Ha az elmúlt évtizedben egy tudományos folyóirat közelében járt, akkor találkozott valamiféle szuperlatívuszával a grafénről – arról a kétdimenziós csodaanyagról, amely azt ígéri, hogy a számítástechnikától a biomedicináig mindent átalakít.
Sok a hírverés a grafén alkalmazásairól, köszönhetően néhány figyelemre méltó tulajdonságnak. 1 milliószor vékonyabb, mint egy emberi haj, de 200-szor erősebb, mint az acél. Rugalmas, de tökéletes akadályként szolgálhat, és kiváló elektromos vezető. Mindezt összerakva egy olyan anyag áll rendelkezésére, amely számos potenciálisan forradalmi alkalmazást kínál.
Mi az a grafén?
A grafén szén, de egy atom vastag méhsejt-rácsban. Ha visszanyúl a régi kémia óráihoz, emlékezni fog arra, hogy a teljes egészében szénből álló anyagok drasztikusan eltérő tulajdonságokkal rendelkezhetnek, attól függően, hogy az atomok hogyan vannak elrendezve (különböző allotrópok). A ceruzában lévő grafit például puha és sötét, mint az eljegyzési gyűrűjében lévő kemény és átlátszó gyémánt. Az ember által alkotott szénszerkezetek nem különböznek egymástól; a gömb alakú Buckminsterfullerene másképp működik, mint a szén nanocsövek tekercsben lévő elrendezése.
A grafén szénatomok lapjából áll egy hatszögletű rácsban. A fentiek közül formáját tekintve ez áll a legközelebb a grafithoz, de míg ez az anyag kétdimenziós szénrétegekből készül, amelyeket gyenge intermolekuláris kötések tartanak egymás után, addig a grafén csak egy lap vastagságú. Ha egyetlen, egy atom magas szénréteget tudna lehántani a grafitból, akkor grafénje lenne.
A grafit gyenge intermolekuláris kötései miatt a grafit puhának és pelyhesnek tűnik, de maguk a szénkötések robusztusak. Ez azt jelenti, hogy a kizárólag ezekből a szénkötésekből álló lemez erős – körülbelül 200-szor erősebb, mint a legerősebb acél, ugyanakkor rugalmas és átlátszó.
A grafén elmélete régóta létezik, és véletlenül kis mennyiségben keletkezett, amióta az emberek grafitceruzát használnak. Legfőbb elszigeteltsége és felfedezése azonban Andre Geim és Konstantin Novoselov, a Manchesteri Egyetemen 2014-ben végzett munkáihoz kötődik. A két tudós állítólag „péntek esti kísérleteket” tartott, ahol a napi munkájukon kívül tesztelték ötleteiket. Az egyik ilyen alkalom során a kutatók scotch tape segítségével távolították el a vékony szénrétegeket egy grafitdarabból. Ez az úttörő kutatás végül a grafén kereskedelmi előállításához vezetett.
Miután 2010-ben elnyerték a fizikai Nobel-díjat, Geim és Novoselov a szalagadagolót a Nobel Múzeumnak adományozta.
Mire használható a grafén?
Fontos megjegyezni, hogy a tudósok mindenféle anyagot fejlesztenek a grafén köré. Ez azt jelenti, hogy valószínűleg jobb a „grafénekre” gondolni, ugyanúgy, ahogyan a műanyagokra gondolnánk. Lényegében a grafén megjelenése egy teljesen új anyagkategóriához vezethet, nem csupán egyetlen új anyaghoz.
Lásd kapcsolódó Mi a turbulencia? Megfejtve a fizika egyik millió dolláros kérdését, az Uránuszon talált gyémánt esőt újrateremtették a Földön – és ez segíthet megoldani növekvő energiaválságunkat A kvantumszámítás nagykorúvá válikAmi az alkalmazásokat illeti, olyan széles körű kutatások folynak, mint a biogyógyászat és az elektronika, a növényvédelem és az élelmiszer-csomagolás. Ha például módosítani tudjuk a grafén felületi tulajdonságait, az kiváló anyag lehet a gyógyszerszállításhoz, míg az anyag vezetőképessége és rugalmassága az érintőképernyős áramkörök vagy az összecsukható hordható eszközök új generációját jelentheti.
Az a tény, hogy a grafén képes tökéletes gátat képezni a folyadékokkal és gázokkal szemben, azt jelenti, hogy más anyagokkal együtt is használható tetszőleges számú vegyület és elem szűrésére – beleértve a héliumot is, amely rendkívül nehezen blokkolható gáz. Ennek számos alkalmazási területe van az iparban, de nagyon hasznosnak bizonyulhat a vízszűréssel kapcsolatos környezeti igények kielégítésére is.
A grafén többfunkciós tulajdonságai hatalmas mennyiségű kompozit felhasználás előtt nyitják meg a kaput. Noha sokat gondolkodtak azon, hogyan lehetne fellendíteni a már meglévő technológiákat, a folyamatos fejlődés ezen a területen végül teljesen új területekhez vezet, amelyek korábban lehetetlenek lettek volna. Láthatnánk-e a repülőgépgyártás egy teljesen új osztályát? Mi a helyzet a kiterjesztett valóság optikai implantátumaival? Látszólag a 21. század az, amikor megtudjuk.