Графен - револуционерен материјал што ќе го трансформира 21-от век
Што е графен?
Графенот е составен целосно од јаглерод, како и дијамантот и јагленот. За разлика од овие материјали, атомите на јаглерод кои формираат графен се ставаат во дводимензионални „ленти“, што го прави овој материјал извонредно силен и флексибилен.
Графенот е најтенкиот материјал идентификуван досега - „листот“ од графен е дебел само атом, па затоа научниците велат дека тој е првиот 2Д материјал идентификуван од човештвото. Графенот е подобар електричен спроводник од бакарот, кој е 300 пати посилен од челикот и има уникатни оптички својства. Исто така, иако е скоро про transparentирен, графенот е толку густ што низ него не може да помине ниту хелиум, најмалиот атом на гас.
Методот со кој Андре Геим и Костја Новоселов добија графен е крајно едноставен: двајцата истражувачи од Универзитетот во Манчестер нанеле леплива лента над парче графит, одделувајќи го од лентата со графитни снегулки. Користејќи други парчиња леплива лента, тие излупија последователни слоеви на графит, разредувајќи ги снегулките. Потоа, леплива лента се раствори во ацетон, а добиениот графитски слој се залепи на силициумска плоча. Некои снегулки, со дебелина од само еден атом, прикачени на силиконската плоча.
Графитот е најпознат како материјал од кој е направено олово за молив, кој се состои од надредени слоеви на јаглерод. Истражувачите проценуваат дека еден милиметар графит е составен од околу три милиони слоеви на графен. Моливи создаваат црна лента кога пишуваат со нив, бидејќи триењето доведува до лупење на снегулки од графит. Затоа, професорот Геим наведува дека е многу веројатно дека сите оние што некогаш напишале со молив, произвеле графен, но без да го забележат резултатот.
Како може да се користи графен?
„Супериорните својства на графенот го оправдуваат прекарот„ материјал за чудо “, рече Костја Новоселов, професор кој прв го изолираше овој материјал во 2004 година со Андре Геим на Универзитетот во Манчестер.
Извонредните карактеристики на графенот овозможуваат да се користи во безброј полиња. Професорот Геим смета дека е невозможно да се идентификува најперспективната промена што може да ја донесе. „Опсегот на можни употреби е толку широк и расте со толкаво темпо што фокусирањето на една би значело потценување на обемот на тековниот научен напор“, рече нобеловецот.
Во електрониката, графенот може да се користи за производство на ултрабрзи транзистори, флексибилни дисплеи или LED диоди. Материјалот може да ја зголеми ефикасноста на ласерите и фотодетекторите и може да ги трансформира полињата на производство и складирање на енергија, придонесувајќи за модификација на многу уреди како што се батерии и соларни ќелии. Исто така, употребата на графен во композитни материјали би ја подобрила структурата на крилјата на авионите, што би ја намалило нивната тежина. Во медицината, графенот може да се користи за дизајнирање вештачки ткива и мрежници и за транспорт на лекови до ткивото на кое им се потребни.
„Екраните на допир кои имаат графен како проводен елемент може да се отпечатат на многу тенка пластика наместо на стакло, така што тие ќе бидат лесни и флексибилни. Мобилните телефони може да бидат тенки како лист хартија, да бидат толку лесни за свиткување што ќе се сместат во секој џеб. Поради извонредната отпорност на графен, овие телефони би било многу тешко да се уништат “, објаснуваат специјалистите на Американското хемиско друштво.
Супратик Гуха, раководител на одделот за истражување физика на IBM, рече дека специјалистите на американската компанија работат на високофреквентни транзистори засновани на графен и уреди кои ја користат областа на терахерци од електромагнетниот спектар. Овој регион, сместен помеѓу инфрацрвена и микробранова фреквенција, ветува дека ќе понуди бројни апликации во медицински слики и комуникации на кратко растојание. Терахерци брановите минуваат низ пластика и живи ткива, но досега научниците не успеаја да ги контролираат. „Со помош на графен можеме да го модулираме и контролираме терахерцното зрачење“, вели Гуха.
Графенот исто така може да дозволи дизајн на лесни и флексибилни соларни панели, кои можат да ги покриваат сите надворешни површини на зградите, не само покривот. Графенот апсорбира само 2% од светлината што ја достигнува, без оглед на брановата должина. Исто така е многу добар електричен спроводник. Така, ако е поставена фотоволтаична ќелија помеѓу два слоја графен, светлината би го транзитирала графенот и би ја допирала фотоволтаичната ќелија. Ова би генерирало електрична енергија, која би се транспортирала со употреба на слоеви на графен. Комбинацијата ќе овозможи создавање на флексибилни соларни панели што можат да се користат на безброј начини: на автомобили, облека, торби, електронски уреди или на која било друга површина што ја допира светлината. Значи, благодарение на графенот, сончевата енергија може да стане многу полесна за употреба и пораспространета отколку што можеме да замислиме денес.
Медицината е друга област која ветува дека ќе се трансформира со графен. Бидејќи овој материјал е тенок, флексибилен и отпорен на солените раствори кои формираат живи ткива, графенот е идеален материјал за дизајнирање на бионички уреди. За разлика од металните елементи, кои траат само неколку години во човечкото тело, уредите за графен можат да се користат доживотно. Исто така, бидејќи графенот е електричен спроводник, тој може да се користи за пренесување на електрични импулси на невроните, овозможувајќи им на парализираните луѓе да ја вратат контролата над екстремитетите по несреќата што резултира со повреда на 'рбетниот мозок. Истиот механизам може да се користи за контрола на вештачките екстремитети со употреба на графен за пренос на електрични сигнали до моторите што ги движат.
Трка за патенти и вонредни инвестиции во графен
Извонредниот потенцијал на графен ги стимулира владите и организациите ширум светот да инвестираат значителни суми во истражување на овој материјал, од желба да не ја пропуштат „револуцијата на графен“. Професорот Андре Геим проценува дека годишно се трошат повеќе од 1 милијарда долари за истражување на чудесен материјал.
Откривањето на графен доведе до вистинска „трка за патенти“ од страна на компаниите, универзитетите и другите истражувачки институции. Анализата од КембриџИП покажува дека од вкупно 7.351 пријавен патент за графен регистриран во 2012 година, 2.204 патенти дошле од Кина, 1.754 од САД и 1.160 од Јужна Кореја. Меѓу компаниите со најмногу патенти се Samsung, со 407 и IBM, со 134. Сепак, Европа продолжува да игра клучна улога во развојот на графен. „Европа не била толку агресивна во однос на патентите, но ова е местото каде што се одвиваат најважните истражувања во оваа област“, изјави Луиџи Коломбо, експерт за графен за „Фајненшл тајмс“.
Велика Британија сака да остане центар на истражување на графенот, затоа владата на островот одлучи да потроши 61 милион фунти за создавање на Националниот институт за графен, национален истражувачки центар што ќе се отвори во Манчестер во 2015 година. во Манчестер најавува дека има намера овој институт да биде „светски лидер во истражувањето на графен“. Ниту Универзитетот Кембриџ не остана зад себе, најавувајќи дека ќе го отвори центарот за графини во Кембриџ, во кој ќе бидат инвестирани 30 милиони фунти.
Европската унија неодамна објави планови за финансирање на проект вреден милијарда евра посветен на графенот и неговите потенцијални употреби, што ќе го координира професорот Јари Кинарет од технолошкиот универзитет Чалмерс во Гетеборг, Шведска. „Можете да гледате на овој огромен фонд како начин да ги охрабрите компаниите да се вклучат повеќе во напорите на европските универзитети“, вели Андре Геим.
Потпретседателката на Европската комисија, Нели Крос, вели: „Приказната за графенот покажува дека сè уште има неверојатни работи во науката. Откривањето на овој материјал беше како чудо “. „Од материјал откриен со помош на врв на молив и леплива лента, денес графенот е близу до раѓање на нова индустрија“, додаде Крос.
Крос верува дека овој материјал ќе има извонредна улога во развојот на европскиот континент во следните децении. Затоа, европскиот службеник започна споредба со познатата Силиконска долина, регионот на Калифорнија каде работат многу успешни технолошки компании (вклучително и „Епл“, „Фејсбук“ или „Гугл“). „Дали сте чуле за Силиконската долина? Европа сака да биде позната како „Долина на графен“, рече Крос во соопштението на европските власти за инвестирање во истражување на графен. Истражувачите очекуваат графенот да го замени силициумот во многу области во иднина.
Нокиа е една од 74-те европски компании кои го формираат предводникот на конзорциумот Графен, на кој ќе одат фондовите од една милијарда евра понудени од Европската унија. Меѓу проектите на кои работи финската компанија е полесен и исклучително издржлив телефон кој не се загрева. Јани Кивиоја, еден од истражувачите во истражувачкиот центар Нокиа, го објаснува широко распространетиот ентузијазам за овој извонреден материјал: „Почнавме да работиме со графен во 2006 година и оттогаш идентификувавме многу области каде што можеме да го користиме. Сепак, верувам дека најважните откритија сè уште не се случиле. Постигнавме критичен праг, но дури сега започнува револуцијата на графенот. Индустриската револуција се случи откако научивме да произведуваме железо по ниска цена. Тогаш имавме силиконска ера. Сега доаѓа графенот ".
Професорот Геим ги ублажи многу големите очекувања што луѓето ги имаат од графенот, наведувајќи дека „од откривањето на нов материјал до неговата употреба во производи наменети за пошироката јавност, обично трае околу 40 години. Помислете на полимери: траеше некое време од нивното откритие до моментот кога пластиката стана сеприсутна во нашите животи “. Едно нешто изгледа сигурно: графенот ќе има извонредна улога во технолошкиот развој што ќе го карактеризира 21 век, револуционизирајќи ги најважните полиња.