GRAFEN

O grafenu

Grafen je trdna snov, sestavljena iz čistega ogljika, podobna grafitu, vendar z debelino enega atoma. Je zelo lahek; masa s površino enega kvadratnega metra namreč tehta le 0,77 miligrama. Grafen je alotrop ogljika v obliki dvodimenzionalne, na atomih temelječe, sataste mreže, v kateri vsak atom tvori po eno oglišče. Izraz je sestavljen iz besede grafit in pripone -en.

Slika 1: Primer sataste strukture grafenove plasti [1]

Je material z visoko stopnjo trdnosti in veliko električno prevodnostjo, iz česar izhaja njegova uporabnost v elektroindustriji kot sestavni del elektronskih delov. [3]

Pridobivanje grafena

Za izdelavo majhnih površin uporabljamo kemično hlapno depozicijo ali CVD. Metoda CVD temelji na uporabi snovi, ki po kemijski reakciji tvorijo novo, drugo snov. Pri grafenu je ta snov metan (CH4). V komoro, kjer tvorimo grafen, vstavimo bakreno ploščico. Ta služi kot podlaga, na kateri bo trdna snov nastala, in kot katalizator, ki pospešuje kemijsko reakcijo.

Po segrevanju do temperature okoli 1000 °C metan razpade na vodik in ogljik. Nato ta pade na bakreno ploščico in tvori plast grafena. Od bakra ga ločimo na dva načina, in sicer:

Slika 2: Dve plošči grafena, pridobljeni s CVD-jem [1]

v prvem se grafen z bakra odstrani z vnašanjem atomov drugih snovi v material. To oslabi baker in omogoči ločitev grafena. Drugi način pa je, da se čez material nanese pleksi steklo, bakreno ploščico pa se odjedka.

Problem pri pridobivanju je nečistost bakra. Zaradi tega se na mestih z nepravilnostmi nanese več slojev grafena, ki tvori grafit z drugačnimi lastnostmi. Nepravilnosti pri proizvodnji so vzrok, da trenutni proizvodi grafena večinoma služijo za demonstracijo procesa.

Raziskovalci MIT so predstavili nov način pridobivanja. Njihov laboratorijski prototip je sestavljen iz dveh koncentričnih cevi; vzdolž notranje cevi se v vijačni smeri navija bakrena folija, ki se počasi pomika naprej. Skozi preluknjano notranjo cev se dovaja ogljik za nastanek grafena na bakru. [1]

Pridobivanje grafena

Grafen nam nudi veliko možnosti uporabe, ki segajo v različne kategorije. Omembe vredni načini uporabe so ukrivljeni zasloni telefonov oziroma televizij, boljše baterije, izrazito trdnejše strukture v primerjavi z ostalimi materiali, izboljšanje hitrosti in zmogljivosti računalniških komponent zaradi dobrih električno-prevodnih lastnosti ter shranjevanje vodika v 3D mrežno nanostrukturo. [2]

Slika 3: Prikaz fleksibilne baterijske strukture [1]

Slika 4: 3-D mrežna nanostruktura za shranjevanje vodika. [1]

Pozitivne lastnosti

Ena izmed lastnosti, ki lahko ima velik vpliv na prihodnost avtomobilizma, so fleksibilne litijeve ionske baterije z možnostjo hitrega polnjenja in praznjenja – več o tem si lahko preberete v drugem članku. Druga je možnost shranjevanja vodika v 3D mrežni nanostrukturi. Ta dva primera pozitivnih lastnosti sta zelo specifična. Splošne pozitivne lastnosti pa so izredno majhna teža (kot že omenjeno, masa grafena s površino enega kvadratnega metra znaša 0,77 miligrama), visoka stopnja trdnosti, velika električna prevodnost, zelo dobra toplotna prevodnost, prozornost in fleksibilnost.

Negativne lastnosti

Edina splošno znana slabost je proizvodnja, ki pa se še vedno razvija. Prva, zelo očitna negativna lastnost, je problem pri pridobivanju materiala. Pri proizvodnji lahko pride do majhnih napak, ki imajo velik vpliv na lastnosti materiala. Prav tako so postopki izdelave dragi in nedostopni večini znanstvenikov. Danes je potrebno za kilogram grafena odšteti kar okoli milijon USD. Grafen pa je vseeno material z veliko pozitivnimi lastnostmi – ravno zato je pričakovati napredek in odpravo negativnih lastnosti.

Zaključek

Grafen je zaradi vseh pozitivnih lastnosti in možnosti uporabe zagotovo material prihodnosti. Kdaj se bo za takšnega resnično izkazal, je le še vprašanje časa. Seveda ne smemo pozabiti, da se tehnologija konstantno razvija in da nas lahko rešitev čaka za vogalom. 

Literatura

  • [1] Merljak M., Grafen in njegova uporaba. Diplomska naloga visokošolskega strokovnega študija, Fakulteta za elektrotehniko, Univerza v Ljubljani, 2016.
  • [2] Huš M., Čakajoč na grafenski čudež. Monitor, vol. 6, str. 22, 2014.
  • [3] Zgonik S., Grafen – material prihodnosti. Mladina, vol. 40, str. 13, 2010.