VIDEO TRANSCRIPTION
Uwaga! Naukowy Bełkot
Grafen - materiał, który da nam rewolucję | Słowo na sobotę #21
Description generated by Skrybot
No description has been generated for this video.
Transcription generated by Skrybot
Dzień dobry. Zapewne zastanawiacie się co teraz robię. Otóż jak się okazało zarabianie na YouTube to nie jest takie łatwe zadanie. I żeby mieć za co pojechać na wakacje postanowiłem, że będę produkował substancję, która będzie odpowiedzialna, a przynajmniej wszystko na to wskazuje, za najbliższy wielki skok społeczno-technologiczny. Mieliśmy bowiem epokę kamienia, epokę brązu, epokę miedzi i tak dalej. Obecnie jesteśmy w epocę krzemu, a najbliższa będzie epoką grafenu. A czym jest grafen opowiem Wam zaraz po intro. Materiał ten został pierwszy raz otrzymany w 2004 roku przez dwójkę badaczy rosyjskiego pochodzenia pracujących na co dzień w Uniwersytecie w Manchesterze, Andre Gejma i Konstantina Nowoselowa.
Aby to zrobić, użyli oni tak zaawansowanych technologicznie narzędzi jak taśma klejąca, umieścili po prostu na niej kryształek grafitu i wielokrotnie łączyli i rozdzierali różne je fragmenty, do momentu aż w pewnych miejscach taśmy grubość grafitu sięgała tylko jednej warstwy atomowej. I to właśnie jest grafen. Obywanie tego grafenu nie było w stanie wybrać, a w tej chwili nie było. Obywanie tego grafenu nie było w stanie wybrać, a w tej chwili nie było. Dlaczego o tym mówię? Dlatego, że jest to idealny przykład tego, że nauka nie musi być nudna i że naukowcy z tytułami i wielkimi nagrodami wcale nie muszą być zapatrzonymi w siebie bucami.
Sam Game mówi, cenie sobie obie nagrody jednakowo i Gnobel jest dowodem, że przywódca nie ma zbyt dużych, ale nie ma zbyt dużych. Odrobina dystansu do siebie zawsze jest pomocna. Dodam, że obie nagrody odebrał osobiście i przejdę do meritum. W naturze węgiel występuje w dużych ilościach w zasadzie tylko w trzech postaciach. Jako bezpostaćowy węgiel, którego przykładem są węgiel kamienny i różnego rodzaju sadze, jako diament i jako graf. Takie zjawisko, czyli obecność jednego z wiązków w kilku postaciach różniących się np. ułożeniem cząsteczek w przestrzeni nazywamy alotropią, a te różne postacie odmianami alotropowymi.
Oczywiście węgiel ma jeszcze inne, tak jak fullereny czy nanorurki, ale żeby zrozumieć grafen wystarczy, że powiemy dwa słowa o diamencie i graficie. Różnice pomiędzy nimi są oczywiste, kiedy spojrzymy na nie gołym okiem. Biorą się one z faktu, że w diamencie każdy z czterech elektronów walencyjnych węgla bierze udział w wytworzeniu wiązania z innym atomem. Natomiast w graficie w ten sposób zaangażowane są tylko trzy z czterech elektronów. W efekcie diament jest przezroczystym, niereaktywnym izolatorem, a grafit jest czarnym, podatnym na modytację. Oczywiście, jeżeli zaplikujemy odpowiednio wysokie ciśnienie i temperaturę, możemy zamienić grafit w diament, ale paradoksalnie dzisiaj naukowców dużo bardziej ekscytuje pojedyncza warstwa atomów węgla z grafitu niż wszystkie diamenty świata.
Jak przed chwilą wspomniałem, w graficie każda atom węgla łączy się z trzema innymi atomami i wszystkie te wiązania leżą w jednym z dwóch atomów. W związku z tym tworzy się sieć przestrzenna, która swoim wyglądem przypomina w społeczeństwie wyobrażenie plastra miodu. Takie warstwy układają się samoistnie jedna nad drugą, przy czym odległość pomiędzy nimi jest około 2,5 razy większa niż długość wiązania węgiel węgiel. W związku z tym możemy postulować, co jest zresztą prawdą, że wiązanie węgiel węgiel ma około 2,5 razy większą odwagi niż wiązanie węgiel węgiel. Zresztą prawdą, że stosunkowo łatwo jest je od siebie rozdzielić i mamy z tym do czynienia ilekroć piszemy ołówkiem, bowiem ślad, który pozostaje, to dziesiątki albo setki złuszczonych warstw grafitu.
A grafen? To po prostu taka pojedynczowa warstwa, czyli warstwa o grubości zaledwie jednego atomu. Można inaczej powiedzieć, że grafit tworzą płaszczyzny grafenu ułożone jedna nad drugą. Już od dawna przewidywano jego istnienie, pierwsze hipotezy sięgają 1859 roku, chociaż dla mnie jako chemika jest to data przynajmniej o 70 lat zbyt wczesna. Pierwszy raz tego słowa, czyli grafen, użył wielki fizykochemik powierzchni bołem w latach 60. XX wieku. Pierwsze prace teoretyczne opisujące jego strukturę pochodzą z 1947 roku. Jednak nie minęło od tego czasu 12 miesięcy, a literatura wzbogaciła się o kilkanaście artykułów, z których wynika, że grafen nie mógłby istnieć, gdyż byłby niestabilny.
Prawda na szczęście okazała się być inna i obecnie uważa się, że struktury zawierające przynajmniej 6 tysięcy atomów węgla są raczej trwałe. Natomiast jeżeli ta liczba rośnie do 25 tysięcy, mówimy, że struktura grafenu jest stabilna. Grafen jest strukturą dwuwymiarową, uznając się bowiem, że grubość jednego atomu to żadna grubość. Jak już mówiłem, każdy z atomów węgla, który go tworzy, wykorzystuje trzy elektrony walencyjne do wytworzenia wiązań z sąsiadami. Pozostaje mu więc jeden wolny, który, co ciekawe, na mocy teorii kwantów nie wie, czy znajduje się na górze czy na dole płaszczyzny. I to właśnie te elektrony pochodzące od wszystkich atomów węgla w sieci krystalicznej odpowiadają za niezwykłe właściwości grafenu.
Pamiętacie zapewne ze szkoły tego ucznia, która musiał być najlepszy we wszystkim albo prawie wszystkim. Grafen jest takim uczniem pośród wszystkich substancji świata. Weźmy na przykład taką odporność na rozciąganie. Obecnie najlepsze materiały, które są wykorzystywane, to stal konstrukcyjna i kevlar, z którego produkuje się wysokiej klasy kamizelki kuloodporne. Grafen przewyższa je. Zgadnijcie o ile. 10, 20, 50%, 100%, 200%. Wciąż grube niedoszacowania. Jest ponad 300 razy bardziej odporny na rozciąganie. Bardzo często się mówi, że płachta grafeno byłaby w stanie utrzymać ciężar słonia balansującego na ołówku, gdyż rozkłada on siły dziesięciokrotnie lepiej niż stal. Obecnie jednak mówi się, że jest to jednak trochę przesadzone porównanie.
Nieprawda jest natomiast, że hamak zdolny do utrzymania ciężaru kota byłby lżejszy niż jeden jego wąs, a przy tym wciąż bardzo elastyczny. I byłby przy tym niemal przezroczysty, bowiem grafen pochłania trochę ponad 2% padającego na niego białego światła. W efekcie jest idealnym kandydatem na przezroczyste, elastyczne ekrany dotykowe. Również dlatego, że jest w stanie sam się leczyć, ilekroć zostanie wystawiony na atmosferę zawierającą jakiekolwiek źródło węgla, na przykład węglowodory. Jednak wszelkie defekty sieci heksagonalnej, tak fachowo nazywa się struktura złożona z tych sześciokątów, uzupełniają się najlepiej, jeżeli grafen jest bombardowany atomami czystego węgla. Niezwykłe właściwości elektronów swobodnych w grafenie sprawiają, że te poruszają się w nim z zawrotną szybkością sięgającą jednej, trzysetnej prędkości światła.
Zresztą chyba nie muszę mówić, że nie ma on w tym względzie żadnej konkurencji, choć formalnie nie można go nazwać nawet przewodnikiem. Zresztą półprzewodnikiem ani izolatorem też nie jest jedyny w swoim rodzaju. Ruchliwość elektronów w najgorszym wypadku jest dziesięciokrotnie lepsza niż dla krzemu. Nie muszę dodawać, że jest to absolutny rekord. Ponadto ma on wybitnie małą, a dokładniej najmniejszą znaną oporność, czyli innymi słowy nie dość, że elektrony gnają w nim jak po. . . bardzo szybko gnają, to jeszcze sam materiał się przy tym nie rozgrzewa. Choć, trzeba tutaj uczciwie powiedzieć, że bardzo duży wpływ na te właściwości ma podłoże, na jakim grafen został osadzony.
Do niedawna sądzono, że grafen jest najlepszym przewodnikiem ciepła, jednak okazuje się, że pierwsze pomiary były obarczone dużymi błędami i prawdopodobnie ustępuje nieznacznie w tej kwestii grafitowi. Jednak są to wciąż wartości pięcioddziesięciokrotnie większego przewodnictwa cieplnego niż dla miedzi czy złota. Także być może kiedyś uda nam się zbudować grafenowy nóż, który umożliwi na przykład krojenie kostek lodu ciepłem przenoszonym bezpośrednio z dłoni, bo jeżeli chodzi o grafit pirolityczny, to umiemy już skonstruować takie urządzenie. Grafen jest także podatny na modyfikacje chemiczne. Do jego powierzchni można doczepić praktycznie każdą popularną grupę organiczną, a jeżeli bardzo się postaramy, to możemy to zrobić selektywnie, na przykład wyłącznie na krawędziach. Co ciekawe, obecnie najwięcej emocji budzi tzw.
tlenek grafenu, bowiem z jego pomocą można tworzyć membrany, które są nieprzepuszczalne dla żadnej cząsteczki. Piwo jest sprzedawane w szklanych butelka, bowiem plastik jest delikatnie przepuszczalny dla gazu, w związku z tym nie można by piwo długo przechowywać. Tlenek grafenu by na coś takiego nie pozwolił nawet najmniejszemu hellowi z jednym wyjątkiem. Może przez niego przejść cząsteczka wody. W efekcie z tlenku grafenu możemy zrobić sito, które jest przepuszczalne tylko dla wody i na przykład z wody słonej robić wodę zdatną do picia, najlepiej po odpowiednim domineralizowaniu. Pomyślmy, możemy ponad dwustukrotnie zwiększyć dostępność wody dla człowieka. I to znów dzięki grafenowi. To oczywiście nie wszystkie niezwykłe cechy grafenu.
Elektrony poruszały się w nim tak jakby nie miały masy, są więc bezmasowymi fermionami Diraka. Jednocześnie ich ruch można rozpatrywać w kontekście równej relatywistycznych Einsteina. Grafen wykazuje anormalny kwartowy efekt hola, rezonansowy efekt Rammana, nieliniowe zjawisko Kera, a także hiralność, ale mam nadzieję, że zrozumiecie, że podarujemy sobie te trudne zagadnienia i przejdziemy do potencjalnych zastosowań tego materiału, których też jest cały multum. Po pierwsze może on zastąpić krzem w urządzeniach elektronicznych, a IBM wbudowało procesor, w którego skład wchodzi grafen, z tranzystorów, który pracuje z częstotliwością 100 GHz. Jednocześnie w 2013 roku opisano tranzystor, który pracował z częstotliwością 25 GHz i dodatkowo był osadzony na elastycznej plastikowej płytce.
Ze względu na swoją wytrzymałość może być używany do wzmacniania i jednocześnie odchudzania konstrukcji. W efekcie na przykład samoloty spalałyby mniej paliwa. Co ciekawe, jest już powszechnie używany i pierwszy raz stało się to za sprawą sportu, a dokładniej tenisa. Mówię, grafenowe rakiety są w użytku już od nieco ponad roku, a pierwszym zawodnikiem, który takowej używał był Novak Djokovic. Grafen może zostać wykorzystany także do budowy wysokosprawnych ogniw fotowoltaicznych. Fakt, że tak dobrze przewodzi prąd i jest odporny na odkształcenia sprawia, że już dzisiaj umiemy zbudować elastyczne ekrany dotykowe, które się na nim opierają.
Potencjalnie mogą być one tańsze niż te obecnie stosowane, bowiem nie zawierają w swojej konstrukcji żadnych metali ziem rzadkich, a jedynie powszechnie występujący węgiel. Gdyby zastąpić grafenem obecnie stosowane składniki akumulatorów, ich ładowanie można by skrócić zaledwie do kilkudziesięciu sekund. A skoro do kilkudziesięciu sekund, to można by je powszechnie stosować w motoryzacji. Zresztą najlepiej, żeby nie ładować ich z gniazda, tylko wykorzystając wspomniane wcześniej ogniwa słoneczne, które można by montować na dachu. I takich samochodów oczywiście nie dotyczyły problem zamarzniętych czy zaparowanych szyb, bowiem wystarczyłoby je po wle z grafenem, który doskonale przewodzi ciepło i niwelowałby te problemy. Nie da się ukryć, że węgiel jest bardzo biokompatybilny i grafen potencjalnie może posłużyć jako materiał do budowy ludzi cyborgów.
Nie tak dawno temu pewna grupa badaczy skonstruowała urządzenie, oczywiście w oparciu o grafen, które imituje działanie ludzkiej siatkówki. W efekcie można przywrócić wzrok osobom, u których poprawnie funkcjonuje nerw wzrokowy. Ponadto powierzchnię grafenu można zmodyfikować w taki sposób, aby przypominała dowolny receptor czy nawet błonę komórkową i badać w ten sposób wszelkie interakcje fizyczne i chemiczne, które mogłyby się wiązać z emisją sygnału elektrycznego. To zaś mogłoby doprowadzić do całkowitej eliminacji badań na zwierzętach. Ponadto niektórzy mówią, że teoretycznie możliwe jest zbudowanie nanorobota, służącego do sekwencjonowania DNA, a co odważniejsi do naprawy DNA. Wszystko oczywiście w oparciu o grafen. O odsalaniu wody już mówiłem, ale to jest tylko namiastka tych wszystkich propozycji, które się stawia przed grafenem.
Nawet jeżeli spełni się jedna na sto, to wciąż może nas czekać rewolucja, jakiej świat jeszcze nie widział. Warto na koniec wspomnieć, że grafen bardzo długo był trudny do otrzymania i w kwietniu 2008 roku jego cena rynkowa sięgnęła 100 milionów dolarów za centynet kwadratowy, czyniąc go najdroższą substancją na ziemi. Obecnie metod, który pozwalał go uzyskać jest dużo więcej i największym problemem jest otrzymanie produktu o odpowiedniej czystości i pozbawionego defektów sieci. Ja spośród tego natłoku metod omówię dwie. Pierwsza to ta, o której jest w Polsce najgłośniej, bowiem została opracowana przez ekspertów z Warszawy, jest modyfikacją tak zwanej depozycji z fazy gazowej.
Polega ona na tym, że źródło węgla, najczęściej propan umieszcza się w naczyniu reakcyjnym, z którego odpompowuje się powietrze, czyli generuje się niskie ciśnienie, a następnie podwyższa się temperaturę nawet do 1500 stopni. Znajduje się w nim również krzemionkowy materiał, a zamiast przepompowywania przez niego powietrza robi się to samo z argonem. I teraz zastosowanie argonu wysokiej temperatury i niskiego ciśnienia zapewnia, że będą nam narastały warstwy zaledwie o grubości jednego atomu węgla, zaś materiał krzemionkowy umożliwia nam otrzymanie heksagonalnej struktury sieci. I to są właśnie te dwie modyfikacje, które zaproponowali do metody Polacy. Jednak najczystszy chemicznie grafen otrzymuje się metodą tzw. eksfoliacji. Polega ona na wprowadzeniu do struktury grafitu pomiędzy te warstwy tzw.
interkalatów, substancji, które mają odpowiednie właściwości fizykochemiczne i które można rozbić bądź metodami chemicznymi, bądź fizycznymi. Podczas takiego rozbijania substancji, które znajdują się między płatami grafenu, do roztworu uwalniały się właśnie bardzo czyste płatki grafenowe. Jednak problem polega na tym, że trzeba je wciąż z tego roztworu wydzielić. Nie wiadomo jednak, czy biokompatybilność grafenu nie okaże się jego piętą achilesową, bo wiem, jak pokazują najnowsze badania, płaty grafenu mogą niemal bez problemu przeńkać przez błony komórkowe i odkładać się w komórkach. Nie wiadomo, czy ma to jakieś przykre konsekwencje dla naszego zdrowia, ale z pewnością zostanie to zbadane. A jeżeli nie wyjdzie nam z grafenem, to mamy już kolejnych kandydatów nawodów rewolucji, czarny fosfor, karwin czy molibdenit.
Także nie martwcie się, naukowcy prędzej czy później doprowadzą do przełomu, albo umrą próbując. Nie jesteśmy tylko w stanie ocenić kiedy. Za to mogę wam powiedzieć, że następne słowo na sobotę już za 7 dni, a w międzyczasie zachęcam do zaglądania na Facebooka Naukowego Bełkotu, bo tam na tygodniu zawsze może pojawić się jakaś interesująca was informacja. Tymczasem do zobaczenia, do usłyszenia i pozdrawiam serdecznie. .
S K R Y B O T
Skrybot. 2023, Video transcriptions from YouTube
By visiting or using our website, you agree that our website or the websites of our partners may use cookies to store information for the purpose of delivering better, faster, and more secure services, as well as for marketing purposes.