Wszystko, co wiemy o grafenie

Gdyby na Ziemi istniał materiał, którego właściwości przewyższałyby wyobrażenia nie tylko zwykłego Kowalskiego, ale też aspirujących naukowców. Gdyby ten materiał można było uzyskać z przedmiotu, który każdy z nas kiedyś posiadał w swoim piórniku. Gdyby... Grafen! Na wszystkie powyższe gdybania odpowiedzią jest grafen, niesamowity materiał, którego zastosowania można by wymieniać niemalże w nieskończoność.

O ile mnogość sposobów, w jaki można wykorzystać grafen może przyprawiać o ból głowy, to wciąż niewiele słyszymy o praktycznym wykorzystaniu tego materiału. Tym co również może dziwić, jest, że my, Polacy (czym lubimy się szczycić, gdy mowa o osiągnięciach) mieliśmy i wciąż mamy spory wpływ na przebieg badań nad tym tworzywem.

Zanim jednak o zastosowaniach, wpływie polskich badaczy, o tym, dlaczego tak niewiele słychać o grafenie, o jego potencjale i przyszłości - najpierw musimy zgłębić nieco chemii i fizyki.

Grafen - historia i właściwości

Z czysto chemicznego punktu widzenia grafen jest dwuwymiarową strukturą złożoną z atomów węgla, które wspólnie tworzą formują strukturę w kształcie plastra miodu. Co więcej owy plaster ma grubość zaledwie jednego atomu, czyniąc grafen niezwykle cienkim materiałem (w teorii grubość warstwy to zaledwie 0,335 nm).

I jeśli na widok słowa „dwuwymiarowe” zapaliła się Wam w głowie czerwona lampka - spokojnie, nie jesteście jedynymi.

Tak prezentuje się model struktury grafenu w 3D

W 1947 roku powstał pierwszy opis teoretyczny grafenu uwzględniający jego nietypową budowę. Niewielu naukowców w tamtym czasie chciało uwierzyć pracy Philipa Russella Wallace’a uznając, że dwuwymiarowe obiekty nie są w stanie istnieć w naturze. Mylili się (nie tylko w kwestii grafenu zresztą).

Z czasem zaczęło pojawiać się więcej prac podnoszących temat grafenu, a przełom w tej sprawie nastąpił dopiero w kolejnym tysiącleciu. W 2004 roku grupy badawcze zlokalizowane w Manchesterze i Georgii dowiodły, że grafen może występować w przyrodzie i faktycznie przejawia właściwości, o których teoretyzował Wallace.

Warto wspomnieć, że za właściwe odkrycie materiału Andriej Gejm i Konstantin Nowosiołow z Uniwersytetu w Manchesterze otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Została ona przyznana naukowcom w 2010 roku.

METODA ODKRYCIA GRAFENU

Metoda, której użyli naukowcy może Was nieco zdziwić - jest ona raczej niekonwencjonalna. Andriej Gejm i Konstantin Nowosiołow po godzinach pracy spotykali się organizując tzw. „piątkowe noce eksperymentów”. Podczas jednej z nich wpadli na pomysł, aby od bryły grafitu za pomocą taśmy klejącej oddzielać kolejnej warstwy materiału. Obserwując pod mikroskopem uzyskane w procesie odklejania taśmy warstwy czasem zaczęli oni zauważać, że niektóre z nich są znacznie cieńsze od reszty, co w efekcie pozwoliło im uzyskać grafen.

Podsumowując - laureaci Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki odkryli grafen za pomocą taśmy klejącej.

Właściwości chemiczne grafenu

Jest ich dość sporo mówiąc w bardzo dużym uproszczeniu. Jak już wyżej wspomniałam grafen jest niesamowicie cienki, a to idzie również w parze z niewielką masą pojedynczej warstwy węgla, która wynosi 0,77 mg/m2 ( o tym, jak wiele drzwi otwierają te mikroskopijne rozmiary będzie później). Idąc dalej grafen charakteryzuje się niską rezystywnością, co oznacza mniej więcej tyle, że jest bardzo dobrym przewodnikiem prądu elektrycznego.

Zatrzymując się na chwilę, w tym temacie trzeba wspomnieć, że elektrony w grafenie mogą poruszać się z prędkością 1/300 prędkości światła (1000 km/s). Co więcej zmierzona ruchliwość elektronów w temperaturze pokojowej to około 200 000 cm2/Vs. Dla porównania w krzemie (o którym jeszcze nieraz zapewne wspomnę) ta wartość wynosi zaledwie 1500 cm2/Vs. Zatem mamy tutaj do czynienia z ponad 130-krotnie większą ruchliwością i gigantyczną prędkością elektronów.

Grafen określany jest jako półprzewodnik (półmetal), jednak zachodzi w nim coś w rodzaju anomalii. Dla kontekstu - metale są najlepszymi przewodnikami, których przerwa energetyczna, czyli przestrzeń pomiędzy pasmem walencyjnym, a pasem przewodnictwa, wynosi zero. Nachodzą one na siebie, przez co część elektronów w cząsteczce pozostaje wolnymi, ułatwiając znacznie przepływ prądu.

Z kolei półprzewodniki (do których należy m.in. grafen) znajdujące się w „rankingu przewodzenia ładunków elektrycznych” na drugim miejscu, mają przerwę energetyczną zazwyczaj większą od metali, ale mniejszą od izolatorów. W kontekście grafenu słowem klucz jest tutaj „zazwyczaj” - otóż grafen (jako teoretycznie półprzewodnik) posiada zerową przerwę energetyczną.

Produkcja energii elektrycznej ze słońca może okazać się łatwiejsza dzięki grafenowi.

Imponującą cechą grafenu jest również jego wytrzymałość na rozciąganie, która wynosi 130 gigapaskali. Dla porównania wytrzymałość stali, czy też kevlaru, czyli materiałów uchodzących za jedne z najwytrzymalszych, to 0,376 GPa.

Powoli zbliżając się do końca właściwości wykazywanych przez grafen należy wspomnieć, że zatrzymuje on zaledwie 2,3% padającego na niego światła (z fizycznego na nasze - jest prawie przezroczysty). Z kolei ostatnią z ważnych cech materiału jest to, że uzyskana po jego utlenieniu membrana jest niesamowicie szczelna i jednocześnie nie blokuje przepływu wody.