Polska grafenem stać będzie?

2b

Naukowcy z Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych oraz Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego opracowali metodę uzyskiwania dużych płacht grafenu wysokiej jakości. Metoda ta, opracowana przez dr. inż. Włodzimierza Strupińskiego, uzyska ochronę patentową na całym świecie. Grafen, jako alotropowa forma węgla intrygował naukowców już w latach 70. ubiegłego stulecia. Nazwę zaś nadano jej dopiero w 1987 roku. Przez przeszło 30 lat nikomu nie udało się jej jednak wyizolować. Dopiero w 2004 roku dokonało tego dwóch Rosjan, którzy przenieśli się do Wielkiej Brytanii jeszcze w czasach istnienia ZSRR: Andre Geim i Kostya Novoselov. Za odkrycie to otrzymali w 2010 roku Nagrodę Nobla z fizyki.

Samo odkrycie grafenu nie oznaczało jego komercyjnego zastosowania. Co prawda Amerykanie potrafili tworzyć duże kawałki grafenu, jednak polska metoda pozwala na uzyskanie materiału lepszej jakości, co jest niezwykle istotne, jeśli chcemy budować z niego układy elektroniczne. Amerykanie korzystali z dobrze znanej techniki epitaksjalnego wzrostu grafenu poprzez sublimację krzemu z węglika krzemu. Proces odbywa się w bardzo wysokiej temperaturze, a jako że krzem odparowuje najpierw tam, gdzie w strukturze węglika występują niedoskonałości, uzyskany grafen ma sporo wad. Polscy uczeni zastosowali technikę chemicznego osadzania z warstwy gazowej na podłożu z węglika krzemu. Dzięki temu pozyskany grafen jest mniej wrażliwy na niedoskonałości węglika, zapewnia wysoką ruchliwość elektronów rzędu 1800 cm2/Vs, umożliwia określenie liczby warstw jakie chcemy uzyskać oraz stopnia wzbogacenia innym materiałem. Badania wykazały nie tylko lepsze właściwości tak pozyskanego grafenu, ale również istnienie w nim przerwy energetycznej, a to zdaniem przedstawicieli firm komputerowych było poważnym problemem do zastosowania grafenu w produkcji komponentów sprzętu komputerowego. – Grafen w obecnej formie nie zastąpi roli krzemu w reżimie cyfrowej komputeryzacji – twierdził do niedawna Yu- Ming Lin z IBM Research. Tezę tą potwierdzili specjaliści Intela. – Przemysł ma już takie doświadczenie z krzemem, że nie ma żadnych planów, aby z niego zrezygnować przy budowie układów scalonych – powiedział Mike Mayberry, dyrektor Intela ds. poszukiwania komponentów. Czy metoda opracowana przez polskich naukowców pozwoli przezwyciężyć wszelkie problemy, czy będziemy tak jak snuje dr. Strupiński zakładać foliowe bransoletki, spełniające rolę telefonu komórkowego, a następnie powiększyć je do rozmiarów tabletu i korzystać z nich jak z komputera? Potrzeba na to czasu i pieniędzy. Można jednak mieć obawy co do tego ostatniego, kiedy słychać od tak poważnych osób jak wicepremier Waldemar Pawlak, że podczas poszukiwania sposobów jak skutecznie wykorzystać opracowaną w Polsce technologię zauważono, że jednym z wiceprezydentów Intel Corporation, największej korporacji produkującej mikroprocesory, jest pochodzący z Gdańska Ryszard Malinowski. – W tej chwili przygotowuję się do rozmowy, by zainteresować właśnie Intel i konkretnie Ryszarda Malinowskiego polską możliwością wytwarzania grafenu – poinformował Pawlak. Brzmi to równie niepoważnie, jak deklaracje Pawlaka, iż każde dziecko w polskiej szkole będzie miało iPada. jac

GRAFEN – cudowny materiał

1. Czym jest grafen?

Grafen jest materiałem, który składa się jednoatomowej płasko rozciągniętej warstwy atomów węgla, które są zorganizowane w sieć krystaliczną o strukturze plastra miodu. Struktura ta przypomina nieco siatkę drucianą. Grafen, po nałożeniu na siebie wielu warstw, formuje grafit, z którym jesteśmy zaznajomieni, jako, że jest materiałem wykorzystywanym w ołówkach. [2]

2. Co czyni z grafenu tak unikalny materiał?

a. Grafen jest najcieńszym z możliwych do otrzymania materiałów. Jego grubość nie przekracza rozmiarów pojedynczego atomu węgla więc praktycznie rzecz biorąc może być uważany za dwuwymiarowy. Grafen może być modyfikowany tak by tworzył formy trójwymiarowe, które nabierają swych własnych, unikalnych i obiecujących właściwości. Jedną z takich form są często przywoływane węglowe nano-rurki. [2]

b. W związku ze swoją dwuwymiarową naturą uważa się, że grafen posiada właściwość zwaną „frakcjonalizacją ładunku”. Właściwość ta jest kluczowa dla rozwoju komputerów nowej generacji. Umożliwia on postęp zarówno w pracy nad komputerami kwantowymi jak i obwodami anionowymi. [3]

c. Ponieważ grafen ma grubość zaledwie jednego atomu węgla, w czystej formie jest przezroczysty. Ta właściwość może doprowadzić do wykorzystania grafenu do stworzenia przezroczystych elektrod dla zastosowań opartych o światło, takich jak diody LED lub znacznie ulepszone ogniwa słoneczne. [4]

d. Oprócz bycia najcieńszym z możliwych materiałów grafen jest również jednym z najmocniejszych – posiada wytrzymałość ponad 200 razy większą od stali. Badacze z Columbia University’s Foundation School of Engineering stwierdzili ostatnio, że „Potrzeba byłoby słonia stojącego na ołówku aby przebić się przez arkusz grafenu grubości folii spożywczej.” [1]

Potencjalne zastosowania

1. Procesory o mocy 1,000+ GHz: Badacze w MIT opracowali układ scalony oparty o grafen, który moze pracowac z czestotliwoscia 1,000 GHz, o wiele wyzsza niz ta, która konwencjonalne krzemowe układy mogłyby kiedykolwiek sobie wymarzyc. Te ultra szybkie układy scalone moga poprawic transfer danych w telefonach komórkowych, komputerach lub innych urzadzeniach elektronicznych.

2. Ogniwa słoneczne: cienka warstwa grafenu mogłaby zapewnic tani zamiennik dla przezroczystych elektrod przewodzacych z tlenków indu i cyny, wykorzystywanych w organicznych ogniwach słonecznych, pozwalajac tym samym na masowa produkcje i opłacalnosc na skale nie do pomyslenia obecnie.

3. Ulepszone tworzywa sztuczne: grafen mógłby byc wprowadzony jako materiał do jakiegokolwiek uzywanego dzis produktu zawierajacego plastik. Taki zabieg uczyniłby tworzywo sztuczne silniejszym, lzejszym i bardziej przyjaznym srodowisku niz jego odpowiednik z czystego plastiku, np. czesci samolotów lub samochodów, produktów wykorzystywanych w sporcie i w gospodarstwie domowym.

4. Superszybkie sekwencjonowanie DNA: wprowadzajac pojedyncze nici DNA w otwory w arkuszach z grafenu o srednicy nanometrów, naukowcy z Holandii stwierdzili, ze opracowali zasade rewolucyjnej i nowej techniki sekwencjonowania DNA. Po przepuszczeniu DNA przez niewielkie otwory w arkuszu grafenu wzdłuz powierzchni arkusza zostaje przyłozone napiecie podczas gdy nici DNA sa powoli przeprowadzane przez otwór zasada po zasadzie. Pomysł polega na tym, ze kazda z czterech zasad – A, C, G i T – bedzie miała swój unikalny wpływ na przewodnictwo grafenu w poprzek wspomnianego otworu, co pozwoli na nadzwyczajnie szybki pomiar tych zmian i stad na niezwykle szybkie sekwencjonowanie.

5. Zastosowanie w komputerach spintronicznych: Na Uniwersytecie Kalifornijskim w Riverside, zycy dokonali przełomu w pracach nad „komputerami spinowymi” w oparciu o grafen. Komputer spinowy zapewniłby olbrzymia wydajnosc pamieci przy wykorzystaniu ułamka mocy zuzywanej przez obecnie dostepne podzespoły. Dzieje sie tak dzieki polaryzacji elektronów – spin daje kazdemu z nich orientacje przestrzenna – góre lub dół. Komputer spinowy zwiekszyłby wykorzystanie tego stanu materiałów w celu przechowania dodatkowych danych, szybszego działania i produkowania mniejszej ilosci ciepła niz standardowa elektronika.

6. Ultrakondensatory: Baterie to w dzisiejszych czasach coraz bardziej nosny temat. Stale wymagaja doładowywania, sa w stanie przechowywac wzglednie mała ilosc energii, a ich własciwosci szybko ulegaja pogorszeniu. Grafen moze byc dla nich alternatywa w postaci ultrakondensatorów. Ultrakondenstaory w oparciu o grafen mogłyby przechowywac wiecej energii w bardziej wydajny sposób niz obecnie stosowane baterie. Na dodatek maja one dłuzszy cykl zycia, sa lzejsze, bardziej wszechstronne i łatwiejsze w utrzymaniu. Wyobraz sobie, ze nie potrzebujesz ładowac baterii swojego komputera całymi dniami a telefonu miesiacami i to bez przegrzewania sie lub wymiany baterii!

7. Zastapienie krzemowych tranzystorów: grafen moze byc zastosowany do wykonania doskonałych tranzystorów. Dzieki temu, ze jest tak cienki mozemy z łatwoscia kontrolowac to, czy przewodzi prad czy nie, przez zastosowanie pola elektrycznego. Elektrony w grafenie przemieszczaja sie balistycznie na pod-mikronowe odległosci. W zwiazku z tym tranzystory oparte o grafen moga pracowac na wyzszych czestotliwosciach i o wiele bardziej wydajnie niz tranzystory krzemowe, których uzywamy obecnie. Zastapienie tranzystorów krzemowych grafenem przeniosłoby sposób pracy komputerów w zupełnie nowy wymiar podnoszac predkosc i wydajnosc na niespotykane wczesniej wyzyny.

8. Wykrywanie czastek: Kostia Novoselov z Uniwersytetu w Manchesterze w Wielkiej Brytanii i jego koledzy z Rosji i Holandii stworzyli płatki grafenu o rozmiarach mierzonych w mikrometrach, zdolne uchwycic wyrazne i dyskretne, stopniowe zmiany w opornosci odpowiadajace pojedynczym czasteczkom gazu, który jest absorbowany i desorbowany z płatków grafenu. To osiagniecie moze prowadzic do urzadzen, które byłyby w stanie wykryc w okreslonej przestrzeni pojedyncza czasteczke substancji.

9. Wyswietlacze nowej generacji: naukowcy na Uniwersytecie Stanforda opracowali zupełnie nowa koncepcje organicznych diod emitujacych swiatło (OLED) z wykorzystaniem kilku nanometrów grafenu w charakterze przezroczystego przewodnika. To moze otworzyc drzwi do taniej masowej produkcji tychze diod na elastycznych podłozach z tworzyw sztucznych o duzych rozmiarach, które mogłyby byc zwijane jak tapeta i stosowane praktycznie wszędzie.

ŹRÓDŁA:
1. http://bigthink.com/ideas/24381
2. http://en.wikipedia.org/wiki/Graphene
3. http://arxiv.org/abs/0912.1116
4. http://www.nanowerk.com/news/newsid=10425.php

 

admin

Komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *