Zašto je grafen najzanimljiviji materijal današnjice?

Na pitanje koje je otkriće izazvalo najveću pažnju svjetske znanstvene zajednice u 21. stoljeću, najsigurnije je ukazati na rad dvojice fizičara ruskog podrijetla sa Sveučilišta u Manchesteru. Zapažanja Andrea Geima i Konstantina Novoselova bila su toliko neočekivana da u njih isprva gotovo nitko nije mogao vjerovati. Vodeći znanstveni časopis “Nature” dva puta je odbio objaviti njihove ispravne rezultate, pa ih je 2004. objavio drugi vrhunski časopis, “Science”.

Atom ugljika, na kojem se temelji sav život na Zemlji, isključiva je građevna jedinica dva vrlo različita materijala: dijamanta i grafita. Dijamant je čvrst i stoga cijenjen kao nakit. Grafit se lako raspada na slojeve koji ostavljaju trag na papiru, pa se koristi u srži običnih olovaka. U slobodno vrijeme nakon posla, Geim i Novoselov uzimali bi komad grafita i počeli ljepljivom trakom, tj. običnim selotejpom, odstranjivati tanke slojeve s površine grafita. Odstranjene slojeve su zatim na isti način odvajali na sve tanje slojeve. Zanimalo ih je koliko bi tanak mogao biti najtanji sloj grafita.

Ono što su spoznali bilo je zapanjujuće: najtanji je sloj sasvim izgubio treću dimenziju. Otkrili su prvi dvodimenzionalni materijal, tj. ravninu debljine samo jednog atoma ugljika – “grafen”. Grafen je nalik nezamislivo tankom listu, građenom od samo jednog sloja ugljikovih atoma posloženih u ravnini. Ti su atomi, međutim, čvrsto povezani u šesterokutnu rešetku nalik na pčelinje saće, i u takvoj konformaciji imaju gotovo čudesna svojstva.

Osim što čine najtanji poznati materijal, ujedno su i najlakši, težine manje od jednog miligrama po kvadratnom metru. Međutim, pritom su i najsnažniji ikada otkriveni materijal, oko 200 puta teže rasporiv od čelika. Toplinu provode oko 10 puta bolje od bakra, kao i od svih drugih poznatih materijala. Grafen ima nevjerojatna svojstva i u provodljivosti elektriciteta, jer prenosi elektrone nekoliko desetaka puta brže od silicija. To bi inženjerima elektronike trebalo omogućiti stvaranje super-kondenzatora, te povećanje kapaciteta, naboja i dugovječnosti baterija, gdje već desetljećima nije postignut revolucionaran napredak.

U usporedbi sa silicijem, na kojem se temeljila prethodna revolucija u elektronici, grafen ni približno toliko ne gubi svoj kapacitet nakon svakog punjenja. Elektronički uređaji temeljeni na grafenu mogli bi se napuniti za samo nekoliko sekundi, uz dugotrajnu pohranu energije. Divovi elektroničke industrije, poput Samsunga, već su prijavili niz patenata na uređaje budućnosti s dodirnim zaslonom presvučenim grafenom, poput mobilnih telefona i ručnih satova. Na ovećoj ravnini grafena može se prikazati bilo kakva digitalno generirana slika. To bi trebalo voditi lako sklopivim i prenosivim televizorima i tabletima, praktično bez težine, koji će dobivati informacije bežičnim prijenosom podataka.

Uz to, grafen pri interakciji s fotonom sunčeve svjetlosti otpušta više elektrona, a silicij samo jedan, pa se predviđa kako bi grafenske ploče za solarnu energiju trebale imati barem dva puta veću efikasnost od današnjih, temeljenih na siliciju. Sve se više razmišlja i o izradi grafenskih tranzistora, koji bi mogli dati dodatnu snagu mikroprocesorima i dovesti do efikasnijih računala.

Grafen je nepropustan za plinove i tekućine, uz iznimku vode, pa može biti koristan i za filtraciju i čišćenje vode. Trebao bi štititi i od korozije, ako se njime presvuče površina bilo kojeg metala. Zbog prozirnosti, moći će se njime presvući prozori i na njima projicirati virtualne zavjese ili slike po želji. Presvlačenje karoserije automobila omogućit će sigurnosne sustave, registriranje i snimanje svakog dodira, te slanje tih informacija na pametni telefon vlasnika, kao i sasvim nov pristup analizama prometnih nezgoda. Odjeća presvučena grafenom moći će mijenjati boju i obrasce, a uz ugrađene mikrokamere uklapat će se u okolinu na način koji bi nas mogao učiniti nevidljivima.

Nakon objavljivanja ovog otkrića, interes za grafen u svjetskoj je znanstvenoj zajednici eksplodirao. Tijekom idućih pet godina, Andre Geim i Konstantin Novoselov postali su vjerojatno najintenzivnije citirani znanstvenici svijeta. Već 2010. godine dodijeljena im je Nobelova nagrada za fiziku, jedna od onih na koju su nagrađeni trebali najkraće čekati. U doba nevjerojatno kompleksnih uređaja za provođenje znanstvenih istraživanja, poput velikog hadronskog sudarača u Ženevi, ili sofisticiranih teleskopa koji kruže oko Zemlje, čudesna je spoznaja kako su dva fizičara, rođena u Sočiju i Nižnjem Tagilu, došla do najvećeg znanstvenog otkrića 21. stoljeća uz pomoć trake selotejpa i grafita iz obične olovke, kupljenih na nekom kiosku u Manchesteru.

'Jagodni mjesec' obasjao Europu: