Grafen - materiał przyszłości dla elektroniki i fotowolatiki

Grafen to, według wielu specjalistów, materiał przyszłości elektroniki. W przyszłości, pojedyncza warstwa grafenowa może posłużyć jako elektrody w ogniwie słonecznym, jako anoda w bateriach litowych, czy półprzewodnik bez przerwy energetycznej o dużej sprawności.

Grafen to olbrzymia, praktycznie dwuwymiarowa cząsteczka, zbudowana z pojedynczej warstwy atomów węgla. Jest to jedna z alotropowych form węgla, podobnie jak fullereny, czy nanorurki. Wszystkie wyróżniają się szczególnymi właściwościami fizycznymi i chemicznymi: są bardzo mocne, a także świetnie przewodzą zarówno prąd elektryczny, jak i ciepło. Materiał ten ma szansę w wielu zastosowaniach zastąpić krzem.

Wśród cech, które stanowią o wyjątkowości grafenu wymienić należy: bardzo dobre przewodnictwo ciepła (zmierzona przewodność cieplna wynosi od 4840 do 5300 watów na metr i kelwin (dla porównania srebro - 429 watów na metr i kelwin), oraz niewielką rezystancję. Umożliwia on bardzo szybki ruch elektronów, dochodzący w temperaturze pokojowej do 200 tysięcy centymetrów kwadratowych na volt i sekundę (dla porównania krzem - 1500 kwadratowych na volt i sekundę ). Natomiast prędkość przepływu elektronów, wynosząca 1/300 prędkości światła, umożliwia badanie efektów relatywistycznych dla elektronu poruszającego się w przewodniku.

Przeprowadzone niedawno testy pokazały, że grafen jest również najbardziej wytrzymałym materiałem na Ziemi. Siłę wiązań atomowych grafemu przebadali Jeffrey Kysar i James Hone, profesorowie z Columbia University. W krzemowym plastrze wywiercili dziury, w których umieścili kawałki grafenu. Następnie przy pomocy diamentowej sondy próbowali rozerwać wiązania atomowe w grafenie.

Przeprowadzony test wykazał niespotykaną wręcz wytrzymałość materiału. Naukowcy twierdzą, że gdyby wyprodukować grafenową płachtę i przykryć nią kubek, a następnie próbować zaostrzonym ołówkiem zrobić w płachcie dziurę, to grafen jest na tyle mocny, iż warstwa o grubości jednego atomu wytrzymałaby ciężar samochodu postawionego na ołówku.

„Wiedzieliśmy, że grafen do najbardziej wytrzymały materiał. Obecny eksperyment to potwierdził.” – stwierdził Konstantin Novoselov, wynalazca grafenu.

Badania nad powłokami grafenowymi były dotąd ograniczone ze względu na trudność w stworzeniu próbki pojedynczej warstwy, która mogłaby posłużyć do eksperymentów.

Przełomu dokonali naukowcy z UCLA California NanoSystems Institute (CNSI), którzy poinformowali ostanio, iż opracowali metodę, która pozwoli produkować powłoki grafenowe na duża skalę.

Zespół naukowców pod kierownictwem profesora Yang Yang, materiałoznawcy, oraz profesora Richarda Kanera, chemika i biochemika, opracował metodę umieszczania papieru tlenkowo-grafitowego w roztworze czystej hydrazyny, co powoduje redukcję papieru tlenkowo-grafitowego do pojedynczej warstwy grafenu. Metody tego typu były już badane wcześniej przez innych, jednakże po raz pierwszy jako rozpuszczalnika użyto hydrazyny.

Okazuje się grafen wyprodukowany z roztworu hydrazyny jest również lepszym przewodnikiem elektrycznym. Elementy aktywne wskazują prądy wyjściowe trzy rzędy wielkości wyższe niż w przypadku uprzednio wytwarzanych chemicznie grafemów. Obróbka hydrazyną poprawi również spoistość powłok - dotychczasowa największa powłoka grafenowa jaką udało się uzyskać mierzyła 20 na 40 mikronów.

Grafen jest obecnie prawdopodobnie najdroższym materiałem na Ziemi. Cena mikromechanicznie odłupanego krystalitu grafenu cieńszego od ludzkiego włosa przekracza 1000 dolarów.

(lk)