Strona główna
zaloguj

 | Mapa strony

Dwuwymiarowe materiały- Czyli 2 > 3

grafen

Mowa o bardzo młodych dobytkach nauki czyli o grafenie, grafanie, grafynie molibdenicie oraz silicenie. Aktualnie większość z nas słyszała już o dokonaniu brytyjsko- rosyjskiego zespołu naukowców z 2004 r (mowa oczywiście o grafenie), nielicznym z nas dane było usłysześć o pozostałej czwórce. Nic dziwnego, „bracia” grafenu (grafen i grafyn) są dość młodym tworem, podobnie jak molibdenit i silicen.

Postęp nauki jest w ostatnich dekadach fenomenalny i nie widać żadnych oznak aby w jakikolwiek sposób postęp ów miał zwolnić. W 2004r. świat usłyszał o grafenie tworze zespołu naukowców z Wielkiej Brytanii i Rosji.
Grafen można określić jako specyficzny materiał w którego skład wchodzi pojedyncza warstwa atomów węgla będących w połączeniu heksa- cyklicznym (przez co uważany jest za ostatni element szeregu wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych). Z racji niewielkiej grubości grafenu,

 

zwykło się go nazywać materiałem dwuwymiarowym.
Nie bez powodu jego „ojcowie” ( Andriej Gejm i Konstantin Nowosiołow) otrzymali w 2010 roku nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki, stworzyli bowiem materiał którego właściwości jeszcze kilka dekad wcześniej śniły się tylko pisarzom science fiction.
Grafen jest bardzo dobrym przewodnikiem ciepła – zmierzona przewodność cieplna wynosi od 4800 do 5500 W/mK (dla porównania stal – 58 W/mK)
Posiada niewielką rezystancję

Prędkość przepływu elektronów, wynosząca 1/300 prędkości światła, umożliwia badanie efektów relatywistycznych dla elektronu poruszającego się w przewodniku
Jest niemal całkowicie przezroczysty (pochłania tylko ok 2,3% światła)
Jest ponad 100 razy mocniejszy niż stal (pręt o identycznej grubości), a zarazem tak elastyczny, że można go bez szkody rozciągnąć o 20%.
Membrana z utlenionego grafenu nie przepuszcza gazów, nawet atomów helu, a równocześnie jest całkowicie przenikalna przez wodę (H2O).
Grafen z pewnością w najbliższej przyszłości znajdzie zastosowanie w wielu gałęziach

technologicznych. W wielu przypadkach (niestety nie we wszystkich) z powodzeniem będzie nim można zastąpić krzem uzyskując niespotykane dotąd wyniki w dziedzinie elektroniki. Znakomita przewodność cieplna i elektryczna tego materiału znajdzie zastosowanie w bateriach słonecznych, czujnikach, dodatkach do tworzyw sztucznych.
Aktualną przeszkodą utrudniającą wykorzystanie grafenu jest koszt produkcji Do niedawna grafen był najdroższą substancją na ziemi Cena mikromechanicznie odłupanego krystalitu grafenu wielkości powierzchni przekroju ludzkiego włosa przekraczała 1000 dolarów. Jednak już na początku 2009 roku koreańscy badacze z Uniwersytetu Sungkyunkwan opracowani metodę pozwalającej na

tańsze wyprodukowanie fragmentów o powierzchni nawet 1 cm². Nie bez znaczenia był również wkład polskiej elity intelektualnej z Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych oraz Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego , w 2011 roku poinformowali o wspólnym opracowaniu metod otrzymywania dużych fragmentów grafenu.
Grafan
Niedawno odkryty grafen już znalazł szerokie, domniemane zastosowanie w elektronice. Naukowcom jednak to nie wystarcza, postanowili zmodyfikować samą strukturę grafenu poprzez

wprowadzenie do jego struktury atomów innych pierwiastków lub powlekając go inną warstwą. Drugi zabieg zaskutkował ideą nałożenia na warstwę grafenu dwóch warstw atomów wodoru (od góry, oraz od dołu). Taka operacja pozwala otrzymać grafan, substancję złożoną z trzech jednoatomowych warstw. Materiał taki z niemalże idealnego przewodnika staje się izolatorem.
Wykładowca inżynierii mechanicznej i materiałowej i chemii Uniwersytetu Williama Rice'a, Boris Yakobson odkrył bardzo interesujące właściwości grafanu. Zaproponował jego modyfikację poprzez usunięcie pojedynczych atomów wodoru lub ich grup z obu stron materiału. Powstałe w ten sposób dziury zawsze zachowują kształt sześciokąta z wyraźnymi granicami. Co więcej takie przerwy w

powłoce mogą znaleźć rozmaite zastosowanie. Począwszy od czujników chemicznych, pułapek cząstkowych itp. Otwierając furtkę nowym dziedzinom nauki.
Niestety na dzień dzisiejszy metody selektywnego usuwania wodoru nie są na tyle precyzyjne aby umożliwić miejscowe odwodornienie takiej powłoki. Jednak z grafanem wiązane są równie szerokie nadzieje co z jego starszym „bratem” grafenem. To tylko kwestia czasu kiedy technologie produkcji dościgną teorie naukowców.
Grafyn drugie „rodzeństwo” grafenu, różni się od niego rodzajem połączenia atomów węgla w jednoatomowej warstwie.

Dzięki symulacjom komputerowym przeprowadzonym przez niemieckich uczonych wśród nich chemika Andreas Görling'a z Uniwersytetu Erlangen-Nuremberg, pokazują, iż atomy węgla mogą przyjmować bardzo zróżnicowane formy, charakteryzując materiał ten jako bardziej elastyczny. Jednak zasadniczą cechą grafynu jest fakt iż występują w nim wiązania podwójne i potrójne, a co za tym idzie atomy węgla nie układają się już heksagonalnie. Najważniejszym jednak aspektem jest fakt iż jedna z badanych form grafynu, mianowicie 6, 6, 12 grafyn charakteryzuje się prostokątną symetrią oraz przewodzi elektrony tylko w jednym kierunku. Taki materiał bez żadnych domieszek z

miejsca mógłby znaleźć zastosowanie w elektronice.
Aktualna technologia pozwoliła otrzymywać grafyn w niewielkich ilościach , jednak badania Niemieckich naukowców poświadczają o tym, ze warto badać i rozwijać tą technologię.
Molibdenit- silny i niepodważalnie najgłośniejszy dotychczas „wróg” grafenu.
Molibdenit [MoS2] jest minerałem z gromady siarczków występującym niemalże na całym świecie. Do niedawna wykorzystywany był w stopach stali, oraz do produkcji lubrykantów. Jednakże przeprowadzone przez École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) badania, stawiają ten materiał w całkiem innym świetle.

Uczeni z EPFL skupili się na właściwościach elektronicznych tego materiału. Jednoatomowa warstwa molibdenitu charakteryzuje się, według naukowców następującymi właściwościami:
"To dwuwymiarowy materiał, bardzo cienki i łatwy do wykorzystania w nanotechnologii. Potencjalnie można go wykorzystać do produkcji LED, małych tranzystorów i ogniw słonecznych" - mówi profesor Andras Kis. Uczony podkreśla jego przewagę nad krzemem i grafenem.
"Dzięki swojej dwuwymiarowej strukturze molibdenit pozwoli na produkcję mniejszych, w porównaniu z krzemowymi, podzespołów elektronicznych. W warstwie MoS2 o grubości 0,65

nanometrów elektrony mogą poruszać się równie swobodnie jak w warstwie krzemu o grubości 2 nanometrów" - stwierdza Kis.
"A obecnie nie jesteśmy w stanie wyprodukować tak cienkich warstw krzemu jak monowarstwa siarczku molibenu" - zaznacza Jednak to nie wszystko. Tranzystory wykonane z molibdenu pobierałyby o w stanie spoczynku o 100 000 razy mniej energii niż tranzystory krzemowe. Ponadto molibdenit posiada kolosalną przewagę nad grafenem. Półprzewodniki znajdujące zastosowanie w elektronice muszą posiadać przerwę energetyczną (pasmo wzbronione), jej szerokość ma podstawowe znaczenie. Przerwa w molibdenicie ma wielkość 1,8 eV, co czyni go świetnym

materiałem tranzystorowym. Grafen nie posiada takiej przerwy co skutkuje koniecznością sztucznego jej tworzenia. Natomiast jak donosi IBM, grafen nie będzie w stanie (w sposób opłacalny) zastąpić krzemu w tranzystorach. Powodem jest fakt, iż grafenowych tranzystorów nie będzie można wyłączyć.
Silicen- najmłodsze dziecko dwuwymiarowych materiałów.
W Physical Review Letters ukazał się artykuł, z którego wiemy o opracowaniu kolejnego materiału konkurencyjnego dla grafenu. Tym razem mowa o dwuwymiarowej warstwie atomów krzemu. Kadra naukowa z Niemiec, Włoch i Francji otrzymała jednoatomową warstwę krzemu metodą epitaksjalnego wzrostu na srebrnym podłożu. Otrzymany materiał nazwali silicenem. Badania otrzymanych warstw silicenu ukazują iż w przeciwieństwie do grafenu materiał ten ma pofałdowaną strukturę, jednak elektroniczne właściwości silicenowych nanowstążek i płacht są podobne do

odpowiedników grafenowych.
Molibdenit, grafen, grafyn, grafan czy w końcu silicen. Czy jesteśmy świadkami powstawania nowej, odrębnej gałęzi produkcji materiałów? Intuicja podpowiada mi że w ciągu najbliższych lat jeszcze nieraz usłyszymy o dwuwymiarowych tworach kładących swoimi właściwościami, na łopatki dotychczas stosowane materiały, a wam?


Karol Borowiak
instalacyjna.com.pl

Tagi: grafen, grafan, grafyn, molibdenit, silicen, materiały dwuwymiarowe

Podziel się na facebook.com

Komentarze:

Dodaj komentarz: