Mi vékonyabb, mint egy haj, mégis erősebb, mint az acél?

Írta: Aida Rafat

2016. május 23. - 14:55

Vladimer Shioshvili, a CC BY-SA 2.0 engedélyével és az eredetihez igazítva.

vékonyabb

Képzeljen el egy olyan anyagot, amely erősebb az acélnál, átlátszóbb, mint az üveg, és vékonyabb, mint az emberi haj. Tipp: ez nem kriptonit. Aida Rafat, a ConocoPhillips segédmérnöke, aki megnyerte a FameLab nemzetközi tudományos kommunikációs versenyünk katari döntőjét, elmagyarázza.

Mi a grafén?

Ez a legkülönlegesebb anyag, amelynek elméletileg tudományos fantasztikusnak kell lennie. Számtalan alkalmazással és fenomenális tulajdonsággal rendelkezik, és a tudósokat nagyon izgatta.

Ez a kétdimenziós csodaanyag egyszerű forrásból származik. A grafén a grafit alapvető építőköve, a szén alapvető formája és bőséges ásványi anyag. A grafit több ezer grafénrétegből áll, amelyek egymásra vannak rakva. Ceruzavezetésként ismerjük. Tehát technikailag minden ember, aki valaha is húzott egy vonalat ceruzával, grafént készített.

Hogyan fedezték fel a tudósok?

Véletlenül. És mindez a ragasztószalagnak köszönhető. Még 2004-ben a Manchesteri Egyetem két kutatója, Andre Geim és Kostantin Novoselov dolgozott a laboratóriumban. Vizsgálták a grafit elektromos tulajdonságait, és úgy döntöttek, hogy ragasztószalaggal vizsgálják meg, hogy képesek-e lehúzni a vékonyabb pelyheket. Tovább és újabb rétegeket hámoztak le az eredeti hasított grafitpelyhről, míg rájöttek, hogy egyetlen atom vastagságú réteggel végeztek. Amit létrehoztak, az grafén volt, és később felfedezésükért elnyerték a 2010-es fizikai Nobel-díjat.

Mitől olyan különleges a grafén?

A grafén csodálatos és egyedülálló mechanikai, elektromos, termikus és optikai tulajdonságokkal rendelkezik.

Először is erős. Az emberek azt gondolták, hogy a kétdimenziós anyagok csak szétesnek. De valójában a grafén a legerősebb anyag, amelyet valaha teszteltek: körülbelül 200-szor erősebb, mint az acél. Az egy négyzetméter grafénből készült függőágy megtartaná a vaskos, négy kilós macska súlyát, de csak annyit nyomna, mint a macska egyik bajusza 0,77 mg-nál (kb. 100 000-szer könnyebb, mint egy négyzetméter papír).

Másodszor, óriási ereje ellenére a grafén megtartja rugalmasságát és rugalmasságát. Hajlíthatja, és átlátszó: az elektronika mindkét nagyon fontos tulajdonsága, mivel ez azt jelenti, hogy hajlítható, átlátszó érintőképernyőket készíthet számítógépekhez és mobil eszközökhöz.

Harmadszor, ragyogóan vezeti az áramot. Valójában az elektronok gyorsabban mozognak a grafénen keresztül, mint bármely más vizsgált anyagon. A tudósok elektronok kémiai hozzáadásával vagy eltávolításával „doppingolhatják” a grafént. Minél több elektron adódik hozzá, annál nagyobb áramot képes előállítani. A „doppingolt” grafén még jobban képes vezetni az áramot, mint a réz.

Negyedszer, a grafén szuperáteresztő, így a legapróbb molekulák, például a hélium sem juthatnak be. Ez nagyon fontos tulajdonság lehet, mivel lehetővé tenné számunkra, hogy grafént használjunk a folyadék és a gáz elválasztására.

Mi különbözik a grafén szerkezetétől?

A grafén nagyon egyedi szerkezettel rendelkezik, mint a szénatomok méhsejtes rácsa. Ami szokatlan, hogy ezek az atomok hogyan hatnak egymással.

A szénatomnak hat elektronja van, amelyek közül négy a külső héjnál ül, készen áll arra, hogy más atomokkal összekapcsolódva molekulákat képezzen. De a grafénben ezek közül az elektronok közül csak három szorosan kötődik a szomszédos atomokhoz, rendkívül erős és szoros kötést hozva létre. A negyedik elektron kötetlen marad. Ezek a nem kötött elektronok a megszokottól eltérően viselkednek. Úgy viselkednek, mint a fény részecskéi vagy fotonok, és valójában fénysebességgel mozognak a grafénlap fölött, megadva a grafén fenomenális elektromos tulajdonságait.

Hogyan néz ki a grafén?

Szabad szemmel nem láthatjuk a grafént. Ez a legvékonyabb anyag, amit valaha felfedeztek. Egy grafénlap 1000-szer vékonyabb, mint egy emberi haj. Valójában a felfedezett tudósok csak azért láthatták a grafénpelyheket, mert szilícium-oxid ostyára tették. Ha más anyagot használtak volna, talán nem is látták volna.

A grafént már bármire használják?

Számos nagyvállalat, például az IBM és a Samsung szorosan vizsgálja a grafént. Az elektronikai ipar egyik fő kihívása jelenleg az, hogy túllépjük a szilícium tranzisztorok határait (amelyek erősítik és vezetik az elektromos jeleket). Más szavakkal, hogyan készíthetünk egyre kisebb szilícium tranzisztorokat, hogy a vállalatok vékonyabb, mégis erősebb okostelefonokat, táblagépeket és számítógépeket állíthassanak elő?

A probléma az, hogy már elértük azt a határt, amit a szilícium tranzisztorokkal megtehetünk. Csak nem tudjuk kisebbé tenni őket. A grafén használatával azonban nagy lehetőség rejlik abban, hogy tovább lépjünk, sőt átlátszó érintőképernyőket és elektronikát is készítsünk.

Nem csak a számítógépekről van szó. A grafén beépítésének egyik jelenlegi kereskedelmi alkalmazása a HEAD nevű cég teniszütője. Az ütő sokkal erősebbnek és könnyebbnek tűnik - ez két alapvető dolog, ami egy ideális teniszütőben rendelkeznie kell!

Mire lehetne még felhasználni a grafént a jövőben?

A közlekedési ipar összekeverheti a grafént egy meglévő kompozit anyaggal, hogy erősebb, könnyebb repülőgépeket és autókat készítsen. Vízzárhatatlansága miatt a grafén kiváló bevonóanyagot is biztosít a korrózióval szemben.

Tegyen egy réteg grafént a műanyagra, és villamosan vezető műanyagja van. Vagy egy elektronikai cég kihasználhatja a grafén rugalmasságát, és felhasználhatja tabletta készítéséhez, amelyet összehajthat, mint egy újság, vagy egy apró okos telefont, amelyet a pólójához ragaszthat.

A grafén drámai módon megnövelheti a hagyományos lítium akkumulátor élettartamát, jelentősen lerövidítve a töltési időt. Használható napenergia tárolására, vagy szuperkondenzátorok (elektromos autókban és felvonókban használt óriás akkumulátorok) készítésére.

A tudósok arról is beszélnek, hogy grafénszűrőket használnak sótalanításhoz, a tengervíz ivóvízzé alakításához és gyógyszeradagoló rendszerként a rák kezelésére.

A grafén szabadalmaztatott?

A grafén szabadalmaztatása a tudomány egyik legvitatottabb témája. Maga a grafén nem szabadalmaztatható, mivel szénből származik - egy természetesen előforduló anyagból. Sőt, a tudósok már a 20. század óta ismerik a grafént, csak nem tudták, hogyan kell elkülöníteni.

Számos szervezet azonban szabadalmaztatta a grafén előállítására szolgáló grafén eszközöket és eljárásokat. Nem tudom, hogy a grafént felfedező két tudós meggazdagodott-e ennek eredményeként. De rendkívül híressé váltak, és elnyerték a Nobel-díjat. A grafén úttörő felfedezéséről szóló tudományos cikküket végül a Science kiadványban publikálták, és maga a cikk minden idők 100 legtöbbet idézett cikkében szerepelt. Ez egy olyan eredmény, amelyről minden tudományos kutató álmodozik.

Aida Rafat a ConocoPhillips munkatársa. Megnézheti, hogyan versenyez a nemzetközi FameLab döntőben, 2016. június 8–9.