Способан да се сам „поправља”, и то тако да буде „као нов” (без икаквих дефеката), одликује се изразито високом покретљивошћу електрона на собној температури, поседује најнижу познату отпорност на собној температури, нижу него код сребра; краси га релативно висока непрозрачност атомског монослоја, који апсорбује приближно 2,3 % беле светлости, изразито је термички проводан и измерана му је највиша механичка чврстоћа икада (200 пута већа него код челика)…
Проф. др Слободан Маринковић
Да ли је могуће да један хемијски елемент у чистом стању (дакле, не у облику једињења са другим елементима) буде и најтврђи и најмекши, и проводник и изолатор, чак да једновремено (у једном комаду) служи да у једном правцу одводи топлоту, а у другом правцу да буде топлотни изолатор тј. задржава топлоту и не дозвољава јој да одлази? На пример, направи се цев (или млазник ракете, који је мање-више цевастог тј. цилиндричног облика) и та цев ће уздуж да проводи топлоту, а попреко ће да је задржава.
Дакле, ако хоћемо да спречимо да се млазник (кроз који пролазе сви издувни гасови и који се јако загрева од рада ракетног мотора) истопи или распадне, направићемо га од тзв. пирокарбона, који ће да уради управо то што нам треба – да одведе топлоту уздуж до хладнијих делова ракете, а да спречи да топлота прође кроз зид млазника. Да, све је то могуће и млазници ракета се већ дуго, тј. од открића пирокарбона (60-их година прошлог века), праве од тог материјала. А пирокарбон је чист угљеник!
Графен је један слој графита који је
довољно изолован од своје околине
да се може сматрати самосталним.
Нећемо се дуго задржавати на електронској структури угљениковог атома, ипак ћемо рећи да угљеник гради два типа веза: једне (sp3) које омогућују структуру дијаманта тако да је сваки атом везан са три суседна атома у тетраедарском распореду (дакле, нису све везе у истој равни); код другог типа веза (sp2) сваки атом је опет везан са суседна три атома, али везама које су све у једној равни као у пчелињем саћу. „Паковањем” тих равних слојева се добија графит.
Јединствема структура (Википедија)
Међутим, важно је нагласити да су везе међу атомима унутар слојева много чвршће него везе између атома различитих слојева. Захваљујући томе, суседни слојеви се релативно лако померају један у односу на други, па и раздвајају. Тиме се добијају тањи кристали графита, приближно исте дебљине као и пре стањивања (јер су везе унутар слојева чврсте). Ипак, није сасвим довољно и тачно рећи да је графен један слој у графиту. Наиме, графен је један слој графита који је довољно изолован од своје околине да се може сматрати самосталним.
Природна забрана
Сасвим је логично да су истраживачи покушавали да стањивањем графита добију графенски монослој. Такви делимично успешни покушаји датирају још од 1960. године, када је добијено 15 слојева. И поред великог броја покушаја, монослојеви се нису могли добити. Сви ти неуспели покушаји током низа година само су појачали већ постојеће мишљење да самостални графени и не могу да опстану, јер нису стабилни у поређењу са закривљеним структурама као што су чађ, фулерени или наноцеви, па би се настали графен одмах претворио у један од таквих облика.
Наиме, природа стриктно „забрањује” раст малодимензионалних кристала. Раст кристала укључује високу температуру, па стога и термичке флуктуације које разорно делују на стабилност макроскопских једно и дводимензионалних (1D и 2D) облика. Могу се добити равни молекули и кристалити нанодимензија, али како њихова ширина расте, нагло расту и термичке вибрације, које су на макро скали различите у различитим правцима. Због тога се 2D кристалити распадају у низ стабилних 3D структура.
Константин Новоселов и Андре Гејм
објавили 2004. да су добили „самосталне
атомске кристале који су стриктно
дводимензионални (2D) и могу да се схвати
као појединачне атомске равни извађене
из масивних кристала графита или као
одмотане једнослојне наноцеви”.
Немогућност раста 2D кристала ипак не значи да човек не може да „превари” природу, односно заобиђе проблем. Наиме, може да се направи 2D монослој унутар или на површини другог кристала (као нормалан део 3D система), па да се онда удаљи тај други кристал на довољно ниској температури, тако да термичке флуктуације чак ни у макроскопским 2D кристалима не могу да покидају атомске везе и претворе их у 3D облике.
Дилема о стабилности или нестабилности графена је коначно решена 2004. године, када су Константин Новоселов и Андре Гејм са сарадницима објавили радове у којима саопштавају да су добили „самосталне атомске кристале који су стриктно дводимензионални (2D) и могу да се схвате као појединачне атомске равни извађене из масивних кристала графита или као одмотане једнослојне наноцеви”.
Ови руски истраживачи из Манчестера, или енглески из Русије, који су добили Нобелову награду за ово откриће 2010. године, применили су врло једноставну технику: узастопно су стањивали графитни кристал до крајњих граница користећи лепљиву траку, па су онда преносили стањени графит на посебно припремљену оксидисану силицијумску плочицу ради испитивања.
Та техника се често назива „техника лепљиве траке” и, мада једноставна, омогућује добијање кристала високог структурног и електронског квалитета, који могу да достигну чак милиметарске димензије. Истраживачи су констатовали да су самостални графени стабилни под амбијентним условима и висококвалитетни. Поред графена, Гејм и Новоселов су успели да изолују истом техником и 2D слојеве неколико других најизразитијих слојевитих једињења.
Угљенични родоначелник
Када смо већ код графена, треба да истакнемо да је он родоначелник целе серије угљеничних материјала. Као крајњи у низу био би графит са (теоријски) бескрајним низом графенских слојева, односно пирокарбон, који се може сматрати графитом са дефектима. Али, ту долазе и наноматеријали – фулерени и наноцеви. Фулерени су нултодимензионални (јер су као кугле које је неко намерно стругао да би им направио углове – не простиру се ни у једном правцу), а наноцеви су дводимензионалне.
Потпуно неочекивано, показало се да су изоловани 2D кристали не само стабилни на собној температури и у ваздуху, него задржавају и своје макроскопске особине и висок квалитет, тако да покретљивости носилаца наелектрисања остају готово непромењене. Ово је најочигледније баш у случају графена, где електрони могу да пређу хиљаде међуатомских растојања без скретања.
Откриће је покренуло лавину истраживања графена. Било је потребно само неколико месеци да се оствари епитаксијални[*] раст графенских слојева на металним карбидима (нарочито SiC) сублимацијом, као и директно депоновање из паре (поступак HDP[†]) на металима. У случају металних подлога, разрађене су нове методе преношења графена са подлоге на којој је раст вршен на другу подлогу са изолаторским слојем, што је омогућило да поступак постане технолошки применљив.
Једно од питања на које су истраживачи покушали да нађу одговор јесте: колико је слојева потребно да би се структура сматрала 2-димензионалном. У случају графена, ситуација је у том погледу доста добро разјашњена. Показано је, наиме, да се електронска структура брзо мења са повећањем броја слојева, тако да се са 10 слојева приближава 3D граници (графиту). С обзиром на електронску структуру, графени са једним, два, и мало више (3 до <10) слојева могу се сматрати као три различита типа 2D графенских кристала. Дебље структуре се могу сматрати, у сваком погледу и за било коју сврху, танким филмовима графита.
Може да сам „поправља” рупе у својим
(графенским) слојевима, ако су ту
присутни молекули који садрже угљеник.
Структура графена је испитивана трансмисионом елекронском мкроскопиом (ТЕМ) на листовима графена обешеним између шипки металне решетке. ТЕМ је показала очекивану хексагоналну решетку (као на горњој слици). Интересантно је да равни графена баш и нису равне. Наиме, обешени графен је показивао избочине на равном слоју са амплитудом ~1 нм. Оне су можда неизбежне код графена због нестабилности 2Д кристала, а можда потичу од нечистоћа (адсорбата?) које се виде на свим ТЕМ снимцима графена.
Графен може да сам „поправља” рупе у својим (графенским) слојевима, ако су ту присутни молекули који садрже угљеник (нпр. угљоводоници). А када се рупе у слојевима бомбардују атомима угљеника, оне се потпуно затварају при чему се новодошли атом угљеника сасвим уклапа у отворе и потпуно прати шестоугаонике. Дакле, не ради се о крпљењу, већ о правом „уметничком штоповању” (некада врло популарном).
Јединствене оптичке особине доводе
до неочекивано високе непрозрачности
атомског монослоја, који апсорбује
~2,3 % беле светлости. То је последица
необичне нискоенергетске електронске
структуре графенског монослоја.
Графен има најнижу електричну отпорност од свих материјала. Он се разликује од већине конвенционалних 3D материјала. Сам по себи, графен је семиметал или полупроводник са нултом зоном. Још 1947. је схваћено да електрони и шупљине имају нулту ефективну масу (?!), тако да се понашају као релативистичке честице које се описују Дираковом једначином. То је разлог што се електрони и шупљине називају Диракови фермијони, а шест углова Брилуинове зоне се називају Дираковим тачкама.
Графен има изразито високу покретљивост електрона на собној температури – преко 15.000 cm2V−1s−1. Покретљивост шупљина је скоро иста. Покретљивост је скоро независна од температуре између 10 и 100 К, Граница покретљивости на собној температури је 200000 cm2V−1s−1 при густини носилаца 1012 cm−2. Одговарајућа отпорност графенског слоја била би 10−6 Ω·cm, што је ниже од отпорности сребра, најниже познате отпорности на собној температури. Међутим, за графен на подлози SiО2 расипање електрона је веће, снижавајући границу покетљивости на 40000 cm2 V−1s−1.
Јединствене оптичке особине графена доводе до неочекивано високе непрозрачности атомског монослоја, који апсорбује ~2,3 % беле светлости. То је последица необичне нискоенергетске електронске структуре графенског монослоја. Ширина процепа графена се може подешавати од 0 до 0,25 еV (таласна дужина ~5 микрометара) применом напона на један део транзистора са ефектом поља. Графенске нанотраке се, такође, могу подешавати у терахерц режиму применом магнетног поља. Тако графен јесте прозрачан, али његова прозрачност није баш толико велика (један једини слој „поједе” преко 2% светлости).
Термичка проводност графена (4,8 до 5,3) 103 Wm−1К−1 мерена је на температури блиској собној неконтактном оптичком техником. Наведене вредности су изнад оних мерених на наноцевима или дијаманту. Могуће објашњење овако високих вредности јесте да се графит може схватити као 3D верзија графена, чија је термичка проводност у равни моно слоја преко 1000 Wm−1К−1 (упоредива са дијамантом). У графиту је термичка проводност дуж ц-осе за фактор од ~100 мања због слабих веза међу слојевима и већег међуслојног растојања.
Веома лак, веома чврст
Графен је најчвршћи од свих икад испитиваних материјала. Прекидна чврстоћа графена је 200 пута већа него код челика, а затезни модул (жилавост) је 1 ТPа. Међутим, процес његовог раздвајања од графита захтева извесна технолошка решења пре него што буде довољно економчан за индустријске процесе. Осим чврстоће, важна особина графена је да је врло лак (0,77 mg/m2). (Можда ће бити јасније ако наведемо да би 1 m2 графенске мреже, чија би укупна тежина одоварала једном мачјем брку, издржала тежину мачка од четири килограма).
„Не само што је лакши, чвршћи и
савитљивији од челика, него се може
и рециклирати, еколошки је погодан
и исплатив у експоатацији…”
Својевремено је произведен графенски папир. Не улазећи у детаље у вези са неопходним припремним радовима, навешћемо само цитат једног од проналазача: „Не само што је лакши, чвршћи и савитљивији од челика, него се може и рециклирати, еколошки је погодан и исплатив у експоатацији…” и даље: „Као што велике авиокосмичке компаније замењују метале угљеничним влакнима и другим угљеничним материјалима, сада ће графенски папир са својим неупоредивим механичким особинама заменити њих”.
Замењује метал (Википедија)
Двослојни графен има интересантне електричне особине, што га чини вероватним кандидатом за оптоелектронске и наноелектронске примене. Двослојни графен се типично може наћи било у уврнутим конфигурацијама, где оба слоја ротирају један у односу на други, или у Берналовим (Бернал је открио како изгеда структура графита) наслаганим паковањима, где половина атома у једном слоју „лежи” на другој половини. Ред „слагања” и оријентација јако утичу на оптичке и електронске особине двослојног графена. Један начин да се синтетише двослојни графен је помоћу HDP чиме могу да се произведу велике двослојне површине које скоро искључиво одговарају Берналовој геометрији.
Графен има идеалне особине као
компонента интегралних кола: велику
покретљивост носилаца наелектрисања,
а мали шум, што омогућује коришћење
као канала код транзистора са.
Од великог броја потенцијалнх примена графена, неколико их је у стадијуму развоја. То су лаки, танки, савитљиви, а ипак трајни екрани, електронска кола и сунчеве батерије, али и разни медицински хемијски и индустријски процеси који се побољшавају или омогућују применом графена..
Графенски чип (Википедија)
Графен има идеалне особине као компонента интегралних кола: велику покретљивост носилаца наелектрисања, а мали шум, што омогућује његово коришћење као канала код транзистора са ефектом поља. Проблем је да се произведу појединачни слојеви графена, а још је теже да се они направе одозго на одговарајућој подлози. Истраживачи покушавају да нађу методу преношења појединачних слојева графена директно од њиховог настајања. (механичким стањивањем, или графититизацијом површине SiC) на жељену површину. Најмањи транзистор до данас добијен, дебљине једног атома и ширине 10 атома, израдјен је 2008, а већ следећег месеца је демонстрирано графенско интегрално коло.
Јуна 2011. објављено je да јеизрађено прво интегрално коло засновано на графену. Коло је радило до 10 GHz при температури до 127 оC. Новембра 2011. Показано je да се инк-јет штампање (штампање убризгавањем) може користити као метода израде графенских уређаја.
Велика електрична проводност и добра оптичка прозрачност чине да се разматра могућност примене графена за прозрачне проводне електроде, као што су додирни екрани, екрани са течнм кристалима, органске фотоволтаичне ћелије и органске диоде које емитују светлост. Механичка чврстоћа и савиљивост дају предност графену у одосу на индијум-калај-оксид који је крт, док се филмови графена могу депоновати из раствора на великим површинама.
Техником HDP произведени су континуални прозрачни филмови велике површине и велике проводности за примену у фотоволтаичним уређајима. Органске диоде које емитују светлост са графенским анодама су, такође, биле приказане. Електронске и оптичке перформансе уређаја на бази графена су сличне уређајима начиињених са индијум-калај-оксидом.
Мембране од графен оксида дозвољавају да водена пара пролази кроз њих, али је показано да су непропустљиве за друге течности и гасове, укључујући хелијум. Ова појава је искоришћена за даљу дестилацију вотке да би се добиле више концентрације алкохола. То је рађено на собној температури, без примене топлоте или вакуума, иначе уобчајених код традиционалних метода дестилације. Даља разрада и комерцијализација оваквих мембрана би могла да револуционише производњу биогорива и индустрију алкохолних пића.
Године 2008. саопштено је да су високотранспарентни графенски филмови произведени техником HDP на великој скали. Истраживачи су најпре направили ултратанке графенске слојеве тако што су прво депоновали атоме угљеника из метана у облику графенских филмова на плочи од никла. Затим су поставили заштитни термопластични слој преко графенског слоја а подслој од никла су растворили у киселини. У завршном делу поступка се припоје ултратанки графени (заштићени пластиком) врло савитљивом полимерном слоју, који затим може да се угради у OPV ћелију (графенски фотоволтаици). Произведени су графенски полимерни листови чија величина износи до 150 cm2 и могу се користити за добијање густих скупова савитљивих OPV ћелија. На крају се може применити штампарски процес, чиме се добијају велике површине покривене јефтиним соларним ћелијама, слично као што се у новинским пресама штампају дневни листови.
Изванредан сензор
Теоријски, графен представља изванредан сензор због његове 2D структуре. Чињеница да је његова цела запремина изложена околини чини да је врло ефикасна код детекције адсорбованих молекула. Међутим, слично наноцевима, графен нема „висећих” (dangling) веза на површини, па се молекули гаса не могу лако адсорбовати на површини графена. Тако је графен сам по себи неосетљив. Осетљивост графенских хемијских гасних сензора се може драматично повећати додавањем функционалних група, на пример превлачењем танким слојем неких полимера.
Графенски електрони могу
да пређу хиљаде међуатомских
растојања без скретања.
Танак слој полимера делује као „концентратор” који абсорбује молекуле гаса. Абсорпција молекула уноси локалне промене у електричном отпору графенских сензора. Иако тај ефект постоји код других материјала, графен је супериоран због велике електричне проводности (чак и када је присутан мали број носилаца) и малог шума, што омогућује да се може детектовати и таква мала промена отпора.
Графенске нанотраке су у основи појединачни слојеви графена који су сечени по одређеном обрасцу (цик-цак, односно столица), да би се добиле одређене електричне особине. Израчунавања предвиђају да цик-цак треба увек да буду метални, док столице могу бити метали или полупроводниcи, зависно од њхове ширине. Међутим, израчунавања показују да су столичне нанотраке полупроводне са енергетским процепом који расте инверзно са ширином нанотраке, а експериментални резултати заиста показују да енергетски процеп расте са сужавањем траке.
Цик-цак траке су, такође, полупроводне и показују спин-поларизоване ивице. Њихова 2D структура, висока електрична и термичка проводност и мали шум, чине да су нанотраке могућа алтернатива бакру за инергрисане везе међу колима. Могу се произвести велике колчине нанотрака контролисане ширине помоћу процеса нанотомије.
Код графена је много шта невероватно: потпуно неочекивана стабилност (код равних 2D структура), задржавање макроскопских особина и високог квалитета, тако да покретљивости носилаца наелектрисања остају готово непромењене. Графенски електрони могу да пређу хиљаде међуатомских растојања без скретања.
Поновимо да је графен способан да се сам „поправља”, и то тако да буде „као нов” (без икаквих дефеката), да се одликује изразито високом покретљивошћу електрона на собној температури, да поседује најнижу познату отпорност на собној температури (10−6 Ω·cm), нижу него код сребра; да га краси релативно висока непрозрачност атомског монослоја, који апсорбује ~2,3 % беле светлости, да је изразито термички проводан и да му је измерана највиша механичка чврстоћа икада (200 пута већа него код челика)…
Навешћемо само неке од примена које излазе из домена „потенцијалних” и улазе у оне праве: најмањи транзистор до данас израђен; прозрачне проводне електроде (додирни екрани итд); мембране од графеноксида, које не пропуштају никакве гасове ни паре (ни хелијум), али пропуштају водену пару; велике површине покривене јефтиним соларним ћелијама које улазе у примену; детекција појединачних молекула.
Шта да се каже на крају? Угљеник је елеменат који не престаје да нас изненађује!
