W 2004 roku dwóch naukowców z Uniwersytetu w Manchesterze przeprowadziło zwodniczo prosty eksperyment o potencjalnie zmieniających świat skutkach. Badacze, Andre Geim i Konstantin Novoselov, bawili się grafitem, tym, co znajduje się na czubku ołówka . Grafit jest wykonany z supercienkich arkuszy czystego węgla ułożonych jeden na drugim. Geim i Novoselov chcieli sprawdzić, czy uda im się wyizolować pojedynczy arkusz grafitu, niemożliwie cienką warstwę węgla o grubości zaledwie jednego atomu.
Więc złapali rolkę taśmy klejącej. Tak, ta sama przezroczysta taśma w plastikowym aplikatorze, którą trzymasz w swojej szufladzie na śmieci. Oto jak Geim opisał swoją technikę , jak donosi BBC.
Metoda taśmy klejącej zadziałała! Poprzez wyizolowanie jednowarstwowego arkusza węgla, Geimowi i Novoselovowi przypisuje się odkrycie zupełnie nowego materiału zwanego grafenem, który jest obecnie uważany za najsilniejszą, najlżejszą i najbardziej przewodzącą elektryczność substancję na Ziemi.
W 2010 roku Geim i Novoselov otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za odkrycie grafenu, a naukowcy z całego świata zaczęli domagać się sposobów wykorzystania tego niezwykłego „supermateriału” do budowy potężniejszych i trwalszych baterii, szybszych mikroczipów, elastycznych obwodów, wszczepialnych bioczujników i więcej. Dziesięć lat później grafen nie spełnił jeszcze swoich rozreklamowanych obietnic, ale wtajemniczeni są przekonani, że w ciągu najbliższych kilku lat w końcu zobaczymy smartfony, samochody elektryczne i czujniki wykorzystujące technologię opartą na grafenie.
Dlaczego grafen jest supermateriałem?
Mierzący grubość zaledwie jednego atomu, arkusz grafenu sprawdza wszystkie pola supermateriału:
- Grafen jest 200 razy mocniejszy wagowo od stali.
- Jest 1000 razy lżejszy od papieru.
- Jest w 98 procentach przezroczysty.
- Przewodzi elektryczność lepiej niż jakikolwiek inny znany materiał w temperaturze pokojowej.
- Może konwertować światło o dowolnej długości fali w prąd.
- I wreszcie, grafen jest wytwarzany z węgla, czwartego co do wielkości pierwiastka we wszechświecie, więc prawdopodobnie nie zabraknie nam
Grafen czerpie swoje supermoce ze swojej struktury . Gdybyś mógł powiększyć wystarczająco blisko, zobaczyłbyś, że arkusz grafenu wygląda jak plaster miodu w skali atomowej. Poszczególne atomy węgla są ułożone w sześciokątny wzór, który przypomina drut z kurczaka. Każdy atom węgla w arkuszu grafenu jest kowalencyjnie związany z trzema innymi elementami węgla, co daje materiałowi niesamowitą wytrzymałość.
Dlaczego grafen tak dobrze przewodzi prąd? Ponownie, ze względu na sposób, w jaki te atomy węgla są połączone. Każdy atom węgla ma cztery elektrony w zewnętrznej powłoce, ale tylko trzy z tych elektronów są wspólne z sąsiednimi trzema atomami węgla. Pozostały elektron nazywa się elektronem pi i może swobodnie poruszać się w przestrzeni trójwymiarowej, co pozwala mu przenosić ładunki elektryczne przez warstwę grafenu prawie bez oporu. W rzeczywistości grafen jest najszybszym przewodnikiem elektryczności w temperaturze pokojowej ze wszystkich znanych substancji.
„Magiczny kąt”
Niedawne odkrycie może dodać kolejną supermoc do listy przechwałek grafenu. Zespół z Massachusetts Institute of Technology (MIT) eksperymentował z dwuwarstwowym grafenem — dwiema warstwami jednoatomowego grafenu ułożonymi razem — kiedy natknęli się na nową, niemal magiczną właściwość grafenu. Kiedy warstwy są lekko obrócone względem siebie — przesunięcie o dokładnie 1,1 stopnia — grafen staje się nadprzewodnikiem . Nadprzewodniki to najrzadsza klasa materiałów przewodzących elektryczność bez żadnego oporu i zerowego ciepła.
Odkrycie „magicznego kąta” grafenu wywołało falę uderzeniową w społeczności naukowej. Chociaż eksperyment przeprowadzono w ekstremalnie niskich temperaturach (blisko 0 stopni Kelvina lub minus 459.67 F), otworzyło się możliwość, że łącząc grafen z innymi nadprzewodnikami, jesteśmy bliżej niż kiedykolwiek nadprzewodnictwa w temperaturze pokojowej. Takie osiągnięcie radykalnie poprawiłoby efektywność energetyczną wszystkiego, od gadżetów, przez samochody, po całe sieci elektryczne.
Jak grafen może zmienić technologię?
Nadprzewodnictwo jest jeszcze dziesiątki lat, ale rewolucyjne produkty na bazie grafenu pojawią się na rynku znacznie wcześniej, mówi Andrea Ferrari, profesor nanotechnologii i dyrektor Cambridge Graphene Center .
„Do 2024 r. na rynku pojawi się wiele produktów grafenowych”, mówi Ferrari, „w tym baterie, fotonika, kamery noktowizyjne i wiele innych”.
Konsumenci od lat z niecierpliwością wyczekiwali baterii na bazie grafenu. Akumulatory litowo-jonowe we wszystkich naszych gadżetach ładują się stosunkowo wolno, szybko tracą moc i wypalają się po określonej liczbie cykli. Dzieje się tak, ponieważ proces elektrochemiczny, w którym zasilane są akumulatory litowo-jonowe, generuje dużo ciepła.
Ale ponieważ grafen jest najbardziej wydajnym przewodnikiem elektrycznym na świecie, wytwarza znacznie mniej ciepła podczas ładowania lub rozładowywania energii elektrycznej. Baterie na bazie grafenu obiecują pięciokrotnie szybsze ładowanie niż litowo-jonowe, trzykrotnie dłuższą żywotność baterii i pięć razy większą liczbę cykli przed koniecznością ich wymiany.
Firmy elektroniczne, takie jak Samsung i Huwei, aktywnie rozwijają baterie grafenowe do smartfonów i innych gadżetów, ale najwcześniej trafią one na rynek w 2021 roku . Jeśli chodzi o baterie grafenowe w samochodach elektrycznych – które mogą radykalnie zwiększyć ich promień jazdy – to jeszcze kilka lat. Cała branża została zbudowana na technologii litowo-jonowej i nie zmieni się z dnia na dzień.
„Branża baterii jest bardzo konserwatywna” – mówi Jesus de la Fuente, dyrektor generalny Graphanea , firmy produkującej i sprzedającej czysty grafen i chipy na bazie grafenu naukowcom akademickim i działom badawczo-rozwojowym. „Może to zmieniać skład baterii kilka razy co pięć do dziesięciu lat, co bardzo utrudnia wprowadzanie nowych produktów w tej branży”.
Na rynku dostępnych jest kilka baterii na bazie grafenu, w tym kilka przewodowych i bezprzewodowych ładowarek firmy Real Graphene, ale to tylko wierzchołek góry lodowej, mówi Ferrari, który jest także specjalistą ds. Nauki i technologii w Graphene Flagship . , współpraca Unii Europejskiej o wartości 1 miliarda euro w celu przyspieszenia rozwoju technologii grafenu. Partnerzy naukowi z Flagship już teraz produkują baterie grafenowe, które przewyższają najlepsze dzisiejsze ogniwa wysokoenergetyczne o 20% pojemności i 15% energii. Inne zespoły zbudowały ogniwa słoneczne na bazie grafenu, które są o 20% bardziej wydajne w przekształcaniu światła słonecznego w energię elektryczną.
Inne zastosowania grafenu
Chociaż baterie grafenowe mogą być pierwszymi na rynku, naukowcy są zajęci opracowywaniem niezliczonych innych zastosowań tego cudownego materiału.
Bioczujniki to wielka sprawa. Wyobraź sobie niewiarygodnie cienki i elastyczny chip, który można wstrzyknąć do krwiobiegu, aby monitorować w czasie rzeczywistym dane dotyczące zdrowia, takie jak poziom insuliny czy ciśnienie krwi. Lub interfejs grafenowy, który przesyła sygnały do mózgu tam iz powrotem, aby wykryć nadchodzący napad padaczkowy lub nawet mu zapobiec. Cienkie, rozciągliwe czujniki można również nosić na skórze lub wpleść w tkaninę ubrania.
Fotonika to kolejna dziedzina, która już wykorzystuje grafen. Dzięki zintegrowaniu grafenu z chipami światłoczułymi, kamery i inne czujniki mogą znacznie poprawić czułość nawet na najsłabsze fale świetlne w zakresie widzialnym i niewidzialnym. Poprawi to nie tylko jakość obrazu z kamer i teleskopów, ale także zobrazowania medycznego.
Kolejnym obiecującym zastosowaniem grafenu jest filtracja. Proste filtry do oczyszczania wody zbudowane z polimerów grafenowych mogą wiązać się z organicznymi i nieorganicznymi zanieczyszczeniami w wodzie pitnej. Naukowcy z Graphene Flagship opracowali również technologie odsalania oparte na diodach grafenowych, które mogą usuwać ponad 60 procent soli z wody morskiej do celów rolniczych i innych.
Wszystkie te zmiany będą wymagały czasu, ale Ferrari w Cambridge Graphene Center jest przekonane, że grafen spełni jego oczekiwania. W rzeczywistości jest równie podekscytowany jeszcze nieodkrytymi właściwościami około 2000 innych materiałów jednowarstwowych, które są również izolowane, metodą taśmy klejącej lub w inny sposób.
„Mówimy grafen, ale tak naprawdę mówimy o wielu opcjach, które są badane”, mówi Ferrari. „Sprawy idą we właściwym kierunku”.
Teraz to jest fajne
Producent sprzętu sportowego Head był jednym z pierwszych, którzy wskoczyli na modę grafenową. Jego rakieta tenisowa Graphene XT twierdzi, że jest o 20 procent lżejsza niż rakiety o tej samej wadze zamachu.
