Čudesni grafen

Već petnaestak godina znanstvenici istražuju čudesni materijal grafen (monosloj grafita). Nedavno je u časopisu Nature Nanotechnology objavljen članak danskih znanstvenika koji su uspjeli izdubiti grafen u nanodimenzijama bez narušavanja njegovih električnih svojstava. To im omogućava dobivanje električnih struja za tri reda veličine većih od onih prije postignutih, što pokazuje da buduća elektronika može preživjeti smanjivanje na desetnanometarske dimenzije.

Dvodimenzionalna mreža ugljikovih atoma u strukturi pčelinjeg saća

Grafen je zapravo dvodimenzionalna mreža ugljikovih atoma u strukturi pčelinjeg saća. Prvi put je proizveden slučajno, metodom iz dječjeg vrtića. Na grafit (to je onaj materijal od kojeg je srž obične olovke) zalijepljen je selotejp i brzim pokretom odlijepljen. Ono što je ostalo na selotejpu bio je sloj ugljikovih atoma raspoređenih u već spomenutu dvodimenzionalnu strukturu. Zbog iznimnih mehaničkih svojstava (gustoće, čvrstoće i elastičnosti), velike električne vodljivosti i gotovo potpune prozirnosti može se primijeniti u izradi kompozitnih materijala, elektroničkih sklopova, čipova, zaslona osjetljivih na dodir, baterija i solarnih ćelija.

Razlika između grafita i grafena leži u elektronima koji se različito ponašaju u tim materijalima. U grafitu elektroni u ugljiku međudjeluju jedni na druge tako da drže slojeve grafita zajedno, što izostaje u grafenu. Obično elektroni u čvrstom tijelu imaju malu masu koja se generira međudjelovanjem. Bez tog međudjelovanja u grafenu, elektroni se ponašaju kao bezmasene čestice i jure gotovo brzinom svjetlosti. Od grafena bi se mogli napraviti tranzistori koji bi radili na mnogo manjem naponu nego današnji. Senzori kamere od grafena mogli bi biti tisuću puta osjetljiviji na svjetlost nego današnji, što bi omogućilo fotografiranje uz malo svjetlosti.

Grafenski listovi perforirani minijaturnim rupama propuštaju vodu, a zaustavljaju sve ostalo (sol i druge štetne tvari) pa se proučavaju za novu generaciju filtera za vodu i desalinizatora. Uz to ugljik potreban za proizvodnju grafena široko je dostupan, a grafen lagan i prihvatljiv za okoliš. Bilo je čak ideja da se zbog čvrstoće koristi kao materijal za svemirski lift. Sadašnja je cijena slanja nekog materijala u svemir između 10.000 i 70.000 eura po kilogramu, a svemirski lift bio bi mnogo jeftiniji. Čak je i Međunarodna akademija za aeronautiku (International Academy of Aeronautics – IAA) napisala izvješće na 350 stranica o tome. Iako je malo vjerojatno da će se projekt svemirskog lifta realizirati u bliskoj budućnosti, odlično je da grafen nadahnjuje znanstvenike pri proučavanju izvedivosti takvih projekata.

Na papiru i u teoriji sve izgleda idealno, no u praksi je bilo dosta teško manipulirati atomima grafena uz zadržavanje njegovih čudesnih svojstava. Otprilike kao kad želite neko pleme u dalekoj zemlji kultivirati, ali tako da zadrži autohtonost.

Znanstvenici na DTU (Danmarks Tekniske Universitet) i Sveučilištu Aalborg osnovali su 2012. Centar za nanostrukturirani grafen da bi proučavali, primjerice, kako napraviti fini uzorak rupa u tom materijalu što bi malo mijenjalo kvantnu prirodu elektrona u materijalu i omogućavalo da se svojstva grafena prilagođavaju nekom željenom cilju. Donedavno svako unošenje rupa u strukturu grafena unosilo je toliko nereda i kontaminacije da to više nije bio grafen. Ipak, danska grupa znanstvenika uspjela je riješiti problem tako da je prvo grafen stavila unutar drugoga nevodljivog dvodimenzionalnog materijala, heksagonalnog bor-nitrida, koji se često koristi za čuvanje grafenskih svojstava. Nakon toga uporabom tzv. litografije elektronskim snopom pažljivo je napravljen gusti uzorak malih rupa. Promjer rupa bio je 20 nm, a razmak između njih 12 nm. Sve to omogućilo je da potekne tisuću puta veća struja nego prije manipulacije rupama. Danski znanstvenici zapravo su pokazali da mogu kontrolirati grafensku vrpčastu strukturu i dizajnirati je prema željama. Taj rad sugerira da se može sjediti za računalom i dizajnirati elektroničke komponente. Postoje dakako drugi izazovi, ali činjenica da se elektronička svojstva grafena mogu prilagođavati veliki je korak prema stvaranju nove elektronike u ekstremno malim dimenzijama.

Zanimljivo je u svemu tome da je prije sedam godina oformljen centar za proučavanje isključivo grafena na manjem tehničkom sveučilištu u Danskoj, koje prilično dobro stoji na rang-listi najboljih sveučilišta (malo iznad stotog mjesta). Pitanje je koliko je Hrvatska spremna osnivati nove centre kad dođe do takvih zanimljivih proboja u znanosti i gasiti stare i neproduktivne dijelove sustava? Ili još šire od toga, jesmo li se i koliko spremni mijenjati? To je ključno pitanje danas, kada razvoj ide eksponencijalno, a mi bismo još sve po starom. Nedavno potpisan ugovor Hrvatske o priključivanju CERN-u dobra je prilika za razvoj novih tehnologija i novih centara. Tu treba biti spreman na kreativnu destrukciju, odnosno utakmicu u kojoj lošije ideje nestaju, zatvaraju se grupe koje nisu produktivne, a nove se stvaraju i privlače nove ljude. Prisjetimo se da je bilo razdoblja u našoj povijesti (druga polovica 19. stoljeća) kad smo kasnili i po sedamdeset godina s uvođenjem željeznice za razvijenim zapadom samo zato što se nismo bili spremni mijenjati. Nadamo se da smo lekciju naučili i da ćemo u budućnosti mnogo lakše otvarati centre za proučavanje novih obećavajućih tehnologija (npr. novih materijala) jer je to put u kreativniju i produktivniju budućnost.