Grafen – materiał przyszłości
paź18

Tagi

Powiązane wpisy

Podziel się

Grafen – materiał przyszłości

Opublikował(a) dnia 18 października 2013 w kategorii Technologie | 2 komentarze

Grafen

Grafen jest jednym tych produktów, o których mówi się, że mogą zrewolucjonizować przemysł. Niezwykle wytrzymały oraz lekki materiał jest dziś nadzieją na technologiczny skok, którego inżyniera nie dokonała od kilkudziesięciu lat. Nadzieje, które dziś się z nim wiąże bezsprzecznie powodują, że jest to temat ciekawy, a sam grafen bez wątpienia można nazwać materiałem przyszłości.

Czym jest grafen?

Grafen jest teoretycznie bardzo prosty w budowie. Jego konstrukcja nie jest specjalnie skomplikowana. Jest on płaską strukturą, złożoną z połączonych ze sobą sześciokątów, składających się z pojedynczych atomów węgla. Wyglądem przypomina plaster miodu. Ze względu jednak na jednoatomową grubość, można uznać, że jest to struktura jedynie dwuwymiarowa. Z tego powodu jest to materiał, który nie występuje w przyrodzie naturalnie.

Historia badań nad grafenem

Historia prac nad koncepcją grafenu sięga już lat 20. XX wieku. Wtedy to, dwóch niemieckich naukowców V. Kohlschütter oraz P. Haenni opisało szczegółowo właściwości teoretycznie przewidzianego materiału, nazwanego roboczo graphite oxide paper, którego nazwę zmieniono później na graphene oxide paper. Materiał ten był pierwowzorem dzisiejszego grafenu, ale nie składał się z czystego węgla, a był jednowarstwową postacią tlenku grafitu, czyli tlenkiem grafenu. Dało to początek późniejszych prac teoretycznych nad właściwą postacią grafenu. Najdokładniejszym teoretycznym opisem w ówczesnym czasie była praca P.R. Wallace’a z 1947 roku. Prace nad stworzeniem materiału zaczęto w roku 1975. Przełomem dzięki, któremu szerzej zainteresowano się możliwościami grafenu było wyodrębnienie warstwy grafemu z grafitu. Dokonała tego brytyjsko-rosyjska grupa naukowców w 2004 roku, za co w 2010 roku dwoje Rosjan: Andre Gejm oraz Konstantin Novoselov zostało uhonorowanych Nagrodą Nobla.

Właściwości grafenu

Dzięki nieskomplikowanej strukturze, a także dzięki temu, że jedynym budulcem jest węgiel, grafen jest doskonałym przewodnikiem energii cieplnej oraz elektrycznej. Przewodność cieplna wg. Przeprowadzonych pomiarów wynosi około 5070 W/mK. Dzięki temu materiał ten przejmuje ciepło niemalże natychmiastowo.

Opór elektryczny również jest znikomy co daje wielkie nadzieje na zastosowanie tego materiału w przemyśle elektronicznym.

Prędkość przepływu elektronów przez grafen wynosi 1/300 prędkości światła. Wynik taki umożliwia dokonywanie doświadczeń efektów relatywistycznych oddziałujących na elektron poruszający się w przewodniku. Mniejsze prędkości osiągane w innych materiałach do tej pory to uniemożliwiały.

Ułamek pochłanianego światła o barwie widmowej białej rzędu 2,3% umożliwia zastosowanie grafenu w konstrukcjach optycznych takich jak teleskopy, lub w innych laboratoryjnych urządzeniach pomiarowych.

Wytrzymałość grafenu jest około 100 razy większa niż stali, o tej samej grubości. Materiał ten jest również znacznie bardziej elastyczny. Można go rozciągnąć o około 20% bez ryzyka utraty jego wytrzymałości.

Jedną w najbardziej zaskakujących właściwości grafenu jest też to, że odpowiednio utleniona membrana grafenowa jest całkowicie szczelna dla gazów i nie przepuszcza nawet helu, natomiast jest przenikliwa dla wody. Otwiera to nowe możliwości w kwestii badań laboratoryjnych. Umożliwia opracowywanie nowych metod destylacji oraz innych procesów chemicznych.

Możliwe zastosowania grafenu

Ze względu na doskonałe przewodnictwo cieplne, a także elektryczne i niską rezystencję, grafen jest jednym z tych materiałów, z którymi branża elektroniczna wiąże swoją przyszłości. Oprócz samego przewodnictwa zaskakującą cechą grafenu jest to, że dzięki odpowiednio zbudowanemu układowi mnożnika częstotliwości, można podwoić sygnał przychodzący do wartości kilka razy większej. Testy przeprowadzone przez IBM wykazały, że możliwości grafenowych tranzystorów sięgają nawet stukrotności produkowanych obecnie. Jednym z szybszych tranzystorów potrafią osiągać częstotliwość nawet 427 GHz. Doskonałe właściwości optyczne połączone z elektrycznymi sprawiają, że oprócz samych układów scalonych, grafen może być wykorzystywany również w produkcji elastycznych ekranów dotykowych. Zastosowanie tego materiału umożliwia zwiększenie czasu reakcji oraz precyzję tych urządzeń. Obiecujące jest również zastosowanie grafenu w bateriach oraz akumulatorach. Dzięki jego zastosowaniu możliwa jest produkcja superwydajnych akumulatorów, które mogłyby być ładowane w niezwykle krótkim czasie. Podobnie jest z zastosowaniem grafenu w kondensatorach. Produkowane obecnie kolektory słoneczne, także znaczącą ustępowały by tym, do których produkcji użyto by grafenu. Dodatkowo warto wspomnieć o możliwości zastosowania materiały w urządzeniach pomiarowych. Dzięki niezwykłym właściwościom, możliwa by była rejestracja nawet pojedynczej cząsteczki określonej substancji. Wszystkie możliwe zastosowania grafenu sprawiają, że prace nad jego jak najbardziej wydajnym uzyskiwanie są coraz bardziej intensywne.

Metody otrzymywania grafenu

W chwili obecnej opracowanych jest kilka metod pozyskiwania grafenu. Każda z nich, ze względu na właściwości oraz koszty, jest wykorzystywana do innych celów. Do celów badawczych często używa się metod opartych na mechanicznym oddzielaniu warstw grafenowych od siebie. Metoda ta zapewnia duże parametry ruchliwości cząsteczek do zapewnia duże możliwości badawcze. Koszty tej metody sprawiły jednak, że coraz częściej przestaje być stosowana. Kolejną metodą jest osadzanie grafenu z fazy gazowej (CDV). Ten proces produkcji jest powszechnie stosowany przez większość laboratoriów ostał on opracowany przez koreańskich naukowców. Ostania najczęściej stosowana metoda jest oparta o wytwarzaniu grafenu na węgliku krzemu. Koszt podłoża z węgliku krzemu jest jednak dość wysoki, jednak duża powierzchnia otrzymanego materiału oraz innego możliwości związane z tą metodą produkcji stwarzają największe możliwości. Na podstawie tej metody, polscy naukowcy opracowali swoją, dzięki której możliwe stało się wytwarzanie grafenu o bardzo wysokiej jakości, a zaraz dość niskimi kosztami.

Polski wkład w pracę na grafenem

W 2007 roku Polska włączyła się do badań mających za zadanie opracowanie jak najbardziej wydajnej metody pozyskiwania grafenu. Pracę rozpoczęto w Instytucie Materiałów Elektronicznych we współpracy z Instytutem Fizyki Doświadczalnej Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Owocem tych działań było opracowanie i opatentowanie technologii otrzymywania grafenu, która pozwala na niezwykle czystego materiału o bardzo wysokiej jakości. Metoda opracowana przez polskich naukowców cechuje się również niską ceną, osiąganą do tej pory jedynie poprzez produkcję niższej jakości grafenu. Jeszcze do niedawno jeden centymetr kwadratowy tego materiały wiązał się z kosztami rzędu 100 milionów dolarów. Obecnie koszt ten udało się zredukować aż milion razy, dzięki czemu koszt wytworzenia materiału o tej samej wielkości wynosi jedynie 100 dolarów. Dzięki temu polska metoda pozyskiwania grafenu jest zarówno jedną z tańszych, bardziej wydajnych, a także jest najlepsza jakościowo, ze wszystkich obecnie dostępnych.

The following two tabs change content below.

Michal K

Ostatnie wpisy Michal K (zobacz wszystkie)