Γραφένιο μια μορφή άνθρακα

Η Σουηδική Ακαδημία Επιστημών απένειμε το Νόμπελ Φυσικής για το 2010 σε δύο Ρώσους φυσικούς, τους Andre Geim και Konstantin Novoselov, του Πανεπιστημίου του Μάντσεστερ, «για τα πρωτοποριακά τους πειράματα σχετικά με το δισδιάστατο γραφένιο.



Το γραφένιο ήταν τρίτο στη λίστα των πιθανών Νόμπελ και επιβραβεύει τις προσπάθειες δύο Ρώσων φυσικών.


Το γραφένιο είναι μια μορφή του άνθρακα. Σαν υλικό είναι εντελώς νέο – όχι μόνο το λεπτότερο που έγινε ποτέ, αλλά και το ισχυρότερο. Ως καλός αγωγός του ηλεκτρισμού άγει σαν τον χαλκό. Ως αγωγός της θερμότητας ξεπερνά όλα τα άλλα γνωστά υλικά. Είναι σχεδόν διαφανές, αλλά και τόσο πυκνό που ακόμη και το ήλιο, το μικρότερο άτομο αερίου, δεν μπορεί να το διαπεράσει. Ο άνθρακας, η βάση όλων των γνωστών μορφών ζωής στη γη, μας εξέπληξε ευχάριστα για άλλη μια φορά.







Γραφένιο από γραφίτη: Ο γραφίτης είναι μια βασική ύλη που βρίσκουμε στη φύση. Όταν λαμβάνεται από τον γραφίτη σε μορφή φύλλων γίνει το γραφένιο. Αν τυλιχθούν τα φύλλα του γραφενίου σχηματίζει ένα νανοσωλήνα από άνθρακα, αν διπλωθεί γίνεται μια μικρή μπάλα ποδόσφαιρο, το φουλλερένιο. Το γραφένιο, κρυμμένο μέσα στον γραφίτη, περιμένει να το ανακαλύψουμε.


Μια λεπτή στρώση του κοινού άνθρακα, πάχους ενός μόνο ατόμου, βρίσκεται πίσω από το φετινό Νόμπελ στη φυσική. Οι δύο Ρώσοι Geim και Novoselov έχουν δείξει ότι ο άνθρακας σε μια τέτοια επίπεδη φόρμα έχει εξαιρετικές ιδιότητες που προέρχονται από τον εξαιρετικό κόσμο της κβαντικής φυσικής.


Οι Geim και Novoselov εξάγουν το γραφένιο από ένα κομμάτι γραφίτη, όπως αυτό που βρίσκεται στα συνηθισμένα μολύβια. Χρησιμοποιώντας το συνηθισμένο σελοτέιπ κατάφεραν να φτιάξουν μια νιφάδα του άνθρακα με πάχος μόλις ενός ατόμου. Μέχρι τότε πολλοί πίστευαν ότι ήταν αδύνατο τέτοια λεπτά κρυσταλλικά υλικά να είναι σταθερά.


Πραγματικές φέτες γραφενίου από μια δημοσίευση του 2004 που ανέφερε πρώτα την απομόνωση και τη σταθερότητα του υλικού, πάχους ενός μόνο ατόμου


Ωστόσο, με το γραφένιο, οι φυσικοί μπορούν να μελετήσουν τώρα μια νέα κατηγορία δισδιάστατων υλικών με μοναδικές ιδιότητες. Το γραφένιο καταφέρνει να κάνει δυνατά τα πειράματα που ανατρέπουν τα στερεότυπα στα φαινόμενα στην κβαντική φυσική. Επίσης, είναι δυνατόν να εμφανιστεί μια απέραντη ποικιλία πρακτικών εφαρμογών, από τη δημιουργία νέων υλικών έως και την κατασκευή καινοτόμων ηλεκτρονικών. Το τρανζίστορ από γραφένιο προβλέπεται να είναι σημαντικά ταχύτερο από το τρανζίστορ του πυριτίου και να οδηγήσει έτσι σε πιο αποτελεσματικούς υπολογιστές.


Δεδομένου ότι είναι σχεδόν διαφανές και καλός αγωγός, το γραφένιο είναι κατάλληλο για την παραγωγή διαφανών οθονών αφής, πάνελ φωτισμού και ίσως ακόμη και ηλιακά κύτταρα.


Όταν αναμιγνύεται με τα πλαστικά, το γραφένιο μπορεί να τα μετατρέψει σε καλούς αγωγούς του ηλεκτρισμού, καθιστώντας τα πιο ανθεκτικά στη θερμότητα και πιο ανθεκτικά. Αυτή η αντοχή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για νέα σούπερ ανθεκτικά υλικά, τα οποία είναι επίσης λεπτά, ελαστικά και ελαφριά. Στο μέλλον, οι δορυφόροι, τα αεροπλάνα και τα αυτοκίνητα θα μπορούσαν να κατασκευαστούν από νέα σύνθετα υλικά.


Οι βραβευθέντες έχουν εργαστεί μαζί για πολύ καιρό τώρα. Ο Konstantin Novoselov είναι 36 ετών αρχικά δούλεψε με τον Andre Geim, 51 ετών, ως διδακτορικός φοιτητής στην Ολλανδία. Ακολούθησε στη συνέχεια τον Geim στο Ηνωμένο Βασίλειο. Και οι δύο αρχικά σπούδασαν και ξεκίνησαν την σταδιοδρομία τους ως φυσικοί στη Ρωσία. Τώρα και οι δύο είναι καθηγητές στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ.





Κατασκευή και φυσική του γραφένιου


Οι φυσικοί για πολύ καιρό προσπαθούσαν να φτιάξουν γραφένιο με χημική απολέπιση του γραφίτη αλλά απέτυχαν. Ακολούθως, το κατάφεραν με μηχανικό διαχωρισμό τρίβοντας γραφίτη πάνω σε κάποια επιφάνεια. Τα ατομικά επίπεδα έγιναν ορατά με οπτικό μικροσκόπιο πάνω σε υπόστρωμα SiO2 και ακολούθησε εξακρίβωση με μικροσκόπιο ατομικής δύναμης.


Το γραφένιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί


Ως σκόνη για την κατασκευή αγώγιμων πολυμερών.
Ως σκόνη σε μπαταρίες
Ως αποθηκευτικό υλικό για Υδρογόνο.
Ως υλικό για laser ημιαγωγών και άλλων οπτοηλεκτρονικών συσκευών.(ειδικά σε 2 επίπεδα γραφενίου το χάσμα μπορεί να ρυθμιστεί από 0 έως 0.3eV)

Ερευνητές της IBM έχουν αναφέρει ότι χρησιμοποίησαν το γραφένιο για τη δημιουργία «διόδων επίδρασης πεδίου» (FET), ένα είδος τρανζίστορ, με συχνότητες λειτουργίας που έφτασαν τα 30 GHz και θα μπορούσαν να αυξηθούν περαιτέρω στα 100 GHz.

Για τη δημιουργία των πειραματικών τρανζίστορ η ερευνητική ομάδα εφάρμοσε μια θερμική τεχνική για το σχηματισμό στρωμάτων γραφένιου πάνω σε πυρίτιο. Κατασκεύασαν έτσι μια πλάκα πυριτίου, όμοια με αυτές στις οποίες δημιουργούνται τα συμβατικά τσιπ, καλυμμένη όμως με FET γραφένιου.

Τέλος
Οι φορείς του ηλεκτρισμού λόγω του πλέγματος, υπακούουν στην εξίσωση του Dirac για άμαζα φερμιόνια!
Οι φορείς εξακολουθούν να είναι ηλεκτρόνια και οπές, χάνουν όμως την ενεργό τους μάζα.
Τελικά το γραφένιο λειτουργεί ως κυματοδηγός για ηλεκτρόνια.

Συγκλονισμένοι δηλώνουν οι επιστήμονες

Οι ρωσικής καταγωγής επιστήμονες εξέφρασαν την έκπληξή τους για «τις επαναστατικές εργασίες τους στο γραφένιο», ένα υλικό που μπορεί να φέρει επανάσταση στην ηλεκτρονική.

«Είμαι συγκλονισμένος», δήλωσε ο 36χρονος Νοβοσέλοφ στο σουηδικό πρακτορείο ειδήσεων TT, το οποίο μετέδωσε ότι αυτό του αποκάλυψε ότι κέρδισε το βραβείο.

«Είναι τρελό», προσέθεσε ο Νοβοσέλοφ, σχολιάζοντας ότι δεν περίμενε να κερδίσει το βραβείο παρά τις εκτιμήσεις των ειδικών που τον τοποθετούσαν μαζί με τον Γκέιμ μεταξύ των φαβορί.

Την έκπληξή του εξέφρασε και ο 51χρονος Αντρέ Γκέιμ, ο οποίος ήταν ο καθηγητής του συνεργάτη του «Κόστια» Νοβοσέλοφ στο παρελθόν.

Την ώρα που του τηλεφώνησαν από τη Στοκχόλμη για να του ανακοινώσουν ότι κέρδισε το βραβείο, αυτός ετοιμαζόταν να απαντήσει σε ηλεκτρονικά μηνύματα.

«Τα σχέδιά μου για σήμερα; Θα επιστρέψω στη δουλειά μου. Τα σχέδιά μου δεν θα αλλάξουν», δήλωσε σε τηλεδιάσκεψη που είχε με δημοσιογράφους μετά την ανακοίνωση ότι του απονέμεται το φετεινό Νόμπελ Φυσικής και δεσμεύτηκε να μην επαναπαυθεί στις δάφνες της επιτυχίας του.

«Πιστεύω ότι υπάρχουν δύο κατηγορίες νικητών των βραβείων Νόμπελ: αυτοί που μετά σταματούν να κάνουν ο,τιδήποτε ως το τέλος της ζωής τους και αυτό είναι μια πολύ κακή υπηρεσία στην κοινωνία», προσέθεσε.

«Και υπάρχουν και αυτοί που πιστεύουν αυτό που θα σκεφτούν κι άλλοι άνθρωποι, ότι κέρδισαν το Νόμπελ κατά τύχη και οι οποίοι αρχίζουν να εργάζονται ακόμη πιο σκληρά από προηγουμένως», σχολίασε, εξηγώντας ότι θέλει να ανήκει στη δεύτερη κατηγορία.

Οι δύο φυσικοί είναι καθηγητές του Πανεπιστημίου του Μάντσεστερ, στη Βρετανία, το οποίο εξέφρασε την ικανοποίησή του για αυτήν τη «φανταστική είδηση» και υπογράμμισε ότι οι εργασίες των δύο επιστημόνων έχουν «τεράστια πρακτικά πλεονεκτήματα».

«Είναι μία φανταστική είδηση. Είμαστε κατευχαριστημένοι που η δουλειά του Αντρέ και του Κονσταντίν πάνω στο γραφένιο αναγνωρίστηκε στο υψηλότερο επίπεδο από την επιτροπή των βραβείων Νόμπελ 2010», δήλωσε η πρόεδρος του Πανεπιστημίου του Μάντσεστερ Νάνσι Ρόθουελ.

«Είναι ένα εξαιρετικό παράδειγμα μιας θεμελιώδους ανακάλυψης που στηρίχθηκε στην επιστημονική περιέργεια και η οποία έχει τεράστια πρακτικά, κοινωνικά και οικονομικά πλεονεκτήματα για την κοινωνία», προσέθεσε.