Fosforen to kolejna po Grafenie, dwuwymiarowa struktura o grubości jednego atomu. Materiały zbudowane w taki sposób wykazują niespotykane dotąd właściwości, które mogłyby zrewolucjonizować elektronikę. Jednak pomimo pracy nad Grafenem od jego wynalezienia w 2004 roku nie udało się wprowadzić komercyjnie na rynek żadnego z nich. To bardzo wymagające substancje i trudne w wytwarzaniu, a przez to stosunkowo drogie. Polska raczej już pionierem wśród technologii grafenowej nie będzie. Może więc czas, aby skupić się na innym materiale dwuwymiarowym?
Dlaczego Fosforen, a nie Grafen?
Kiedy nie wszystko układa się tak, jak powinno, naukowcy muszą poszukiwać alternatyw. W przypadku Grafenu wciąż walka toczy się o ogromną stawkę, ponieważ oczekiwania wobec niego są gigantyczne. Jego świetne przewodnictwo prądu jest często porównywane do wiązki światła przepuszczanej przez światłowód. Jednakże nawet Grafen idealnym materiałem nie jest. Do największych problemów z jego zastosowaniem wciąż należy kwestia ceny. Już teraz jednak Chiny inwestują w tę technologię, aby jak najszybciej przygotować się do produkcji Grafenu na skalę światową.
Zobacz też: Koniec polskiego snu o technologii grafenowej
Grafen jest także świetnym przewodnikiem, ale nie półprzewodnikiem. Ta, wydawać by się mogła, mała różnica jest szalenie istotna w przypadku na przykład przemysłu elektronicznego. W największym skrócie półprzewodniki posiadają tzw. pasma wzbronione (przerwy zabronione), czyli oddzielające elektrony od siebie. Istnienie takiego pasma niesie za sobą bardzo użyteczną cechę: przepływ prądu można wtedy w dowolnej chwili „włączyć i wyłączyć”. Jeżeli dany materiał takiej przerwy energetycznej nie ma, trzeba dodać do niego specjalne izolatory, które na takie zatrzymanie prądu pozwolą.
Być może wszystko rozejdzie się o kwestię przewodnictwa prądu
Brak przerw energetycznych w strukturze grafenowej to obecnie największe, po kosztach produkcji, wyzwanie. A to oznacza, że przed naukowcami jeszcze lata pracy, by przekonać się, czy Grafen będzie się nadawać na przykład do tego, by zastąpić nim układy scalone złożone z krzemu. Właściwie cała jego przydatność w przemyśle elektronicznym będzie zależeć od tego, czy w Grafenie uda się stworzyć system kontrolowanego przepływu elektronów. Inaczej znajdzie swoje zastosowanie jedynie w przekazywaniu energii elektrycznej, co znacznie ograniczy wykorzystanie jego niesamowitych właściwości. I właśnie wtedy na scenę być może wskoczy Fosforen, który, w przeciwieństwie do Grafenu, jest półprzewodnikowy.
Zobacz też: Grafen i jego magiczne właściwości
Fosforen jest zbudowany, podobnie jak Grafen, z sześciokątnej siatki pierwiastków połączonych ze sobą na kształt plastrów miodu. Inaczej jednak niż w przypadku dwuwymiarowej struktury węglowej, wiązania Fosforenu tworzą strukturę pofałdowaną, a nie idealnie płaską. Taka cecha Fosforenu sprawia, że ten materiał w kształcie litery „W” jest najlepszym znanym półprzewodnikiem.
Cechy Fosforenu
W dużej mierze Fosforen można porównać do Grafenu. Ze względu na jego dwuwymiarowość jest niesamowicie lekki i bardzo dobrze przewodzi prąd elektryczny (z różnicą opisywaną powyżej). Jest bardzo elastyczny, a podczas reakcji z Fosforem wykazuje właściwości samoregeneracyjne. Do tego przepuszcza bardzo mało światła, ale potrafi je emitować. Co jednak najbardziej czyni go konkurencyjnym względem Grafenu to to, że potrafi wchodzić w interakcję z innymi materiałami.
Początkowo taka cecha Fosforenu wydawała się w oczywisty sposób być jego wadą. Jeżeli po godzinie od uzyskania Fosforenu (w procesie odrywania pojedynczych warstw Czarnego Fosforu) zmieniał swoje właściwości, trudno było go badać. Z tego też powodu konieczne stały się obserwacje Fosforenu jedynie w próżni. Jak się jednak okazało, reakcyjność z innymi pierwiastkami prawdopodobnie uda się kontrolować przy zastosowaniu odpowiednich… izolatorów, tak jak w przypadku Grafenu.
Niektórzy naukowcy słusznie jednak zakładają, że interakcyjność Fosforenu może być także jego zaletą. Jeżeli znajdzie się zastosowanie dla Fosforenu oddziałującego z pożądanym środowiskiem, żadne izolatory nie będą potrzebne. Wtedy może się okazać, że badać należy to, w jaki sposób reaguje z innymi materiałami.
Polskie badania nad Fosforenem
Dr hab. inż. Robert Bogdanowicz z Wydziału Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki Politechniki Gdańskiej rozpoczął wraz ze swoim zespołem prace nad Fosforenem w 2017 roku. Ich głównym zadaniem jest sprawdzenie, jak taki materiał współpracuje z materiałami organicznymi. Przy współpracy z naukowcami i studentami z Uniwersytetu Gdańskiego planują odkryć wszelkie jego „zachowania” w środowisku organicznym. Projekt wygląda na całkiem ambitny i przeznaczono na niego blisko 1,5 miliona złotych. To oczywiście nie wystarczy, jeżeli chcemy myśleć o szerokich badaniach służących jego produkcji na skalę przemysłową. Plany jednak są bardzo dalekosiężne.
Można sobie wyobrazić, co jest oczywiście pieśnią przyszłości, że Fosforen będzie mógł być stosowany w układach nanoszonych na skórę lub implantowanych biosensorach, które monitorują nawet najbardziej intymne procesy biologiczne lub w interakcji z układem nerwowym człowieka, takich jak rozciągliwa elektronika lub bioelektronika – mówi dr Robert Bogdanowicz. – Dlatego nasz projekt nastawiony jest na zbadanie interakcji zachodzących pomiędzy Fosforenem, który jest biokompatybilnym materiałem elektronicznym, a różnymi układami białkowymi, głównie ludzkimi.
Cytat pochodzi z oficjalnej witryny Politechniki Gdańskiej
Na razie optymistycznie jednak trzeba zakładać, że Fosforen swoje zastosowanie może odnaleźć przy produkcji baterii (również słonecznych), systemów przekształcających ciepło odpadowe w prąd elektryczny, a także przyczynić się do polepszenia technologii szybkiego ładowania akumulatorów. Jak wskazuje polski zespół, aby jednak jakiekolwiek zastosowanie Fosforenu miało sens, należy wynaleźć sposób na jego pozyskiwanie. To wciąż zbyt drogi proces, by mówić o jakimkolwiek jego wykorzystaniu w skali przemysłowej.
Szkoda tylko, że rok rozpoczęcia prac nad Fosforenem zbiegł się ze zwolnieniem dyrektora Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych, który pracował nad Grafenem. To taka ta nasza Polska kapryśna… Pozostaje jedynie liczyć, że w przypadku Fosforenu polski oddział podoła wyznaczonym im celom. Projekt zakończy się w 2021 roku. Trzymamy kciuki!