Grafen
Dok je 5. oktobra ove godine većina stanovnika naše zemlje evocirala uspomene na određena lokalna društveno-politička zbivanja, neki su se bavili malo interesantnijim stvarima – sa nestrpljenjem iščekivali objavu o ovogodišnjim dobitnicima Nobelove nagrade za fiziku. Švedska kraljevska akademija nauka ove godine odala je počast fizici materijala dodelivši ovogodišnju Nobelovu nagradu za fiziku za eksperimente sa dvodimenzionalnim materijalom grafenom dvojici relativno mladih naučnika. Andre Gajm i Konstantin Novoselov, kolege već dugi niz godina i trenutno profesori sa Univerziteta u Mančesteru u Ujedinjenom kraljevstvu stari su 52, odnosno svega 36 godina, a svoje ključno otkriće načinili su pre samo 6 godina.
Oko C atoma, odnosno elementa ugljenika, vrti se čitava organska hemija. Ugljenik predstavlja ključni gradivni i funkcionalni element celokupnog živog sveta na Zemlji. Takođe, poznat nam je u obliku grafita (kakav se nalazi i u našim običnim grafitnim olovkama), obliku skupocenog dijamanta, formi fulerena, nalik na fudbalsku loptu, a već dugo su poznate i ugljenične nanotube. Međutim, sve to nije činilo kraj iznenađenjima koja nam ugljenik priređuje.
Grafen je prvi uspešno izolovani stabilni dvodimenzionalni kristalni materijal. Grafen, jer je nastao iz grafita. Prvi uspešno, jer je pokušaja bilo i ranije, a još takvih uspešno otkrivenih bilo kasnije. Stabilan, jer je potpuno stabilan na sobnoj temperaturi. Dvodimenzionalan, jer zbog debljine od jednog C atoma praktično ima jednu dimenziju manje. Kristalni, jer je njegova struktura pravilno heksagonalna, odnosno sloj grafena čine šestougaonici u čijim temenima se nalaze atomi ugljenika.
Pomenuti grafit je opšte poznati materijal. On je sačinjen od mnogobrojnih ugljeničnih slojeva – grafena. Ono što se događa kada pišemo običnom olovkom jeste da se ti slojevi odvajaju i ostavljaju trag na papiru. Nasuprot slaboj međusobnoj vezi slojeva, atomi unutar jednog sloja vezani su izuzetno čvrsto. Jedna od osnovnih iznenađujućih osobina grafena jeste to da je stotinu puta čvršći od najjačeg čelika! Bez obzira na tu čvrstinu, veze između atoma su i takve da se materijal može rastezati do 120% početne veličine. Kako je debeo, odnosno tanak, svega za debljinu jednog ugljenikovog atoma, grafen je providan. Apsorbuje svega 2,3% svetlosti u optičkom delu spektra. Svakako, kao tako tanak materijal, izuzetno je i lagan – proračunato je da bi jedan kvadratni metar (do sada najveći napravljeni sloj širine je 70 centimetara) grafena bio lakši od jednog miligrama. Druge veoma značajne osobine grafena jesu odlična električna i toplotna provodljivost. Zbog neuobičajene elektronske konfiguracije, elektroni u grafenu se kroz njega kreću brzinom i do milion metara u sekundi sa značajno malim električnim otporom.
Tehnološkim internacionalnim korporacijskim gigantima verovatno je „svanulo“ kada su čuli za grafen. Nijedan zaljubljenik u tehniku i tehnologiju ne može ostati ravnodušan kada sagleda potencijalne praktične primene grafena. Nešto na čemu se već poodmaklo na putu ka komercijalnoj upotrebi jesu nova generacija „tač skrin“ uređaja. Pokazuje se da je moguće proizvesti elektronski uređaj sa osobinama da je nezamislivo tanak, pa i savitljiv. Grafen ima prednost i nad, u elektronici popularnog poluprovodnika, silicijumom, jer može sačiniti manje i gušće pakovane elektronske komponente. Ranije ove godine napravljen je tranzistor od grafena brzine preko 300GHz, a optimisti najavljuju teraherce. U iščekivanju kvantnih računara, grafenska prelazna generacija računarskih čipova izvanredno će poslužiti komercijalnim potrebama. Biće moguće i proizvoditi jeftinije, a efikasnije solarne ćelije, a čvrstoća materijala može biti primenjena u izgradnji svemirskih letelica i drugih konstrukcija. Isecanjem i savijanjem grafena proizvode se nanotube i fulereni, forme materijala koje već dugačak niz godina pokazuju svoje sopstvene prednosti.
Višeslojna struktura grafita
Osim u tehnologiji, međutim, grafen otvara mnoga nova vrata i u fundamentalnim naučnim istraživanjima. Kao jednoatomski sloj može odlično poslužiti za ispitivanje raznih kvantnih efekata koje je do sada bilo nemoguće eksperimentalno ispitati. Takođe, grafen će verovatno naći primenu i u sekvenciranju DNK. Tu će, doduše, biti samo napredak, ne i pionir istraživanja.
Osobine grafena prvi put su teoretski razmatrane još polovinom dvadesetog veka, a bilo je i više pokušaja da se on izoluje, čak je već i korišćena metoda slična onoj koju su koristili Gajm i Novoselov, ovogodišnji dobitnici Nobelove nagrade za fiziku. Prethodni pokušaji davali su slojeve debljine stotinak atoma, gde je uspeh činilo dobijanje iole transparentnog materijala. Gajm i Novoselov, po rođenju stanovnici Rusije, a trenutno (respektivno navedeno) holandskog, odnosno ujedno ruskog i državljanstva Ujedinjenog kraljevstva, uspeli su da izoluju, identifikuju i karakterišu grafen, te su prvi rad o grafenu objavili 2004. Metod kojim su se služili krajnje je jednostavan. Lepljivom trakom skinuli su jedan deblji sloj sa komada grafita. Drugom lepljivom trakom zatim su od dobijenog sloja odvojili još manji sloj. Postupak su ponavljali dvadesetak puta, da bi na kraju uzorak položili na podlogu od oksidovanog silikona. Tada su bili u mogućnosti da optičkom metodom utvrde da su pronašli jednoslojni, odnosno dvodimenzionalni kristal. Može se reći da je ovaj put malo vremena prošlo između eksperimenta i dobijanja ovog prestižnog priznanja, ali bilo je u prošlosti i drugih sličnih slučajeva.
Svakako možemo zaključiti da, iako je većini jedina asocijacija na neki relativno novi, čudesno otkriveni materijal – teflon, fizika materijala jeste ogromno obećavajuće polje. Vrlo je moguće da nas tek čeka prelazak na neke potpuno nove materijale, jednako značajan kao što je bio preistorijski prelaz iz kamenog u bronzano doba. Stoga ne bi trebalo da nas uopšte začudi što je jednom ovakvom otkriću dodeljena Nobelova nagrada. Prenosimo i odgovor Ingemara Lundstroma, predsednika komiteta za Nobelovu nagradu za fiziku, na pitanje o tome zašto je baš grafen zaslužio priznanje:“Pre svega, veliko je naučno otkriće sposobnost da se izoluje istinski dvodimenzionalni kristalni materijal, najtanji materijal na Zemlji. Kao drugo, postoji dovoljno potencijalnih primena u ovoj najranijoj fazi, da me to čini ubeđenim da će grafen pronaći mnogo, mnogo komercijalnih primena i upotreba u bliskoj budućnosti.“
Na kraju, kao dodatnu informaciju, prenosimo i to da je ove godine po prvi put moguće putem Interneta postaviti pitanje dobitnicima Nobelove nagrade. Više o tome možete saznati na adresi njihovog Youtube kanala.
Izvor: http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2010/
Slučajni tekstovi
Učitavanje…
About Marija Janković
Student Fizičkog fakulteta u Beogradu. Nekadašnja polaznica, a sada mlađi saradnik seminara fizike u Istraživačkoj stanici Petnica i jedna od urednika Viva-fizika portala. Interesovanja: prirodne nauke, informatika, fotografija, istorija i esperanto.
More Posts (62)
