Ce este mai subțire decât un fir de păr, dar mai puternic decât oțelul?

Imaginați-vă un material mai puternic decât oțelul, mai transparent decât sticla și mai subțire decât un fir de păr uman. Sugestie: nu este kryptonită. Aida Rafat, un inginer asistent la ConocoPhillips care a câștigat finala din Qatar a concursului nostru internațional de comunicare științifică FameLab, explică.

Ce este grafenul?

Este cel mai extraordinar material care, în teorie, ar trebui să fie science fiction. Are nenumărate aplicații și proprietăți fenomenale și i-a entuziasmat foarte tare pe oamenii de știință.

Această substanță minune bidimensională provine dintr-o sursă simplă. Grafenul este componenta de bază a grafitului, o formă fundamentală de carbon și un mineral abundent. Grafitul este alcătuit din mii de straturi de grafen care sunt stivuite unul peste altul. Îl cunoaștem sub denumirea de mină de creion. Deci, din punct de vedere tehnic, fiecare persoană care a trasat vreodată o linie cu un creion a făcut grafenă.

Cum au descoperit-o oamenii de știință?

Din întâmplare. Și totul a fost datorită benzii adezive. În 2004, doi cercetători de la Universitatea din Manchester, Andre Geim și Kostantin Novoselov, lucrau în laborator. Ei cercetau proprietățile electrice ale grafitului și au decis să folosească bandă adezivă pentru a vedea dacă pot desprinde fulgi mai subțiri. Aceștia au continuat să desprindă din ce în ce mai multe straturi de pe fulgul de grafit despicat inițial, până când și-au dat seama că au ajuns la un strat gros de un singur atom. Ceea ce creaseră era grafenul, iar mai târziu au câștigat Premiul Nobel pentru fizică din 2010 pentru descoperirea lor.

Ce face grafenul atât de special?

Grafenul are proprietăți mecanice, electrice, termice și optice uimitoare și unice.

În primul rând, este puternic. Oamenii obișnuiau să creadă că materialele bidimensionale se vor destrăma pur și simplu. Dar, de fapt, grafenul este cel mai puternic material care a fost testat vreodată: de aproximativ 200 de ori mai puternic decât oțelul. Un hamac realizat dintr-un metru pătrat de grafenă ar susține greutatea unei pisici voinicești de patru kilograme, dar ar cântări doar cât una dintre mustățile pisicii, 0,77 mg (de aproximativ 100.000 de ori mai ușor decât un metru pătrat de hârtie).

În al doilea rând, în ciuda rezistenței sale extraordinare, grafenul își păstrează flexibilitatea și elasticitatea. Îl puteți îndoi și este transparent: ambele caracteristici foarte importante în electronică, deoarece înseamnă că l-ați putea folosi pentru a realiza ecrane tactile flexibile și transparente pentru calculatoare și dispozitive mobile.

În al treilea rând, conduce electricitatea în mod strălucit. De fapt, electronii se deplasează mai repede prin grafenă decât prin orice alt material testat. Oamenii de știință pot „dopa” grafenul prin adăugarea sau eliminarea chimică de electroni în el. Cu cât i se adaugă mai mulți electroni, cu atât mai mult curent poate produce. Grafenul ‘dopat’ ar putea fi chiar mai bun la conducerea electricității decât cuprul.

În al patrulea rând, grafenul este super-impermeabil, astfel încât nici cele mai mici molecule, cum ar fi heliul, nu pot pătrunde în el. Aceasta ar putea fi o caracteristică foarte importantă, deoarece ne-ar permite să folosim grafenul pentru a separa lichidele și gazele.

Ce este diferit în structura grafenului?

Grafenul are o structură foarte unică, ca o rețea în formă de fagure de miere de atomi de carbon. Ceea ce este neobișnuit este modul în care acești atomi interacționează unii cu alții.

Un atom de carbon are șase electroni, dintre care patru se află în învelișul său exterior, gata să se lege cu alți atomi pentru a forma molecule. Dar în grafenă, doar trei dintre acești electroni se leagă strâns de atomii vecini, creând o legătură extrem de puternică și strânsă. Cel de-al patrulea electron rămâne nelegat. Acești electroni nelegate se comportă foarte diferit de obicei. Ei se comportă ca niște particule de lumină, sau fotoni, și de fapt se deplasează cu viteza luminii deasupra foii de grafenă, conferind grafenului proprietățile sale electrice fenomenale.

Cum arată grafenul?

Nu putem vedea grafenul cu ochiul liber. Este cel mai subțire material descoperit vreodată. O foaie de grafenă este de 1.000 de ori mai subțire decât un fir de păr uman. De fapt, oamenii de știință care l-au descoperit au reușit să vadă fulgii de grafenă doar pentru că i-au așezat pe o placă de oxid de siliciu. Dacă ar fi folosit un alt material, poate că nici nu l-ar fi văzut.

Grafenul este deja folosit pentru ceva?

Multe companii mari, precum IBM și Samsung, investighează îndeaproape grafenul. Una dintre principalele provocări cu care se confruntă industria electronică în acest moment este faptul că depășim limitele tranzistoarelor de siliciu (care amplifică și conduc semnale electrice). Cu alte cuvinte, cum putem face tranzistori de siliciu din ce în ce mai mici, astfel încât companiile să poată produce telefoane inteligente, tablete și computere mai subțiri, dar mai puternice?

Problema este că am atins deja limita a ceea ce putem face cu tranzistorii de siliciu. Pur și simplu nu le putem face mai mici. Cu toate acestea, cu grafenul, există un mare potențial de a merge mai departe și chiar de a realiza ecrane tactile și electronice transparente.

Nu este vorba doar de computere. Una dintre aplicațiile comerciale actuale care încorporează grafenul este o rachetă de tenis de la o companie numită HEAD. Racheta pare a fi mult mai puternică și mult mai ușoară – două lucruri esențiale pe care trebuie să le aibă o rachetă de tenis ideală!

La ce altceva ar mai putea fi folosit grafenul în viitor?

Industria transporturilor ar putea amesteca grafenul cu un material compozit existent, pentru a face avioane și mașini mai rezistente și mai ușoare. Datorită impermeabilității sale, grafenul ar fi, de asemenea, un material de acoperire excelent pentru a rezista la coroziune.

Puneți un strat de grafen pe plastic și veți obține un plastic conductiv electric. Sau o companie de electronice ar putea profita de flexibilitatea grafenei și să o folosească pentru a face o tabletă pe care ați putea-o împături ca pe un ziar sau un telefon inteligent micuț pe care l-ați putea lipi de tricou.

Grafena poate îmbunătăți dramatic durata de viață a unei baterii tradiționale cu litiu, micșorând semnificativ timpul de încărcare. Poate fi folosit pentru a stoca energia solară sau pentru a face supercondensatoare (baterii gigantice folosite în mașinile electrice și în lifturi).

Științii vorbesc, de asemenea, despre utilizarea filtrelor de grafen pentru desalinizare, pentru a transforma apa de mare în apă potabilă și ca sistem de eliberare a medicamentelor pentru tratarea cancerului.

Grafenul este brevetat?

Brevetul grafenului este unul dintre cele mai aprinse subiecte dezbătute în știință. Grafenul în sine nu poate fi brevetat, deoarece este derivat din carbon – un material natural. Mai mult, oamenii de știință știau despre grafene încă din secolul al XX-lea, doar că nu știau cum să îl izoleze.

Cu toate acestea, multe organizații au brevetat dispozitive și procese de producere a grafenei. Nu știu dacă cei doi oameni de știință care au descoperit grafenul s-au îmbogățit ca urmare. Dar au devenit extrem de faimoși și au câștigat Premiul Nobel. Lucrarea lor științifică despre descoperirea revoluționară a grafenului a fost publicată în cele din urmă în revista Science, iar lucrarea în sine a fost inclusă în topul celor mai citate 100 de lucrări din toate timpurile. Aceasta este o realizare la care visează orice cercetător științific.

Aida Rafat este inginer asistent la ConocoPhillips. O puteți urmări cum concurează în finala internațională FameLab pe 8-9 iunie 2016.