Nobel z fizyki. Nagroda za grafen - materiał przyszłości

„Cieniutki płatek węgla grubości jednego atomu kryje się za tegoroczną nagrodą w dziedzinie fizyki” – czytamy w komunikacie Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk. „Węgiel, podstawa całego znanego życia na Ziemi, jeszcze raz nas zaskoczył”.

Grafen to pierwszy dwuwymiarowy – czyli wykonany z jednoatomowej warstwy węgla – materiał. Nie tylko jest najcieńszy na świecie, ale i najmocniejszy – pod tym względem przewyższa nawet stal. Do tego przewodzi prąd lepiej niż miedź, jest niezwykle lekki i prawie niewidoczny.

Ten supermateriał XXI wieku ma znaleźć zastosowanie w urządzeniach elektronicznych, a także do budowy wytrzymałych kadłubów samolotów i sond kosmicznych. A jego niezwykłe właściwości pozwalają naukowcom w laboratorium obserwować efekty kwantowe. Nagrodzeni tegorocznym Noblem z fizyki Andre Geim i Konstantin Novoselov otrzymali grafen za pomocą... ołówka i taśmy samoprzylepnej. Dostaną za to do podziału ok. 1,5 mln dolarów.

[srodtytul]Sukces na papierze[/srodtytul]

Oczywiście nie stworzyli go sami. Grafen istniał, trzeba go było tylko odkryć. Już w latach 60. ubiegłego wieku fizycy podejrzewali, że takie płatki węgla można będzie kiedyś znaleźć. Nie potrafiono jednak wówczas ich produkować ani nawet odkryć ich obecności.

To o tyle zaskakujące, że grafen może powstawać nawet podczas mazania ołówkiem (grafitem) po papierze. Takie rysunki zawierają setki tysięcy warstw. Ale niewielka ich część składa się z jednej tylko warstwy. To właśnie jest grafen. Milimetr grafitu zawiera takich warstw aż 3 miliony! Słynne nanorurki węglowe (puste w środku walce) oraz fulereny (kuleczki węglowe, za odkrycie których w 1996 roku przyznano Nagrodę Nobla z chemii) to po prostu zwinięty grafen.

Teoretycznie znalezienie tych płatków nie powinno być trudne. Jednak „płaski węgiel” ciągle wymykał się naukowcom. Najlepsze metody pozwalały osiągnąć grubość ok. 100 atomów.

I wtedy pojawili się dwaj Rosjanie pracujący na Uniwersytecie w Manchesterze. W październiku 2004 roku Geim i Novoselov na łamach magazynu „Science” opisali własne prace nad grafenem. Otrzymywali go w zaskakujący, „garażowy” sposób: zrywając taśmą samoprzylepną kolejne warstwy grafitu. Wielokrotnie powtarzając tę operację, doszli do płatków węgla o grubości jednego atomu.

Ale jak je znaleźć w lawinie zwykłego grafitu? Płatki położyli na krzemowym podłożu – takim, jak wykorzystywany w przemyśle elektronicznym. Całość umieścili pod mikroskopem. I ujrzeli pierwszy dwuwymiarowy krystaliczny materiał.

[srodtytul]Kwanty i procesory[/srodtytul]

Tym, co naprawdę zaskoczyło naukowców, były właściwości fizyczne nowego materiału. Grafen jest wytrzymały, a jednocześnie elastyczny. I jest świetnym przewodnikiem. Po uporządkowanej siatce atomów węgla elektrony mkną z prędkością ok. 1/300 prędkości światła. To pozwala naukowcom na badanie efektów relatywistycznych w laboratorium bez wielkiego akceleratora wkopanego w gigantyczny podziemny korytarz. Umożliwia również badanie zjawisk, które dotąd były przewidywane tylko teoretycznie – takich, jak efekt tunelowy Kleina opisujący przenikanie elektronów przez barierę tak, jakby jej tam wcale nie było.

Fantastyczne przewodnictwo elektryczne grafenu sprawiło, że materiał ten zaczęto traktować jako następcę krzemu w mikroelektronice. Eksperci prognozują, że jeżeli obecne tempo rozwoju technologii półprzewodników się utrzyma, po 2020 roku krzemowych układów nie da się już miniaturyzować. A zbudowane z grafenu mikroprocesory mogłyby być mniejsze, oszczędniejsze i kilkaset razy szybsze.

Nowsze prace Geima i Novoselova (z 2009 roku) wskazują, że prosta manipulacja chemiczna robi z grafenu-przewodnika grafen-izolator. W ten sposób można wykonać prawie cały układ elektroniczny.

– Dziś przemysł półprzewodników wykorzystuje niemal całą tablicę okresową pierwiastków – tłumaczy Novoselov. – Co by było, gdyby jeden materiał pokrywał całe zapotrzebowanie mikroelektroniki?

[srodtytul]Świat z marzeń[/srodtytul]

Grafenowy komputer to jednak nadal przyszłość. Na razie udało się wykonać jedną cegiełkę procesora – tranzystor z grafenu. Zresztą do niedawna na przeszkodzie stała cena. Grafen to jeden z najdroższych materiałów świata. Wyprodukowanie płatka o średnicy ludzkiego włosa kosztowało kilkaset dolarów. W ubiegłym roku Koreańczycy opracowali jednak technologię pozwalającą tanio produkować fragmenty o powierzchni 1 cm kwadratowego. Teraz możliwe jest wytwarzanie płacht o szerokości do 70 cm.

Do czego jeszcze można wykorzystać grafen? Dodanie ok. 1 proc. do plastiku sprawia, że staje się on przewodnikiem elektryczności, do tego jest odporniejszy mechanicznie. Z takich kompozytów mogą powstawać lekkie samoloty, pojazdy kosmiczne, a nawet samochody. Nadaje się też do wytwarzania superczułych sensorów chemicznych. A to, że jest przezroczysty, oznacza, że trafi do ekranów dotykowych, przezroczystych tabletów i telefonów komórkowych, a nawet wydajnych paneli słonecznych.

[ramka][srodtytul]Komentarze[/srodtytul]

[b]dr Zygmunt Łuczyński, Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych [/b]

Grafen badają także pracownicy mojej placówki, prof. Jacek Baranowski i dr Włodzimierz Strupiński. Dwa lata temu tegoroczni nobliści zwrócili się do polskiej placówki z propozycją współpracy. Okazała się na tyle efektywna, że po roku polski instytut, obok wiodących laboratoriów zagranicznych, włączono do programu finansowanego przez Europejską Fundację Naukową, przy czym program badań nad grafenem koordynuje szwedzki Chalmers University of Technology. O pozycji polskiego instytutu w tej dziedzinie świadczy również fakt, że współpracują z nim laboratoria US Navy. Amerykańscy badacze, podobnie jak Gaim i Novoselov, prowadzą badania, korzystając z grafenu powstającego w Polsce, ponieważ niewiele ośrodków na świecie potrafi go wytwarzać. Znajdzie to zresztą wkrótce odbicie w renomowanych czasopismach naukowych. Mamy się czym pochwalić. Polscy badacze, wspólnie z tegorocznymi noblistami, przygotowali dwa poważne artykuły, które opublikują renomowane pisma naukowe “Nature” oraz “Scientific Comment”.

[b]prof. Roman Stępniewski, Zakład Fiz. Ciała Stałego UW [/b]

To ważne odkrycie, widać to po decyzji komitetu noblowskiego, który docenił osiągnięcia z 2004 roku – wtedy zaczęły się pierwsze prace badawcze. Sześć lat to nie jest dużo w badaniach. [/ramka]