Znajdź zawartość

O grafenie piszemy od lat, a przed kilkunastoma miesiącami informowaliśmy o powstaniu grafanu. Teraz do rodziny dołączył trzeci jej członek - grafyn. Symulacje komputerowe przeprowadzone przez niemieckich uczonych wskazują na możliwość istnienia pojedynczej warstwy atomów węgla, które jednak nie muszą być ułożone w kształcie sześciokąta, a mogą przyjmować bardzo różne formy. Nowy materiał może być zatem znacznie bardziej elastyczny niż grafen. Jak pamiętamy, energia elektronów poruszających się w grafenie jest wprost proporcjonalna do momentu pędu. Gdy energie takich elektronów przedstawimy na trójwymiarowym wykresie otrzymamy stożek Diraca. Te unikatowe właściwości grafenu powodują, że elektrony zachowują się w nim tak, jakby nie miały masy, co pozwala im na poruszanie się z niezwykle dużą prędkością, a to może być bardzo pożądaną cechą np. w elektronice. Grafyn tym różni się od grafenu, który ma pojedyncze lub podwójne wiązania, iż tworzy podwójne i potrójne wiązania, a atomy węgla nie układają się heksagonalnie. Niemieccy uczeni, wśród nich chemik Andreas Görling z Uniwersytetu Erlangen-Nuremberg, prowadzili komputerowe symulacje trzech różnych wzorców, w jakie mogą układać się atomy węgla w grafynie i odkryli, że we wszystkich mamy do czynienia ze stożkiem Diraca. Jednak, co ważniejsze, okazało się, że jeden z badanych wzorów 6,6,12 grafyn, w którym atomy węgla charakteryzuje prostokątna symetria, przewodzi elektrony tylko w jednym kierunku. Taki materiał nie potrzebowałby domieszkowania innymi pierwiastkami, by wykazywać właściwości pożądane w elektronice. W przeszłości uzyskiwano już niewielkie skrawki grafynu. Teraz niemieckie badania dowiodły, że warto pracować nad tym materiałem i różnymi jego odmianami.

Grafen wydaje się być materiałem jutra. Dopiero niedawno odkryto, jak produkować go metodami przemysłowymi, a pomysły i koncepcje na jego wykorzystanie w elektronice, czy nanotechnologii trudno zliczyć. A będzie ich jeszcze więcej, ponieważ nie tylko sam grafen obiecuje wielorakie zastosowania, trwają prace nad jego modyfikacjami i materiałami pokrewnymi. Jak wiadomo, grafen to płachta z atomów węgla ułożonych jedną warstwą, heksagonalną strukturą przypominająca plaster miodu. Grubość jednego atomu nadaje jej różne ciekawe właściwości. Można je zmieniać, na przykład wprowadzając do jego struktury atomy innych pierwiastków, albo powlekając go inną warstwą. W taki sposób - poprzez nałożenie na obie strony grafenowej płachty atomów wodoru - powstaje inny materiał: grafan, złożony z trzech jednoatomowych warstw. Materiał taki z przewodnika staje się izolatorem. Ale to nie koniec pomysłów. Boris Yakobson, wykładowca inżynierii mechanicznej i materiałowej i chemii na Uniwersytecie Williama Rice'a odkrył bardzo ciekawe właściwości grafanu. Zaproponowana przez niego modyfikacja to usunięcie pojedynczych atomów wodoru lub ich grup z obu stron materiału. „Dziury" takie zawsze zachowują kształt sześciokąta i wyraźne granice. Co ważniejsze, stają się w ten sposób kwantowymi kropkami, których parametry można dokładnie dobierać poprzez zmianę ich rozmiaru. Kwantowe kropki to krystaliczne cząstki o rozmiarach atomowych, reagujące na światło i pole magnetyczne w unikatowy sposób. Mogą służyć na przykład jako czujniki chemiczne, pułapki na pojedyncze, określone cząsteczki, jako ogniwa słoneczne, nanoukłady, itp. Jednym zdaniem: otwierają szerokie pole dla nowatorskich technologii w nanoskali. Zaproponowany przez prof. Yakobsona sposób ich wytwarzania byłby małą rewolucją. Możliwość dokładnego dostosowywania ich parametrów, a więc właściwości, dałaby olbrzymie możliwości konstruowania nowych materiałów i urządzeń. Prawdopodobnie byłby to najlepszy materiał do tworzenia kwantowych kropek. Jego wyjątkowe właściwości optyczne już są brane pod uwagę przy projektowaniu układów optoelektronicznych, czy półprzewodnikowych laserów. Niestety, na razie są to konstrukcje teoretyczne, nie ma bowiem gotowej technologii precyzyjnego usuwania atomów wodoru z grafanowej matrycy. Jednak Abhishek Singh i Evgeni Penev, współautorzy pracy na ten temat, uważają, że nie jest to problem. Stworzenie odpowiedniej technologii to ich zdaniem jedynie kwestia czasu i zajęcia się tematem, zwłaszcza, że cel jest określony. Eksperymenty już są przeprowadzane w kilku ośrodkach i choć autorzy pomysłu nie są w stanie powiedzieć, kiedy ich koncepcja zostanie wcielona w życie, uważają, że to niedługo.