Mi vékonyabb, mint egy hajszál, mégis erősebb, mint az acél?

Képzelj el egy olyan anyagot, amely erősebb, mint az acél, átlátszóbb, mint az üveg, és vékonyabb, mint egy emberi hajszál. Tipp: ez nem kriptonit. Aida Rafat, a ConocoPhillips mérnökasszisztense, aki megnyerte a FameLab nemzetközi tudományos kommunikációs versenyünk katari döntőjét, elmagyarázza.

Mi az a grafén?

Ez a legkülönlegesebb anyag, amelynek elméletileg sci-finek kellene lennie. Számtalan alkalmazása és fenomenális tulajdonsága van, és nagyon izgatottá tette a tudósokat.

Ez a kétdimenziós csodaanyag egyszerű forrásból származik. A grafén a grafit alapvető építőköve, a szén egyik alapvető formája és egy bőségesen előforduló ásvány. A grafit több ezer egymásra rakott grafénrétegből áll. Ceruzaólomként ismerjük. Tehát technikailag minden ember, aki valaha is rajzolt egy vonalat ceruzával, grafént készített.

Hogyan fedezték fel a tudósok?

Véletlenül. És mindezt a ragasztószalagnak köszönhetően. Még 2004-ben a Manchesteri Egyetem két kutatója, Andre Geim és Kostantin Novoselov dolgozott a laborban. A grafit elektromos tulajdonságait vizsgálták, és úgy döntöttek, hogy ragasztószalagot használnak, hogy lássák, le tudják-e hámozni a vékonyabb pelyheket. Egyre több és több réteget hámoztak le az eredetileg hasított grafitpehelyről, mígnem rájöttek, hogy végül egyetlen atom vastagságú réteghez jutottak. Amit létrehoztak, az a grafén volt, és felfedezésükért később elnyerték a 2010-es fizikai Nobel-díjat.

Mitől olyan különleges a grafén?

A grafén elképesztő és egyedülálló mechanikai, elektromos, termikus és optikai tulajdonságokkal rendelkezik.

Először is, erős. Az emberek régebben azt hitték, hogy a kétdimenziós anyagok egyszerűen szétesnek. De valójában a grafén a valaha tesztelt legerősebb anyag: körülbelül 200-szor erősebb, mint az acél. Az egy négyzetméternyi grafénból készült függőágy egy vaskos, négykilós macska súlyát is elbírná, de súlya csak annyi lenne, mint a macska egyik bajuszszála, 0,77 mg (körülbelül 100 000-szer könnyebb, mint egy négyzetméternyi papír).

Második: óriási ereje ellenére a grafén megőrzi rugalmasságát és rugalmasságát. Hajlítható, és átlátszó: mindkettő nagyon fontos tulajdonság az elektronikában, mivel ez azt jelenti, hogy hajlítható, átlátszó érintőképernyőket készíthetünk belőle számítógépek és mobileszközök számára.

Harmadszor, kiválóan vezeti az elektromosságot. Valójában az elektronok gyorsabban mozognak a grafénen keresztül, mint bármely más vizsgált anyagon keresztül. A tudósok úgy tudják a grafént “doppingolni”, hogy kémiai úton elektronokat adnak hozzá vagy távolítanak el belőle. Minél több elektront adnak hozzá, annál több áramot tud termelni. A “dópolt” grafén még a réznél is jobban vezetheti az áramot.

Negyedszer, a grafén szuperáteresztő, így még a legkisebb molekulák, például a hélium sem tudnak bejutni bele. Ez egy nagyon fontos tulajdonság lehet, mivel lehetővé tenné, hogy a grafént folyadék és gáz szétválasztására használjuk.

Miben más a grafén szerkezete?

A grafénnek nagyon egyedi szerkezete van, olyan, mint a szénatomok méhsejtszerkezetű rácsa. Ami szokatlan, az az, hogy ezek az atomok hogyan lépnek kölcsönhatásba egymással.

Egy szénatomnak hat elektronja van, amelyek közül négy a külső héján helyezkedik el, készen arra, hogy más atomokhoz kapcsolódva molekulákat alkosson. A grafénben azonban ezek közül csak három elektron kötődik szorosan a szomszédos atomokhoz, rendkívül erős és szoros kötést létrehozva. A negyedik elektron nem kötődik. Ezek a nem kötött elektronok a megszokottól nagyon eltérően viselkednek. Úgy viselkednek, mint a fényrészecskék, vagyis a fotonok, és valójában fénysebességgel mozognak a grafénlap felett, ez adja a grafén fenomenális elektromos tulajdonságait.

Milyen a grafén?

A grafént szabad szemmel nem látjuk. Ez a valaha felfedezett legvékonyabb anyag. Egy grafénlap 1000-szer vékonyabb, mint egy emberi hajszál. Valójában a tudósok, akik felfedezték, csak azért voltak képesek látni a grafénpelyheket, mert szilícium-oxidból készült ostyára helyezték őket. Ha más anyagot használtak volna, talán nem is látták volna.

A grafént már használják valamire?

Már számos nagyvállalat, például az IBM és a Samsung is szorosan vizsgálja a grafént. Az elektronikai ipar előtt álló egyik fő kihívás jelenleg az, hogy a szilícium tranzisztorok (amelyek erősítik és vezetik az elektromos jeleket) határait feszegetjük. Más szóval, hogyan tudunk egyre kisebb és kisebb szilícium tranzisztorokat készíteni, hogy a cégek vékonyabb, mégis nagyobb teljesítményű okostelefonokat, táblagépeket és számítógépeket gyárthassanak?

A probléma az, hogy már elértük a határt, amit a szilícium tranzisztorokkal megtehetünk. Egyszerűen nem tudjuk őket kisebbé tenni. A grafénnel azonban nagy lehetőségek vannak arra, hogy tovább menjünk, és akár átlátszó érintőképernyőket és elektronikát is készíthessünk.

Nem csak a számítógépekről van szó. A grafén beépítésének egyik jelenlegi kereskedelmi alkalmazása a HEAD nevű cég teniszütője. Úgy tűnik, hogy az ütő sokkal erősebb és sokkal könnyebb – két alapvető dolog, ami egy ideális teniszütőhöz kell!

Mire lehetne még használni a grafént a jövőben?

A közlekedési iparban a grafént egy meglévő kompozit anyaggal keverhetnék, hogy erősebb és könnyebb repülőgépeket és autókat készítsenek. Áthatolhatatlansága miatt a grafén kiváló bevonóanyag is lehetne a korróziónak való ellenálláshoz.

Tegyünk egy réteg grafént a műanyagra, és máris elektromosan vezető műanyagot kapunk. Vagy egy elektronikai vállalat kihasználhatná a grafén rugalmasságát, és készíthetne belőle egy olyan táblagépet, amelyet újságpapírként hajtogathatnánk össze, vagy egy apró okostelefont, amelyet a pólónkra ragaszthatnánk.

A grafén drámaian javíthatja a hagyományos lítium akkumulátorok élettartamát, jelentősen csökkentve a töltési időt. Használható napenergia tárolására, vagy szuperkondenzátorok (elektromos autókban és liftekben használt óriás akkumulátorok) készítésére.

A tudósok arról is beszélnek, hogy a grafénszűrőket sótalanításhoz használják, hogy a tengervizet ivóvízzé alakítsák, és gyógyszerhordozó rendszerként a rák kezelésére.

A grafén szabadalmaztatható?

A grafén szabadalmaztatása a tudomány egyik legforróbb vitatott témája. Maga a grafén nem szabadalmaztatható, mivel szénből – egy természetben előforduló anyagból – származik. Ráadásul a tudósok már a 20. század óta tudnak a grafénről, csak azt nem tudták, hogyan izolálják.

Mégis számos szervezet szabadalmaztatott graféneszközöket és grafén előállítására szolgáló eljárásokat. Nem tudom, hogy a két tudós, aki felfedezte a grafént, meggazdagodott-e emiatt. De rendkívül híresek lettek, és elnyerték a Nobel-díjat. A grafén úttörő felfedezéséről szóló tudományos cikküket végül a Science-ben publikálták, és maga a cikk minden idők 100 legtöbbet idézett cikke között szerepelt. Erről az eredményről minden tudományos kutató álmodik.

Aida Rafat a ConocoPhillips segédmérnöke. A 2016. június 8-9-én megrendezésre kerülő nemzetközi FameLab-döntőn láthatjátok őt versenyezni.