Co jest cieńsze od włosa, ale mocniejsze od stali?

Wyobraź sobie materiał, który jest mocniejszy niż stal, bardziej przezroczysty niż szkło i cieńszy niż ludzki włos. Podpowiedź: to nie jest kryptonit. Aida Rafat, asystentka inżyniera w ConocoPhillips, która wygrała katarski finał naszego międzynarodowego konkursu komunikacji naukowej FameLab, wyjaśnia.

Czym jest grafen?

To najbardziej niezwykły materiał, który w teorii powinien być science fiction. Ma niezliczone zastosowania i fenomenalne właściwości, a naukowcy są nim bardzo podekscytowani.

Ta dwuwymiarowa cudowna substancja pochodzi z prostego źródła. Grafen jest podstawowym budulcem grafitu, fundamentalnej formy węgla i obficie występującego minerału. Grafit jest zbudowany z tysięcy warstw grafenu, które są ułożone jedna na drugiej. Znamy go jako ołówek do ołówków. Tak więc technicznie rzecz biorąc, każda osoba, która kiedykolwiek narysowała linię ołówkiem, stworzyła grafen.

Jak naukowcy go odkryli?

Przez przypadek. A wszystko za sprawą taśmy klejącej. W 2004 roku dwaj naukowcy z Uniwersytetu w Manchesterze, Andre Geim i Kostantin Novoselov, pracowali w laboratorium. Badali oni właściwości elektryczne grafitu i postanowili użyć taśmy klejącej, aby sprawdzić, czy uda im się oderwać cieńsze płatki. Z pierwotnie rozciętego płatka grafitu odrywali coraz więcej warstw, aż w końcu zdali sobie sprawę, że uzyskali warstwę o grubości jednego atomu. To, co stworzyli, to grafen, a za swoje odkrycie otrzymali później Nagrodę Nobla z fizyki w 2010 roku.

Co sprawia, że grafen jest tak wyjątkowy?

Grafen ma niesamowite i unikalne właściwości mechaniczne, elektryczne, termiczne i optyczne.

Po pierwsze, jest wytrzymały. Ludzie zwykli myśleć, że dwuwymiarowe materiały po prostu się rozpadną. Ale w rzeczywistości grafen jest najmocniejszym materiałem, jaki kiedykolwiek został przetestowany: około 200 razy mocniejszy niż stal. Hamak wykonany z jednego metra kwadratowego grafenu utrzymałby ciężar grubego, czterokilogramowego kota, ale ważyłby tylko tyle, ile jeden z jego wąsów – 0,77 mg (około 100 000 razy lżejszy niż jeden metr kwadratowy papieru).

Po drugie, pomimo swojej ogromnej wytrzymałości, grafen zachowuje elastyczność i sprężystość. Można go zginać i jest przezroczysty: obie te cechy są bardzo ważne w elektronice, ponieważ oznacza to, że można go wykorzystać do produkcji zginanych, przezroczystych ekranów dotykowych dla komputerów i urządzeń mobilnych.

Po trzecie, doskonale przewodzi prąd. W rzeczywistości elektrony poruszają się przez grafen szybciej niż przez jakikolwiek inny testowany materiał. Naukowcy mogą „dope” grafen przez chemiczne dodawanie lub usuwanie elektronów do niego. Im więcej elektronów zostanie do niego dodanych, tym większy prąd może wytworzyć. Dopingowany” grafen może być nawet lepszy w przewodzeniu prądu niż miedź.

Po czwarte, grafen jest super nieprzepuszczalny, więc nawet najmniejsze cząsteczki, takie jak hel, nie mogą się do niego dostać. To może być bardzo ważna cecha, ponieważ pozwoli nam na wykorzystanie grafenu do oddzielenia cieczy od gazu.

Co jest innego w strukturze grafenu?

Grafen ma bardzo unikalną strukturę, jak plaster miodu z atomów węgla. Niezwykłe jest to, jak te atomy oddziałują ze sobą.

Atom węgla ma sześć elektronów, z których cztery znajdują się w jego zewnętrznej powłoce, gotowe do łączenia się z innymi atomami w celu tworzenia cząsteczek. Ale w grafenie, tylko trzy z tych elektronów ściśle wiążą się z sąsiednimi atomami, tworząc niezwykle silne i ścisłe wiązanie. Czwarty elektron pozostaje niezwiązany. Te niezwiązane elektrony zachowują się zupełnie inaczej niż zwykle. Zachowują się jak cząsteczki światła, czyli fotony, i faktycznie poruszają się z prędkością światła nad powierzchnią grafenu, nadając mu fenomenalne właściwości elektryczne.

Jak wygląda grafen?

Nie możemy zobaczyć grafenu gołym okiem. Jest to najcieńszy materiał, jaki kiedykolwiek odkryto. Arkusz grafenu jest 1000 razy cieńszy niż ludzki włos. W rzeczywistości naukowcy, którzy go odkryli, byli w stanie zobaczyć płatki grafenu tylko dlatego, że umieścili je na płytce z tlenku krzemu. Gdyby użyli innego materiału, mogliby go nawet nie zobaczyć.

Czy grafen jest już do czegoś wykorzystywany?

Wiele dużych firm, takich jak IBM i Samsung, dokładnie bada grafen. Jednym z głównych wyzwań stojących obecnie przed przemysłem elektronicznym jest to, że przesuwamy granice możliwości krzemowych tranzystorów (które wzmacniają i przewodzą sygnały elektryczne). Innymi słowy, jak możemy tworzyć coraz mniejsze tranzystory krzemowe, aby firmy mogły produkować cieńsze, a jednocześnie bardziej wydajne smartfony, tablety i komputery?

Problem polega na tym, że osiągnęliśmy już limit tego, co możemy zrobić z tranzystorami krzemowymi. Po prostu nie możemy ich zmniejszyć. Jednakże, z grafenem istnieje wielki potencjał, aby pójść dalej, a nawet stworzyć przezroczyste ekrany dotykowe i elektronikę.

Nie chodzi tylko o komputery. Jednym z obecnych komercyjnych zastosowań grafenu jest rakieta tenisowa firmy o nazwie HEAD. Rakieta wydaje się być znacznie mocniejsza i lżejsza – dwie istotne rzeczy, które powinna posiadać idealna rakieta tenisowa!

Do czego jeszcze grafen może być wykorzystany w przyszłości?

Przemysł transportowy mógłby zmieszać grafen z istniejącymi materiałami kompozytowymi, aby stworzyć mocniejsze, lżejsze samoloty i samochody. Ze względu na swoją nieprzepuszczalność, grafen byłby również doskonałym materiałem powłokowym, odpornym na korozję.

Nakładając warstwę grafenu na plastik, otrzymamy plastik przewodzący prąd elektryczny. Firma elektroniczna mogłaby wykorzystać elastyczność grafenu do stworzenia tabletu, który można by złożyć jak gazetę, lub małego smartfona, który można by przykleić do koszulki.

Grafen może radykalnie poprawić żywotność tradycyjnej baterii litowej, skracając znacznie czas ładowania. Może być wykorzystany do przechowywania energii słonecznej lub do produkcji superkondensatorów (gigantycznych baterii używanych w samochodach elektrycznych i windach).

Naukowcy mówią również o zastosowaniu filtrów grafenowych do odsalania wody, do przekształcania wody morskiej w wodę pitną oraz jako system dostarczania leków w leczeniu raka.

Czy grafen jest opatentowany?

Opatentowanie grafenu jest jednym z najgoręcej dyskutowanych tematów w nauce. Sam grafen nie może być opatentowany, ponieważ pochodzi z węgla – naturalnie występującego materiału. Co więcej, naukowcy wiedzieli o grafenie od XX wieku, nie wiedzieli tylko, jak go wyizolować.

Jednakże wiele organizacji opatentowało urządzenia grafenowe i procesy wytwarzania grafenu. Nie wiem, czy dwaj naukowcy, którzy odkryli grafen, wzbogacili się dzięki temu. Ale stali się niezwykle sławni i otrzymali Nagrodę Nobla. Ich praca naukowa o przełomowym odkryciu grafenu została w końcu opublikowana w Science, a sama praca znalazła się na liście 100 najczęściej cytowanych prac wszech czasów. Jest to osiągnięcie, o którym marzy każdy badacz naukowy.

Aida Rafat jest asystentką inżyniera w ConocoPhillips. Możecie oglądać jej zmagania w międzynarodowych finałach FameLab w dniach 8-9 czerwca 2016 r.