Struktura przestrzenna grafitu

Nagrodę Nobla z fizyki w 2010 roku otrzymali Konstantin Nowosiołow (Rosja, Wielka Brytania) i Andriej Geim (Rosja, Holandia) za wyizolowanie i opisanie wyjątkowych własności grafenu, jednej z odmian węgla zbudowanej z zaledwie jednej warstwy atomów.

Andriej K. Gejm Urodzony w 1958 w Soczi w Rosji. Studiował w Moskiewskim Instytucie Fizyczno-Technicznym na kierunku ogólnej fizyki stosowanej. W Instytucie Fizyki Ciała Stałego AN ZSRR uzyskał stopień kandydata nauk matematyczno-fizycznych (odpowiednik tytułu doktora nauk w Polsce). Pracował naukowo w Czernogołowce, University of Nottingham, University of Bath oraz krótki czas w Kopenhadze, zanim został profesorem na uniwersytecie w Nijmegen, a od 2001 roku na uniwersytecie w Manchesterze. Obecnie jest kierownikiem centrum materiałów innowacyjnych i nanotechnologii centrum w Manchester oraz kierownikiem działu fizyki materii skondensowanej. Wykonał eksperyment z latającą żabą (lewitacja diamagnetyczna), za który w 2000 roku otrzymał Nagrodę Ig Nobla.

Grafen jest to bardzo cienka warstewka o grubości ledwie jednego do dwóch atomów, zbudowana z atomów węgla tworzących strukturę krystaliczną. To z takich warstw nałożonych jedna na drugą składa się grafit czyli podstawowa odmiana wegla krystalicznego (stąd wzięła się jego nazwa). Kiedy rysujemy ołówkiem, grafit się ściera i całkiem możliwe, że na papierze zostają też mikroskopowe plasterki grafenu.
Grafenu nie jest łatwo wytworzyć i uważano wręcz, że to niemożliwe. Dopiero tegorocznym laureatom udało się w 2004 roku uzyskać przypadkowo czysty grafen używając taśmy klejącej. Pomysł wziął się stąd, że jeden z pracowników laboratorium budował właśnie mikroskop tunelowy i chciał go przetestować na graficie, bo to jest akurat materiał, na którym najłatwiej uzyskuje się atomową rozdzielczość. Takie próbki zaś w laboratoriach na całym świecie oczyszcza się w ten sam sposób, przykładając do nich taśmę klejącą i odklejając ją wraz z wierzchnimi warstwami grafitu. To standardowa laboratoryjna procedura, ale wcześniej nikt nie wpadł na to, że w ten sposób od grafitu można oderwać pojedynczą atomową warstwę czyli uzyskać grafen. Początkowo były to mikroskopowe próbki, potem żmudną metodą ścierania grafitu nauczono się tworzyć płatki grafenu rozmiaru dziesiątej części milimetra. Oryginalna metoda otrzymywania "na taśmę klejącą" w późniejszych latach została zastąpiona przez inne.

Konstantin S. Nowosiołow Urodzony w 1974 w Niżnym Tagile. W 1991 po ukończeniu liceum rozpoczął studia w Moskiewskim Instytucie Fizyczno-Technicznym. Studia na tej uczelni, na wydziale elektroniki fizycznej i kwantowej, na kierunku mikroelektroniki ukończył z wyróżnieniem w 1997. Następnie przez dwa lata pracował w Czernogołowce w Instytucie problemów technologii mikroelektronicznych Rosyjskiej Akademii Nauk. Był doktorantem w tym instytucie. W 1999 wyjechał do Holandii, gdzie został asystentem Andrieja Gejma na uniwersytecie w Nijmegen. W 2001 obaj uczeni przenieśli się na uniwersytet w Manchesterze. W 2004 obronił pracę doktorską. Zajmuje się badaniami w dziedzinie fizyki mezoskopowej oraz nanotechnologii.

Obecnie grafen otrzymuje się poprzez mikromechaniczne ścieranie grafitu (stąd też pochodzi nazwa). Na skale przemysłową taka metoda jest bardzo kosztowna. Ostatnio udało się uzyskać grafen metodą naparowywania (powszechną i dobrze znaną metodą uzyskiwania cienkich warstw). Jest to bardzo obiecująca wiadomość, gdyż naparowywanie jest nieporównywalnie tańsze od ścierania. Niestety koszty wytworzenia grafenu są nadal bardzo wysokie. Grafenu w stanie wolnym nie można otrzymać ze względu na jego nietrwałość i skłonność do tworzenia struktur trójwymiarowych (np. fulerenów i nanorurek)

Struktura grafenu

Grafen ma niezwykłe właściwości: jest wyjątkowo lekki, superwytrzymały, giętki, przezroczysty, przewodzący, doskonały na tranzystory ponieważ ruchliwość elektronów -jest bardzo duża w porównaniu z innymi półprzewodnikami (sto razy większa niż w krzemie).
W 2004 roku w laboratoriach IBM powstał tranzystor z grafenu o częstości przełączania 100 GHz, czyli większej niż osiągana na bazie krzemu (krzemowe układy doszły już do granicy swoich możliwości). A i ten rekord wkrótce zostanie pobity, bo teoretycznie grafen powinien oferować dużo więcej. Większe częstości oczywiście przekładają się na szybsze mikroprocesory i komputery.
Grafen jest przezroczysty i giętki, a więc można go wykorzystać do robienia ekranów dotykowych albo paneli baterii słonecznych oraz znacznie lepiej niż kruchy krzem nadaje się również wszędzie tam, gdzie mamy do czynienia z elektroniką na giętkich powierzchniach (ekranach z folii). Dodatkowo, ma tę samą zaletę co krzem czyli wykonany jest z pierwiastka, który nie jest toksyczny i którego nie brakuje w przyrodzie. Nic dziwnego, że w tej chwili trwa wyścig o to, kto nauczy się lepiej i taniej robić grafen, a potem różne grafenowe elektroniczne urządzenia.


Opracowano na podstawie internetowych informacji zamieszczonych w serwisie naukowym Gazety Wyborczej i serwisie naukowym portalu Onet.

---

« Poprzednia  Następna »