Kui olete viimase kümnendi jooksul olnud kuskil teadusajakirja lähedal, olete kohanud grafeeni – kahemõõtmelise imematerjali, mis tõotab muuta kõike alates andmetöötlusest kuni biomeditsiini – kohta mingisuguseid ülivõrdeid.
Tänu paljudele märkimisväärsetele omadustele on grafeeni rakenduste kohta palju reklaami. See on 1 miljon korda õhem kui inimese juuksekarv, kuid 200 korda tugevam kui teras. See on paindlik, kuid võib toimida täiusliku barjäärina ja on suurepärane elektrijuht. Kui kõik see kokku panna, saate materjali, millel on palju potentsiaalselt revolutsioonilisi rakendusi.
Mis on grafeen?
Grafeen on süsinik, kuid ühe aatomi paksuses kärgvõres. Kui jõuate tagasi oma vanadesse keemiatundidesse, mäletate, et täielikult süsinikust koosnevatel materjalidel võivad olla drastiliselt erinevad omadused, olenevalt selle aatomite paigutusest (erinevad allotroopid). Näiteks teie pliiatsijuhtmes olev grafiit on pehme ja tume võrreldes kihlasõrmuse kõva ja läbipaistva teemandiga. Inimese loodud süsinikstruktuurid ei erine üksteisest; pallikujuline Buckminsterfullereen toimib erinevalt süsinik-nanotorude keritud paigutustest.
Grafeen on valmistatud süsinikuaatomite lehest kuusnurkses võres. Eelmainitutest on see vormilt kõige lähedasem grafiidile, kuid kui see materjal on valmistatud kahemõõtmelistest süsinikulehtedest, mida hoiavad kiht-kihil nõrgad molekulidevahelised sidemed, siis grafeen on vaid ühe lehe paksune. Kui saaksite grafiidist koorida ühe ühe aatomi kõrguse süsinikukihi, oleks teil grafeen.
Nõrgad molekulidevahelised sidemed grafiidis muudavad selle pehmeks ja helbeliseks, kuid süsiniksidemed ise on tugevad. See tähendab, et ainult nendest süsiniksidemetest koosnev leht on tugev – umbes 200 korda tugevam kui tugevaim teras, olles samal ajal paindlik ja läbipaistev.
Grafeeni on teoreetiliselt käsitletud pikka aega ja seda toodetakse kogemata väikestes kogustes nii kaua, kui inimesed on grafiitpliiatseid kasutanud. Selle peamine isolatsioon ja avastus on aga seotud Andre Geimi ja Konstantin Novoselovi tööga 2014. aastal Manchesteri ülikoolis. Väidetavalt korraldasid kaks teadlast "reedeõhtused katsed", kus nad katsetasid ideid väljaspool oma igapäevast tööd. Ühel neist seanssidest kasutasid teadlased teipi, et eemaldada grafiiditükist õhukesed süsinikukihid. See teedrajav uurimistöö viis lõpuks grafeeni kaubandusliku tootmiseni.
Pärast Nobeli füüsikaauhinna võitmist 2010. aastal kinkisid Geim ja Novoselov lindi dosaatori Nobeli muuseumile.
Milleks saab grafeeni kasutada?
Üks oluline asi, mida tuleb märkida, on see, et teadlased töötavad välja kõikvõimalikke grafeenipõhiseid materjale. See tähendab, et tõenäoliselt on parem mõelda "grafeenidele", samamoodi nagu me mõtleksime plastidele. Põhimõtteliselt võib grafeeni tulek viia täiesti uue materjalikategooriani, mitte ainult ühe uue materjalini.
Vaata seotud Mis on turbulents? Ühe füüsika miljoni dollari küsimuse lahtimõtestamisel on Uraanilt leitud teemantvihm taasloodud Maal – ja see võib aidata lahendada meie kasvavat energiakriisi Kvantarvuti saab täisealiseksRakenduste osas tehakse uuringuid nii laiaulatuslikes valdkondades nagu biomeditsiin ja elektroonika kuni taimekaitse ja toiduainete pakendamine. Näiteks grafeeni pinnaomaduste muutmine võib muuta selle suurepäraseks materjaliks ravimite kohaletoimetamiseks, samas kui materjali juhtivus ja paindlikkus võivad kuulutada uue põlvkonna puutetundliku ekraaniga vooluringi või kokkupandavaid kantavaid seadmeid.
Asjaolu, et grafeen on võimeline moodustama täiusliku barjääri vedelikele ja gaasidele, tähendab, et seda saab kasutada ka teiste materjalidega, et filtreerida mis tahes arvu ühendeid ja elemente, sealhulgas heeliumi, mis on erakordselt raskesti blokeeritav gaas. Sellel on tööstuses mitmeid rakendusi, kuid see võib osutuda väga kasulikuks ka vee filtreerimisega seotud keskkonnavajaduste jaoks.
Grafeeni multifunktsionaalsed omadused avavad uksed tohutul hulgal komposiitkasutusi. Kuigi on palju mõelnud, kuidas see saaks olemasolevaid tehnoloogiaid edendada, viivad valdkonna pidevad edusammud lõpuks täiesti uute valdkondadeni, mis varem oleksid olnud võimatud. Kas võiksime näha täiesti uut kosmosetehnika klassi tekkimist? Aga liitreaalsuse optilised implantaadid? Välimuselt on 21. sajand aeg, mil me sellest teada saame.