Γραφένιο, ένα πολύτιμο δισδιάστατο υλικό
Την τελευταία δεκαετία, ερευνητές σε όλο τον κόσμο αναπτύσσουν μια σειρά νέων υλικών στα οποία όλα τα άτομα βρίσκονται διατεταγμένα στο ίδιο επίπεδο -πρόκειται ουσιαστικά για φύλλα πάχους ενός μόλις ατόμου, τα οποία θεωρούνται «δισδιάστατα» και δεν απαντώνται στη φύση.
Αμερικανοί ερευνητές ανακοινώνουν ότι δημιούργησαν δισδιάστατα φύλλα από μια πληθώρα άλλων υλικών, κατάλληλα μεταξύ άλλων για ηλεκτρονικά κυκλώματα και σούπερ μπαταρίες.
Το όνομά τους ''δισδιάστατα'' φύλλα προκύπτει από το απειροελάχιστο, αμελητέο πάχος του κάθε φύλλου. Θα τα συναντήσετε συχνά και σαν «δισδιάστατα» υλικά.
«Λόγω των εξαιρετικών ηλεκτρονικών ιδιοτήτων του, το γραφένιο τραβά όλη την προσοχή [...] Στην πραγματικότητα όμως υπάρχουν εκατοντάδες άλλα υλικά με στρωματική δομή που θα μας επέτρεπαν να δημιουργήσουμε νέες τεχνολογίες» δήλωσε στο Reuters η Βαλέρια Νικολόσι του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης.Αμερικανοί ερευνητές ανακοινώνουν ότι δημιούργησαν δισδιάστατα φύλλα από μια πληθώρα άλλων υλικών, κατάλληλα μεταξύ άλλων για ηλεκτρονικά κυκλώματα και σούπερ μπαταρίες.
Το όνομά τους ''δισδιάστατα'' φύλλα προκύπτει από το απειροελάχιστο, αμελητέο πάχος του κάθε φύλλου. Θα τα συναντήσετε συχνά και σαν «δισδιάστατα» υλικά.
Το γραφένιο είναι μια εξωτική μορφή του άνθρακα χημικός ξάδελφος του γραφίτη, που έχει τη μορφή φύλλων, πάχους ενός μόνο ατόμου. Θεωρείται το ανθεκτικότερο υλικό που γνωρίζει ο άνθρωπος. Είναι επίσης ο καλύτερος αγωγός του ηλεκτρισμού, και πολλοί πιστεύουν ότι θα αντικαταστήσει τελικά το πυρίτιο στα ηλεκτρονικά κυκλώματα.
Η αξιοποίησή του συναντά ωστόσο εμπόδια. Σε αντίθεση με το πυρίτιο*, το γραφένιο δεν διαθέτει το λεγόμενο «ενεργειακό διάκενο» -ένα ενεργειακό εμπόδιο το οποίο πρέπει να υπερβούν τα ηλεκτρόνια για να δημιουργήσουν ηλεκτρικό ρεύμα. Επιπλέον, η χρήση του θα απαιτούσε εκτεταμένες αλλαγές στα εργοστάσια της βιομηχανίας ημιαγωγών.Για πρώτη φορά το 2004 απομονώθηκε και διερευνήθηκε γραφένιο πάχους ενός ατόμου, στο University of Manchester.
Οι πιθανές εφαρμογές του θα είναι πάρα πολλές, αλλά ένας από τους πρώτους τομείς που αναμένεται να «δει» χρήση είναι οι ηλεκτρονικές συσκευές. Μέσω της κατασκευής «ετεροδομών» (στοίβες/ στρώματα από διάφορα δισδιάστατα υλικά) προκύπτουν νέες δυνατότητες για την οπτοηλεκτρονική.
Για τα «επαναστατικά πειράματα που αφορούν στο δισδιάστατο υλικό γραφένιο», απονεμήθηκε το 2010 το Νόμπελ Φυσικής, ως αναγνώριση, στους Αντρέ Γκέιμ και Κονσταντίν Νοβοσέλοφ, φυσικούς ρωσικής καταγωγής.
Η ομάδα της Νικολόσι παρουσιάζει στο περιοδικό Science «νανοφύλλα» πάχους ενός ατόμου, κατασκευασμένα από υλικά που σχηματίζουν τείνουν να διατάσσονται σε στρώματα, όπως το νιτρίδιο του βορίου, το διθειούχο μολυβδένιο και το τελλουριούχο βισμούθιο.
Οι επιστήμονες, εξηγεί η Νικολόσι, προσπαθούν εδώ και δεκαετίες να δημιουργήσουν μονοατομικά φύλλα από αυτά τα υλικά, καθώς η διάταξη αυτή αποκαλύπτει τις ασυνήθιστες ηλεκτρικές και θερμοηλεκτρικές τους ιδιότητες.
Η νέα μέθοδος, βασισμένη σε κοινούς διαλύτες και παλμούς υπερήχων, είναι απλή, φθηνή, γρήγορη και κατάλληλη για βιομηχανική χρήση, επισημαίνουν οι ερευνητές.
«Από τις πολλές πιθανές εφαρμογές αυτών των νέων νανοφύλλων, η σημαντικότερη είναι ίσως η χρήση τους ως θερμοηλεκτρικών υλικών» αναφέρει σε ανακοίνωσή του ο Τζόναθαν Κόλμαν, συνεργάτης της Δρ Νικολίσι από το Κολέγιο Trinity του Δουβλίνου.
Τα νέα υλικά θα μπορούσαν για παράδειγμα να χρησιμοποιηθούν σε συσκευές που δεσμεύουν και αξιοποιούν τη χαμένη θερμότητα από εργοστάσια ηλεκτροπαραγωγής, στα οποία οι απώλειες ενέργειας κυμαίνονται από 50 έως 70 τοις εκατό.
Θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν σε «υπερπυκνωτές», μπαταρίες νέας γενιάς που θα μπορούσαν για παράδειγμα να κινούν ηλεκτρικά αυτοκίνητα.
Δισδιάστατα φύλλα από διάφορα υλικά είχαν αναπτυχθεί και στο παρελθόν, βασίζονταν όμως σε χρονοβόρες, δαπανηρές και αναποτελεσματικές μεθόδους.
Η νέα τεχνική «προσφέρει χαμηλά κόστη, πολύ υψηλές αποδόσεις και πολύ υψηλό ρυθμό παραγωγής -σε διάστημα δύο ωρών, και με μόλις 1 χιλιοστογραμμάριο υλικού, δισεκατομμύρια επί δισεκατομμυρίων μονοατομικών φύλλων, που μοιάζουν με το γραφένιο, μπορούν να δημιουργηθούν ταυτόχρονα» επισήμανε η Δρ. Νικολόσι.
* Φωτό Η φωτογραφία της ανάρτησης είναι καλλιτεχνική απεικόνιση του γραφένιου. H διάταξη των ατόμων σε δυσδιάστατα φύλλα αποκαλύπτει «κρυφές» ιδιότητες
Scholeio.com
Η αξιοποίησή του συναντά ωστόσο εμπόδια. Σε αντίθεση με το πυρίτιο*, το γραφένιο δεν διαθέτει το λεγόμενο «ενεργειακό διάκενο» -ένα ενεργειακό εμπόδιο το οποίο πρέπει να υπερβούν τα ηλεκτρόνια για να δημιουργήσουν ηλεκτρικό ρεύμα. Επιπλέον, η χρήση του θα απαιτούσε εκτεταμένες αλλαγές στα εργοστάσια της βιομηχανίας ημιαγωγών.Για πρώτη φορά το 2004 απομονώθηκε και διερευνήθηκε γραφένιο πάχους ενός ατόμου, στο University of Manchester.
Οι πιθανές εφαρμογές του θα είναι πάρα πολλές, αλλά ένας από τους πρώτους τομείς που αναμένεται να «δει» χρήση είναι οι ηλεκτρονικές συσκευές. Μέσω της κατασκευής «ετεροδομών» (στοίβες/ στρώματα από διάφορα δισδιάστατα υλικά) προκύπτουν νέες δυνατότητες για την οπτοηλεκτρονική.
Για τα «επαναστατικά πειράματα που αφορούν στο δισδιάστατο υλικό γραφένιο», απονεμήθηκε το 2010 το Νόμπελ Φυσικής, ως αναγνώριση, στους Αντρέ Γκέιμ και Κονσταντίν Νοβοσέλοφ, φυσικούς ρωσικής καταγωγής.
Οι επιστήμονες, εξηγεί η Νικολόσι, προσπαθούν εδώ και δεκαετίες να δημιουργήσουν μονοατομικά φύλλα από αυτά τα υλικά, καθώς η διάταξη αυτή αποκαλύπτει τις ασυνήθιστες ηλεκτρικές και θερμοηλεκτρικές τους ιδιότητες.
Η νέα μέθοδος, βασισμένη σε κοινούς διαλύτες και παλμούς υπερήχων, είναι απλή, φθηνή, γρήγορη και κατάλληλη για βιομηχανική χρήση, επισημαίνουν οι ερευνητές.
«Από τις πολλές πιθανές εφαρμογές αυτών των νέων νανοφύλλων, η σημαντικότερη είναι ίσως η χρήση τους ως θερμοηλεκτρικών υλικών» αναφέρει σε ανακοίνωσή του ο Τζόναθαν Κόλμαν, συνεργάτης της Δρ Νικολίσι από το Κολέγιο Trinity του Δουβλίνου.
Τα νέα υλικά θα μπορούσαν για παράδειγμα να χρησιμοποιηθούν σε συσκευές που δεσμεύουν και αξιοποιούν τη χαμένη θερμότητα από εργοστάσια ηλεκτροπαραγωγής, στα οποία οι απώλειες ενέργειας κυμαίνονται από 50 έως 70 τοις εκατό.
Θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν σε «υπερπυκνωτές», μπαταρίες νέας γενιάς που θα μπορούσαν για παράδειγμα να κινούν ηλεκτρικά αυτοκίνητα.
Δισδιάστατα φύλλα από διάφορα υλικά είχαν αναπτυχθεί και στο παρελθόν, βασίζονταν όμως σε χρονοβόρες, δαπανηρές και αναποτελεσματικές μεθόδους.
Η νέα τεχνική «προσφέρει χαμηλά κόστη, πολύ υψηλές αποδόσεις και πολύ υψηλό ρυθμό παραγωγής -σε διάστημα δύο ωρών, και με μόλις 1 χιλιοστογραμμάριο υλικού, δισεκατομμύρια επί δισεκατομμυρίων μονοατομικών φύλλων, που μοιάζουν με το γραφένιο, μπορούν να δημιουργηθούν ταυτόχρονα» επισήμανε η Δρ. Νικολόσι.
* Πυρίτιο, Υπάρχουν κι άλλα υλικά που θα μπορούσαν να διαδεχθούν το πυρίτιο, όπως το γραφένιο και οι νανοσωλήνες άνθρακα. Κι όπως προβλέπει ο Σουσένγκ Ζανγκ του Στάνφορντ, μέλος της ερευνητικής ομάδας, η Κοιλάδα του Πυριτίου (Silicon Valley) θα μπορούσε μια μέρα να αντικατασταθεί από την Κοιλάδα του Τσίγκου.
Για να αντικαταστήσει πλήρως το πυρίτιο, πρέπει να βρεθεί τρόπος να μην υπερβαίνει ποτέ σε πάχος το ένα άτομο και να μην φθείρεται από τις μεθόδους παραγωγής που εφαρμόζει η βιομηχανία ημιαγωγών.
* Φωτό Η φωτογραφία της ανάρτησης είναι καλλιτεχνική απεικόνιση του γραφένιου. H διάταξη των ατόμων σε δυσδιάστατα φύλλα αποκαλύπτει «κρυφές» ιδιότητες
Scholeio.com
