Čudesni svet grafena

Ove godine je Nobelova nagrada iz fizike dodeljena dvojici naučnika za otkrivanje novog materijala. Ovaj materijal će možda dovesti do revolucije u industriji i uvesti nas u novo, ugljenično doba.

Pogledajte običnu olovku. Kada se piše sa njom po papiru ona ostavlja sloj grafita, koji je jedan od oblika ugljenika. Upravo tu, u tom sloju se nalazi i grafen, materijal koji je Andreju Gejmu i Konstantinu Novoselovu, naučnicima iz Engleske rodjenim u Rusiji, doneo Nobelovu nagradu iz fizike. Nobelov komitet ih je nagradio za "pionirska istraživanja dvodimenzionalnog materijala grafena".

Grafen je materijal koji se sastoji od jednog jedinog sloja atoma ugljenika raspoređenih u obliku saća ( ili žičane ograde ). Grafit koji se nalazi u olovkama se sastoji iz slojeva i slojeva ugljeničnih atoma poređanih jedan na drugi. U jednom milimetru grafita ima tri miliona slojeva spojenih jedni preko drugih. Ovi slojevi su u stvari grafen.. Prvi put se ovi slojevi pominju pre pedesetak godina, ali se verovalo da je nemoguće izdvojiti pojedinačan sloj. A i verovalo se da bi posle odvajanja sloja došlo do gužvanja i upetljavanja sloja.

Debljina sloja je najmanja moguća u prirodi, debljina jednog atoma. Zbog toga se ovaj materijal naziva dvodimenzionalnim. To znači da su širina i dužina ovog materijala milionima puta veće od njegove visine.

Verovanje da se grafen ne može izdvojiti od grafita je opovrgnuto 2004.-te godine kada su ova dva naučnika uspela da izoluju grafen. I to na zapanjujuće prost način: koristeći poseban selotejp. Ova dva naučnika su već i ranije radila na stvarima koje se umnogome razlikuju od ovog otkrića. Gejm je dobio i „Ig Nobel“ nagradu pre nekoliko godina. To je šaljiva nagrada koja se daje za naučne radove koje imaju neobične, pa čak i bizarne tema istraživanja.

Andrej je dobio nagradu zato što je u laboratoriji uspeo da natera žabu da lebdi pod dejstvom jakog magneta. Iako zvuči smešno u ovaj eksperiment je uključena ozbiljna fizika ponašanja materijala pod dejstvom jakog magnetnog polja. Konstantin je mladi fizičar, sa svojih 36 godina je jedan od najmlađih Nobelovaca, koji je kao i njegov stariji kolega lutao po raznim oblastima. Zajedno su, koristeći kao uzor stopala Geko guštera koji se lepi za čak i najglatkiju površinu, napravili neobično jaku samolepljivu traku. Ovaj selotejp su i iskoristili da dobiju grafen odlepljujući polako sloj po sloj sa grumena grafita.

Sam Gejm je zaključio da je tehnika jednostavna, ali zahteva dosta mukotrpnog i krajnje pipavog posla. Zapravo u ovoj eri izuzetno skupih eksperimenata poput kolajdera i superkompjutera divno je videti da jedan mali eksperiment može da da materijal za Nobelovu nagradu. Ujedno to je i ohrabrenje za sve naučnike koje žive u zaostalim zemljama u kojima ( je nauka na infuziji ) se teško išta u nauku i uloži da je ipak moguće lukavo se dovijajući postići svetske rezultate.



Osobine grafena su mu stvorile epitet "čudesni". Zbog veza između atoma ugljenika ovaj materijal je jači od dijamanta, a opet rastegljiv poput gume. Iako je debljine jednog atoma jedan naučnik je primetio da " bi bila potrebna olovka na kojoj balansira slon da probije kuhinjsku foliju od grafena". Ovo otvara mogućnost da se grafen iskoristi za dobijanje novih ultra lakih, ali čvrstih materijala od kojih bi se pravili avioni, brodovi i automobili. Zbog svoje strukture provodi toplotu i struju bolje od bakra.

Ova osobina je došla ko poručena za proizvođače čipova. Čipovi su sada praktično došli do limita kada je njihovo smanjivanje dalje nepraktično, jer se usled toplote i provodnosti javljaju smetnje u radu. Nov materijal, poput grafena, bi mogao da reši taj problem i omogući da se smanjivanje komponenata i samih čipova nastavi istom brzinom kao i do sada, a čime bismo dobili jaču i bržu elektroniku. Uz to, grafen propušta 98% svetlosti, pa je tako providan idealan materijal za ekrane. Tako se možemo nadati tankim savitljivim ekranima koji bi mogli biti velikih dimenzija ili se urolati kao narukvica.

Otvaraju se i neke strogo naučne primena ove forme ugljenika. Zbog specijalne strukture, elektroni se u njemu ponašaju na malo neuobičajen način, kao da nemaju masu, tako da je sa njim moguće vršiti eksperimente sa visokoenergetskim česticama za koje su inače potrebne ogromne instalacije poput onih u CERN-u.

Za sada su većina primena samo u domenu razmišljanja i nadanja, ali tek dolazi vreme grafena. Pre dve godine on je bio najskuplja sirovina na svetu (100 miliona dolara za površinu veličine nokta ), ali ta cena vrtoglavo pada sa nalaženjem novih načina dobijanja grafena koji su dvojica Nobelovaca otkrili pre šest godina. Kao što je sam Andrej Gejm primetio da su polimeri nastali početkom dvadesetog veka, ali tek kasnije je zavladala, sada sveprisutna, plastika.





B92 Život Nauka

strana 1 od 23 idi na stranu

27. decembar 2010.

Fizika
Čudesni svet grafena

Ove godine je Nobelova nagrada iz fizike dodeljena dvojici naučnika za otkrivanje novog materijala. Ovaj materijal će možda dovesti do revolucije u industriji i uvesti nas u novo, ugljenično doba.

Piše: Nikola Veselinović


Pogledajte običnu olovku. Kada se piše sa njom po papiru ona ostavlja sloj grafita, koji je jedan od oblika ugljenika. Upravo tu, u tom sloju se nalazi i grafen, materijal koji je Andreju Gejmu i Konstantinu Novoselovu, naučnicima iz Engleske rodjenim u Rusiji, doneo Nobelovu nagradu iz fizike. Nobelov komitet ih je nagradio za "pionirska istraživanja dvodimenzionalnog materijala grafena".

Grafen je materijal koji se sastoji od jednog jedinog sloja atoma ugljenika raspoređenih u obliku saća ( ili žičane ograde ). Grafit koji se nalazi u olovkama se sastoji iz slojeva i slojeva ugljeničnih atoma poređanih jedan na drugi. U jednom milimetru grafita ima tri miliona slojeva spojenih jedni preko drugih. Ovi slojevi su u stvari grafen.. Prvi put se ovi slojevi pominju pre pedesetak godina, ali se verovalo da je nemoguće izdvojiti pojedinačan sloj. A i verovalo se da bi posle odvajanja sloja došlo do gužvanja i upetljavanja sloja.

Debljina sloja je najmanja moguća u prirodi, debljina jednog atoma. Zbog toga se ovaj materijal naziva dvodimenzionalnim. To znači da su širina i dužina ovog materijala milionima puta veće od njegove visine.


Verovanje da se grafen ne može izdvojiti od grafita je opovrgnuto 2004.-te godine kada su ova dva naučnika uspela da izoluju grafen. I to na zapanjujuće prost način: koristeći poseban selotejp. Ova dva naučnika su već i ranije radila na stvarima koje se umnogome razlikuju od ovog otkrića. Gejm je dobio i „Ig Nobel“ nagradu pre nekoliko godina. To je šaljiva nagrada koja se daje za naučne radove koje imaju neobične, pa čak i bizarne tema istraživanja.

Andrej je dobio nagradu zato što je u laboratoriji uspeo da natera žabu da lebdi pod dejstvom jakog magneta. Iako zvuči smešno u ovaj eksperiment je uključena ozbiljna fizika ponašanja materijala pod dejstvom jakog magnetnog polja. Konstantin je mladi fizičar, sa svojih 36 godina je jedan od najmlađih Nobelovaca, koji je kao i njegov stariji kolega lutao po raznim oblastima. Zajedno su, koristeći kao uzor stopala Geko guštera koji se lepi za čak i najglatkiju površinu, napravili neobično jaku samolepljivu traku. Ovaj selotejp su i iskoristili da dobiju grafen odlepljujući polako sloj po sloj sa grumena grafita.

Sam Gejm je zaključio da je tehnika jednostavna, ali zahteva dosta mukotrpnog i krajnje pipavog posla. Zapravo u ovoj eri izuzetno skupih eksperimenata poput kolajdera i superkompjutera divno je videti da jedan mali eksperiment može da da materijal za Nobelovu nagradu. Ujedno to je i ohrabrenje za sve naučnike koje žive u zaostalim zemljama u kojima ( je nauka na infuziji ) se teško išta u nauku i uloži da je ipak moguće lukavo se dovijajući postići svetske rezultate.


Osobine grafena su mu stvorile epitet "čudesni". Zbog veza između atoma ugljenika ovaj materijal je jači od dijamanta, a opet rastegljiv poput gume. Iako je debljine jednog atoma jedan naučnik je primetio da " bi bila potrebna olovka na kojoj balansira slon da probije kuhinjsku foliju od grafena". Ovo otvara mogućnost da se grafen iskoristi za dobijanje novih ultra lakih, ali čvrstih materijala od kojih bi se pravili avioni, brodovi i automobili. Zbog svoje strukture provodi toplotu i struju bolje od bakra.

Ova osobina je došla ko poručena za proizvođače čipova. Čipovi su sada praktično došli do limita kada je njihovo smanjivanje dalje nepraktično, jer se usled toplote i provodnosti javljaju smetnje u radu. Nov materijal, poput grafena, bi mogao da reši taj problem i omogući da se smanjivanje komponenata i samih čipova nastavi istom brzinom kao i do sada, a čime bismo dobili jaču i bržu elektroniku. Uz to, grafen propušta 98% svetlosti, pa je tako providan idealan materijal za ekrane. Tako se možemo nadati tankim savitljivim ekranima koji bi mogli biti velikih dimenzija ili se urolati kao narukvica.

Otvaraju se i neke strogo naučne primena ove forme ugljenika. Zbog specijalne strukture, elektroni se u njemu ponašaju na malo neuobičajen način, kao da nemaju masu, tako da je sa njim moguće vršiti eksperimente sa visokoenergetskim česticama za koje su inače potrebne ogromne instalacije poput onih u CERN-u.

Za sada su većina primena samo u domenu razmišljanja i nadanja, ali tek dolazi vreme grafena. Pre dve godine on je bio najskuplja sirovina na svetu (100 miliona dolara za površinu veličine nokta ), ali ta cena vrtoglavo pada sa nalaženjem novih načina dobijanja grafena koji su dvojica Nobelovaca otkrili pre šest godina. Kao što je sam Andrej Gejm primetio da su polimeri nastali početkom dvadesetog veka, ali tek kasnije je zavladala, sada sveprisutna, plastika.


Mora proći izvesno vreme dok se naučno otkriće na pretoči u tehnologiju i ne proširi svoj uticaj. Postoji još mnogo, mnogo zamišljenih primena ove, za sada skupe, materije i to od minijaturnih baterija koje mogu da traju mesecima, novih solarnih ploča, senzora na bazi grafena koji mogu da otkriju zapaljive i škodljive supstance, kutija koje održavaju svežinu hrane mesecima. Grafen može da se doda u samu plastiku da ona postane provodnik elektriciteta, pa čak i da od odeće stvori svetleći pano.

Sama nagrada je veoma iznenadila ovu dvojicu naučnika koji nisu očekivali da se ovo otkriće tako brzo nagradi najvećom nagradom u fizičarskom svetu. Kad je stigao poziv iz Stokholma, Andrej je pregledavao mejl, a Konstantin je diskutovao preko Skypa pa su nespremno dočekali pozive. Sada, Gejm je siguran da ne spada u onu vrstu naučnika koji posle Nobelove nagrade prestanu da rade bilo šta značajno, nego da se nalazi u onoj grupi ljudi koja veruje da je Nobela dobila slučajno i da od sada treba da pokaže da tu nagradu i zaslužuje.

Ovaj dvojac radi u Mančesteru u Engleskoj mada su obojica išla na isti fakultet u Moskvi koji im je, po Gejmu, omogućio više znanja nego što bi i Kembridž mogao. Predsednik Rusije Medvedov je, povodom Nobelove nagrade, najavio da se odliv mozgova mora zaustaviti i da se naučnicima mora pružiti bolji uslovi života i modernije laboratorije u zemlji. Poslednji fizičar Nobelovac iz Rusije, Vitalij Ginzburg je rekao prošle godine, nekoliko meseci pre smrti da „ukoliko u Rusiji naučnik ima genijalnu ideju birokratija je stavi u mrtvački kovčeg“ .

Ova dva naučnika su izolovanjem grafena otvorili vrata koja vode ka drukčijoj tehnologiji i najavili početak novog, ugljeničkog, doba. Ugljenik, koji je osnova života, nas je opet iznenadio i nagradio.