Γραφένιο: 200 φορές ισχυρότερο από τον χάλυβα, 1.000 φορές ελαφρύτερο από το χαρτί

Γραφένιο: 200 φορές ισχυρότερο από τον χάλυβα, 1.000 φορές ελαφρύτερο από το χαρτί

Το 2004, δύο επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο του Manchester διεξήγαγαν ένα απατηλά απλό πείραμα με πιθανές συνέπειες που έχουν τη δυναμική να αλλάξουν τον κόσμο. Οι ερευνητές, ο Andre Geim και ο Konstantin Novoselov, πειραματιζόταν με τον γραφίτη. Ο γραφίτης είναι κατασκευασμένος από εξαιρετικά λεπτά φύλλα καθαρού άνθρακα, στοιβαγμένα το ένα πάνω στο άλλο. Ο Geim και ο Novoselov ήθελαν να δουν αν μπορούσαν να απομονώσουν ένα μόνο φύλλο γραφίτη, ένα απίστευτα λεπτό στρώμα άνθρακα με πάχος ενός ατόμου.

Disclaimer: Απαγορεύεται η αναδημοσίευση, αναπαραγωγή, ολική, μερική ή περιληπτική ή κατά παράφραση ή διασκευή ή απόδοση του περιεχομένου του παρόντος διαδικτυακού τόπου με οποιονδήποτε τρόπο, χωρίς αναφορά στο RAWMATHUB.GR ή χωρίς την προηγούμενη γραπτή άδεια του RAWMATHUB.GR. 

Έτσι, χρησιμοποίησαν ένα ρολό κολλητικής ταινίας. Να πώς ο Geim περιέγραψε την τεχνική τους, όπως αναφέρει το BBC.

Εφαρμόζεις κολλητική ταινία σε γραφίτη ή μίκα και ξεφλουδίζεις το πάνω στρώμα. Υπάρχουν νιφάδες γραφίτη που ξεκολλάνε από την ταινία σου. Στη συνέχεια διπλώνεις την ταινία στη μέση και την κολλάς στις νιφάδες από πάνω και τις χωρίζεις ξανά. Και. επαναλαμβάνεις αυτή τη διαδικασία 10 ή 20 φορές. Κάθε φορά, οι νιφάδες χωρίζονται σε όλο και πιο λεπτές νιφάδες. Στο τέλος μένεις με πολύ λεπτές νιφάδες κολλημένες στην ταινία σου. Διαλύεις την ταινία και έχεις πλέον ένα διάλυμα μονοστρωματικού γραφενίου.

Η μέθοδος της κολλητικής ταινίας λειτούργησε άψογα. Με την απομόνωση ενός μονοστρωματικού φύλλου άνθρακα, οι Geim και Novoselov πιστώθηκαν με την ανακάλυψη ενός ολοκαίνουργιου υλικού που ονομάζεται γραφένιο, το οποίο τώρα θεωρείται ως το ισχυρότερο, ελαφρύτερο και πιο ηλεκτρικά αγώγιμο υλικό στη Γη.

Το 2010, ο Geim και ο Novoselov μοιράστηκαν το Βραβείο Νόμπελ φυσικής για την ανακάλυψη του γραφενίου και ερευνητές σε όλο τον κόσμο άρχισαν να αναζητούν τρόπους χρήσης αυτού του αξιοσημείωτου «υπερυλικού» για την κατασκευή ισχυρότερων και μεγαλύτερης διάρκειας μπαταριών, ταχύτερων microchips, εύκαμπτων κυκλωμάτων, εμφυτεύσιμων βιοαισθητήρων και άλλων εφαρμογών. Σχεδόν 20 χρόνια αργότερα, το γραφένιο δεν έχει ακόμη εκπληρώσει τις πολυδιαφημισμένες υποσχέσεις του, αλλά όσοι είναι σε θέση να γνωρίζουν περισσότερα, είναι πεπεισμένοι ότι θα δούμε smartphones, ηλεκτρικά αυτοκίνητα και αισθητήρες να χρησιμοποιούν τεχνολογία βασισμένη στο γραφένιο τα επόμενα χρόνια.

Γιατί το γραφένιο είναι υπερυλικό;

Με πάχος μόνο ενός ατόμου, ένα φύλλο γραφενίου πληροί όλα τα κριτήρια ενός υπερυλικού:

  • Το γραφένιο είναι 200 ​​φορές ισχυρότερο από τον χάλυβα κατά βάρος.
  • Είναι 1.000 φορές ελαφρύτερο από το χαρτί.
  • Είναι 98 τοις εκατό διαφανές.
  • Άγει τον ηλεκτρισμό καλύτερα από οποιοδήποτε άλλο γνωστό υλικό σε θερμοκρασία δωματίου.
  • Μπορεί να μετατρέψει φως οποιουδήποτε μήκους κύματος σε ηλεκτρικό ρεύμα.
  • Τελευταίο αλλά όχι λιγότερο σημαντικό, το γραφένιο αποτελείται από άνθρακα, το τέταρτο πιο άφθονο στοιχείο στο σύμπαν.

Το γραφένιο οφείλει τις καταπληκτικές του ιδιότητες στη δομή του. Εάν μπορούσατε να έρθετε αρκετά κοντά, θα βλέπατε ότι ένα φύλλο γραφενίου μοιάζει με κηρήθρα ατομικής κλίμακας. Τα μεμονωμένα άτομα άνθρακα είναι διατεταγμένα σε ένα εξαγωνικό σχέδιο. Κάθε άτομο άνθρακα σε ένα φύλλο γραφενίου είναι ομοιοπολικά συνδεδεμένο με τρία άλλα στοιχεία άνθρακα, γεγονός που δίνει στο υλικό την απίστευτη αντοχή του.

Γιατί το γραφένιο άγει τόσο καλά τον ηλεκτρισμό; Και πάλι, λόγω του τρόπου με τον οποίο συνδέονται αυτά τα άτομα άνθρακα. Κάθε άτομο άνθρακα έχει τέσσερα ηλεκτρόνια στην εξωτερική του στοιβάδα, αλλά μόνο τρία από αυτά τα ηλεκτρόνια μοιράζονται με τα γειτονικά τρία άτομα άνθρακα. Το ηλεκτρόνιο που απομένει ονομάζεται ηλεκτρόνιο pi και είναι ελεύθερο να κινείται στον τρισδιάστατο χώρο, κάτι που του επιτρέπει να μεταφέρει ηλεκτρικά φορτία σε όλο το φύλλο γραφενίου χωρίς σχεδόν καμία αντίσταση. Στην πραγματικότητα, το γραφένιο είναι ο καλύτερος αγωγός του ηλεκτρισμού σε θερμοκρασία δωματίου μεταξύ όλων των γνωστών υλικών.

Στην Cabot Corporation, ο ανώτερος ερευνητής Matt Hesketh εξετάζει την εξέλιξη του γραφενίου σε τρία φιαλίδια. Το φιαλίδιο στα αριστερά είναι γραφίτης, το μεσαίο είναι διογκωμένος γραφίτης και το δεξιό είναι γραφένιο

Η «Μαγική Γωνία»

Μια πρόσφατη ανακάλυψη μπορεί να προσθέσει μία ακόμη ιδιαίτερη ιδιότητα στην ανωτέρω λίστα. Μια ερευνητική ομάδα στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (MIT) πειραματιζόταν με γραφένιο διπλής στοιβάδας - δύο στρώματα γραφενίου μονού ατόμου στοιβαγμένα μαζί - όταν παρατήρησαν μια νέα, σχεδόν μαγική ιδιότητα του γραφενίου. Όταν τα στρώματα περιστρέφονται ελαφρώς εκτός ευθυγράμμισης μεταξύ τους - μετατόπιση ακριβώς σε γωνία 1,1 μοιρών - το γραφένιο γίνεται υπεραγωγός. Οι υπεραγωγοί είναι μία πολύ σπάνια κατηγορία υλικών που άγουν τον ηλεκτρισμό χωρίς καμία απολύτως αντίσταση και μηδενική θερμότητα.

Η ανακάλυψη της «μαγικής γωνίας» του γραφενίου προκάλεσε σοκ στην επιστημονική κοινότητα. Αν και το πείραμα διεξήχθη σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες (κοντά στους 0 βαθμούς Kelvin ή μείον 459,67 F), επέδειξε την πιθανότητα ότι συνδυάζοντας το γραφένιο με άλλα υπεραγώγιμα στοιχεία, είμαστε πιο κοντά από ποτέ στην υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου. Ένα τέτοιο επίτευγμα θα βελτίωνε ριζικά την ενεργειακή απόδοση των πάντων, από gadgets μέχρι αυτοκίνητα και ολόκληρα ηλεκτρικά δίκτυα.

Πώς μπορεί το γραφένιο να μεταμορφώσει την τεχνολογία;

Η υπεραγωγιμότητα ίσως απέχει ακόμα αρκετά χρόνια, αλλά επαναστατικά προϊόντα με βάση το γραφένιο θα έρθουν στην αγορά πολύ νωρίτερα, λέει ο Andrea Ferrari, καθηγητής νανοτεχνολογίας και διευθυντής του Cambridge Graphene Center.

«Μέχρι το 2024, θα υπάρχει μια ποικιλία προϊόντων γραφενίου στην αγορά», λέει ο Ferrari, «συμπεριλαμβανομένων μπαταριών, φωτονικών, καμερών νυχτερινής όρασης και άλλα».

Οι καταναλωτές περίμεναν με ανυπομονησία τις μπαταρίες με βάση το γραφένιο εδώ και χρόνια. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου σε όλα τα gadget μας είναι σχετικά αργές στη φόρτιση, χάνουν γρήγορα την ενέργειά τους και καθίστανται μη λειτουργικές μετά από έναν καθορισμένο αριθμό κύκλων φόρτισης. Αυτό συμβαίνει επειδή η ηλεκτροχημική διαδικασία που τροφοδοτεί τις μπαταρίες ιόντων λιθίου παράγει πολλή θερμότητα.

Αλλά δεδομένου ότι το γραφένιο είναι ο πιο αποτελεσματικός ηλεκτρικός αγωγός στον κόσμο, παράγει πολύ λιγότερη θερμότητα κατά τη φόρτιση ή την εκφόρτιση. Μπαταρίες με βάση το γραφένιο υπόσχονται πέντε φορές μεγαλύτερες ταχύτητες φόρτισης σε σχέση με τις μπαταρίες ιόντων λιθίου, τρεις φορές μεγαλύτερη διάρκεια ζωής της μπαταρίας και πέντε φορές περισσότερους κύκλους πριν χρειαστεί αντικατάσταση.

Εταιρείες ηλεκτρονικών όπως η Samsung και η Huawei αναπτύσσουν ενεργά μπαταρίες με βάση το γραφένιο για smartphones και άλλα gadgets. Όσο για τις μπαταρίες γραφενίου στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα - που θα μπορούσαν να αυξήσουν δραματικά την εμβέλειά τους - είναι ακόμα μερικά χρόνια μακριά. Μια ολόκληρη βιομηχανία έχει χτιστεί με τεχνολογία ιόντων λιθίου και δεν θα αλλάξει από τη μια μέρα στην άλλη.

«Η βιομηχανία μπαταριών είναι πολύ συντηρητική», λέει ο Jesus de la Fuente, Διευθύνων Σύμβουλος της Graphanea, μιας εταιρείας που κατασκευάζει και πουλά καθαρό γραφένιο και microchips με βάση το γραφένιο σε ακαδημαϊκούς ερευνητές και τμήματα Ε&Α. «Η βιομηχανία μπαταριών μπορεί να αλλάζει τη σύνθεση των μπαταριών μερικές φορές κάθε πέντε έως δέκα χρόνια, γεγονός που καθιστά πολύ δύσκολη την εισαγωγή νέων προϊόντων σε αυτόν τον κλάδο».

Υπάρχουν μερικές μπαταρίες με βάση το γραφένιο στην αγορά, συμπεριλαμβανομένων ορισμένων ενσύρματων και ασύρματων φορτιστών από μια εταιρεία που ονομάζεται Real Graphene, αλλά αυτές είναι μόνο η κορυφή του παγόβουνου, λέει ο Ferrari, ο οποίος είναι επίσης ο υπεύθυνος επιστήμης και τεχνολογίας για το Graphene Flagship, μιας συνεργασίας 1 δισεκατομμυρίου ευρώ από την Ευρωπαϊκή Ένωση για την επιτάχυνση της ανάπτυξης της τεχνολογίας γραφενίου. Ερευνητικοί εταίροι του Graphene Flagship, ήδη κατασκευάζουν μπαταρίες γραφενίου που ξεπερνούν τις καλύτερες σημερινές μπαταρίες υψηλής ενέργειας κατά 20 τοις εκατό σε χωρητικότητα και 15 τοις εκατό σε ενέργεια. Άλλες ομάδες έχουν κατασκευάσει ηλιακά κύτταρα με βάση το γραφένιο που είναι 20 τοις εκατό πιο αποτελεσματικά στη μετατροπή του ηλιακού φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια.

Άλλες χρήσεις για το γραφένιο

Ενώ οι μπαταρίες γραφενίου μπορεί να είναι οι πρώτες που προσεγγίζουν την εμπορική χρήση, οι ερευνητές είναι απασχολημένοι με την ανάπτυξη αμέτρητων άλλων εφαρμογών για αυτό το αξιοθαύμαστο υλικό.

Οι βιοαισθητήρες είναι ένα ιδιαίτερο μεγάλο αντικείμενο για το γραφένιο. Φανταστείτε ένα απίστευτα λεπτό και εύκαμπτο chip που μπορεί να εγχυθεί στην κυκλοφορία του αίματος για να παρακολουθεί δεδομένα υγείας σε πραγματικό χρόνο, όπως τα επίπεδα ινσουλίνης ή την αρτηριακή πίεση. Ή μια διεπαφή γραφενίου που στέλνει αμφίδρομα σήματα στον εγκέφαλο για να ανιχνεύσει μια επερχόμενη επιληπτική κρίση ή ακόμα και να την αποτρέψει. Λεπτοί, ελαστικοί αισθητήρες μπορούν επίσης να φορεθούν στο δέρμα ή να υφανθούν στο ύφασμα των ρούχων.

Ο καθηγητής Φυσικής Δρ. Yan Fung, κατέχει μια νέα εφεύρεση ημιδιαφανών ηλιακών κυψελών χαμηλού κόστους με ηλεκτρόδια γραφενίου στο Πανεπιστήμιο Poly στο Hung Hom της Κίνας

Η φωτονική είναι ένα άλλο πεδίο που ήδη ενσωματώνει το γραφένιο. Με την ενσωμάτωση του γραφενίου σε φωτοευαίσθητα chip, οι κάμερες και άλλοι αισθητήρες μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά την ευαισθησία τους, ακόμα και στα πιο αδύναμα κύματα φωτός σε όλο το ορατό και μη φάσμα. Αυτό όχι μόνο θα βελτιώσει την ποιότητα εικόνας των καμερών και των τηλεσκοπίων, αλλά και τις ιατρικές απεικονίσεις.

Το φιλτράρισμα είναι μια ακόμη πολλά υποσχόμενη εφαρμογή του γραφενίου. Απλά φίλτρα καθαρισμού νερού κατασκευασμένα με πολυμερή γραφενίου μπορούν να δεσμεύσουν οργανικούς και ανόργανους ρύπους στο πόσιμο νερό. Ερευνητές της συνεργασίας Graphene Flagship έχουν επίσης δημιουργήσει τεχνολογίες αφαλάτωσης βασισμένες σε διόδους γραφενίου που μπορούν να αφαιρέσουν πάνω από το 60 τοις εκατό του αλατιού από το θαλασσινό νερό για γεωργικές και άλλες χρήσεις.

Όλες αυτές οι εξελίξεις θα χρειαστούν χρόνο, αλλά ο Ferrari του Cambridge Graphene Center είναι πεπεισμένος ότι το γραφένιο θα ανταποκριθεί στις προσδοκίες. Στην πραγματικότητα, είναι εξίσου ενθουσιασμένος με τις ιδιότητες των εκτιμώμενων 2.000 άλλων μονοστρωματικών υλικών που δεν έχουν ανακαλυφθεί ακόμη και που επίσης απομονώνονται, με τη μέθοδο της κολλητικής ταινίας ή με άλλο τρόπο.

«Λέμε γραφένιο, αλλά στην πραγματικότητα μιλάμε για έναν μεγάλο αριθμό επιλογών που διερευνώνται», λέει ο Ferrari. «Τα πράγματα κινούνται προς τη σωστή κατεύθυνση».

Πηγή: HowStuffWorks.com

ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ - ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: ΣΥΝΤΑΚΤΙΚΗ ΟΜΑΔΑ RAWMATHUB.GR

Image

Έγκυρη ενημέρωση για την αξιακή αλυσίδα των raw materials

NEWSLETTER