Technologia

Ciekawostki o grafenie

Znaleźliśmy 20 ciekawostek na temat grafenu

Struktura węgla przypominająca kształtem plaster miodu

Ten zyskujący na popularności materiał będący spłaszczoną formą węgla ułożoną w sześcienne struktury może zrewolucjonizować nasz świat oraz stan obecnej nauki. Jego bardzo szerokie właściwości dają mu niemal nieograniczone zastosowanie. Dzięki grafenowi mogą powstać lżejsze i bardziej wytrzymałe materiały stosowane w kosmonautyce, przemyśle lotniczym, samochodowym, budowlanym. Duże znaczenie odgrywa także w elektronice, telekomunikacji, medycynie, ochronie środowiska itd. Grafen bardzo długo trudny był do otrzymania. W 2008 roku jego cena rynkowa sięgnęła 100 mln dolarów za 1 cm2, czyniąc go najdroższą substancją na Ziemi.
1
Grafen jest alotropem węgla składającym się z pojedynczej warstwy atomów ułożonych w dwuwymiarową nanostrukturę (struktura o średniej wielkości między strukturami mikroskopowymi a molekularnymi) plastra miodu.
Alotropia to zjawisko występowania w tym samym stanie skupienia różnych odmian tego samego pierwiastka chemicznego, różniących się właściwościami fizycznymi i chemicznymi.  Odmiany alotropowe pierwiastka mogą różnić się między sobą strukturą krystaliczną lub liczbą atomów w cząsteczce.
2
Węgiel zdolny jest do tworzenia wielu alotropów ze względu na swoją wartościowość.
W naturze występuje w dużych ilościach w zasadzie tylko w trzech odmianach alotropowych: grafit, diament i węgiel bezpostaciowy (węgiel kamienny, sadze). Różnią się one rozmieszczeniem atomów węgla w sieci krystalicznej - w każdej z tych odmian atomy węgla są ze sobą inaczej połączone.
3
W diamencie każdy z czterech elektronów walencyjnych węgla bierze udział w wytworzeniu wiązania z innym atomem.
W graficie w tworzeniu takich wiązań zaangażowane są tylko trzy z czterech elektronów walencyjnych.
W efekcie diament jest przezroczystym, niereaktywnym izolatorem, a grafit jest czarnym , podatnym na modyfikacje chemiczne przewodnikiem.
4
Istotą zainteresowania naukowców stała się obecnie pojedyncza warstwa atomów węgla grafitu.
W graficie każdy atom węgla łączy się z trzema innymi atomami i wszystkie te wiązania leżą w jednej płaszczyźnie tworzącej sieć przestrzenną przypominającą plaster miodu (atomy węgla łączą się w sześciokąty). Warstwy takie układają się samoistnie jedna nad drugą, a odległość między nimi jest około dwa i pół raza większa niż długość wiązania węgiel-węgiel. W związku z tym, warstwy te łatwo jest od siebie oddzielić. Dzieje się tak, gdy używamy ołówka - każdy jego ślad to złuszczone warstwy grafitu, a grafen jest taką złuszczoną warstwą.
5
Można zaryzykować stwierdzenie, że grafit tworzą pojedyncze płaszczyzny, warstwy o grubości jednego atomu węgla - grafeny - ułożone jedna nad drugą.
Termin "grafen" pojawił się w latach 60. XX wieku. W latach 1961-1962 Hans-Peter Boehm opublikował badanie niezwykle cienkich płatków grafitu i określił je terminem "grafen" dla hipotetycznej struktury jednowarstwowej.
6
Już w XIX wieku naukowcy spekulowali, że grafit składa się z warstw.
Udało się tego dowieść za pomocą badań dopiero na początku XX wieku. W 1947 roku powstał pierwszy, teoretyczny opis grafenu, opracowany przez Philipa Russella Wallacea. Ze względu na dwuwymiarowość grafenu uznawano jednak, że materiał tego typu nie może funkcjonować w przyrodzie.
7
Grafen został prawidłowo wyizolowany i scharakteryzowany w 2004 roku przez Andrieja Geima i Konstantina Nowosiołowa z Uniwersytetu w Manchesterze.
Wyizolowali oni warstwy grafenu z grafitu za pomocą zwykłej taśmy klejącej. Umieścili oni na taśmie klejącej kryształek grafitu i wielokrotnie łączyli i rozdzielali różne jej fragmenty, aż do momentu gdy grubość grafitu sięgała tylko jednej warstwy atomowej. Za to odkrycie obaj naukowcy w 2010 roku otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
8
Publikacja przełomowego eksperymentu dotyczącego dwuwymiarowego grafenu, a także opisanie zaskakująco łatwej metody pozyskiwania go, wywołała prawdziwą "gorączkę złota grafenowego".
Badania rozszerzyły się i podzieliły na wiele różnych poddziedzin, badających różne wyjątkowe właściwości grafenu - mechanikę kwantową, elektryczną, chemiczną, mechaniczną, optyczną, magnetyczną itp.
9
Od początku XXI wieku wiele firm i laboratoriów badawczych pracuje nad rozwojem komercyjnych zastosowań grafenu.
W 2014 roku utworzono w tym celu Narodowy Instytut Grafenu na Uniwersytecie w Manchesterze, w północno-wschodniej Anglii dwóch producentów komercyjnych rozpoczęło produkcję, a Cambridge Nanosystems to wielkoskalowy zakład produkcji proszku grafenowego we wschodniej Anglii.
10
Swój wkład w odkrycie i zrewolucjonizowanie metod wytwarzania grafenu ma także polska nauka.
Kluczową datą jest rok 2011, kiedy to Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych wspólnie z Wydziałem Fizyki UW potwierdziły opracowanie nowoczesnej technologii uzyskiwania dużych płatów grafenu o bardzo wysokiej jakości.
W 2015 roku Politechnika Łódzka oficjalnie pokazała swoje urządzenie do produkcji grafenu z fazy ciekłej. Technologia ta została opatentowana na terenie Unii Europejskiej i USA w 2016 roku.
Na rynku grafenu, który wart jest miliardy, obecnie przodują Chiny i Stany Zjednoczone.
Polskim liderem w zakresie badań nad grafenem i produkcji produktów z grafenu jest Instytut Inżynierii Materiałów Elektronicznych.
11
Grafen jest pożądanym materiałem ze względu na swoje cechy - właściwości i zastosowanie grafenu we współczesnym świecie może całkowicie zrewolucjonizować naukę oraz technologię.
  • Grafen to obecnie najcieńszy, najlżejszy i najmocniejszy odkryty przez człowieka materiał.
  • Jest świetnym przewodnikiem elektryczności oraz ciepła, przewodzi prąd lepiej niż miedź
  • Jest bardzo elastyczny, można go rozciągnąć nawet o 20%.
  • Jest stukrotnie wytrzymalszy od stali
  • Membrana z tlenku grafenu (GO) nie przepuszcza gazów, nawet helu, natomiast jest całkowicie przenikalna dla wody, co może być na przykład wykorzystane w produkcji wody pitnej z wody morskiej
  • Jest prawie przezroczysty - pochłania około 2,3% światła
  • Posiada właściwości bakteriobójcze
  • Potrafi usuwać skażenia promieniotwórcze
12
Choć grafen składa się z pierwiastka, którego na Ziemi nie brakuje, koszty jego produkcji są wysokie.
Jest to zasadnicza przeszkoda, by grafen znalazł masowe zastosowanie w wielu dziedzinach. Na razie wytwarzane są niewielkie jego ilości.
13
Najbardziej zaawansowani w przemysłowym wytwarzaniu grafenu są obecnie Koreańczycy.
Grafen można bowiem wykorzystać do produkcji nowego typu ekranów (dotykowych lub ciekłokrystalicznych), paneli baterii słonecznych, komputerów.
Wszystkie nowoczesne urządzenia opierają się na półprzewodnikach z krzemu, przypuszcza się jednak, że przemysł niedługo dojdzie do końca możliwości miniaturyzacji układów krzemowych i wtedy niezbędny stanie się grafen.
14
Polska także prowadzi zaawansowane prace nad grafenem.
W wielu strefach zastosowań grafenu inne kraje na świecie są bardziej zaawansowane (chociażby Korea Płd.), ale Polacy opracowali sposób produkowania dużych płacht grafenu wysokiej jakości. Polska mogłaby produkować ten materiał i eksportować go na zasadzie surowca czy półfabrykatu.
15
Innym potencjalnym obszarem zastosowania grafenu jest inżynieria materiałowa.
Grafen o bardzo wysokiej jakości można by łączyć z innymi materiałami, np. kauczukiem czy tworzywami sztucznymi, co materiałom tym nadało by zupełnie innych wartości - np. dodanie grafenu do gumy spowodowało by, że mogła by ona przewodzić ciepło.
16
Grafen może być wykorzystywany w dziedzinie biomedycyny w celach diagnostycznych.
Wykazuje on potencjał terapeutyczny jako nośnik leku.
Może również znaleźć zastosowanie w inżynierii tkankowej, gdyż charakteryzuje się właściwościami antybakteryjnymi, co czyni go odpowiednim materiałem do wykorzystania w różnych dziedzinach biomedycznych, jak różnicowanie tkanek, regeneracja i leczenie stanów zapalnych.
17
Grafen wykazuje wyjątkowe właściwości "grzewcze".
Właściwość ta wykorzystywana jest w nowatorskiej metodzie leczenia bólu (miejscowe rozgrzanie tkanek do temperatury około 80 stopni C, powoduje w organizmie ludzkim zniszczenie nerwów odpowiedzialnych za ból).
Produkowane są już łagodzące ból grafenowe poduszki podgrzewające, podgrzewana odzież grafenowa oraz inne urządzenia termiczne z grafenu. Ich stosowanie pomaga m.in. pacjentom cierpiącym na bóle pleców czy kolan.
18
Badania naukowe wykazały, że grafen niszczy komórki nowotworowe.
Przylegając do komórek rakowych, wytwarza wokół nich cieniutką warstwę, co powoduje odcięcie tlenu i składników odżywczych. Doprowadza to w rezultacie do obumarcia komórek nowotworowych.
19
Kataloński Instytut Nanonauki i Nanotechnologii stworzył nowoczesny grafenowy czujnik stosowany w leczeniu padaczki i choroby Parkinsona.
Rejestruje on aktywność mózgu już na częstotliwościach poniżej wartości 0,1 Hz. Badania aktywności mózgu na takich zakresach dają dużą możliwość przewidzenia prawdopodobieństwa napadu padaczkowego oraz udaru. Urządzenie to charakteryzuje się biozgodnością, a więc gwarantuje prawidłowe działanie w organizmie. Grafenowy czujnik potrafi też podczas pracy przejść w tryb stymulacji, który wykorzystywany jest podczas rehabilitacji mowy.
20
Grafen ma szansę w wielu zastosowaniach zastąpić krzem.
Grafen może posłużyć do stworzenia tysiąc razy bardziej wydajnych mikroprocesorów niż te, które znamy obecnie. Przezroczystość i znakomite przewodnictwo sprawiają, że grafen nadaje się do wytwarzania przejrzystych, zwijanych w rolkę wyświetlaczy dotykowych oraz do produkcji energii odnawialnej z modułów fotowoltaicznych i magazynowania jej w wysokowydajnych akumulatorach lub superkondensatorach.
Czujniki z grafenu potrafią zarejestrować obecność pojedynczej cząsteczki szkodliwej substancji, dzięki czemu znajdują zastosowanie np. w monitoringu czy ochronie środowiska.

Najnowsze tematy

Teatro Amazonas - opera w sercu amazońskiego lasu deszczowego
Teatro Amazonas to jeden z najważniejszych teatrów Brazylii i główną atrakcją miasta Manaus. Zlokalizowany  w Largo de São Sebastião, historycznym cen ...
Ciekawostki o krowach
Kiedyś wypasane były w mniejszych stadach na wiejskich łąkach, dziś najczęściej spotykamy ja w dużych farmach nastawionych na przemysłową produkcję. D ...
Ciekawostki o długoszparze
Długoszpar, zwany także żarłaczem olbrzymim, jest drugą co do wielkości znaną rybą na świecie, po rekinie wielorybim. Długość jego ciała jest imponują ...
Ciekawostki o Niemczech
Nasi zachodni sąsiedzi to kraj o burzliwej historii. Stamtąd pochodzi tradycja i kultura średniowiecznej chrześcijańskiej Europy ale i także jeden z n ...
Ciekawostki o Alfredzie Noblu
Żyjący w XIX wieku Alfred Nobel najbardziej znany jest z tego, że przekazał swoją fortunę na ustanowienie Nagrody Nobla, choć wniósł on także wielki w ...
Ciekawostki o Rzymie
Historia Rzymu trwa nieprzerwanie od 28 wieków, choć wiadomo że obszar ten był zamieszkiwany przez ludzi dużo wcześniej. Rzym jest jednym z najdłużej ...
Ciekawostki o Afryce
To właśnie z Afryki na podbój świata wyruszyli pierwsi przodkowie współczesnego człowieka. Choć w starożytności w Afryce rozwijały się i rozkwitały po ...
Ciekawostki o Kasprowym Wierchu
Kasprowy Wierch należy do najpopularniejszych tatrzańskich szczytów. Rocznie odwiedza go cztery tysiące turystów, a dzięki istniejącej od 1936 roku ko ...