Kaj je grafen in kaj lahko naredi?

Če ste bili v zadnjem desetletju blizu znanstvene revije, boste naleteli na neko obliko presežnika grafena – dvodimenzionalnega čudežnega materiala, ki obljublja, da bo spremenil vse od računalništva do biomedicine.

O aplikacijah grafena je veliko navdušenja, zahvaljujoč peščici izjemnih lastnosti. Je 1 milijon-krat tanjši od človeških las, vendar 200-krat močnejši od jekla. Je prilagodljiv, vendar lahko deluje kot popolna ovira in je odličen prevodnik električne energije. Vse to združite in dobite material z množico potencialno revolucionarnih aplikacij.

Kaj je grafen?

Grafen je ogljik, vendar v mrežasti satja debeline enega atoma. Če se vrnete v svoje stare lekcije kemije, se boste spomnili, da imajo materiali, ki so v celoti sestavljeni iz ogljika, lahko drastično različne lastnosti, odvisno od tega, kako so razporejeni atomi (različni alotropi). Grafit v svinčniku je na primer mehak in temen v primerjavi s trdim in prozornim diamantom v vašem zaročnem prstanu. Ogljikove strukture, ki jih ustvari človek, se ne razlikujejo; Buckminsterfulleren v obliki krogle deluje drugače kot zvite razporeditve ogljikovih nanocevk.

Grafen je sestavljen iz plošče ogljikovih atomov v šesterokotni mreži. Od zgoraj naštetega je po obliki najbližji grafitu, a medtem ko je ta material izdelan iz dvodimenzionalnih listov ogljika, ki jih plast na plast držijo šibke medmolekularne vezi, je grafen debel le en list. Če bi lahko iz grafita odluščili en sam atom visoko plast ogljika, bi imeli grafen.

Zaradi šibkih medmolekularnih vezi je grafit videti mehak in luskast, vendar so ogljikove vezi same robustne. To pomeni, da je pločevina, sestavljena izključno iz teh ogljikovih vezi, močna – približno 200-krat večja od najmočnejšega jekla, hkrati pa je prožna in prozorna.

O grafenu so teoretizirali že dolgo časa in so ga po naključju proizvajali v majhnih količinah, dokler ljudje uporabljajo grafitne svinčnike. Njegova glavna izolacija in odkritje pa je vezano na delo Andreja Geima in Konstantina Novoselova leta 2014 na Univerzi v Manchestru. Dva znanstvenika naj bi izvedla "poskuse v petek zvečer", kjer bi testirala ideje zunaj svojih dnevnih delovnih mest. Med enim od teh sej so raziskovalci uporabili škotski trak, da so odstranili tanke plasti ogljika iz grude grafita. Ta pionirska raziskava je na koncu privedla do komercialne proizvodnje grafena.

Potem ko sta leta 2010 prejela Nobelovo nagrado za fiziko, sta Geim in Novoselov podarila razdeljevalnik traku Nobelovemu muzeju.

Za kaj se lahko uporablja grafen?

Pomembna stvar je, da znanstveniki razvijajo vse vrste materialov, ki temeljijo na grafenu. To pomeni, da je verjetno bolje razmišljati o "grafenih", na enak način, kot bi razmišljali o plastiki. V bistvu ima pojav grafena možnost, da privede do povsem nove kategorije materiala, ne le do enega novega materiala.

Glej sorodno Kaj je turbulenca? Odkrivanje enega od vprašanj fizike za milijon dolarjev Na Zemlji so poustvarili diamantni dež, ki ga najdemo na Uranu – in lahko bi pomagal rešiti našo naraščajočo energijsko krizo. Kvantno računalništvo je polnoletno

Kar zadeva aplikacije, se raziskave izvajajo na tako obsežnih področjih, kot sta biomedicina in elektronika do zaščite pridelkov in embalaže hrane. Zmožnost spreminjanja površinske lastnosti grafena bi na primer lahko naredila izjemen material za dostavo zdravil, medtem ko bi prevodnost in prožnost materiala lahko napovedala novo generacijo vezij za zaslon na dotik ali zložljivih nosljivih naprav.

Dejstvo, da je grafen sposoben tvoriti popolno oviro za tekočine in pline, pomeni, da se lahko uporablja tudi z drugimi materiali za filtriranje poljubnega števila spojin in elementov – vključno s helijem, ki je izjemno težko blokiran plin. To ima vrsto aplikacij, ko gre za industrijo, lahko pa se izkaže tudi za zelo koristno za okoljske potrebe v zvezi s filtracijo vode.

Večnamenske lastnosti grafena odpirajo vrata za ogromno uporab kompozitov. Čeprav je bilo veliko razmišljanja o tem, kako lahko spodbudi že obstoječe tehnologije, bo nenehen napredek na tem področju sčasoma pripeljal do povsem novih področij, ki bi bila prej nemogoča. Ali bi lahko videli, da se bo pojavil povsem nov razred vesoljske tehnike? Kaj pa optični vsadki razširjene resničnosti? Po videzu je 21. stoletje, ko bomo izvedeli.