От Аида Рафат

23 май 2016 - 14:55

Владимер Шиошвили, лицензиран под CC BY-SA 2.0 и адаптиран от оригинала.

косъм

Представете си материал, който е по-здрав от стомана, по-прозрачен от стъкло и по-тънък от човешки косъм. Съвет: това не е криптонит. Аида Рафат, асистент инженер в ConocoPhillips, която спечели финала в Катар на нашето международно състезание за научна комуникация FameLab, обяснява.

Какво е графен?

Това е най-необикновеният материал, който на теория трябва да бъде научна фантастика. Той има безброй приложения и феноменални свойства и много развълнува учените.

Това двуизмерно чудно вещество идва от прост източник. Графенът е основният градивен елемент на графита, основна форма на въглерод и богат минерал. Графитът е направен от хиляди слоеве графен, които са подредени един върху друг. Познати сме с него като молив. Така че технически всеки човек, който някога е чертал линия с молив, е направил графен.

Как са го открили учените?

Случайно. И всичко това беше благодарение на лепкава лента. Още през 2004 г. двама изследователи от Университета в Манчестър, Андре Гейм и Костантин Новоселов, работеха в лабораторията. Те изследваха електрическите свойства на графита и решиха да използват самозалепваща лента, за да проверят дали могат да отлепят по-тънки люспи. Те продължиха да отлепват все повече и повече слоеве от оригиналната разцепена люспа на графита, докато разбраха, че са завършили със слой с дебелина от един атом. Това, което бяха създали, беше графен и по-късно спечелиха Нобелова награда за физика за 2010 г. за своето откритие.

Какво прави графена толкова специален?

Графенът има невероятни и уникални механични, електрически, термични и оптични свойства.

Първо, това е силно. Хората си мислеха, че двуизмерните материали просто ще се разпаднат. Но всъщност графенът е най-здравият материал, който някога е бил тестван: около 200 пъти по-здрав от стоманата. Хамак, направен от един квадратен метър графен, би поддържал теглото на наедрена четирикилограмова котка, но би тежал само колкото едно от мустаците на котката на 0,77 mg (около 100 000 пъти по-лек от един квадратен метър хартия).

Второ, въпреки огромната си сила, графенът запазва гъвкавост и еластичност. Можете да го огънете и той е прозрачен: и двете много важни функции в електрониката, тъй като това означава, че можете да го използвате, за да направите огъващи се, прозрачни сензорни екрани за компютри и мобилни устройства.

Трето, той провежда брилянтно електричество. Всъщност електроните се движат по-бързо през графен, отколкото през всеки друг тестван материал. Учените могат да "допират" графен чрез химическо добавяне или премахване на електрони към него. Колкото повече електрони се добавят към него, толкова повече ток той може да произведе. „Легираният“ графен може да бъде дори по-добър в провеждането на електричество, отколкото медта.

Четвърто, графенът е суперпропусклив, така че дори и най-малките молекули като хелий не могат да влязат в него. Това може да е много важна характеристика, тъй като ще ни позволи да използваме графен за разделяне на течността и газа.

Какво е различното в структурата на графен?

Графенът има много уникална структура, като пчелна решетка от въглеродни атоми. Необичайното е как тези атоми взаимодействат помежду си.

Въглеродният атом има шест електрона, от които четири седят в неговата външна обвивка, готови да се свържат с други атоми, за да образуват молекули. Но в графена само три от тези електрони се свързват плътно със съседните атоми, създавайки изключително силна и плътна връзка. Четвъртият електрон остава несвързан. Тези несвързани електрони се държат много по-различно от обикновено. Те действат като частици светлина или фотони и всъщност се движат със скоростта на светлината над графеновия лист, придавайки на графена неговите феноменални електрически свойства.

Как изглежда графенът?

Не можем да видим графен с просто око. Това е най-тънкият материал, откриван някога. Листът графен е 1000 пъти по-тънък от човешки косъм. Всъщност учените, които са го открили, са успели да видят графеновите люспи само защото са ги поставили върху пластинка от силициев оксид. Ако бяха използвали друг материал, може би дори не биха го видели.

Графенът вече използва ли се за нещо?

Много големи компании като IBM и Samsung внимателно разследват графена. Едно от основните предизвикателства, пред които е изправена електронната индустрия в момента, е, че разширяваме границите на силициевите транзистори (които усилват и провеждат електрически сигнали). С други думи, как можем да правим все по-малки и по-малки силициеви транзистори, така че компаниите да могат да произвеждат по-тънки, но по-мощни смарт телефони, таблети и компютри?

Проблемът е, че вече сме достигнали границата на това, което можем да направим със силициевите транзистори. Просто не можем да ги направим по-малки. С графен обаче има голям потенциал да се стигне по-далеч и дори да се направят прозрачни сензорни екрани и електроника.

Не са само компютрите. Едно от настоящите търговски приложения за включване на графен е тенис ракета от компания, наречена HEAD. Ракетата изглежда е много по-мощна и много по-лека - две основни неща, които трябва да имате в идеалната ракета за тенис!

За какво друго би могло да се използва графен в бъдеще?

Транспортната индустрия може да смеси графен със съществуващ композитен материал, за да направи по-здрави, леки самолети и автомобили. Поради своята непропускливост, графенът също би създал отличен покривен материал за устойчивост на корозия.

Поставете слой от графен върху пластмаса и имате електропроводима пластмаса. Или компания за електроника може да се възползва от гъвкавостта на графена и да го използва, за да направи таблет, който можете да сгънете като вестник, или мъничък интелигентен телефон, който да залепите на тениската си.

Графенът може драстично да подобри живота на традиционната литиева батерия, като значително намали времето за зареждане. Може да се използва за съхранение на слънчева енергия или за направа на суперкондензатори (гигантски батерии, използвани в електрически автомобили и асансьори).

Учените говорят също за използването на графенови филтри за обезсоляване, за превръщане на морската вода в питейна вода и като система за доставка на лекарства за лечение на рак.

Патентован ли е графен?

Патентоването на графен е една от най-силно обсъжданите теми в науката. Самият графен не може да бъде патентован, тъй като е получен от въглерод - естествен материал. Нещо повече, учените знаят за графена от 20-ти век, просто не са знаели как да го изолират.

Много организации обаче са патентовали графенови устройства и процеси за производство на графен. Не знам дали двамата учени, открили графен, са забогатели в резултат на това. Но те наистина станаха изключително известни и спечелиха Нобелова награда. Техният научен труд за новаторското откритие на графен в крайна сметка е публикуван в Science, а самият документ е включен в топ 100 на най-цитираните статии за всички времена. Това е постижение, за което всеки научен изследовател мечтае.

Аида Рафат е помощник инженер в ConocoPhillips. Можете да я гледате да се състезава на международния финал на FameLab на 8-9 юни 2016 г.