fbpx

Grafen – element prihodnosti

Foto: epa

V preteklosti so odkritja novih materialov pogosto vodila v tektonske spremembe na vseh področjih človeškega življenja. Najbolj nazoren primer tega je bilo odkritje sintetične plastike, imenovane bakelit, ki jo je leta 1907 v New Yorku odkril kemik Leo Hendrik Baekeland. Kako zelo je Baekelandovo odkritje spremenilo svet vemo vsi, saj si danes življenja brez plastike sploh ne zmoremo predstavljati. Morda pa se je zgodovina ponovila, ko sta leta 2004 Andre Geim in Konstantin Novoselov iz Univerze v Manchestru prvič v zgodovini uspela iz grafita izolirati dvodimenzionalen ogljikov alotrop – grafen.

Čeprav je teoretičen obstoj grafena že leta 1947 potrdil kanadski teoretični fizik P. R. Wallace in čeprav so ga v 20. stoletju znanstveniki po vsem svetu že večkrat naključno opazili pod mikroskopi, pa sta ga nedvoumno uspela izolirati šele Geim in Novoselov leta 2004. Znanstvenika sta s posebnim lepilnim trakom s tehniko imenovano mikromehanska cepitev potegnila en atom debele kose grafena iz grafita. Grobe kosme grafena sta nato prenesla na tanko plast silicijevega dioksida (SiO2) oz. kremna. SiO2 je ob kontaktu električno izoliral grafen in šibko reagiral z njim, s čimer so ob sami reakciji nastale plasti grafena s skorajda nevtralnim električnim nabojem. Za odkritje te inovativne metode, s katero je bilo mogoče iz grafita proizvesti relativno skromno, a vendarle nezanemarljivo količino grafena, sta Geim in Novoselov leta 2010 prejela tudi Nobelovo nagrado za fiziko.

Grafen je ogljikov alotrop, tako kot premog, grafit ali diamant. Če v grobem predstavimo najbolj osnovne značilnosti tega famoznega elementa lahko v osnovi rečemo, da gre za snov, točneje rečeno polkovino, ki se v naravi pojavlja v trdnem agregatnem stanju, njegovi atomi pa so razporejeni v dvodimenzionalni heksagonalni mreži z debelino zgolj enega atoma. Na grafenski površini je vsak atom povezan s tremi svojimi najbližjimi sosedi s sigma (σ) medatomsko vezjo, ki v kemiji velja za najtrdnejšo vrsto vezi. Posebnosti grafena so, da je superprevodnik (izjemno učinkovito prevaja tako električno, kot tudi toplotno energijo), ima izjemno električno mobilnost (več kot 15.000 cm2⋅V−1⋅s−1), je ultra lahek (njegova gostota je zgolj 2.267 g/cm3), izjemno vzdržljiv (njegova lastna natezna trdnost znaša 130 GPa), približno 200-krat močnejši od jekla, pod vplivom zunanjih dejavnikov lahko spreminja obliko, pod določenimi pogoji je samo-obnovljiv (v stiku z ogljikom lahko sam obnavlja morebitne vrzeli, ki nastanejo v njegovi heksagonalni strukturi) itd.

Vrednost grafena bo poskočila za sedemkrat
Ob tako izjemnem naboru mehanskih in kemijskih lastnosti so možnosti za njegovo uporabo tako rekoč neomejene. Po podatkih spletne strani IDTechX, ki se ukvarja z znanstvenimi napovedmi za prihodnost in analizo novodobnih tehnoloških trendov, bo globalni trg grafena iz današnjih cca. 100 milijonov dolarjev do konca tega desetletja vreden že več kot 700 milijonov dolarjev. Ker je grafen še vedno v veliki meri predvsem aditivni material, to pomeni, da bomo v prihodnjih letih grafen različnih vrst našli zlasti v manjših količinah dodan k takšnim in drugačnim tehnološkim proizvodom z visoko dodano vrednostjo, vendar pa znanstveniki napovedujejo, da se bodo slej kot prej uveljavili hitrejši in cenejši načini njegove proizvodnje, s čimer bo mogoče iz njega izdelovati skorajda celotne izdelke. Računajo, da bo iz njega mogoče izdelati vse od različnih vrst prenosne elektronike, športnih pripomočkov, baterij z bistveno višjo energijsko gostoto, kot je značilna za trenutno uporabne litij-ionske baterije, avtomobilskih delov, računalniških procesorjev, optičnih senzorjev, medicinske opreme, transplantatov, elektronskih vsadkov ipd.

Foto: epa

Tako je trenutno največja ovira na poti do njegove masovne uporabe relativno zapleten in finančno drag kemijski postopek njegove izdelave. V prvih letih po njegovem odkritju se je za njegovo izdelavo uporabljalo skoraj izključno proces piljenja (skozi leta se je razvilo več vrst le-tega, od mehanskega piljenja, ultrazvočnega piljenja, pa do redukcije grafitnega oksida in elektrokemične sinteze), nato pa so razvili še cepitev enoslojnega ogljika (znano tudi kot rezanje ogljikovih nanocevk ali cepljenje fulerenov), interkalacijo (proizvodnja grafena z interkalacijo razcepi grafit v enoslojni grafen z vstavljanjem molekul/ionov med posamezne grafitne plasti), redukcijo grafenskega oksida z laserskim obsevanjem, oksidacijo s pomočjo mikrovalov, ionsko implantacijo in še nekatere druge postopke, ki pa so jih znanstveniki skozi leta vse bolj izpopolnjevali, tako da so cene za proizvodnjo grafena danes že bistveno nižje kot so bile v prvem desetletju tega stoletja (čeprav so kljub temu še zmeraj dokaj visoke).

Tehnologija pa se iz leta v leto vse bolj nezadržno razvija, zaradi česar je mogoče z gotovostjo napovedati, da bo že v nekaj letih v proizvodnih obratih po vsem svetu mogoče proizvesti več tisoč metričnih ton grafena letno. S takšno enormno kvantiteto bi lahko v desetletjih, ki bodo sledila dejansko realizirali številne projekte, ki bi revolucionarno spremenili ves svet, npr. izdelali ultralahka letala in leteče taksije, novo vesoljsko postajo, rakete za potovanje v globoko vesolje, ogromne sončne celice za harvestiranje sončne energije v vesolju, sofisticirane robote, mikrobaterije za električna vozila, ki bi imela domet več tisoč kilometrov in še veliko drugega. Skratka, tako kot je pred več kot sto leti odkritje plastike in njena postopna komercializacija nepopisno spremenila svet v katerem živimo, se je zdaj očitno znašel sam grafen v vlogi »čudežnega materiala 21. stoletja«.

Matej Markič