Нобелова награда
по Физика за 2010 г.
Резюме на официалния материал на Нобеловата фондация
Галина Сачанска
Нов Български Университет, 2011
Графен
1. Нов клас материали
През последните години бяха идентифицирани и анализирани дву- дименсионалните (2D) кристални материали. Първият материал от този нов клас е графенът, който представлява еднопластов слой от въглеродни атоми. Този нов материал има няколко уникални свойства, които го правят много интересен не само от фундаментална научна гледна точка, но и за негови бъдещи приложения.
Графенът е прозрачен проводник с дебелина само един атом. Той има завидни механични и електрични свойства; доста по-здрав е от стоманата и е много пластичен. Тъй като неговата електро- и топлопроводимост са много високи, той може да бъде използван като прозрачен проводник.
Нобеловата награда по Физика за 2010 година се връчва на двама учени, които направиха решаващ принос в тази област. Това са Андре Гейм и Константин Новоселов, и двамата от Университета в Манчестър, Великобритания. Те успяха да получат, изолират, идентифицират и характеризират графена.
2. Различните форми на графена
Въглеродът е несъмнено най-интересният и увлекателнен елемент от периодичната система. Той стои в основата на ДНК и всички форми на живот на Земята. Въглеродът може да съществува под няколко различни форми. Най-често срещаната форма е графитът, който се състои от слепени листове въглерод с хексагонална структура. Диамантът е най-стабилната форма на въглерода и се образува под високо налягане.
Фулерените са нова форма на молекулния въглерод. Най-общо казано, те съдържат 60 въглеродни атоми и изглеждат като футболна топка, образувана от 20 хексагонални и 12 пентагонални структури. Именно това им позволява да образуват сфера. Откриването на фулерените беще удостоено с Нобелова награда през 1996 година.
Близките до фулерените квази-еднодименсионални форми на въглерода – въглеродните нанотръбички са известни от няколко десетилетия, но едноатомните нанотръбички са познати едва от 1993 г. Те могат да се образуват от графенови листа, които са навити като тръба и крайщата им са полусферични, подобно на фулерените.
Отдаван е известно, че графитът съдържа хексагонални въглеродни листа, които са слепени един върху друг, но доскоро се считаше, че такъв единичен лист не би могло да бъде изолиран самостоятелно. Така, през 2004 г. за световното физично научно общество дойде изненадата, когато Андре Гейм, Константин Новооселов и техните сътрудници показаха, че такъв единичен лист може да бъде изолиран и е стабилен в изолирано състояние. Единичният пласт въглерод се нарича графен.
|
|
Фиг. 1 С 60 фулеренови молекули, въглеродни нанотръбички и графит. Счита се, че всички 3 форми са изградени от графенови листове (единични пластове от въглеродни атоми, подредени като пчелна пита) (по Nobel prize Foundation)
Трябва да се подчертае, че графен-подобните структури са познати още от 60-те години на 20-ти век, но са съществували експериментални затруднения при изолирането на единични листове и изобщо съмнения дали това е практически възможно.
Интересно да се отбележи е, че всеки един от нас, пишейки с обикновен молив е получавал графен-подобни структури без да знае. Моливът съдържа графит, и когато се движи по парче лист, графитът се разделя на тънки пластове, които остават по листа, а от тях се получава текстът или рисунката, които се опитваме да направим. Съвсем малка част от тези пластове съдържат само по няколко пласта или само един пласт графит - т.е. графен.
Какво представлява графенът?
Графенът е еднопластов въглероден лист с хексагонална (като на пчелна пита) рамка, при който разтоянието въглерод-въглерод е 0.142 nm. Това е първият истински двуизмерен материал, който представя и останалите двудименисонални материали като Борон-Нитрид или Молибден-дисулфид. Те също са получени съвсем накоро – през 2004 г.
Графенът на практика е прозрачен материал. Във видимата част от спектъра той поглъща 2.3 % от светлината. Характерно за графена е, че той запазва двуизмерната си структура при стайна температура. Той има още други свойства, общи с нанотръбичките – значително по-здрав е от стоманата, много пластичен и може да бъде използван като пластичен проводник. Неговата топлопроводимост е значително по-висока от тази на среброто.
Откриването на графена
Графенът е изследван още през 1947 г. от P.R. Wallace и даван като христоматиен пример при изчисления от физиката на твърдото тяло.
Преди 2004 г. изолирането на стабилни единични листове графен се считаше за невъзможно. Беше много изненадващо, когато Андре Гейм, Константин Новоселов и техните сътрудници от Университета в Манчестър, Великобритания и Института по Микроелектроника в Черноголовка, Русия успяха прецизно да отделят такъв лист. Те публикуваха резултатите си през октомври 2004 г. в сп. „Science”. В тази статия те описват получаването, идентифицирането и характеристиките на графена. Учените използват прост, но ефективен метод за извличането на графена от графитни кристали със Скоч лента, след което прехвърлят тези пластове върху силиконов субстрат. Снимка, на графен, направена с Атомно-абсорбционен микроскоп е показана на фиг. 2.
|
|
Фиг. 2 Устойчивост на графена при различни температури (вляво) и снимка чрез атомно-абсорбционен микроскоп (вдясно). С черен цвят е показана силиконовата подложка, с тъмно оранжево – монослой графен (дебелина около 0.5 nm), а със светло оранжево – няколко пласта графен (дебелина около 2 nm) (по Nobel prize Foundation)
Освен тези постижения авторите успели да свържат монослоя с два електрода.
Освен споменатия метод за извличане на графен са правени и други опити за неговото получаване – от групата на W.A. de Heer от Университета в Джорджия, САЩ. Те се опитали да изгорят силиция от силициев карбид (SiC), оставяйки тънък пласт въглерод под него. Това ставало чрез загряване на силициевия карбид до 1 300 оС.
Друга група - тази на P. Kim от Колумбийския Университет изследва алтернатовни методи за получаване на графенови листа. Те прикрепват графитен кристал върху връхчето на атомно-абсорбционния микроскоп и го провлачват по повърхността. По този начин те успяват да получат пластове графит с дебелина около 10 листа.
След 2005 г. развитието в тази научна област буквално избухва, произвеждайки непрекъснато нарастващ брой научни публикации относно графена и неговите свойства. По-нататъшните изследвания на механичните свойства на графена показват, че той е извънредно здрав, стотици пъти по-здрав и от най-здравата стомана.
Бъдещи приложения
Графенът има редица свойства, които го правят много интересен за различни видове приложения. Той е извънредно тънък, механично много здрав, прозрачен и пластичен проводник. Движението при графена е интензивно, което прави този материал интересен за приложения във високочестотната електроника. Поради прозрачността си графенът може да бъде използван при производството на touch-screens, слънчеви панели и соларни клетки, където би могъл да замени скъпите имного чупливи Индиево-калаени оксидни плаки (ITO). Сред другите потенциални приложения на графена са пластични елементи в електрониката или газ-сензорите. Нови композитни материали на базата на графена могат да бъдат използвани при сателитите и самолетостроенето.
Заключение
Развитието на този нов материал отваря нови вълнуващи възможности. Това е първият кристален материал с 2D-структура, който има уникални свойства и те го правят интересен както за фундаменталната наука, така и в приложен аспект. Пробивът беше направен от А. Гейм, К. Новоселов и техните сътрудници. Тяхната статия през 2004 г. запали развитието в тази научна област. Затова те са удостоени с Нобеловата награда по физика за 2010 г.
Допълнение, някои свойства на графена
Плътност на графена
Уникалната хексагонална клетка на графена има площ 0.052 nm2. Така би могло да се изчисли, че неговата плътност е 0.77 mg/m2. Хипотетично, ако един хамак от графен е с площ 1 м2, той ще тежи 0.77 mg.
|
|
Фиг. 3Хексагонална структура на графена (по Nobel prize Foundation)
Оптична прозрачност на графена
Графенът е почти прозрачен, като поглъща 2.3 % от светлината, независимо от дължината на вълната.
Здравина на графена
Графенът има здравина на удар 42 N/m, докато тази на стоманата е до 0.4 N/m. В хамак от графен с площ 1 м2 може да бъде поставено коте, тежащо 4 кг без хамакът да се скъса.
|
|
Фиг. 4 Здравина на монослой графен – до 4 кг (по Nobel prize Foundation)
Електропроводимост на графена
Електропроводимостта на графена е 0.96х106 
-1cm-1, докато тази на
медта е доста по-ниска - 0.6х106 -1cm-1.
Топлопроводимост на графена
Топлопроводимостта на графена се дължи на фотоните и е със стойност около 5 000 Wm-1K-1. За сравнение, топлопроводимостта на медта при стайна температура е 401 Wm-1K-1, което означава че графенът е около 10 пъти по-топлопроводим материал от медта.
Събрано от Class of Physics of The Royal Swedish Academy of Sciences
Литература
1. Nobel Prize Foundation
2. К.S. Novoselov, A.K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I.V. Grigorieva, and A. A. Frizov, Science 306, 666 (2004).