Grafen

[причалица]

Grafen je dvodimenziona ugljenička struktura debljine jednog atoma.

Dvojica naučnika, Gejm i Novoselov, izdvojili su je 2004. godine iz parčeta grafita. Za izdvajanje su koristili lepljivu traku (selotejp) i tako prvi put dobili minijaturne flekice tog materijala. Grafit debljine jednog milimetra sadrži tri miliona slojeva grafena naslaganih jedan na drugi, ali labavo međusobno povezanih.

Grafen je skoro u potpunosti providan, ali je istovremeno i toliko gust da ni najmanji atomi gasa ne mogu da prođu kroz njega. Pored toga, elektricitet provodi jednako dobro kao i bakar. Kao materijal, grafen ima izuzetno specifična svojstva. To je veliki kristal, koji je veoma jak – sto puta jači od čelika – a može se rastegnuti i do 20%.

Grafen je istovremeno i najtanji i najjači poznati materijal. Gejm i Novoselov su pokazali kako se on ponaša i to njihovo otkriće odrazilo se odmah na brojne druge oblasti, od kvantne fizike do praktične elektronike.

Pošto je praktično providan i dobar je provodnik, grafen je podesan za izradu providnih ekrana osetljivih na dodir, svetlosnih panela i solarnih ćelija. Pomešan s plastikom, omogućio bi da se izrade lagani i superjaki kompozitni materijali za sledeću generaciju satleita, aviona i automobila.

Grafen nudi fizičarima mogućnost da proučavaju dvodimenzione materijale s jedinstvenim svojstvima i zahvaljujući njemu mogući su eksperimenti koji će dati nove uvide u fenomene kvantne fizike. Očekuje se da će grafenski tranzistorizameniti silicijumske i omogućiti izradu još efikasnijih računara.

Molekularna struktura grafena

[причалица]

Grafen čini šesterokutna mreža ugljikovih atoma

Prošlog marta, istraživači na kalifornijskom univerzitetu UCLA došli su do fantastičnog, premda slučajnog otkrića u vezi sa materijalom grafenom. Profesor Ričard Kejner usavršio je metod proizvodnje visokokvalitetnih listova ovog supermaterijala uz pomoć običnog di-vi-di drajva.

To je samo po sebi bilo revolucionarno, ali pravo iznenađenje se dogodilo kada je istraživač u njegovoj laboratoriji otkrio da grafen može lako da reši problem današnjih baterija koje se dugo pune, a brzo prazne. Mejer El Kedi punio je listić grafena samo nekoliko sekundi, a onda ga povezao sa sijalicom koju je napajao punih pet minuta. Ispostavilo se da su otkrili sredstvo za čuvanje energije sa revolucionalnim mogućnostima. Na primer, da se u budućnosti smartfon napuni za samo nekoliko sekundi, a električni automobil za nekoliko minuta, 1.000 puta brže nego što se pune standardne baterije.

Godinu dana kasnije, Kejner i njegov saradnik su ovaj proces dodatno unapredili o čemu pišu u najnovijem broju naučnog časopisa „Nejčer komjunikejšens”. Na jednom disku su, koristeći komercijalni di-vi-di drajv, za manje od 30 minuta napravili više od 100 mikrosuperkondenzatora sa gustinom snage od 200 vati po centimetru, što je najviša do sada ostvarena vrednost.

[причалица]

Zahvaljujući unapređenom procesu, novi superkondenzator bi mogao da u bliskoj budućnosti uđe u širu komercijalnu upotrebu i pošalje u istoriju standardne baterije. Električni automobili koji se pune za minut još su daleko, ali bi nova tehnologija uskoro mogla da se primeni u savitljivim ekranima ili e-papiru. Takođe, rešio bi se problem smartfona i laptopa koji se dugo pune, a brzo prazne i mnogih medicinskih bioimplantata kod kojih punjenje nije moguće. Naučnici veruju da je ove čuvare energije moguće smestiti iza solarnih ćelija tako da energiju prikupljenu tokom dana čuvaju za period kada zađe sunce.

Grafen se po važnosti često upoređuje sa silicijumom i plastikom.

Reč je o supstanci sastavljenoj od čistog ugljenika raspoređenog u heksagonalnu kristalnu rešetku debljine jednog atoma. Trista puta je čvršći od čelika. Čvršći je i od dijamanta, što znači da je trenutno najčvršći testirani materijal. Odlično provodi struju i nekoliko puta je bolji od bakra. Proziran je, lagan i savitljiv, i pokazuje veliki potencijal za primenu u brojnim područjima. Već se koristi u proizvodnji teniskih reketa, pa su mnogi trijumf Novaka Đokovića na Australijan openu pripisali i čudu od reketa s kojim je tada prvi put igrao.

Naučni projekat za istraživanje izuzetnih osobina ovog materijala osvojio je nedavno milijardu evra na konkursu Evropske unije. Budžet je dodeljen konzorcijumu „Grafen flegšip”, čiji je član i finska „Nokija”.

[причалица]

Grafen je skoro providan i neverovatno izdržljiv

Grafen je najtanji, ali ujedno i najsnažniji materijal koji je nauka otkrila. Procenjuje se da je oko 100 puta jači od čelika, odličan je provodnik struje, rastegljiv je, skoro proziran, kroz njega toplota prolazi bolje nego kroz ijedan drugi materijal na svetu, ne propušta gasove, pa čak ni najmanje atome helijuma, ali ipak propušta vodenu paru.

Gejm i Novoselov sa britanskog univerziteta u Mančesterusu otkrili sasvim slučajno. Naime, oni su istraživali grafit i njegovu sposobnost da sprovodi električnu energiju, a onda odlučili da se malo poigraju sa tim materijalom. Želeli su da vide da li mogu pomoću klasične lepljive trake od grafita da naprave tanke trakice. Koristili su lepljivu traku da njom ljušte slojeve sa komada grafita, sve dok nisu uspeli da od njega odvoje toliko tanak sloj, koji je bio debljine svega nekoliko atoma. Ponovnim lepljenjima trake na njega konačno su došli do materijala koji je debljine jednog atoma, a koji je pokazao zapanjujuće mogućnosti.

Tako su naučnici neplanirano došli do grafena, dvodimenzionalnog kristala koji je sačinjen od čistog grafita, a taj pronalazak doneo im je i Nobelovu nagradu za fiziku 2010.

[причалица]

Графен ће очистити воду од радијације. Научници хемијског факултета Московског државног универзитета и Рајсовог универзитета из САД открили су нову јединствену особину графена. Испоставило се да супер чврсти материјал од угљеника дебљине једног атома може брзо да упија радиоактивне материје из водених раствора. Ово својство се може искористити приликом чишћења места која су веома заражена радијацијом, као што је нуклеарка „Фукушима“.

Микроскопске честице оксида графена се лако растварају у води. Оне као сунђер упијају радиоактивне материје и згрушавају се. После тога се могу извадити из течности и утилизовати, на пример – спалити. Ова својства материје су открили научници-хемичари из Русије и САД. Заједничке експерименте врше већ око две године.

Први графен су добили научници пореклом из Русије – Андреј Гејм и Константин Новосјолов. За ово откриће им је 2010. године била додељена Нобелова награда за физику. Међутим, особине графена још нису проучене до краја. Честице оксида графена се у експерименталне сврхе синтетизују у лабораторији Рајсовог универзитета, а сами експерименти се врше на МДУ „Ломоносов“. Говори један од учесника у експериментима Степан Калмиков:

- Руски тим обавља све радиохемијске експерименте везане за извлачење радионуклеида из водене средине. Америчке колеге се баве добијањем и истраживањем својстава оксида графена. На Рајсовом универзитету нема могућности за обављање истраживања која ми вршимо. С друге стране, они су водећи стручњаци у области хемијских својстава оваквих наноугљеничких материјала. Надамо се да ћемо битно проширити списак објеката који могу бити очишћени уз помоћ овог материјала осим загађених подземних вода и различитих радиоактивних отпадака.

[причалица]

По мишљењу руског научника, оваква особина графена се може искористити у принципијелно новој технологији за чишћење тачности, на пример, у атомским централама. Њене главне предности су једноставност и висока ефикасност. Ова технологија има велику будућност, истиче декан хемијског факултета МДУ Валерије Луњин:

- Утилизација радиоктивног отпада је проблем 21. века. Један од фундаменталних и важних задатака економије и науке. Оно што је наш колега предложио као један од могућих приступа може означавати озбиљан технолошки скок. Специјално смо одржали међународни курс за нове приступе утилизацији отпадака.

Оксид графена се може искористити за усавршавање технологије за добијање метала којих има мало у земљи, као и за угљоводонике од шкриљца и класичне, истиче Степан Калмиков:

- Приликом вађења корисних руда, између осталог, елемената који се ретко могу наћи у земљи и угљоводоника, на површину доспева вода која садржи природне радионуклиде – изотопе урана и радијума. То је озбиљан проблем. Они се могу очистити уз помоћ оксида графена. А ово утиче на еколошку ситуацију на територији око налазишта. Осим радионуклида, компонената течних радиоактивних отпадака, он поседује велику ефикасност приликом чишћења од тешких метала. Односно, може се користити у свим системима за пречишћавање воде.

Сад од стадијума лабораторијских истраживања треба прећи на комерцијализацију нове технологије. Руски научници сматрају да се њена појава на тржишту може знатно убрзати ако на томе буде ангажован иновациони центар „Сколково“. Такође, интересовање за нове технологије се може појавити код компанија за експлоатацију нафте.

[причалица]

Prema izjavama naučnika, grafen, čudnovati materijal napravljen od ploča ugljenika debljine od samo jednog atoma, sam popunjava rupe i oštećenja u svojoj strukturi



Nevjerovatna mehanička čvrstoća i električna svojstva grafen čine najboljim kandidatom za široku upotrebu u budućnosti.Rezultati studije pokazuju da se grafen može sam popravljati ukoliko se izloži slobodnim atomima ugljenika.

Istraživanje je uradio tim naučnika sa Univerziteta u Mančesteru. Jedan od članova tima je bio i nobelovac Konstantin Novoselov, koji je ovu prestižnu nagradu dobio upravo za otkriće grafena, piše BBC.

Tim je u početku bio zainteresovan samo za efekat dodavanja metala na ploče grafena, što je jedini način da se iskoriste njegova fenomenalna električna svojstva. Proces je konstantno pravio rupe u pločama grafena pa su naučnici pokušali da shvate kako se ove rupe formiraju tako što su kroz ploče grafena propuštali snopove elektrona, a pomoću elektronskog mikroskopa su pratili rezultate.

Na svoje veliko iznenađenje, shvatili su da, kada su se u blizini nalazili atomi ugljenika, ti atomi bi jednostavno popunjavali praznine u grafenu i tako ga popravljali.

"To smo slučajno primijetili. Ekperiment smo poslije ponovili nekoliko puta, a onda smo pokušali shvatiti šta smo to tačno otkrili. Do sada smo znali kako da spajamo male ploče grafena, kako da ih bušimo, krojimo i oblikujemo, a izgleda da sada znamo i kako da ih na kontrolisan način popravljamo", rekao je Kventin Ramase, jedan od vođa istraživanja.

[причалица]

Pogledajte običnu olovku. Kada se piše sa njom po papiru ona ostavlja sloj grafita, koji je jedan od oblika ugljenika. Upravo tu, u tom sloju se nalazi i grafen, materijal koji je Andreju Gejmu i Konstantinu Novoselovu, naučnicima iz Engleske rodjenim u Rusiji, doneo Nobelovu nagradu iz fizike. Nobelov komitet ih je nagradio za "pionirska istraživanja dvodimenzionalnog materijala grafena".

Grafen je materijal koji se sastoji od jednog jedinog sloja atoma ugljenika raspoređenih u obliku saća ( ili žičane ograde ). Grafit koji se nalazi u olovkama se sastoji iz slojeva i slojeva ugljeničnih atoma poređanih jedan na drugi. U jednom milimetru grafita ima tri miliona slojeva spojenih jedni preko drugih. Ovi slojevi su u stvari grafen.. Prvi put se ovi slojevi pominju pre pedesetak godina, ali se verovalo da je nemoguće izdvojiti pojedinačan sloj. A i verovalo se da bi posle odvajanja sloja došlo do gužvanja i upetljavanja sloja.

Debljina sloja je najmanja moguća u prirodi, debljina jednog atoma. Zbog toga se ovaj materijal naziva dvodimenzionalnim. To znači da su širina i dužina ovog materijala milionima puta veće od njegove visine.

Verovanje da se grafen ne može izdvojiti od grafita je opovrgnuto 2004.-te godine kada su ova dva naučnika uspela da izoluju grafen. I to na zapanjujuće prost način: koristeći poseban selotejp. Ova dva naučnika su već i ranije radila na stvarima koje se umnogome razlikuju od ovog otkrića. Gejm je dobio i „Ig Nobel“ nagradu pre nekoliko godina. To je šaljiva nagrada koja se daje za naučne radove koje imaju neobične, pa čak i bizarne tema istraživanja.

Andrej je dobio nagradu zato što je u laboratoriji uspeo da natera žabu da lebdi pod dejstvom jakog magneta. Iako zvuči smešno u ovaj eksperiment je uključena ozbiljna fizika ponašanja materijala pod dejstvom jakog magnetnog polja. Konstantin je mladi fizičar, sa svojih 36 godina je jedan od najmlađih Nobelovaca, koji je kao i njegov stariji kolega lutao po raznim oblastima. Zajedno su, koristeći kao uzor stopala Geko guštera koji se lepi za čak i najglatkiju površinu, napravili neobično jaku samolepljivu traku. Ovaj selotejp su i iskoristili da dobiju grafen odlepljujući polako sloj po sloj sa grumena grafita.

[причалица]

Sam Gejm je zaključio da je tehnika jednostavna, ali zahteva dosta mukotrpnog i krajnje pipavog posla. Zapravo u ovoj eri izuzetno skupih eksperimenata poput kolajdera i superkompjutera divno je videti da jedan mali eksperiment može da da materijal za Nobelovu nagradu. Ujedno to je i ohrabrenje za sve naučnike koje žive u zaostalim zemljama u kojima ( je nauka na infuziji ) se teško išta u nauku i uloži da je ipak moguće lukavo se dovijajući postići svetske rezultate.

Osobine grafena su mu stvorile epitet "čudesni". Zbog veza između atoma ugljenika ovaj materijal je jači od dijamanta, a opet rastegljiv poput gume. Iako je debljine jednog atoma jedan naučnik je primetio da " bi bila potrebna olovka na kojoj balansira slon da probije kuhinjsku foliju od grafena". Ovo otvara mogućnost da se grafen iskoristi za dobijanje novih ultra lakih, ali čvrstih materijala od kojih bi se pravili avioni, brodovi i automobili. Zbog svoje strukture provodi toplotu i struju bolje od bakra.

Ova osobina je došla ko poručena za proizvođače čipova. Čipovi su sada praktično došli do limita kada je njihovo smanjivanje dalje nepraktično, jer se usled toplote i provodnosti javljaju smetnje u radu. Nov materijal, poput grafena, bi mogao da reši taj problem i omogući da se smanjivanje komponenata i samih čipova nastavi istom brzinom kao i do sada, a čime bismo dobili jaču i bržu elektroniku. Uz to, grafen propušta 98% svetlosti, pa je tako providan idealan materijal za ekrane. Tako se možemo nadati tankim savitljivim ekranima koji bi mogli biti velikih dimenzija ili se urolati kao narukvica.

Otvaraju se i neke strogo naučne primena ove forme ugljenika. Zbog specijalne strukture, elektroni se u njemu ponašaju na malo neuobičajen način, kao da nemaju masu, tako da je sa njim moguće vršiti eksperimente sa visokoenergetskim česticama za koje su inače potrebne ogromne instalacije poput onih u CERN-u.

[причалица]

Za sada su većina primena samo u domenu razmišljanja i nadanja, ali tek dolazi vreme grafena. Pre dve godine on je bio najskuplja sirovina na svetu (100 miliona dolara za površinu veličine nokta ), ali ta cena vrtoglavo pada sa nalaženjem novih načina dobijanja grafena koji su dvojica Nobelovaca otkrili pre šest godina. Kao što je sam Andrej Gejm primetio da su polimeri nastali početkom dvadesetog veka, ali tek kasnije je zavladala, sada sveprisutna, plastika.


Mora proći izvesno vreme dok se naučno otkriće na pretoči u tehnologiju i ne proširi svoj uticaj. Postoji još mnogo, mnogo zamišljenih primena ove, za sada skupe, materije i to od minijaturnih baterija koje mogu da traju mesecima, novih solarnih ploča, senzora na bazi grafena koji mogu da otkriju zapaljive i škodljive supstance, kutija koje održavaju svežinu hrane mesecima. Grafen može da se doda u samu plastiku da ona postane provodnik elektriciteta, pa čak i da od odeće stvori svetleći pano.

[причалица]

Sama nagrada je veoma iznenadila ovu dvojicu naučnika koji nisu očekivali da se ovo otkriće tako brzo nagradi najvećom nagradom u fizičarskom svetu. Kad je stigao poziv iz Stokholma, Andrej je pregledavao mejl, a Konstantin je diskutovao preko Skypa pa su nespremno dočekali pozive. Sada, Gejm je siguran da ne spada u onu vrstu naučnika koji posle Nobelove nagrade prestanu da rade bilo šta značajno, nego da se nalazi u onoj grupi ljudi koja veruje da je Nobela dobila slučajno i da od sada treba da pokaže da tu nagradu i zaslužuje.

Ovaj dvojac radi u Mančesteru u Engleskoj mada su obojica išla na isti fakultet u Moskvi koji im je, po Gejmu, omogućio više znanja nego što bi i Kembridž mogao. Predsednik Rusije Medvedov je, povodom Nobelove nagrade, najavio da se odliv mozgova mora zaustaviti i da se naučnicima mora pružiti bolji uslovi života i modernije laboratorije u zemlji. Poslednji fizičar Nobelovac iz Rusije, Vitalij Ginzburg je rekao prošle godine, nekoliko meseci pre smrti da „ukoliko u Rusiji naučnik ima genijalnu ideju birokratija je stavi u mrtvački kovčeg“ .

Ova dva naučnika su izolovanjem grafena otvorili vrata koja vode ka drukčijoj tehnologiji i najavili početak novog, ugljeničkog, doba. Ugljenik, koji je osnova života, nas je opet iznenadio i nagradio.