U znanstvenom svijetu rijetki su trenuci kada se naizgled običan materijal pretvori u zvijezdu budućnosti. Jedan takav trenutak zabilježen je 2004. godine kada su fizičari Andre Geim i Konstantin Novoselov pomoću obične ljepljive trake uspjeli izolirati grafen – sloj ugljikovih atoma debljine svega jednog atoma! Ovo otkriće donijelo im je 2010. godine Nobelovu nagradu za fiziku, ali još važnije, otvorilo je vrata posve novoj eri u znanosti o materijalima. Metoda izolacije bila je toliko jednostavna da je ušla u povijest kao primjer genijalnosti u znanosti.
Andre Geim
Alotropi ugljika – raznolikost jednog elementa
Pod “alotropijom” podrazumijevamo pojavljivanje nekih kemijskih elemenata u više oblika koji se međusobno razlikuju po svojim fizikalnim ili kemijskim svojstvima. Ovu “sposobnost” možemo usporediti s lego kockicama: sve su od istog materijala kao što su svi alotropi ugljika sastavljeni od ugljika. Ugljik se može povezivati u različite oblike, na primjer dijamant ima oblik tetraedra, grafit dolazi u slojevima, fulereni su u obliku kugle, grafen u listovima, baš kao što se i lego kockice spajaju na različite načine. Ova raznolikost njihovih struktura daje im različita svojstva. Pogledajmo koja su svojstva grafena zbog kojih ga nazivaju i materijalom budućnosti.
Svojstva grafena
Grafen se ističe iznimnom mehaničkom čvrstoćom: oko dvjesto puta je čvršći od čelika i može se rastegnuti do približno 20% bez pucanja. Iako nije tvrd poput dijamanta, u mnogim svojstvima nadmašuje većinu poznatih materijala. Vrlo je lagan (oko šest puta lakši od čelika), te pokazuje izvanrednu električnu i toplinsku vodljivost, veću čak i od bakra. Zbog svoje građe od samo jednog sloja atoma, grafen propušta gotovo svu svjetlost (97,7%), što ga čini gotovo potpuno prozirnim.
Njegova struktura toliko je gusta da ni najmanji atomi plina, poput helija, ne mogu prodrijeti kroz nju. Površina grafena sprječava razmnožavanje bakterija, što otvara mogućnosti za primjenu u medicini. Membrane od grafena s vrlo sitnim rupicama koriste se u tehnologijama za desalinizaciju i pročišćavanje vode.
Grafen nije samo znanstvena zanimljivost nego i temelj nove generacije materijala. Od medicine do elektronike, njegova svojstva omogućuju razvoj tehnologija koje bi mogle bitno promijeniti način na koji gradimo, komuniciramo ili brinemo o zdravlju. Upravo su zbog toga razvijene brojne metode za proizvodnju grafena u kontroliranim uvjetima kako bi se njegova izvanredna svojstva mogla primijeniti u praksi.
Konstantin Novoselov
Proizvodnja grafena
Danas se grafen najčešće proizvodi metodom kemijskog taloženja iz pare (CVD1), pri čemu se tanki i ujednačeni slojevi formiraju na metalnim podlogama poput bakra. Ova tehnika omogućuje dobivanje grafena pogodnog za elektroničke komponente, senzore i fleksibilne uređaje. Uz CVD, razvijene su i druge metode prilagođene specifičnim primjenama, primjerice za izradu baterija, membrana ili istraživačkih prototipova. Iako je proizvodnja grafena tehnički zahtjevna, napredak u tehnologiji omogućuje sve širu primjenu u industriji, medicini i svakodnevnoj tehnologiji.
Istraživanja grafena ne zaustavljaju se na jednom sloju. Posebno zanimljivi rezultati dobivaju se kada se dva sloja grafena postave jedan na drugi zakrenuti pod vrlo malim kutom. Tada nastaje interferencijski uzorak poznat kao uzorak moare (franc. moiré) – periodična struktura čiji su razmaci uzoraka mnogo veći od razmaka atoma u pojedinačnom sloju. Ova “supermreža” mijenja elektronska svojstva sustava i omogućuje pojavu novih kvantnih fenomena.
U takvim dvostrukim slojevima zabilježene su pojave poput supravodljivosti, izolacijskog ponašanja i različitih kvantnih anomalija koje ne postoje u jednom sloju grafena. Upravo zato se područje moare fizike smatra jednim od najuzbudljivijih smjerova suvremene fizike materijala: omogućuje precizno podešavanje elektronskih svojstava jednostavnim zakretanjem slojeva, otvarajući put razvoju kvantnih računala, naprednih senzora i novih tehnoloških platformi.
Moare uzorci nisu samo vizualna pojava – oni predstavljaju ključ za razumijevanje i oblikovanje materijala na kvantnoj razini, čime grafen i njegovi slojeviti sustavi postaju temelj budućih tehnologija.
Grafen nas podsjeća da ulazimo u doba u kojem materijale više ne otkrivamo samo u prirodi, nego ih i stvaramo prema vlastitim potrebama. U tom prostoru između prirode i tehnologije otvara se nova mogućnost – da svijet oblikujemo promišljeno, sloj po sloj, baš kao što oblikujemo ideje.
1 Metoda CVD (CVD – Chemical Vapor Deposition) je postupak kemijskog taloženja iz pare u kojoj se plinoviti reaktanti dovode iznad neke podloge (npr. bakra), a zatim se kemijskom reakcijom na površini taloži željeni materijal – u ovom slučaju grafen.
Autor: Željko Glodić
