Jei per pastarąjį dešimtmetį buvote kur nors netoli mokslo žurnalo, galite susidurti su tam tikru superlatyvu apie grafeną – dvimatę stebuklingą medžiagą, kuri žada viską pakeisti nuo skaičiavimo iki biomedicinos.
Dėl keleto nuostabių savybių kyla daug ažiotažų apie grafeno pritaikymą. Jis yra 1 milijoną kartų plonesnis už žmogaus plaukus, bet 200 kartų stipresnis už plieną. Jis yra lankstus, bet gali veikti kaip puikus barjeras ir yra puikus elektros laidininkas. Sudėkite visa tai ir turėsite medžiagą su daugybe potencialiai revoliucinių pritaikymų.
Kas yra grafenas?
Grafenas yra anglis, bet vieno atomo storio korio gardelėje. Jei grįšite į senas chemijos pamokas, prisiminsite, kad medžiagos, sudarytos tik iš anglies, gali turėti drastiškai skirtingas savybes, priklausomai nuo to, kaip yra išdėstyti jos atomai (skirtingi alotropai). Pavyzdžiui, jūsų pieštuko šerdyje esantis grafitas yra minkštas ir tamsus, palyginti su kietu ir skaidriu deimantu jūsų sužadėtuvių žiede. Žmogaus sukurtos anglies struktūros nesiskiria; rutulio formos Buckminsterfullerenas veikia kitaip nei suvynioti anglies nanovamzdeliai.
Grafenas pagamintas iš anglies atomų lakšto šešiakampėje grotelėje. Iš pirmiau minėtųjų jis savo forma yra artimiausias grafitui, tačiau kadangi ši medžiaga yra pagaminta iš dvimačių anglies lakštų, sluoksnį ant sluoksnio laikomų silpnomis tarpmolekulinėmis jungtimis, grafenas yra tik vieno lakšto storio. Jei galėtumėte nulupti vieną, vieno atomo aukščio anglies sluoksnį iš grafito, turėtumėte grafeną.
Dėl silpnų tarpmolekulinių ryšių grafite jis atrodo minkštas ir dribsniai, tačiau patys anglies ryšiai yra tvirti. Tai reiškia, kad lakštas, sudarytas tik iš šių anglies jungčių, yra tvirtas – maždaug 200 kartų stipresnis nei stipriausias plienas, tuo pat metu yra lankstus ir skaidrus.
Grafenas buvo teorinis ilgą laiką ir atsitiktinai gaminamas mažais kiekiais tol, kol žmonės naudojo grafito pieštukus. Tačiau pagrindinė jo izoliacija ir atradimas yra susijęs su Andre Geimo ir Konstantino Novoselovo darbais 2014 m. Mančesterio universitete. Pranešama, kad du mokslininkai surengė „Penktadienio vakaro eksperimentus“, kuriuose jie išbandė idėjas ne savo dienos darbe. Vieno iš šių seansų metu mokslininkai naudojo juostą, kad pašalintų plonus anglies sluoksnius nuo grafito gabalėlio. Šis novatoriškas tyrimas galiausiai paskatino komercinę grafeno gamybą.
Po to, kai 2010 m. laimėjo Nobelio fizikos premiją, Geimas ir Novoselovas padovanojo juostos dozatorių Nobelio muziejui.
Kam gali būti naudojamas grafenas?
Svarbu atkreipti dėmesį į tai, kad mokslininkai kuria įvairias medžiagas, pagrįstas grafenu. Tai reiškia, kad tikriausiai geriau galvoti apie „grafenus“, taip pat, kaip galvojame apie plastiką. Iš esmės grafeno atsiradimas gali sukelti visiškai naują medžiagų kategoriją, o ne tik vieną naują medžiagą.
Žiūrėti susijusius Kas yra turbulencija? Atskleidžiant vieną iš fizikos milijonų dolerių kainuojančių klausimų, „Deimantinis lietus“, rastas Urane, buvo atkurtas Žemėje – ir tai gali padėti išspręsti mūsų augančią energijos krizę. Kvantinė kompiuterija sulaukia senatvėsKalbant apie pritaikymą, tyrimai atliekami tokiose plataus masto srityse kaip biomedicina ir elektronika iki augalų apsaugos ir maisto pakavimo. Pavyzdžiui, gebėjimas modifikuoti grafeno paviršiaus savybes gali tapti puikia medžiaga vaistams tiekti, o medžiagos laidumas ir lankstumas gali skelbti naujos kartos jutiklinio ekrano grandines arba sulankstomus nešiojamus prietaisus.
Tai, kad grafenas gali sudaryti puikų barjerą skysčiams ir dujoms, reiškia, kad jį taip pat galima naudoti su kitomis medžiagomis, kad būtų galima filtruoti daugybę junginių ir elementų, įskaitant helią, kuris yra ypač sunkiai blokuojamas dujas. Pramonėje tai gali būti pritaikyta įvairiems tikslams, tačiau taip pat gali būti labai naudinga aplinkos poreikiams, susijusiems su vandens filtravimu.
Daugiafunkcinės grafeno savybės atveria duris į daugybę kompozicinių panaudojimų. Nors buvo daug galvojama, kaip tai gali paskatinti jau egzistuojančias technologijas, nuolatinė pažanga šioje srityje ilgainiui atves į visiškai naujas sritis, kurios anksčiau būtų buvę neįmanomos. Ar galėtume pamatyti visiškai naują aviacijos ir kosmoso inžinerijos klasę? O kaip su papildytosios realybės optiniais implantais? Iš pažiūros XXI amžius yra tada, kai mes tai sužinosime.