Nanomaterijali

Šta je to grafen i da li je budućnost elektronike u njemu?

Osam najčešćih alotropskih modifikacija ugljenika: a) dijamant, b) grafit, c) lonsdejlit d) bakminster fuleren (C60), e) C540, f) C70, g) amorfni ugljenik, h) nanocevčica (sa jednoslojnim zidom)

Razvoj mikroračunara neraskidivo je povezan sa silicijumom. Uostalom, sever Kalifornije ne zove se uzalud Silicijumska dolina. Ipak, godine minijaturizacije dovele su do toga da razvijamo materijale za čija je svojstva bitan prečnik atoma i njihova trodimenzionalna organizacija u okviru molekula. Atom silicijima je tako postao preveliki za potrebe nanomaterijala, pa su istraživači počeli da se okreću njegovom „manjem” bratu iz četrnaeste (ili IVa) grupe elemenata – ugljeniku. Pre dve godine pisali smo o ugljeničnim nanocevčicama (SK 5/2010), koje su već godinama pokretač nanotehnoškog istraživanja. Iste godine, ser Andre Konstantinovič Geim i Konstantin Novoselov, obojica doktori nauka ruskog porekla koji rade na Univerzitetu u Mančesteru, dobili su Nobelovu nagradu za svoje eksperimente sa dvodimenzionalnim ugljeničnim materijalom grafenom.

Šta je grafen?

Na prvim časovima hemije u osnovnoj školi učimo o alotropskim modifikacijama raznih materijala. Primer koji profesori koriste su dve najpoznatije forme ugljenika – dijamant i grafit. Dijamant nastaje kada se svaki atom ugljenika povezuje sa još četiri, stvarajući kompaktnu tetraedarsku strukturu. S druge strane, grafit nastaje onda kada se svaki atom ugljenika povezuje sa još tri, pri čemu se stvara mreža sa šestougaonim otvorima koja liči na saće, a zatim se ti saćoliki listovi slažu jedan na drugi. Grafen je naziv za jedan takav list mreže, sastavljene od nebrojenih šestougaonih ugljeničnih prstenova. Pošto je debljina grafenskog listića jednaka prečniku jednog ugljeničnog atoma, to jest samo 0,17 nm, za ovaj materijal se kaže da je efektivno dvodimenzionalan. Prve studije o grafenu vršene su još šezdesetih godina prošlog veka, ali tek pre osam godina je uspešno izolovan u formi koja bi mogla da se testira. Uslovi za serijsku proizvodnju kako rastvora ljuskica grafen-oksida tako i folija većih površina sa neprekinutim monoatomskim slojem grafena stvorili su se tek u poslednje dve godine.

Adre Geim i Konstantin Novoselov, dobitnici Nobelove nagrade za svoj eksperimentalni rad sa grafenom

Ono zbog čega je gafen tako interesantan naučnicima jesu njegova svojstva, koja prilično odstupaju od grafita, iz kojeg se grafen dobija. Grafit je najstabilniji oblik ugljenika, provodi elektricitet, a koristi se u proizvodnji elektroda i, naravno, olovaka. Svako ko je nekada oštrio olovku zna da je grafit veoma krt i lako lomljiv materijal, a grafen je, s druge strane, fleksibilan, rastegljiv i oko 200 puta jači od čelika, koji se pak koristi u građevinskoj industriji. Ipak, čvrstina grafena nije jedini razlog zašto je u poslednje dve godine pokrenuto nekoliko stotina kompanija i objavljeno više hiljada naučnih radova koji se bave ovim materijalom. Ser Andre Geim daje najbolju smernicu za pristup grafenu: „Grafen nema jedinstvenu primenu i o njemu ne treba razmišljati kao o jednom materijalu. Grafen je osnova za širok spektar materijala sa velikim dijapazonom primena, na njega treba gledati kao što danas gledamo na plastiku”.

Primene

Kako se plastika, naravno u nekom od svojih brojnih oblika, danas nalazi u gotovo svakom uređaju, gde ćemo onda tek sve moći da nađemo grafen u godinama pred nama? Prema mišljenjima mnogih stručnjaka, granice nema, već je sve pitanje vremena i sredstava za razvijanje proizvodnih procesa. Sve što treba da bude manje, lakše ili brže može da se postigne uz pomoć grafena. Među uređajima koji već mogu da se proizvedu sa ovim materijalom su transparentni i savitljivi touchscreen displeji. Naučnici sa korejskog Univerziteta Sungkjunkvan, u saradnji sa kompanijom Samsung, već rade na prototipu sledeće generacije mobilnih telefona. Ovakav uređaj, koji bi mogao da se nađe u prodaji za već pet godina, u osnovi je proziran, savitljivi list plastičnog nosača na koji su naneti slojevi nanomaterijala različitih svojstava. Zamislite lični prenosni računar koji možete da savijete i stavite u novčanik ili zamotate u rolnicu manju od olovke!

Ispostavilo se da je sam ekran najmanji problem, a u Samsungu su već uspešno napravili grafenski touchscreen displej veličine 25 inča. Zapravo, baš u displejima leži jedan od razloga zašto su se proteklih nekoliko godina trošile milijarde dolara i evra na unapređivanje tehnologije dobijanja grafena. Bukvalno svaki uređaj sa transparentnom elektronikom koji se koristi danas sadrži premaz od indijum-kalaj-okisda. LCD, plazma, OLED, touchscreen, elektronsko mastilo, pa i solarne ćelije, kamere, senzori i laseri – sve to koristi indijum-kalaj-oksid. Problem kod svih ovih uređaja je u tome što je indijum veoma redak element, a potražnja za njim nastavlja da raste. Već godinama se više indijuma dobija recikliranjem stare elektronike nego preradom ruda raznih metala, ali već danas to više nije dovoljno i potrebna je zamena. Ne samo što će grafen u sledećih nekoliko godina postati jeftiniji od indijum-kalaj-oksida, nego je i transparentniji, tačnije propušta svetlost šireg spektra, što za rezultat ima kvalitetniju sliku na displejima, odnosno preciznije senzore u uređajima. Takođe, premaz od indijum-kalaj-oksida ne reaguje povoljno na krivljenje i deformaciju uređaja na koje je nanet, dok je grafen potpuno savitljiv i rastegljiv.

Pošto displej za naš mobilni računar budućnosti već postoji, šta je sa ostalom elektronikom, procesorom i baterijama za ovakav uređaj? Tu na red dolazi istraživanje koje se vrši u IBM-ovim laboratorijama. Inicijalni problem bio je da grafen nema takozvani energetski procep karakterističan za poluprovodnike, pa su materijali zasnovani na grafenu funkcionisali ili kao izolatori ili kao provodnici. U toku poslednjih godinu dana ponuđeno je nekoliko rešenja ovog problema. Jedno od njih je pravljenje „sendvič” strukture, gde su između dva lista grafena zarobljeni molekuli gvožđe-hlorida. Drugo rešenje je pravljenje takozvanog grafen-monoksida koji u rešetku vezuje atome kiseonika, tako da materijal može da ostane jednoslojan. Osnova današnjih mikroprocesora su silicijumski tranzistori čija maksimalna brzina ne prelazi 40 GHz. Istraživači u IBM-u već su napravili grafenski tranzistor čija brzina iznosi 150 GHz. Obljavljeno je i da isti tim već radi na razvoju grafenskog procesora sa brzinom iznad 1 THz.

Ponovo, pošto je atom ugljenika manji od silicijuma, moguća je bolja minijaturizacija, što povlači manju potrošnju energije. Ipak, kvalitetne baterije su nezaobilazan deo svakog mobilnog uređaja. Rešenje ovog izazova delom je u grafenu, a delom i u ugljeničnim nanocevčicama. Grafen može da formira transparentnu bateriju uređaja, koja je u stanju da se puni tri puta brže od najboljih litijum-jonskih baterija. S druge strane, nanocevčice mogu da služe kao integrisani punjač energije. Zahvaljujući piezoelektričnom efektu nanocevčica, svako kretanje ovog uređaja bi generisalo energiju. Tako bi hodanje korisnika ili savijanje i odmotavanje mobilnog uređaja neprestano punilo baterije. Trenutno ovakvi nanouređaji proizvode oko mikrovat po kvadratnom centimetru folije, ali i na tom planu se očekuje povećanje kvaliteta. Takođe, grafen je višestruko unapredio i kvalitet solarnih panela. Umesto standardnih panela baziranih na silicijumu, svaka glatka površina može da se pretvori u solarni panel ako se na nju nanese rastvor baziran na grafenu.

Biotehnologija

Pošto je ugljenik osnova svih organskih molekula, nije iznenađujuće to što je grafen potpuno biokompatibilan materijal. Kao takav, veoma je interesantan u biotehnološkom istraživanju, pre svega na polju razvoja mikronskih biosenzora koji bi se implantirali u tela i konstantno pratili zdravlje ljudi. Jedna od ideja za upotrebu je nanošenje grafenskog senzora na poleđinu zuba. Sam senzor povezuje antimikrobne peptide na grafensku mrežu, a ti peptidi vezuju bakterijske antigene i menjaju električnu provodnost grafenske mreže. Senzor se proverava spoljašnjim čitačem sličnim onom za skeniranje RIFD čipova, i može tačno da detektuje koncentraciju najčešćih uzročnika oralnih infekcija u usnoj duplji.

Pre nepunih pola godine (SK 2/1012) pisali smo o revolucionarnom uređaju DNK Ion Proton, koji je ubrzao i pojeftinio proces sekvenciranja genoma. Zahvaljujući senzorima sa nanoporama u grafenu stvoren je aparat MinION – sekvencer za jednokratnu upotrebu koji se preko USB-a povezuje sa računarom. Dok Ion Proton košta 150.000 USD a jedno sekvenciranje na njemu košta hiljadu dolara, cena MinION-a je manja od 900 USD.

Sa ovako malim i tankim senzorima sada je moguće njihovo postavljanje na mesta u telu gde bi veći uređaji remetili funkciju organa. Zahvaljujući senzorskim implantatima zasnovanim na grafenu moći ćemo detaljnije da proučavamo promene na mozgu, srcu ili zglobovima koje do sada nismo bili u stanju. Pored dijagnostike, ovi materijali mogu da pomognu i u samom lečenju. Radi se na retinalnom implantatu, koji bi oštećenom oku vratio vid. Nanosonde su u stanju i da dostavljaju lek na specifično mesto ili pak markiraju obolela tkiva da bi bila uočljivija. U toku su i eksperimenti na miševima, gde se grafenske nanosonde vezuju za tumore, a zatim se tumor ciljano uništava zagrevanjem grafena.

Izazovi i perspektiva

Masovna proizvodnja najveća je prepreka sa kojom se bore pobornici upotrebe grafena u najrazličitije svrhe. Do pre nekoliko godina jedini način bilo je odvajanje slojeva grafena sa grafita uz pomoć agresivnih hemikalija. Najveći problem tog procesa je njegova osetljivost, tj. hemikalije trajno menjaju svojstva grafena ili se odlubljuju komadi debeli 5–10 grafenskih listića. Sve ovo je još veoma sporo, za nekoliko sati se na ovaj način dobija tek nekoliko kvadratnih centimetara čistog grafena. Proces koji omogućava pravljenje velikih grafenskih površina podrazumeva upumpavanje gasovitog vodonika i metana u komoru sa bakarnom folijom zagrejanom na 800–1000 °C. Atomi iz metana se pod tim uslovima talože na bakru formirajući list grafena, koji se zatim prebacuje na ciljni prozirni polimer. Ipak, čak i ovako formiran grafen nije idealno šestougaono saće, već se javljaju prstenovi od pet ili sedam atoma ugljenika, koji kvare svojstva grafena. Sinteza savršenih grafenskih listova ipak je moguća, ali sadašnjim tehnikama polimerizacije dobijaju se komadi od nekoliko storina kvadratnih nanometara grafena, i to i dalje traje veoma dugo.

S obzirom na to da se na ovom novom materijalu radi manje od 10 godina, ono što je dosad postignuto svakako je impresivno. Svakih nekoliko nedelja stižu izveštaji novih istraživačkih timova koji pronalaze nove upotrebe za grafen. Pominju se ubrzavanje vlakana za broadband umrežavanje, pametni tekstil, zatim nove generacije emitera terahercnih talasa, ultrabrzi foto-detektori, novi materijali za građevine i vozila, kao i elektronski detektor mirisa osetljiviji od nosa bilo koje životinje na planeti. Ipak, nas najviše interesuje to da naučnici ispune svoja obećanja i da za pet godina vidimo te superbrze, male i lagane lične računare. Još samo da u međuvremenu neko pronađe način da od grafena napravi novu vrstu memorije visokog kapaciteta i svi naši problemi biće rešeni.

Dragan KOSOVAC