Grafén - az a forradalmi anyag, amely átalakítja a 21. századot
Mi a grafén?
A grafén teljes egészében szénből, valamint a gyémántból és a szénből áll. Ezekkel az anyagokkal ellentétben a grafént alkotó szénatomok kétdimenziós "csíkokban" helyezkednek el, ezáltal ez az anyag rendkívül erős és rugalmas.
A grafén az eddig azonosított legvékonyabb anyag - a grafén "lap" csak egy atom vastagságú, ezért a tudósok szerint ez az első 2D anyag, amelyet az emberiség azonosított. A grafén jobb elektromos vezető, mint a réz, 300-szor erősebb, mint az acél, és egyedülálló optikai tulajdonságokkal rendelkezik. Továbbá, bár szinte átlátszó, a grafén annyira sűrű, hogy még a hélium, a legkisebb gázatom sem képes áthaladni rajta.
Rendkívül egyszerű az a módszer, amellyel Andre Geim és Kostya Novoselov grafént nyert: a Manchesteri Egyetem két kutatója ragasztószalagot ragasztott egy grafitdarabra, leválva róla a grafitpelyhes csík lehúzásával. Más ragasztószalagok segítségével egymást követő grafitrétegeket hámoztak le, elvékonyítva a pelyheket. Ezután a ragasztószalagot feloldottuk acetonban, és a kapott grafit réteget szilíciumlemezre ragasztottuk. Néhány pelyh, amelynek vastagsága csak egy atom, a szilíciumlemezhez rögzítve.
A grafit leginkább olyan anyagként ismert, amelyből a ceruza ólom készül, és amely egymásra helyezett szénrétegekből áll. A kutatók becslései szerint egy milliméter grafit körülbelül hárommillió grafénrétegből áll. A ceruzák fekete csíkot eredményeznek, amikor velük írnak, mert a súrlódás grafitpelyhek hámlásához vezet. Ezért Geim professzor kijelenti, hogy nagyon valószínű, hogy mindazok, akik valaha ceruzával írtak, grafént állítottak elő, az eredmény észrevétele nélkül.
Hogyan lehetne használni a grafént?
"A grafén kiváló tulajdonságai igazolják a" csodaanyag "becenevet" - mondta Kostya Novoselov professzor, aki először 2004-ben izolálta ezt az anyagot Andre Geimmel a Manchesteri Egyetemen.
A grafén rendkívüli tulajdonságai lehetővé teszik számtalan területen történő felhasználását. Geim professzor lehetetlennek tartja a legígéretesebb változás azonosítását, amelyet kiválthat. "A lehetséges felhasználások köre olyan széles és olyan ütemben növekszik, hogy az egyikre való összpontosítás a jelenlegi tudományos erőfeszítések mértékének alábecsülését jelentené" - mondta a Nobel-díjas.
Az elektronikában a grafén felhasználható ultragyors tranzisztorok, rugalmas kijelzők vagy LED-ek előállítására. Az anyag növelheti a lézerek és fotodetektorok hatékonyságát, és átalakíthatja az energiatermelés és -tárolás területeit, hozzájárulva számos eszköz, például akkumulátorok és napelemek módosításához. Emellett a grafén használata kompozit anyagokban javítaná a repülőgép szárnyainak szerkezetét, ami csökkentené súlyukat. Az orvostudományban a grafén felhasználható mesterséges szövetek és retinák megtervezésére, valamint gyógyszerek szállítására az őket igénylő szövetekbe.
"Az érintőképernyők, amelyek vezető elemként grafént tartalmaznak, üveg helyett nagyon vékony műanyagra nyomtathatók, így könnyűek és rugalmasak lennének. A mobiltelefonok olyan vékonyak lehetnek, mint egy papírlap, olyan könnyen hajlíthatók, hogy bármelyik zsebbe elférjenek. A grafén rendkívüli ellenállása miatt ezeket a telefonokat nagyon nehéz lenne megsemmisíteni "- magyarázzák az American Chemical Society szakemberei.
Supratik Guha, az IBM fizikai kutatási részlegének vezetője elmondta, hogy az amerikai vállalat szakemberei grafén alapú nagyfrekvenciás tranzisztorokon és eszközökön dolgoznak, amelyek az elektromágneses spektrum terahertz-tartományát használják. Ez az infravörös és mikrohullámú frekvencia között elhelyezkedő régió számos alkalmazást ígér az orvosi képalkotás és a rövid távú kommunikáció területén. A terahertz hullámok áthaladnak a műanyagokon és az élő szöveteken, de a tudósok mindeddig nem tudták kontrollálni őket. "A grafén segítségével modulálhatjuk és szabályozhatjuk a teraherczes sugárzást" - mondja Guha.
A grafén lehetővé teheti a könnyű és rugalmas napelemek tervezését is, amelyek az épületek összes külső felületét lefedhetik, nemcsak a tetőt. A grafén a hullámhossztól függetlenül csak az eljutó fény 2% -át veszi fel. Ez egyben nagyon jó elektromos vezető is. Így, ha egy fotovoltaikus cellát két grafénréteg közé helyezünk, a fény áthaladna a grafénon, és megérintené a fotovoltaikus cellát. Ez áramot termelne, amelyet grafénrétegek segítségével szállítanának. A kombináció lehetővé tenné olyan rugalmas napelemek létrehozását, amelyek számtalan módon felhasználhatók: autókon, ruhákon, táskákon, elektronikus eszközökön vagy bármilyen más, fény által érintett felületen. Tehát a grafénnek köszönhetően a napenergia sokkal könnyebben használható és elterjedtebbé válhat, mint azt ma el tudjuk képzelni.
Az orvostudomány egy másik terület, amelyet a grafén átalakítása ígér. Mivel ez az anyag vékony, rugalmas és ellenáll az élő szöveteket képező sós oldatoknak, a grafén ideális anyag a bionikus eszközök tervezéséhez. A fémes elemektől eltérően, amelyek csak néhány évet bírnak az emberi testben, a grafén eszközöket életre lehet használni. Továbbá, mivel a grafén elektromos vezető, fel lehet használni elektromos impulzusok továbbítására az idegsejtekre, lehetővé téve a megbénult emberek számára, hogy a gerincvelő sérülését okozó balesetet követően visszanyerjék a végtagok irányítását. Ugyanez a mechanizmus használható a mesterséges végtagok vezérlésére grafén segítségével elektromos jelek továbbítására motorokba, amelyek mozgásba hozzák őket.
A verseny a szabadalmakért és a rendkívüli grafénberuházásokért
A grafén rendkívüli lehetőségei arra ösztönözték a kormányokat és szervezeteket szerte a világon, hogy jelentős összegeket fektessenek be ennek az anyagnak a kutatásába, abból a vágyból, hogy ne hagyják ki a "grafén forradalmat". Andre Geim professzor becslése szerint évente több mint egymilliárd dollárt költenek a csodaanyagok kutatására.
A grafén felfedezése valóságos "szabadalmi versenyhez" vezetett a vállalatok, az egyetemek és más kutatóintézetek részéről. A CambridgeIP elemzése azt mutatja, hogy a 2012-ben bejegyzett grafén 7351 szabadalmi bejelentéséből 2204 szabadalom érkezett Kínából, 1754 az Egyesült Államokból és 1160 Dél-Korea. A legtöbb szabadalommal rendelkező cégek között van a Samsung 407-nel, az IBM pedig 134-tel. Európa azonban továbbra is kulcsszerepet játszik a grafén fejlesztésében. "Európa nem volt olyan agresszív a szabadalmak terén, de itt zajlanak a legfontosabb kutatások a területen" - mondta Luigi Colombo, grafénszakértő a Financial Timesnak.
Az Egyesült Királyság továbbra is a grafénkutatás központja akar maradni, ezért a sziget kormánya úgy döntött, hogy 61 millió fontot költenek a National Graphene Institute, egy nemzeti kutatóközpont létrehozására, amelyet 2015-ben nyitnak meg Manchesterben. Manchesterben azt állítja, hogy az intézet célja, hogy "a grafénkutatás világelső legyen". A Cambridge-i Egyetem sem maradt el, bejelentve, hogy megnyitja a Cambridge Graphene Center-t, amelybe 30 millió fontot fektetnek be.
Az Európai Unió nemrég bejelentette, hogy egymilliárd eurós projektet kíván finanszírozni a grafén és annak lehetséges felhasználásai számára, amelyet Jari Kinaret, a svédországi Göteborgi Chalmers Műszaki Egyetem professzora koordinál. "Úgy tekinthet erre a hatalmas alapra, mint arra, hogy ösztönözze a vállalatokat, hogy jobban vegyenek részt az európai egyetemek erőfeszítéseiben" - mondja Andre Geim.
Neelie Kroes, az Európai Bizottság alelnöke azt mondja: „A grafén története azt mutatja, hogy a tudományban még mindig vannak elképesztő dolgok. Ennek az anyagnak a felfedezése olyan volt, mint egy csoda. " "A ceruzahegy és a ragasztószalag segítségével felfedezett anyagból ma a grafén közel áll ahhoz, hogy új iparágat hozzon létre" - tette hozzá Kroes.
Kroes úgy véli, hogy ez az anyag a következő évtizedekben rendkívüli szerepet játszik az európai kontinens fejlődésében. Ezért az európai tisztviselő összehasonlítást indított a híres Szilícium-völggyel, a kaliforniai régióval, ahol számos sikeres technológiai vállalat (köztük az Apple, a Facebook vagy a Google) működik. "Hallottál már a Szilícium-völgyről? Európa azt akarja, hogy "Graphene Valley" néven ismerjék. "- mondta Kroes az európai tisztviselők közleményében a grafénkutatásba történő befektetésről. A kutatók azt várják, hogy a grafén a jövőben számos területen pótolja a szilíciumot.
A Nokia egyike annak a 74 európai vállalatnak, amelyek megalapítják a Graphene zászlóshajó konzorciumot, amelyhez az Európai Unió által felajánlott egymilliárd eurós alap jut. A finn vállalat által kidolgozott projektek között szerepel egy könnyebb és rendkívül tartós telefon, amely nem melegszik fel. Jani Kivioja, a Nokia Kutatóközpont egyik kutatója a rendkívüli anyag iránti széles körű lelkesedést magyarázza: „2006-ban kezdtünk dolgozni a grafénnel, azóta számos olyan területet azonosítottunk, ahol felhasználhatnánk. Úgy gondolom azonban, hogy a legfontosabb felfedezések még nem történtek meg. Elértük a kritikus küszöböt, de csak most kezdődik a grafén forradalma. Az ipari forradalom azután következett be, hogy megtanultuk alacsony költség mellett vasat előállítani. Aztán megvolt a szilícium korszak. Most jön a grafén ".
Geim professzor mérsékelte az emberek grafénnal szemben támasztott nagyon magas elvárásait, kijelentve, hogy „általában egy új anyag felfedezésétől kezdve a nagyközönség számára készült termékekben való felhasználásig körülbelül 40 év kell. Gondoljunk csak a polimerekre: eltartott egy ideig a felfedezésüktől a pillanatig, amikor a műanyag mindenütt elterjedt az életünkben ”. Egy dolog biztosnak tűnik: a grafén rendkívüli szerepet játszik abban a technológiai fejlődésben, amely a 21. századot jellemzi, forradalmasítva a legfontosabb területeket.