Grafen, material za boljši jutri

Nekateri pravijo, da gre za čudežno snov, ki bo spremenila svet, a imajo prav le napol – res je namreč, da bi lahko (in najbrž tudi bo) grafen povzročil revolucijo na področjih računalništva, telekomunikacij in splošne potrošniške ter industrijske elektronike, a njegovo zgradbo je mogoče pojasniti vsakomur z osnovnim znanjem kemije.

Kot grafit in diamant je tudi grafen alotrop ogljika oziroma ena od oblik tega za življenje pomembnega kemijskega elementa, ena od njegovih glavnih značilnosti pa je dvodimenzionalnost na atomski ravni, saj je sestavljen iz vzdolžno povezanih šestkotnikov, ki jih s kemičnimi vezmi tvorijo ogljikovi atomi. Lahko bi rekli, da gre za enoplastni grafit. Obstaja kaj, česar ne zmore? Grafen je bil prvič izoliran že pred desetletjem, pozornost medijev in širše javnosti pa je pritegnil šele leta 2010, ko sta Andre Geim in Konstantin Novoselov, sodelavca univerze v Manchestru, za svoje preizkuse lastnosti grafena prejela Nobelovo nagrado za fiziko.

"Gre za eno od redkih snovi – morda tudi edino – ki je popolnoma transparentna, zelo dober prevodnik toplote, elektrike in svetlobe, prožna, izredno robustna in obenem superlahka ter tanka," je poglavitne značilnosti grafena v eno poved strnil Aravind Vijayaraghavan, predavatelj na univerzi v Manchestru. Več neodvisnih testov dokazuje, da je grafen približno dvestokrat trdnejši od jekla, s samo 30 grami pa lahko popolnoma prekrijemo površino, veliko skoraj 150 tisoč kvadratnih metrov. Kitajski znanstveniki so iz grafena izdelali celo gel, ki je kar sedemkrat lažji od zraka – kocko s prostornino 16 kubičnih centimetrov je namreč mogoče postaviti na eno samo travno bilko.

Na univerzi Columbia v New Yorku so do potankosti raziskali tudi grafenovo prožno komponento. Ugotovili so, da je snov mogoče raztegniti za več kot 20 odstotkov, pa elektriko in toploto še vedno prevaja enako dobro. "Kateri drugi material lahko z natezanjem povečamo za 20 odstotkov? Gumo," je nad grafenom navdušen profesor James Hone. Silicij, ki je zaradi grafena med najbolj ogroženimi surovinami v industriji elektronskih naprav, ob raztezanju poči prej kot milni mehurček.

Kako ga lahko uporabimo? Fiziki pravijo, da bi grafen lahko revolucioniziral način proizvodnje elektronike – pomislite na upogljive naprave, ki so zmogljivejše, tanjše in cenejše od današnje telefonske in tablične smetane, kvantne računalnike, pametna oblačila in bionično integracijo s človeškim telesom. Nekateri najpomembnejši dozdajšnji prototipni preboji na področju uporabe grafena med drugim vključujejo:

‒ telefonsko baterijo, ki napravo pri življenju drži več kot sedem dni, napolni pa se v manj kot 15 minutah (projekt ameriške univerze Northwestern);

‒ študijo izredno prožnega in tankega zaslona na dotik, ki bi lahko botroval proizvodnji zložljivih pametnih telefonov, tanjših od lista papirja (Združenje ameriških kemikov);

‒ senzorsko matriko z indikatorji prisotnosti različnih plinov, svetlobe, zvoka in biosenzorji, ki je manjša od vseh do zdaj izdelanih podobnih naprav (Aravind Vijayaraghavan z univerze v Manchestru).

Za nameček so pri Samsungu na dobri poti do iznajdbe načina za proizvodnjo grafenskih tranzistorjev, s katerimi bi na široko odprli vrata zares upogljivim zaslonom (ne le upognjenim, kot jih imajo na primer telefoni, kot sta Samsung Galaxy Round in LG G Flex) in z njimi naslednji generaciji nosljivih naprav. Z grafenom se intenzivno ukvarjajo tudi IBM, SanDisk in Nokia. Bomo morda končno dobili prožne zelene telefone Morph, ki so jih Finci obljubili že pred šestimi leti?

Ker je čedalje cenejši, ga želijo vsi Silicijski lobij se prevladujočemu položaju na področju elektronike najbrž ne bo odrekel zlahka, zato bo grafen priložnost na začetku svojega nedvomno uspešnega popotovanja morda iskal v drugih gospodarskih sferah. Zanimanja za surovino, ki bo v prihodnjih desetletjih po mnenju mnogih narekovala tehnološki razvoj, namreč vsekakor ne manjka.

Proizvajalci avtomobilov želijo iz grafena izdelovati karoserije, ki bodo obenem delovale kot sončne elektrarne. Njihove ambicije med drugim delita letalska giganta Airbus in Boeing, dobrodelna organizacija Billa Gatesa in njegove žene Melinde pa z zajetnim zneskom financira razvoj grafenskih kondomov. Material zanima tudi Evropsko unijo, ta je raziskavam grafena v letu 2013 namenila več kot milijardo evrov.