Nuostabusis grafenas: nauja viltis mokslui ir verslui
(0)
Devyniolikto amžiaus novelėje, pavadinimu „Plokščiasis pasaulis“ (angl. Flatland), parašytoje Edvardo A. Aboto (Edward A. Abbott), aprašomi gyventojai gyveno šalyje, kurie turėjo tik dvi dimensijas. Moterys gimdavo kaip linijų segmentai, o vyrai atsirasdavo įvarių geometrinių formų, kurios atspindėjo jų padėtį visuomenėje. Lygiašoniai trikampiai atitiko žemiausiąją klasę visuomenėje, vidurinioji klasė apibūdinama kvadratais, o kilmingieji – šešiakampės formos figūromis.
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia
tik entuziazmo.
Plokščiojo pasaulio gyvenimo apribojimai satyriškai atspindėjo griežtą Aboto gyvenimo laikotarpio Viktorijos visuomenės klasių struktūrą. Kai novelės veikėjas atranda trečiąjį išmatavimą, tai yra aukštį, jis bando papasakoti apie savo atradimą šalies gyventojams, bet tuoj atsiranda kalėjime.
Grafenas yra tikras „Plokščiojo pasaulio“ gyventojas. Jis sudarytas iš eilėmis išdėstytų anglies atomų šešiakampių žiedų. Grafenas yra vieno atomo storio lakštas. Tokia atominio mastelio grafeno struktūra jį padaro nanopasaulio dalimi, kur visi objektai yra apie tūkstantį kartų plonesni už žmogaus plauką, ir šiame pasaulyje nebegalioja mums įprasti gamtos dėsniai, tokie kaip trintis ir gravitacija.
Kaip ir „Plokščiojo pasaulio“ veikėjas, kuris pakilo iš savo apibrėžto pasaulio norėdamas kažką sužinoti apie kitą pasaulį, nanopasaulio objektai tenkina visai kitą taisyklių rinkinį – vaiduokliškus kvantinės mechanikos dėsnius.
Vienas iš įdomiausių kvantinės mechanikos reiškinių grafene yra didelis elektronų judėjimo greitis, nes elektronai nepatiria trinties. Toks „balistinis“ pernešimas gali būti pritaikytas kuriant naujos kartos supergreitą ir superefektyvią elektroniką. Ir dar, grafenas yra stipresnis ir lankstesnis už plieną. Grafene šiluma perduodama dešimt kartų greičiau nei varyje, ir perduodamas elektronų srovės tankis yra apie milijoną kartų didesnis nei tai vyksta vario laiduose.
Iš tiesų, grafeno struktūra suteikia šiai medžiagai unikalias optines, termines, mechanines ir elektrines savybes, kurios domina inžinierius ir mokslininkus iš viso pasaulio, manančius, kad šios ypatingos savybės gali būti sėkmingai pritaikytos įvairių rūšių įrenginiams.
Grafenas buvo atrastas dvidešimtame amžiuje tiriant įprastą grafitą rentgeno spektroskopija. Nors buvo nustatyta, kad grafitas yra sudarytas iš atskirų grafeno sluoksnių, niekas tuo metu neįsivaizdavo šių ypatingo plonumo sluoksnių panaudojimo galimybių.
1990 metais mokslininkai išmoko pagaminti anglies nanovamzdelius, kurie yra maži, susukti į vamzdelį anglies atomai, kurie taip pat išsidėstę šešiakampės formos žiedais kaip ir grafene.
Bet tik 2004 metais mokslininkai išmatavo grafeno sluoksnių elektronines savybes po to, kai atskyrė pieštuko grafito sluoksnius panaudodami permatomą juostelę. Bet, žinoma, šis varginantis metodas netinka grafeno gamybai norint jį vėliau panaudoti pramoninės paskirties produktams.
Tuo pačiu metu Džordžijos technologijos instituto (The Georgia Institute of Technology) mokslininkai Valteris de Heras (Walter de Heer), Kleras Bergeris (Claire Berger) ir Filipas Festas (Phillip First) dirbo su anglies nanovamzdeliais. Jie bandė panaudoti nanovamzdelius norėdami sukurti greitesnes naujos kartos elektronikos dalis, kurios aplenktų savo savybėmis silicio pagrindu veikiančią elektroniką. Nors anglies nanovamzdeliai ir pasižymėjo balistiniu elektronų pernešimo greičiu, juos buvo sunku surinkti į bendrą grandinę.
2001 metais de Heras pagalvojo, kad, galbūt, dvimatis grafenas galėtų būti panaudotas kaip medžiaga elektronikoje, nes anglies nanovamzdelis yra susuktas į vamzdelį grafenas. Tais metais jis pateikė projektą Nacionaliniam mokslų fondui (National Science Foundation). Projekte buvo numatyta ištirti grafeno elektronines savybes. De Heras su kolegomis iškėlė idėją užauginti plokščius grafeno sluoksnius tiesiai ant lusto būtent tokios formos ir dydžio, reikalingo elektriniams prietaisams. Tai būtų žymiai lengviau nei gaminti anglies nanovamzdelius ir paskui juos perkelti į kitą vietą bei vėliau sujungti metaliniais laidais į grandinę.
2003 metais Džordžijos technologijos instituto mokslininkų grupė buvo pirmoji, pateikusi patentą, kuriame buvo aprašytas paprastas elektronikos prietaisų gamybos procesas naudojant grafeną, kuris gaminamas epitaksiškai. Epitaksija reiškia vieno medžiagos sluoksnio auginimą ant kitos medžiagos, kai abi medžiagos pasižymi tokia pačia struktūrine orientacija.
Mokslininkų pagrindiniame metode silicio karbido kristalinis lakštas buvo pakaitinamas iki aukštos temperatūros (didesnės nei 1100 C°). Toje temperatūroje silicio atomai garuoja nuo paviršiaus palikdami anglies atomus, kurie savaime persiorientuoja sudarydami grafenui būdingą bičių korio struktūrą.
Epitaksinis grafenas gali būti auginamas ant įvairių medžiagų, priklausomai nuo to, kur jis bus naudojamas. Didžiulis epitaksinio grafeno pranašumas susijęs su tos pačios rūšies cheminiais procesais, kurie yra naudojami gaminant silicio pagrindu veikiančią elektroniką.
„Tai yra daugiau nei vieno grafeno sluoksnio turėjimas, - paaiškino de Heras. - Tai platformos ir apdirbimo metodo turėjimas, ir tai gali būti vystoma paraleliai“.
Mokslininkų grupės pradinis projektas, kuris buvo paremtas Nacionalinio mokslo fondo, išaugo į kelis patentus bei daugybę mokslinių straipsnių, skirtų epitaksinio grafeno panaudojimui elektronikoje. 2010 metais de Heras buvo apdovanotas Medžiagų tyrimų draugijos (Materials Research Society) Medžiagų tyrimo mokslo (Materials Research Science) medaliu už epitaksinio grafeno pionierinius tyrimus.
Mokslininkus domina ne tik elektroninės grafeno savybės. Profesorius Nihilas Koratkaras, kuris dirba Renselio politechnikos institute (Rensselaer Polytechnic Institute), naudoja grafeno lakštus kurdamas stiprias keramines medžiagas, kurios būtų naudojamos sudėtingomis sąlygomis, pavyzdžiui, būdingomis kosminei erdvei.
„Savo darbe koncentruojuosi į nanomedžiagų, tokių kaip grafenas ir anglies nanovamzdeliai, praktinį pritaikomumą, – pasakė Koratkaras. – Nanomišiniai yra viena iš tokių pritaikymo sričių, galinčių turėti didelę svarbą“. Koratkaras dirba su Erika Koral (Erica L. Corral), kuri yra Arizonos universiteto profesorė ir keraminių mišinių specialistė. Prieš jiems pradedant bendradarbiauti, grafenas buvo pradėtas naudoti polimeriniuose mišiniuose, tačiau ne keramikoje siekiant sustiprinti jos mechaninį stiprumą. Keramika pasižymi labai dideliu atsparumu aukštoms temperatūroms, tačiau yra labai trapi.
Ieškodami, ko būtų galima pridėti į keramikos mišinius, kad jie taptų mažiau trapūs, mokslininkai pasirinko grafeną dėl jo mechaninio tvirtumo, ypatingo paviršiaus ir geometrijos. „Grafenas pasižymi neįtikėtinu tvirtumu ir stiprumu, – paaiškino Koratkaras. – Ir nors jis tėra kelių nanometrų storio, jis gaminamas lakštais, kurie yra pakankamo dydžio, kad apsisuktų apie keramines granules keramikos gamybos metu“.
Mokslininkų grupės tyrimų rezultatai buvo labai svarbūs. „Mes parodėme, kad grafenas gali sustiprinti silicio nitrido keramiką daugiau kaip tris kartus, – pasakė Koratkaras. – Šio stiprumo priežastis buvo dvimačio grafeno sugebėjimas keramikos skilimą suskaidyti ne tik dviejų, bet ir trijų matavimų kryptimis“.
Koratkaras ir Koral, gavę paramą iš Nacionalinio mokslo fondo, planuoja tirti grafeno panaudojimą kitų rūšių keramikinėse medžiagose bei panagrinėti didesnės grafeno dalies poveikį keramikos savybėms. „Grafeno panaudojimas keramikoje turėtų sudaryti sąlygas atsirasti naujai medžiagų tyrimų sričiai, kuri būtų daug pažangesnė, lyginant su šiomis dienomis naudojamomis vienmatėmis stiprinimo sistemomis“, – pasakė Koral.
Grafeno tyrimai vykdomi daugelyje pramonės šakų, todėl labai sunku sekti visus pasiekimus. Bet Džanas Jutis (Jan Youtie), socialinių mokslų mokslininkas, ir jo kolega profesorius Filipas Šapira (Philip Shapira) užsiima tik tuo. Mokslininkai bando suprasti nanotechnologijos pramonės, taip pat ir grafeno, socialinę, moralinę, politinę ir ekonominę dinamiką. Jie surinko informaciją apie visus patentų prašymus bei grafeno tyrimą aprašančius straipsnius. „Su grafenu susiję tyrimai ir padaryti atradimai pasižymi labai staigia trajektorija, – pasakė Jutis. – Trajektorijos kitimas prasidėjo anksčiau ir jos augimas yra žymiai staigesnis nei kitų nanotechnologijų“. Suskaičiavę bendrą straipsnių skaičių, jie atrado, kad Atlantos miestas, kuriame yra Džordžijos technologijos institutas, yra vienas iš pasaulyje lyderiaujančių mazgų, susijusių su grafeno tyrimais.
„Iš viso yra apie du šimtai kompanijų, taip pat ir didžiulių daugianacionalinių korporacijų bei ką tik pradėjusių darbą firmų, kurios užsiima grafenu, – paaiškinio Jutis. – Tai reiškia, kad ieškoma naujų pritaikymų tuo pačiu metu vykdant ir mokslinius tyrimus“.
„Vyksta pasaulinis grafeno tyrimo bei komercializavimo bendradarbiavimas. Jame dalyvauja pačios priešakinės didžiulės korporacijos iš Korėjos ir Japonijos. JAV kompanijos taip yra įsitraukusios į šį darbą, bet jos nėra dominuojančios, – tęsė Jutis. – Tyrimų pasauliškumas atspindi nanotechnologijų buvimą aukščiau nacionalinių sienų“.
