Redakcja: Czym jest grafen?

Prof. Andrzej Wysmołek: To bardzo ciekawa substancja, która od wielu lat inspiruje naukowców. Materiał ten posiada wiele przydomków „naj”, jest choćby najcieńszy i najbardziej wytrzymały. Grafen odkryto już bardzo dawno temu jednakże swój renesans przeżył on po rozpoczęciu badań przez Geima i Nowoselowa, którzy wyodrębnili go specjalną metodą.

Grafen to właściwie pojedyncza warstwa węglowa, w której ułożenie atomów węgla przypomina trochę plaster miodu. Wewnątrz materiału atomy są bardzo silnie ze sobą związane, natomiast jeżeli popatrzymy na układ takich warstw grafenowych, to możemy znaleźć je na przykład w graficie, który znany był od stuleci. Opis grafenu podano już w połowie ubiegłego wieku, kiedy mówiono o nim jako o teoretycznej cegiełce, z której zbudowany jest właśnie grafit. Grafitem interesowano się z kolei dlatego, że jest to materiał na różnego rodzaju elementy elektryczne, takie jak szczotki do silników czy przełączniki. Ludzie usiłowali wówczas zrozumieć, czemu grafit tak sprawnie przewodzi prąd elektryczny i dlaczego można z niego budować szczotki, które dobrze ślizgają się po różnych materiałach?

Odpowiedź wygląda następująco. Grafit składa się z elementarnych warstw zwanych warstwami grafenowymi. Wtedy nie nazywano tego grafenem, tylko po prostu pojedynczą warstwą grafitu. Szczególne znaczenie ma przeoczony wcześniej przez wielu naukowców fakt, że warstwa ta jest bardzo luźno związana z innymi warstwami. Przyszli Nobliści wykorzystali zaś tę wiedzę do wyodrębnienia grafenu. Jeżeli bowiem przykleimy na powierzchnię grafitu taśmę i oderwiemy ją tak, żeby siła oddziaływania między taśmą a warstwami grafitu była silniejsza, niż między warstwami grafenowymi, wówczas oderwiemy pewną liczbę takich warstw i dostaniemy czystą powierzchnię grafitu. Tym, co otrzymamy na taśmie będzie stosik warstw grafenowych. Następnie, jeżeli taką taśmę wielokrotnie złożymy i rozłożymy, te warstwy będą się rozdzielać aż do momentu, kiedy pojawią się pojedyncze warstewki, a właściwie płatki grafenowe.

Był to pewien przełom, który zainicjował nową falę badań nad grafenem. Często mówi się, że grafen został odkryty w 2004 r., ale to nie jest prawda. Materiał syntezowano znacznie wcześniej, nie przy użyciu taśmy klejącej, ale pojawiał się na powierzchni, takich materiałów jak węglik krzemu. Związek ten składa się oczywiście z węgla i krzemu i jeżeli podgrzejemy go, w odpowiednich warunkach, do odpowiednio wysokiej temperatury, to jego powierzchnia pokryje się warstwą węgla i krzem po prostu ucieknie, po czym na powierzchni może wytworzyć się warstewka węglowa, czyli grafen. Ludzie otrzymywali go w latach 60., 70., i 80 XX wieku, ale nie przykładali do tego takiej wagi, jaką nadali temu Gaim i Nowoselow. To bardzo ważne w nauce, zwłaszcza teraz, że nie wystarczy samemu dostrzegać wagę jakiegoś problemu, a trzeba jeszcze przekonać do niej także innych naukowców. Geimowi i Nowoselowowi udało się to znakomicie. Dzięki nim od ponad dekady możemy badać ten materiał w różnych kontekstach.

Jakie są zastosowania grafenu?

Można na tę kwestię spojrzeć na różne sposoby. Pierwsze badania Geima i Nowosielowa wskazywały, że jest to wyjątkowy materiał. Pod jakimś względem trzeba jednak powiedzieć, że do tak wielkiego przełomu, jakiego byśmy oczekiwali nie doszło.

Aktualnie do przesyłania, magazynowania czy obrabiania sygnałów i budowania różnych logicznych urządzeń w elektronice używa się elektronów. Elektronika bazuje na ładunku przemieszczającego się elektronu, który możemy magazynować. Ważne jest, żeby przesyłanie elektronów w takich urządzeniach było bardzo szybkie. Wydawało się, że grafen, w którym elektrony poruszają się jak bezmasowe cząstki, czyli jak fotony, które przenoszą ładunek błyskawicznie, bo tylko 300 razy wolniej niż prędkość światła, będzie znakomitym materiałem np. na najnowocześniejsze, najmniejsze tranzystory. Pierwsze badania pokazały, że rzeczywiście można zbudować urządzenia, które będą tak szybko działały. Ze względu jednak na to, że grafen nie jest półprzewodnikiem, tranzystory te miały bardzo słabą efektywność przełączania. Współczesne tranzystory krzemowe posiadają próg przełączenia wielkości milionów. Ma to ogromne znaczenie przy budowie procesorów zawierających setki milionów tranzystorów i ze względu na zasilanie takiego procesora ważne jest, żeby te prądy, które do procesora dopływają nie były zbyt duże. Niestety czysty grafen nie spełnił tych nadziei.

Nie oznacza to jednak, że nie istnieją żadne zastosowania dla jego właściwości elektronicznych. Rozwijany jest choćby szereg urządzeń, które wykorzystują czułość grafenu, jako bardzo cienkiego materiału, na otoczenie zewnętrzne. Dzięki temu można myśleć o różnego rodzaju czujnikach czy bioczujnikach. W tej chwili pojawia się, co prawda, taki problem, że materiał jest czuły praktycznie na wszystko, ale przy odpowiedniej funkcjonalizacji i skonstruowaniu urządzenia, które byłoby czułe wyłącznie na wybrane bodźce, zostałby on rozwiązany. 

Oglądaj całość