znanstvenika sa sveučilišta Cambridge, u članku objavljenom u rujanskom izdanju znanstvenog časopisa Nature Photonics, kako najveći potencijal grafena zapravo leži u njegovoj sposobnosti provođenja svjetla jednako dobro kao i električne struje. Čvrst, fleksibilan i fotoosjetljiv grafen mogao bi potaknuti danji razvoj solarnih ćelija i LED tehnologije. Mogao bi poslužiti i u proizvodnji novih uređaja poput fleksibilnih zaslona osjetljivih na dodir, fotodetektora i ultrabrzih lasera. Nadalje, grafen bi mogao zamijeniti rijetke i skupe metale poput platine i indija pošto isti posao obavlja brže i učinkovitije, a značajno je jeftiniji.

Fizika visokoenergetskih čestica
Na području čiste znanosti, prema Geimu, grafen "omogućuje vršenje eksperimenata koji uključuju kvantne čestice velikih brzina, o kojima znanstvenici u CERN-u (u blizini Ženeve) mogu samo sanjati." Pošto je grafen gotovo dvodimenzionalan, elektroni se mogu kretati kroz njegovu mrežastu strukturu gotovo bez ikakvog otpora. U stvari, ponašaju se poput Heisenbergovih relativnih čestica, čija je masa mirovanja nula. Stvar je ipak nešto kompliciranija, ali ima brzo i prljavo objašnjenje. Želimo li masu u tradicionalnom smislu, predmeti moraju zauzimati neki volumen. Elektroni potisnuti kroz dvodimenzionalni grafen, nemaju ni jedno ni drugo. Drugim riječima, ista svojstva koja grafen čine toliko učinkovitim medijem za pohranu i prijenos energije govore i o osnovama prirode subatomskog svijeta.

---