Nobel za przyszłość

Tomasz Rożek

publikacja 19.10.2010 12:24

Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki przyznano w tym roku za odkrycie i badania grafenu. Materiału przyszłości.

Nobel za przyszłość pap/EPA/UNIVERSITY OF MANCHESTER/gn W 2010 roku Nagrodą Nobla podzielą się po połowie dwaj Rosjanie pracujący na Uniwersytecie w Manchesterze, w Wielkiej Brytanii, Andriej Gejm i Konstantin Nowosiołow za przełomowe badania nad grafenem

Choć grafen jest jednym z najdroższych materiałów na świecie, każdy może go wyprodukować sam. Jak? Po prostu pisząc ołówkiem na kartce papieru.

Węgiel – metamorfoza
Atomy tego samego pierwiastka mogą się ze sobą łączyć na różne sposoby. Powstające struktury, choć ich skład jest identyczny, mają różne właściwości chemiczne i fizyczne. Węgiel jest chyba mistrzem w zmienianiu swojej tożsamości. W tzw. węglu amorficznym jest – w największym skrócie – bałagan. Atomy są ułożone w sposób chaotyczny. W diamencie (który też zbudowany jest z atomów węgla) przeciwnie. Idealny porządek. Dzięki temu porządkowi i specyficznym wiązaniom typu sp³ diament jest jednym z najtwardszych znanych materiałów. Miękki jest za to grafit. Składa się z połączonych ze sobą jednoatomowych warstw węgla. To tak jak gdyby ułożyć jedna na drugiej kartki papieru. Każda byłaby warstwą węgla o grubości jednego atomu. Taka jednoatomowa warstwa węgla to grafen. Materiał przyszłości. I bohater tegorocznej Nagrody Nobla z fizyki.

Przewodnik i izolator
Pisanie ołówkiem w praktyce oznacza zostawianie na kartce kawałków grafenu. Tylko jak teraz z kartki taki płatek o grubości jednego atomu zabrać? Jak coś z niego zrobić? Grafen ma niezwykłe właściwości. Jest lekki, bardzo elastyczny (giętki) i wytrzymały. Na razie jest jedynym materiałem na świecie o grubości zaledwie jednego atomu. Milimetr grafitu składa się aż z 3 milionów jednoatomowych warstw. Grafen jest setki razy mocniejszy niż stal. Ale to dopiero początek. Warstwy grafenowe bardzo dobrze przewodzą ciepło i prąd elektryczny. Znacznie lepiej niż miedź – jeden z najlepszych przewodników na świecie. Z drugiej strony niewielka modyfikacja, dołączenie do niektórych atomów węgla atomu wodoru, powoduje, że grafen (wtedy już zwany grafanem) nie przewodzi prądu. Jeden materiał może być więc doskonałym przewodnikiem, doskonałym izolatorem i mieć cechy wszystkiego, co mieści się pomiędzy. Te niesamowite właściwości elektryczne powodują, że mówiąc „grafen”, wielu myśli „elektronika przyszłości”.

Krzem się starzeje
Elektronika oparta na krzemie, czyli taka, z jakiej dzisiaj korzystamy przy budowie komputerów, telefonów, aparatów fotograficznych… dosłownie wszystkiego, powoli staje się niepraktyczna. Nie da się jej w nieskończoność miniaturyzować. A miniaturyzacja i ciągłe podnoszenie poprzeczki jest siłą napędową elektronicznego przemysłu. Już od jakiegoś czasu wiadomo, że krzem w najbliższej przyszłości trzeba będzie czymś zastąpić. Najczęściej mówi się właśnie o węglu, konkretnie o grafenie. Zbudowane z niego procesory mogłyby być mniejsze i szybsze. Pierwszy, zbudowany w tym roku w jednym z laboratoriów należących do giganta elektronicznego – firmy IBM, był dwa razy szybszy niż najlepsze procesory krzemowe dzisiaj. A to dopiero początek. Eksperci szacują, że procesory grafenowe będą tysiące razy wydajniejsze niż te, którymi dzisiaj dysponujemy. Tyle o elektronice. Ale z grafenu mogą być budowane przezroczyste i elastyczne wyświetlacze dotykowe. Takie przydałyby się w telefonach, zegarkach, monitorach i telewizorach. Grafen praktycznie w ogóle nie zatrzymuje światła. Z drugiej strony można go zrolować bez obawy, że się złamie. Jest tak elastyczny, że można go bez uszkadzania rozciągnąć o 20 proc.

Grafen – bez kompromisów
Grafen, a także struktury z niego produkowane, takie jak nanorurki węglowe (warstwa grafenu zrolowana w walec) i fulereny („kulka” zbudowana z jednej warstwy węgla), można dodawać do różnych materiałów, powodując, że te stają się bardziej wytrzymałe i bardziej elastyczne. Dodanie do tworzywa sztucznego niewielkich ilości grafenu (ok. 1 proc.) powoduje, że staje się ono doskonałym przewodnikiem. A to otwiera w zasadzie nieograniczone możliwości, bo podział pomiędzy przewodnikami a izolatorami załamuje się. To, co do niedawna nie przewodziło prądu, w wyniku dodania bardzo małych ilości struktur węglowych staje się przewodnikiem. Z grafenu albo z materiałów, w których jest jego domieszka, można by budować samochody, samoloty, a nawet satelity. Trudno znaleźć do tego celu lepszy materiał.

Lekki, elastyczny i wytrzymały. A nie: albo wytrzymały, albo elastyczny. Grafen jest materiałem, przy którym można zapomnieć o kompromisach. To wszystko, co wyżej zostało opisane, można by robić już dzisiaj, ale na razie cena grafenu jest bardzo wysoka. Póki co, to materiał bardziej niż ekskluzywny. Jeszcze dwa lata temu płatek grafenu o powierzchni milimetra kwadratowego kosztował ponad 1000 dolarów. Dzisiaj cena spadła, bo stworzono technologię pozwalającą produkować jego płachty o szerokości do 70 cm. Gdyby wyprodukować taką płachtę o długości 2000 km, ważyłaby ona tylko jeden kilogram. I byłaby idealnie przezroczysta.