Słowo grafen pochodzi od wyrazu grafit i jest jego podstawowym budulcem. Wyglądem przypomina plaster miodu, jest bowiem złożony z atomów węgla połączonych ze sobą w sześciokątne struktury. Każdy z atomów łączy się więc z trzema innymi, pozostawiając jeden elektron walencyjny wolny. Co najważniejsze — jego struktura ma grubość 1 atomu, toteż uznawany jest za materiał dwuwymiarowy (nie posiada grubości). Chociaż trudno w to uwierzyć, chwytając grafitowy ołówek, trzymamy w ręku kawałek drewna i miliardy struktur grafenowych, nałożonych na siebie warstwami. Taka struktura pozwala na bardzo łatwe rozszczepianie poszczególnych „plasterków” – stąd też możliwe jest rysowanie ołówkiem po kartce papieru. Miejcie więc na uwadze, że gdybyście 10 lat temu odnaleźli sposób na perfekcyjne oddzielenie od rysika pojedynczych warstw grafenu — z miejsca stalibyście się miliarderami. Zresztą… noblistami również.
Ojcowie Grafenu
Jako pierwsi grafen pozyskali w 2004 roku rosyjscy fizycy: Andriej Gejm i Konstantin Siergiejewicz Nowosiołow. Chociaż teoretyczne możliwości jego istnienia poddawano pod dyskusję już po II wojnie światowej, konsekwentnie burzono marzenia o jego wytworzeniu. Według założeń była to bowiem struktura po prostu nietrwała. Andriej Gejm (brytyjsko-holenderski uczony pochodzenia niemieckiego urodzony i wychowany w ZSSR — to się nazywa combo!) postanowił wraz z kolegą z uniwersytetu przekonać się jak jest naprawdę. Przy pomocy — uwaga — taśmy klejącej. Chwycili do ręki ołówek, namalowali kropkę na kartce papieru, a następnie odcisnęli ją na taśmie klejącej. Kolejnym krokiem było mozolne odrywanie kolejnych warstw, klejąc jedną taśmę do drugiej. Otrzymana przeźroczysta substancja pozwoliła im pretendować do Nagrody Nobla, którą otrzymali w 2010 roku. Pozostałym naukowcom z kolei dała powód do wznowienia marzeń o wspaniałych technologiach przyszłości. Była epoka węgla kamiennego, brązu, żelaza… a co powiecie na to, że nadchodzi epoka grafenu?
Epoka grafenu
Wystarczy, aby grafen składał się z 25 tys. atomów czystego węgla, by struktura była stabilna. Jego początkowe otrzymanie było jednak na tyle drogie, że uczyniło go najdroższym materiałem świata. Zgadnijcie, ile kosztował zaledwie jego centymetr kwadratowy w 2008 roku… 100 milionów USD! Sytuacja się zmieniła, gdy powstały alternatywne metody jego pozyskiwania. Jedną wymyślili Koreańczycy, drugą… Polacy.
Zalety Grafenu
Jak widzicie, polscy wynalazcy nie stworzyli najdoskonalszej metody, ale zdecydowanie najkorzystniejszą w zestawieniu cena — jakość. Z otrzymanego przez nich materiału można będzie produkować rzeczy, o których nawet nam się nie śniło. Przystąpmy do rozważań nad tym, do czego grafen w przyszłości może nam się przydać — na podstawie jego specjalnych właściwości i idealnych cech gatunkowych.
1. Odporność na rozciąganie 300 razy większe od kevlaru (z którego robi się kamizelki kuloodporne) i rozkład siły (nacisku) 10-krotnie lepszy od stali konstrukcyjnej. A przy tym niezwykle lekki:
– możliwość zastąpienia nim wszelkich metalowych konstrukcji, czyniąc je odpornymi na zmieniające się warunki atmosferyczne;
– budowa nowoczesnych, ultraodpornych środków transportu: samochodów, pociągów, samolotów, czy rakiet kosmicznych — przy tym maksymalnie je uszczuplając, powodując wzrost prędkości i spadek zużycia paliwa;
– produkcja praktycznie niezniszczalnych okien, szyb samochodowych i ekranów dotykowych;
– budowa silników wodorowych: do tej pory niemożliwa ze względu na ciężar i kruchość materiału, w którym paliwo musiało być przechowywane (1 tona).
2. Grafen jest niemalże przeźroczysty i pochłania zaledwie 2% padającego światła białego:
– produkcja przeźroczystych, elastycznych ekranów dotykowych, niwelujących efekt odbicia światła powodujący nieczytelność obrazu: szacuje się, że potrzeba „zaledwie” 20 kg węgla, by pokryć nim wszystkie ekrany dotykowe świata!
3. Samoregeneracja:
Grafen, jako materiał złożony wyłącznie z atomów węgla łączy się z nim wiązaniami kowalencyjnymi, a więc atomowymi. Jeżeli ogromna siła spowoduje jego uszkodzenie, możliwa jest jego regeneracja, jeżeli w pobliżu znajdować się będą chociażby węglowodory (a najlepiej czyste atomy węgla).
4. Elektrony swobodne tej substancji osiągają 1/300 prędkości światła, co daje około 120 większe możliwości przewodnikowe niż krzem (używany obecnie), co dodatkowo powoduje świetnie przewodnictwo cieplne:
– produkcja mikroprocesorów o częstotliwości takowania do 100 GHz! (potwierdzone i przetestowane przez IBM)
– przewodzenie prądu niemalże równe grafitowi — idealny przewodnik prądu, mogący zastąpić srebro i złoto, wielokrotnie od niego gorsze;
– grafen posiada najmniejszą, znaną obecnie oporność na świecie — przez co się nie nagrzewa, w konsekwencji dając możliwość wykluczenia konieczności stosowania układów chłodzących w sprzęcie elektronicznym!
– możliwość stosowania w akumulatorach, niwelując problem z ładowaniem urządzenia — ze względu na szybkość przepływu prądu, kilka minut ładowania panelem słonecznym w zupełności wystarczy!
– przewodnictwo ciepła może posłużyć do wyeliminowania problemów zaparowanych szyb, tworzenia ogrzewanych posadzek interaktywnych, tablic multimedialnych i wielu innych wspaniałych udogodnień.
5. Przyjazny dla środowiska:
– obecnie do produkcji ekranów używa się wielu substancji powodujących zanieczyszczenia środowiska — grafen to czysty węgiel;
– właściwości antybakteryjne: wysnuto teorię, że zastosowanie go w paście do zębów wyeliminuje problem z próchnicą i chorobami dziąseł, a także pokryje zęby warstwą ochronną.
6. Tlenek grafenu nie przepuszcza przez siebie absolutnie ŻADNYCH substancji, poza WODĄ:
– ten dziwny stan rzeczy powoduje, że z powodzeniem możemy stworzyć idealne „sito”, za pomocą którego z wody morskiej (albo zanieczyszczonej) możemy otrzymać wodę zdatną do picia (po ponownej mineralizacji). Obecnie tylko 10% wody na świecie nadaje się do spożycia, a media informują o wyczerpaniu ich zasobów w przeciągu wieku;
– budowa silników wodorowych i era taniego paliwa:
– idealny „mur” przed wszelkimi substancjami niepożądanymi: budowa schronów, pudełek próżniowych i tak dalej.
7. Medycyna:
– Grafen jest w stanie imitować działanie siatkówki ludzkiego oka — co spowoduje przywrócenie wzroku osobom ze zdrowym nerwem wzrokowym;
– z powodzeniem może być zastosowany do tworzenia sztucznej błony komórkowej, co wyeliminuje konieczność przeprowadzania badań na zwierzętach;
– naprawa i modyfikacja ludzkiego DNA (które niestety także może posłużyć do skonstruowania ludzkich cyborgów).
Grafen jest zbyt idealny — gdzie jest haczyk?!
Wszystkich dobrodziejstw grafenu jest zdecydowanie więcej, są to jednak wciąż często spekulacje, ponieważ części z przewidywanych zastosowań nie udało się jeszcze zrealizować ze względu na budżet. Bądź co bądź, to wciąż bardzo kosztowne badania i pozyskanie jeszcze tańszej metody może przyczynić się do światowej rewolucji. Pozostaje nam czekać i z zapartym tchem oczekiwać nowinek ze świata Fizyki. Nawet jeżeli tylko część przewidywanych rozwiązań okaże się skuteczna, zyskamy fenomenalne narzędzie technologiczne.
Pojawiają się także niepokojące głosy, jakoby przez swoje właściwości Grafen mógł wchłaniać się przez skórę do komórek. Jeżeli spekulacje się potwierdzą — wszelkie te dobroczynne cechy substancji prawdopodobnie zostaną podważone przez bardzo poważny problem. Bezpieczeństwo stosowania bez ryzyka chorób i śmierci. Póki co jednak, nie martwmy się. Grafen to nie jedyna ultrasubstancja, nad którą obecnie pracują naukowcy. Słyszeliście na przykład o czarnym fosforze? A może chcielibyście usłyszeć?
Temat jest niezwykle szeroki i z pewnością niewyczerpany. Spodziewam się jednak, że dalsze jego kontynuowanie zniechęciłoby większość z was przed doczytaniem go do końca. Jeżeli artykuł wam się podobał, dajcie znać! ?