• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Nobel z fizyki za odkrycie grafenu

    05.10.2010. 15:21
    opublikowane przez: Redakcja Naukowy.pl

    51-letni Andre Geim i 36-letni Konstantin Novoselov otrzymali Nagrodę Nobla z fizyki za odkrycie grafenu - nowej postaci węgla, która jest najcieńszym i najbardziej wytrzymałym znanym materiałem. Novoselov i Geim, którzy studia skończyli w Rosji, po raz pierwszy spotkali się w Holandii, gdy Novoselov robił doktorat. Razem wyjechali do Wielkiej Brytanii, gdzie zostali profesorami University of Manchester. W październiku roku 2004 opublikowali na łamach "Science" artykuł, który wywołał poruszenie na całym świecie.

    Wyizolowali grafen z kawałka grafitu, który można znaleźć w zwykłym ołówku. Co więcej, do uzyskania jego jednoatomowej warstwy wykorzystali zwykłą taśmę samoprzylepną. Wielu specjalistów nie wierzyło, że jednoatomowa warstwa jakiegokolwiek materiału może być stabilna.

    Tymczasem grafen to najmocniejszy znany materiał, ponad 100 razy mocniejszy niż stal, a zarazem tak elastyczny, że można go bez szkody rozciągnąć o 20 proc. Podobnie jak diament, składa się z atomów węgla, pierwiastka, bez którego nie mogłoby istnieć życie w znanej nam formie. Atomy węgla tworzą w grafenie płaską, praktycznie dwuwymiarową siatkę o sześciokątnych oczkach, której struktura przypomina plaster miodu.

    Grafen jest równie dobrym przewodnikiem elektryczności co miedź, a pod względem przewodnictwa ciepła przewyższa wszystkie znane materiały. Choć jest niemal całkowicie przezroczysty (pochłania tylko 2,3 proc. światła), przez jego warstwę nie przechodzą nawet maleńkie atomy helu.

    Dzięki grafenowi fizycy mogą w nieosiągalny wcześniej sposób badać zjawiska z zakresu mechaniki kwantowej, gdyż elektrony poruszają się w grafenie z prędkością sięgająca 1/300 prędkości światła. Pozwala to wykonywać wiele doświadczeń, które dotąd wymagały użycia akceleratora.

    Z grafenu powstają nowe komponenty elektroniczne - na przykład tranzystory, dużo szybsze od powszechnie stosowanych tranzystorów krzemowych. Komputery z grafenu mogłyby działać z częstotliwością rzędu 500-1000 gigaherców.

    Przejrzystość i znakomite przewodnictwo sprawiają, że grafen nadaje się do wytwarzania przejrzystych, zwijanych w rolkę wyświetlaczy dotykowych, źródeł światła czy baterii słonecznych. Czujniki z grafenu potrafią zarejestrować obecność pojedynczej cząsteczki szkodliwej substancji.

    Jako dodatek do tworzyw sztucznych, grafen może je przekształcić w przewodniki elektryczności, podnosi też odporność na ciepło oraz wytrzymałość mechaniczną. Tak elastyczne i wytrzymałe materiały nadają się do budowy samochodów, samolotów czy pojazdów kosmicznych.

    Przez wiele lat uważano, że istnieją dwie odmiany węgla, różniące się ułożeniem atomów - diament i grafit. Struktura diamentu jest trójwymiarowa, co nadaje jej olbrzymią odporność. Grafit jest tak miękki, że można nim pisać po papierze - tworzące go płaskie warstwy atomów łatwo się po sobie ślizgają, co sprawia, że ołówkiem można pisać po papierze. Na milimetrową warstwę grafitu składają się trzy miliony oddzielnych, leżących na sobie warstw, dziś znanych jako grafen. Później okazało się, że istnieją jeszcze "zwinięte" z grafenu nanorurki i kuliste fullereny, przypominające piłkę.

    Zapewne każdemu, kto pisał ołówkiem, udawało się od czasu do czasu uzyskać warstwę grafenu, choć o tym nie wiedział. Jednak nikt nie potrafił świadomie rozłożyć grafitu na pojedyncze warstwy - do czasu, gdy na ten pomysł wpadli tegoroczni nobliści.

    W roku 2004 Geim i Novoselov wykorzystali taśmę klejącą, aby odrywać poszczególne warstewki z kawałka grafitu. Uzyskali w końcu jednoatomowe warstwy. Potem fragmenty grafenu przytwierdzali do płytki z utlenionego krzemu, standardowego materiału stosowanego w elektronice.

    Pojedyncza warstwa węglowej siateczki o sześciokątnych oczkach mając grubość jednego atomu jest praktycznie dwuwymiarowa, choć nawet niewielki z punktu widzenia codziennego życia kawałek grafenu składa się z miliardów atomów.

    Obecnie, metodami podobnymi do stosowanych w produkcji układów elektronicznych, udaje się uzyskiwać arkusze grafenu o szerokości nawet 70 centymetrów. Metr kwadratowy grafenu ważyłby 0,77 miligrama. Gdyby zrobić niego hamak, utrzymałby ciężar 4 kilogramów - czyli przeciętnego kota. W dodatku byłby niewidoczny i ważył tyle, co koci wąs.

    PAP - Nauka w Polsce


    pmw/ tot/ gma/bsz

    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Grafen – jest płaską strukturą złożoną z atomów węgla, połączonych w sześciokąty. Ze względu na wygląd przypomina plaster miodu. Ponieważ materiał ten ma jednoatomową grubość, uważa się go za strukturę dwuwymiarową. Opis teoretyczny grafenu powstał już w 1947 w pracy Wallace’a. Jednak w tym samym okresie opublikowano szereg innych prac, w których dowodzono, że grafen, jak i inne materiały dwuwymiarowe, nie może istnieć w przyrodzie. Nanorurki – struktury nadcząsteczkowe, mające postać pustych w środku walców. Współcześnie najlepiej poznane są nanorurki węglowe, których ścianki zbudowane są ze zwiniętego grafenu (jednoatomowej warstwy grafitu). Istnieją jednak także niewęglowe nanorurki (m.in. utworzone z siarczku wolframu) oraz nanorurki utworzone z DNA. Grafen – płaska struktura złożona z atomów węgla, połączonych w sześciokąty. Materiał ten kształtem przypomina plaster miodu, a ponieważ ma jednoatomową grubość, uważa się go za strukturę dwuwymiarową. Grafen jest przedmiotem zainteresowania przemysłu ze względu na różne właściwości, w tym elektryczne i mechaniczne.

    Fluorografen - materiał podobny do teflonu, jednak o płaskiej strukturze i lepszej wytrzymałości. Powstaje wskutek dołączania atomów fluoru do grafenu. Grafan – związek chemiczny, substancja będąca modyfikacją grafenu. Jest to uwodorniony grafen. Transformacja ta czyni bardzo silnie przewodzący grafen izolatorem.

    Andriej Konstantinowicz Gejm, Andre Geim (ros. Андрей Константинович Гейм; ur. 21 października 1958 w Soczi) — fizyk rosyjsko-holenderski pochodzenia niemieckiego, laureat Nagrody Nobla (2010), znany przede wszystkim jako jeden z odkrywców grafenu. Olbrzymie rurki węglowe (ang. colossal carbon tubes, CCTs) – alotropowa odmiana węgla w postaci rurek o średnicach od 40 do 100 μm. Mają strukturę inną niż nanorurki węglowe, których średnice są rzędu nanometrów. Ściany olbrzymich rurek nie są pojedynczymi warstwami grafenu, ale wielowarstwowymi strukturami o grubości ponad 1 μm, pofałdowanymi i posiadającymi puste przestrzenie rozdzielone membranami, podobnie jak w tekturze.

    Opór cieplny jest to stosunek grubości warstwy materiału do współczynnika przewodnictwa cieplnego rozpatrywanej warstwy materiału. Laminaty – rodzaj kompozytów: tworzywa powstające z połączenia dwóch materiałów o różnych właściwościach mechanicznych, fizycznych i technologicznych, w których składnik wzmacniający (tzw. zbrojenie) jest układany w postaci warstw (łac. lamina – cienka blaszka, płytka – stąd nazwa laminatów), między którymi znajduje się wypełnienie, pełniące rolę lepiszcza. Warstwy wzmocnienia mogą być w postaci włókien ciągłych ułożonych jednokierunkowo (tzw. rovingu), tkanin lub mat z włókna ciętego. Laminat, ze względu na swoją strukturę, ma dobrą wytrzymałość w kierunku włókien, ale bardzo słabą wytrzymałość w kierunku prostopadłym do warstw. Typowym naturalnym laminatem jest drewno, w którym wytrzymałe i sprężyste, choć wiotkie włókna celulozowe są spajane w sztywne i odporne tworzywo przez tzw. ligninę (drzewnik) o wiele mniej wytrzymałą mechanicznie od celulozy.

    Pas klinowy – pas stosowany w przekładni pasowej klinowej; ma on przekrój trapezowy i jest wykonywany jako wieniec bez końca. Pasy te są znormalizowane. Pas ten składa się z: warstwy nośnej (wykonana z linek stalowych lub poliamidowych), z warstwy podatnej (wykonanej z gumy lub kauczuku) oraz z warstwy tkaninowo-gumowej. Natomiast całość jest owinięta zawulkanizowaną taśmą płócienną lub kordową. Budowa taka zapewnia dużą wytrzymałość, giętkość i przyczepność oraz małą rozciągliwość pasa. W pasie rozróżnia się wymiary: długość, szerokość i szerokość skuteczną.

    Optyka cienkich warstw jest działem optyki, który dotyczy zjawisk zachodzących w strukturach złożonych z bardzo cienkich warstw różnych materiałów. Aby badana struktura spełniała ten warunek, grubość pojedynczej warstwy musi być rzędu długości fali światła, czyli dla światła widzialnego około kilkuset nanometrów. Warstwy tej grubości mają specyficzne własności optyczne związane z dyfrakcją i interferencją światła oraz z różnicami w wartościach współczynnika załamania światła poszczególnych cienkich warstw, podłoża i powietrza. Te efekty mają wpływ zarówno na odbicie światła jak i jego przechodzenie przez obiekt.

    Dodano: 05.10.2010. 15:21  


    Najnowsze