O άνθρακας είναι ίσως το πιο συναρπαστικό στοιχείο του περιοδικού πίνακα. Αποτελεί τη βάση του γενετικού κώδικα (DΝΑ) και τον δομικό λίθο για «εξωτικά» υλικά, όπως τα φουλερένια, οι νανοσωλήνες άνθρακα και το γραφένιο, που θεωρούνται εξαιρετικά σημαντικά για την ανάπτυξη της νανοτεχνολογίας.
Τι είναι
Το γραφένιο (graphene) είναι ένα φύλλο ατόμων άνθρακα που είναι διευθετημένα σε κυψελοειδή διάταξη και έχουν πάχος ίσο με ένα άτομο. Επειδή η τρίτη του διάσταση είναι ουσιαστικά ανύπαρκτη, το γραφένιο συνιστά το πρώτο δισδιάστατο κρυσταλλικό υλικό που απομόνωσε ο άνθρωπος. Ο γραφίτης, το υλικό που αποτελεί τη μύτη ενός μολυβιού, συνιστά μια πολυστρωματική δομή από γραφένια τα οποία αλληλεπιδρούν πολύ ασθενικά μεταξύ τους (αυτός είναι ο λόγος που ο γραφίτης χρησιμοποιείται ως στερεό λιπαντικό). Για να καταλάβουμε πόσο λεπτό είναι το γραφένιο, αρκεί να αναφέρουμε ότι κρύσταλλος γραφίτη με πάχος ενός χιλιοστού αποτελείται από περίπου 3 εκατομμύρια φύλλα γραφενίου.
Οι Α. Κ. Geim και Κ. S. Νovoselov (Βραβείο Νομπέλ Φυσικής 2010) με μια εξαιρετικά απλή μέθοδο απομόνωσαν φύλλα γραφενίου μέσω μηχανικής αποφλοίωσης κρυσταλλικού γραφίτη με τη χρήση κολλητικής ταινίας και μελέτησαν τις ηλεκτρονικές ιδιότητες του υλικού. Κατάφεραν με ενδελεχείς προσπάθειες να καταστεί το γραφένιο (για την ακρίβεια, το ίχνος του πάνω σε υπόστρωμα) ορατό με τη χρήση ενός απλού οπτικού μικροσκοπίου. Απίστευτες ιδιότητες
Το γραφένιο έχει προσελκύσει το έντονο ενδιαφέρον της παγκόσμιας επιστημονικής κοινότητας εξαιτίας των εκπληκτικών ιδιοτήτων του, οι οποίες διαφέρουν εντυπωσιακά από τις αντίστοιχες των γνώριμων τρισδιάστατων υλικών. Για παράδειγμα, το ηλεκτρικό ρεύμα διαπερνά σχεδόν ανεμπόδιστο το εσωτερικό του έχοντας ηλεκτρική αγωγιμότητα μεγαλύτερη από εκείνη του αργύρου (ασήμι), τη μεγαλύτερη γνωστή τιμή αγωγιμότητας σε θερμοκρασία δωματίου σήμερα· η ικανότητά του να άγει τη θερμότητα είναι εκπληκτική, καθώς είναι η μεγαλύτερη που έχει καταγραφεί πειραματικά· είναι αδιαπέραστο στα μόρια των αερίων και χημικά σταθερό. Το γραφένιο είναι πρακτικά διαφανές. Στην οπτική περιοχή απορροφά μόνο το 2,3% του προσπίπτοντος φωτός. Ο αριθμός αυτός είναι στην ουσία ίσος με π·α, όπου π η γνωστή σταθερά του Αρχιμήδη και α (=1/137.036) η σταθερά λεπτής υφής που αποτελεί μέτρο της ισχύος της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης. Το εν λόγω φαινόμενο αποτελεί ένα από τα λίγα στη Φυσική στερεάς κατάστασης που εξαρτάται αποκλειστικά από θεμελιώδεις φυσικές σταθερές και όχι από παραμέτρους του υλικού.
Γραφένιο και γραφάνιο!
Το γραφένιο αναμένεται σύντομα να χρησιμοποιηθεί σε πληθώρα εφαρμογών και να αποτελέσει κύριο συστατικό καινοτόμων συσκευών και διατάξεων. Ηδη διεξάγεται εντατική έρευνα για την κατασκευή ταχύτερων και μικρότερης ενεργειακής κατανάλωσης τρανζίστορ από τα αντίστοιχα πυριτίου που χρησιμοποιούνται σήμερα. Η ευκινησία των φορέων στο γραφένιο είναι εκατοντάδες φορές μεγαλύτερη σε σχέση με αυτή στο πυρίτιο. Ωστόσο υπάρχει ένα μικρό πρόβλημα. Στο γραφένιο δεν υπάρχει ενεργειακό χάσμα μεταξύ της ζώνης σθένους και αγωγιμότητας όπως στο πυρίτιο, με συνέπεια να μην μπορεί να βρεθεί εύκολα από την κατάσταση λειτουργίας (Οn) στην κατάσταση μη λειτουργίας (Οff). Για τη δημιουργία ενεργειακού χάσματος έχει προταθεί η χρήση ταινιών γραφενίου με πλάτος μερικά νανόμετρα, καθώς και η χημική τροποποίηση του ανθρακικού δικτύου του γραφενίου με διάφορα μόρια.
Για παράδειγμα, η αντίδραση του γραφενίου με ατομικό υδρογόνο οδηγεί σε ένα νέο κρυσταλλικό σύστημα με ηλεκτρονικό ενεργειακό χάσμα, το οποίο ονομάζεται γραφάνιο (graphane). Από την άλλη πλευρά, η απουσία ενεργειακού χάσματος στο γραφένιο επιτρέπει την απορρόφηση του φωτός σε μεγάλη περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, ανοίγοντας μια τεράστια δυναμική για φωτονικές εφαρμογές. Επειδή το γραφένιο είναι διαφανές και ταυτόχρονα εμφανίζει μεγάλη ηλεκτρική αγωγιμότητα, είναι ιδιαίτερα ελκυστικό για την παραγωγή διαφανών αγώγιμων ηλεκτροδίων τα οποία απαιτούνται σε εφαρμογές όπως διάφανες οθόνες αφής, οθόνες υγρών κρυστάλλων, οργανικά φωτοβολταϊκά και δίοδοι. Πολύ πρόσφατα μεγάλη πολυεθνική εταιρεία κατασκεύασε την πρώτη εύκαμπτη οθόνη αφής, από μεγάλα φύλλα γραφενίου πάνω σε υπόστρωμα πολυμερούς.
Η ΕΡΕΥΝΑ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ
Στη χώρα μας η βασική και εφηρμοσμένη έρευνα για το γραφένιο είναι σε εμβρυϊκό στάδιο και αναμένεται να ενταθεί τα επόμενα χρόνια.Ειδικότερα στην Πάτρα και συγκεκριμένα στο Ερευνητικό Ινστιτούτο Χημικής Μηχανικής και Χημικών Διεργασιών Υψηλής Θερμοκρασίας του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Ερευνας (ΙΤΕ/ΕΙΧΗΜΥΘ) και στο Πανεπιστήμιο Πατρών (Τμήμα Επιστήμης των Υλικών) βρίσκεται σε εξέλιξη επιστημονική συνεργασία με τους κατόχους του Νομπέλ Φυσικής για το γραφένιο. Η συνεργασία της ερευνητικής ομάδας στην Πάτρα του καθηγητή του Πανεπιστημίου Πατρών και διευθυντή του ΙΤΕ/ΕΙΧΗΜΥΘ κ.Γαλιώτη,του επίκουρου καθηγητή του Πανεπιστημίου Πατρών κ.Παπαγγελή,του δρος Παρθένιου, ερευνητή ΕΛΕ του ΙΤΕ/ΕΙΧΗΜΥΘ, και της διδακτορικής φοιτήτριας κυρίας Τσούκλερη με τους νομπελίστες ξεκίνησε το 2007 και αφορά τη μελέτη των φυσικο-μηχανικών ιδιοτήτων του γραφενίου.
Αναδείχθηκαν οι μηχανικές ιδιότητες του υλικού που είναι ταυτόχρονα το πιο δύσκαμπτο,το πιο ανθεκτικό αλλά και το πιο όλκιμο που έχει παραχθεί ποτέ (για παράδειγμα,είναι πέντε φορές πιο δύσκαμπτο και 200 φορές πιο ανθεκτικό από το ατσάλι). Παρ΄ ότι είναι λεπτό και «αόρατο»,εφευρέθηκαν τρόποι ώστε να εξασκούνται μηχανικά φορτία,εφελκυστικά ή θλιπτικά,και να μελετάται η απόκριση του υλικού με δονητική φασματοσκοπία.Το υλικό σε εφελκυσμό δείχνει να υφίσταται παραμορφώσεις ως 1,5% χωρίς καμία σημαντική αλλαγή στη δομή του.Σε αξονική θλίψη θα περίμενε κανείς ότι ένα τόσο λεπτό υλικό θα αστοχούσε με ελάχιστο (σχεδόν μηδενικό) φορτίο,όπως συμπεριφέρονται τα πολύ λεπτά υμένια (φιλμ) που «τσαλακώνονται» μόλις τα αγγίξεις.Παραδόξως όμως λόγω της μεγάλης δυσκαμψίας του το υλικό αυτό όταν εισαχθεί μέσα σε πολυμερή μπορεί να αντέξει θλιπτικές παραμορφώσεις ως 1% χωρίς να πάθει τίποτε.
Ανοίγονται έτσι μεγάλες προοπτικές για τη χρήση του γραφενίου σε σύνθετα υλικά πιο ελαφριά,ελαστικά και ανθεκτικά από τα υπάρχοντα με εφαρμογές στη βιομηχανία αυτοκινήτων και αεροπλάνων.Η πολύ πρόσφατη μέθοδος για μαζική παραγωγή και σε μεγάλη κλίμακα ομοιόμορφων υμενίων γραφενίου με τη χρήση της τεχνικής της χημικής εναπόθεσης ατμών πάνω σε υμένια νικελίου και χαλκού σε συνδυασμό με νέες μεθόδους μεταφοράς των γραφενίων σε οποιοδήποτε υπόστρωμα ανοίγει τον δρόμο για μεγάλης κλίμακας εφαρμογές σε διάφορους τομείς.Τέλος,η μονοσήμαντη σχέση μεταξύ της συχνότητας Raman σε αυτό το υλικό και της εφαρμοζόμενης τάσης ή παραμόρφωσης καθιστά το υλικό ως έναν τέλειο μη επεμβατικό αισθητήρα για την καταγραφή εξωτερικών τάσεων και παραμορφώσεων σε άλλα υλικά καθημερινής χρήσης (μέταλλα,κεραμικά,αλλά και σε βιολογικούς ιστούς). Συμπερασματικά μπορούμε να πούμε ότι η ομάδα της Πάτρας πρωτοπορεί στη μελέτη των φυσικο-μηχανικών ιδιοτήτων του γραφενίου και διεξάγονται ενέργειες ώστε να εγκαθιδρυθεί ένα εθνικό κέντρο παραγωγής και μελέτης του γραφενίου εντός του ΙΤΕ/ΕΙΧΗΜΥΘ.
ΑΝΑΦΟΡΕΣ
1. Κ. S. Νovoselov, Α. Κ. Geim, S. V. Μorozov, D. Jiang, Υ. Ζhang, S. V. Dubonos, Ι. V. Grigorieva and Α. Α. Firsov, «Εlectric field effect in atomically thin carbon films», Science 306, 666-669 (2004).
2. G. Τsoukleri, J. Ρarthenios, Κ. Ρapagelis, R. Jalil, Α. C. Ferrari, Α. Κ. Geim, Κ. S. Νovoselov and C. Galiotis, «Subjecting a graphene monolayer to tension and compression», Small 21, 2.397-2.402 (2009).
3. Ο. Frank, G. Τsoukleri, J. Ρarthenios, Κ. Ρapagelis, Ι. Riaz, R. Jalil, Κ. S. Νovoselov and C. Galiotis, «Compression behaviour of single-layer graphene», ΑCSΝano 4, 3.131-3.138 (2010).
Ο κ. Κ. Γαλιώτης είναι καθηγητής του Πανεπιστημίου Πατρών. Ο κ. Κ. Παπαγγελής είναι επίκουρος καθηγητής του Πανεπιστημίου Πατρών.
