Ja pēdējo desmit gadu laikā esat bijis kaut kur netālu no zinātnes žurnāla, jūs būsiet sastapies ar kaut kādu grafēnu — divdimensiju brīnummateriālu, kas sola pārveidot visu, sākot no skaitļošanas līdz biomedicīnai.
Pateicoties dažām ievērojamām īpašībām, par grafēna lietojumiem ir daudz ažiotāžu. Tas ir 1 miljonu reižu plānāks nekā cilvēka mati, bet 200 reizes stiprāks par tēraudu. Tas ir elastīgs, taču var darboties kā ideāls šķērslis un ir lielisks elektrības vadītājs. Salieciet to visu kopā, un jums ir materiāls ar daudziem potenciāli revolucionāriem lietojumiem.
Kas ir grafēns?
Grafēns ir ogleklis, bet viena atoma biezā šūnveida režģī. Ja atgriezīsities savās vecajās ķīmijas stundās, atcerēsities, ka materiāliem, kas pilnībā sastāv no oglekļa, var būt krasi atšķirīgas īpašības atkarībā no tā, kā ir izvietoti tā atomi (dažādi alotropi). Piemēram, grafīts jūsu zīmuļa galviņā ir mīksts un tumšs salīdzinājumā ar cieto un caurspīdīgo dimantu jūsu saderināšanās gredzenā. Cilvēka radītās oglekļa struktūras neatšķiras; lodveida Buckminsterfullerene darbojas savādāk nekā oglekļa nanocauruļu satītas struktūras.
Grafēns ir izgatavots no oglekļa atomu loksnes sešstūra režģī. No iepriekšminētajiem tas pēc formas ir vistuvākais grafītam, taču, lai gan šis materiāls ir izgatavots no divdimensiju oglekļa loksnēm, kuras slāni uz slāņa notur vājas starpmolekulārās saites, grafēns ir tikai vienas loksnes biezs. Ja jūs varētu nolobīt vienu, vienu atomu augstu oglekļa slāni no grafīta, jums būtu grafēns.
Vājās starpmolekulārās saites grafītā padara to mīkstu un pārslainu, bet pašas oglekļa saites ir izturīgas. Tas nozīmē, ka loksne, kas sastāv tikai no šīm oglekļa saitēm, ir stingra — apmēram 200 reižu spēcīgāka nekā spēcīgākais tērauds, vienlaikus elastīga un caurspīdīga.
Grafēns ir teorētisks jau ilgu laiku un nejauši ražots nelielos daudzumos tik ilgi, kamēr cilvēki ir izmantojuši grafīta zīmuļus. Tomēr tā galvenā izolācija un atklājums ir saistīts ar Andrē Geima un Konstantīna Novoselova darbu 2014. gadā Mančestras Universitātē. Tiek ziņots, ka abi zinātnieki rīkoja "piektdienas vakara eksperimentus", kuros viņi pārbaudīja idejas ārpus ikdienas darba. Vienā no šīm sesijām pētnieki izmantoja skotu, lai no grafīta gabaliņa noņemtu plānus oglekļa slāņus. Šis novatoriskais pētījums galu galā noveda pie grafēna komerciālas ražošanas.
Pēc Nobela prēmijas fizikā iegūšanas 2010. gadā Geims un Novoselovs nodeva lentes dozatoru Nobela muzejam.
Kam var izmantot grafēnu?
Viena svarīga lieta, kas jāatzīmē, ir tas, ka zinātnieki izstrādā visu veidu materiālus, kuru pamatā ir grafēns. Tas nozīmē, ka, iespējams, labāk ir domāt par "grafēniem", tāpat kā mēs domājam par plastmasu. Būtībā grafēna parādīšanās var radīt pilnīgi jaunu materiālu kategoriju, nevis tikai vienu jaunu materiālu.
Skatīt saistītos Kas ir turbulence? Atšķetinot vienu no fizikas miljoniem dolāru vērtajiem jautājumiem, uz Urāna atrastais dimanta lietus ir atjaunots uz Zemes – un tas varētu palīdzēt atrisināt mūsu pieaugošo enerģijas krīzi Kvantu skaitļošana kļūst pilngadīgaAttiecībā uz pielietojumu pētījumi tiek veikti tādās plašās jomās kā biomedicīna un elektronika līdz augu aizsardzībai un pārtikas iepakojumam. Piemēram, grafēna virsmas īpašību modificēšana varētu padarīt to par izcilu materiālu zāļu piegādei, savukārt materiāla vadītspēja un elastība varētu vēstīt par jaunas paaudzes skārienekrāna shēmām vai salokāmām valkājamām ierīcēm.
Fakts, ka grafēns spēj izveidot perfektu barjeru šķidrumiem un gāzēm, nozīmē, ka to var izmantot arī kopā ar citiem materiāliem, lai filtrētu jebkuru savienojumu un elementu skaitu, tostarp hēliju, kas ir ārkārtīgi grūti bloķējama gāze. Tam ir daudz pielietojumu rūpniecībā, taču tas var izrādīties ļoti noderīgs arī vides vajadzībām saistībā ar ūdens filtrēšanu.
Grafēna daudzfunkcionālās īpašības paver durvis uz milzīgu daudzumu kompozītmateriālu lietojumu. Lai gan ir daudz domāts par to, kā tas varētu veicināt jau esošās tehnoloģijas, nepārtraukta attīstība šajā jomā galu galā novedīs pie pilnīgi jaunām jomām, kas iepriekš nebūtu bijušas neiespējamas. Vai mēs varētu redzēt pilnīgi jaunu kosmosa inženierijas klasi? Kā ar paplašinātās realitātes optiskajiem implantiem? Raugoties no tā, 21. gadsimts ir tas, kad mēs to uzzināsim.