Młody Technik 2008/04
Poznaliśmy już fulereny i węglowe nanorurki, ale ostatnio powszechną sensację wzbudza najnowsze odkrycie naukowców zajmujących się badaniem węglowej rodziny. Tym odkryciem jest „grafen”.
Jedną z alotropowych odmian, w jakich węgiel występuje w przyrodzie, jest jak wiadomo grafit. Ludzie mają z nim do czynienia od najdawniejszych czasów. Jest to minerał stalowoszary, brązowawy lub czarny, nieco twardszy od talku (skalę twardości minerałów Mohsa podajemy w oddzielnej ramce). W dotyku grafit wydaje się śliski i tłusty, a ponadto łatwo brudzi palce. Z grafitu – jak wiemy – robi się rdzeń ołówka, używanego do pisania i rysowania. Często wykorzystywany jest on jako materiał smarujący tam, gdzie nie używa się smarów ciekłych. Grafit charakteryzuje się bardzo dobrą łupliwością na płaskie warstwy, a dzieje się to dzięki strukturze jego kryształów, składających się z wielu płaskich heksagonalnych warstw atomów węgla, utrzymywanych razem blisko siebie dzięki działaniu sił van der Waalsa. Długość boku sześciokątnego ogniwa sieci wynosi 0,142 nanometra, a odległość pomiędzy poszczególnymi warstwami – 0,335 nanometra.
Grafenem nazwano dwuwymiarową molekułę węglową o grubości zaledwie jednego atomu. Można zatem uważać, że grafen stanowi pojedynczą warstwę grafitu. Ale dopiero niedawno (a konkretnie w roku 2004) dwaj naukowcy: prof. Andre K. Geim z Manchester Uniwersity oraz Kostya S. Novoselov z Instytutu Technologii Mikroelektronicznej w rosyjskiej Czernogołowce, odkryli tę dotychczas nieobserwowaną postać molekuł węglowych i opracowali sposób ich wyizolowywania z grafitu. (W praktyce uważa się też, że o graficie można mówić, gdy liczba warstw grafenu przekracza dziesięć).
Jest wielce prawdopodobne, że pisząc na papierze ołówkiem grafitowym, pozostawiamy na nim wiele drobnych, grafenowych płytek. Niektóre metody otrzymywania grafenowych płytek są bardzo do tego podobne.
Inny sposób, nazywany metodą taśmy Scotch, może wydawać się zabawny, ale opracował go zespół, którym też kierował prof. Andre Geim. Cała procedura zaczyna się od odłupania kawałka grafitu i umieszczenia go na taśmie lepiącej, jakiej powszechnie używa się w domu i biurze. Na przyklejony do taśmy kawałek grafitu nalepia się taką samą taśmę lepiącą. Następnie delikatnie rozdziela się obie warstwy taśmy, na których pozostają odłupane od siebie warstewki grafitu. Okazuje się, że po wielokrotnym powtórzeniu tej operacji na taśmie lepiącej pozostaje krystaliczna warstwa węgla o grubości zaledwie jednego atomu – czyli molekuła grafenu!
Przez wiele lat fizycy sądzili, że istnienie takiej warstwy jest niemożliwe. Przewidywano, że nigdy nie będzie stabilna i zawsze będzie się zwijać w cylinder, czyli nanorurkę. Ale trwające wiele lat prace zespołu prof. Geima zakończyły się sukcesem, ponieważ zarówno za pomocą zwykłego mikroskopu optycznego, jak i skaningowego mikroskopu elektronowego udało się zobaczyć kryształy węgla zupełnie nowego rodzaju.
W ostatnich latach w wielu laboratoriach naukowych trwają intensywne poszukiwania innych metod uzyskiwania grafenu. Jedną z ciekawszych metod, wywodzącą się z technologii półprzewodnikowej (wykorzystywanej przy pro dukcji mikroprocesorów), opracował dr Jannik Meyer z renomowanego Instytutu Maksa-Plancka, który współpracuje z prof. Geimem. W metodzie tej jako podstawę wykorzystano kryształ krzemu, pokrytego warstwą tlenku o ściśle określonej grubości, na którą nanoszono grafenowe warstwy. Dzięki subtelnym zmianom koloru można było pod mikroskopem określać, z iloma warstwami grafenu ma się do czynienia. (Ciekawostka: 30–40 warstw ma kolor niebieski, 10 warstw – różowy, natomiast pojedyncza warstwa jest bladoróżowa, niemal niewidoczna). Następnie z góry nakładano metalowe rusztowanie składające się z bardzo cienkich złotych drucików. Odległość pomiędzy poszczególnymi drucikami była 100 razy mniejsza od grubości ludzkiego włosa. Po wytrawieniu krzemowego podłoża na rusztowaniu zawisała pojedyncza warstwa grafenu o powierzchni około jednego mikrometra kwadratowego (czyli jednej milionowej milimetra kwadratowego). Po raz pierwszy udało się otrzymać swobodnie wiszący w próżni lub powietrzu arkusik grafenu. Warto sobie uświadomić, że taka grafenowa molekuła składa się z 30 milionów atomów węgla!
Teoretycy przewidywali, że absolutnie płaskie molekuły węgla nie będą stabilne. Wyniki przeprowadzonych badań wskazują jednak na to, że uzyskiwane warstwy grafenu nie są płaskie, lecz ich powierzchnia jest pofalowana, co zapewnia im dużą stabilnością.
Fizycy zwracają uwagę naniezwykle ciekawe właściwości elektroniczne grafenu. Ponieważ jest on pojedynczą, płaską warstwą atomów węgla, to ruch elektronów elektronów odbywa się prawie bezkolizyjnie, nawet w temperaturach pokojowych. Elektrony w grafenie zachowują się tak, jak gdyby nie miały masy spoczynkowej i poruszają się z prędkością około 1000 km/s (czyli tylko 300 razy wolniej od światła), a zatem znacznie szybciej, aniżeli elektrony w zwykłych przewodnikach. Pozwala to snuć perspektywy, że dzięki niezwykle małym rozmiarom i bardzo dużej prędkości elektronów uda się stworzyć nowy rodzaj ultraszybkich urządzeń mikroelektronicznych.
Opracowywane są metody badania właściwości elektrycznych grafenu. Przykładem może być układ, w którym pomiędzy dwoma złotymi elektrodami umieszczono grafenową wstążkę długości 200 nanometrów.
Przeprowadzono także pierwsze próby stworzenia grafenowego jednoelektronowego tranzystora. Znane jest prawo Moore’a, mówiące, że co dwa lata liczba tranzystorów upakowanych na krzemowym krysztale o tej samej powierzchni ulega podwojeniu. Jednakże uczeni wiedzą, że istnieją nieprzekraczalne granice obowiązywania tego prawa. Prof. Geim przewiduje, że tranzystory grafenowe o nanometrowych wymiarach pozwolą wyjść poza te granice. Być może jeszcze przed rokiem 2025 układy bazujące na grafenie zaczną zastępować dobrze nam znane układy krzemowe.
Nie sposób byłoby tutaj wyliczyć obszary potencjalnych zastosowań grafenu. Rozważa się możliwość wykorzystania takiej węglowej sieci do filtrowania lekkich gazów.
Łatwo jest zatem zrozumieć, dlaczego badania nad tymi zagadnieniami są prowadzone w wielu ośrodkach naukowo–badawczych na całym świecie. Można się domyślać, że metoda z taśmą Scotch, choć dość efektowna, to jednak nie bardzo nadaje się do masowej produkcji większych arkusików grafenu. Konieczna jest zatem intensyfikacja badań nad tymi zagadnieniami i poszukiwanie efektywniejszych sposobów produkcji grafenowych arkuszy. Może uda się opracować odpowiednie technologie, kto wie?
Jesteśmy też świadkami powstawania nowego kierunku nauki, bowiem uczeni przewidują teoretyczną możliwość istnienia wielu innych płaskich molekuł składających się, przykładowo, z węgla i wodoru. Jedna z koncepcji dotyczy molekuły, w której do węglowych węzłów heksagonalnej siatki grafenu dołączone byłyby, na przemian z obu jej stron, atomy wodoru. Zaproponowano nawet nazwę takiej dwuwymiarowej węglowodorowej molekuły: „grafan”.
Oczekuje się, że tego rodzaju materiał mógłby nadawać się do magazynowania wodoru, który – jak wiemy – uważany jest za paliwo przyszłości. Rozważa się także możliwość wykorzystania grafenu i grafanu w dwuwymiarowych układach elektronicznych. Obecnie trwają poszukiwania odpowiednich metod syntezy takich molekuł. Poczekajmy zatem cierpliwie na dalsze wyniki tych prac. Gra idzie naprawdę o ogromną stawkę.
Jerzy Chmielewski
Opublikowano w „Młody Technik” 2008/04