რა სარგებლობა მოაქვს გრაფენს?განაცხადის ორი შემთხვევა საშუალებას გაძლევთ გაიგოთ გრაფენის გამოყენების პერსპექტივა

2010 წელს გეიმმა და ნოვოსელოვმა მიიღეს ნობელის პრემია ფიზიკაში გრაფენზე მუშაობისთვის.ამ ჯილდომ ღრმა შთაბეჭდილება დატოვა ბევრ ადამიანზე.ყოველივე ამის შემდეგ, ნობელის პრემიის ყველა ექსპერიმენტული ინსტრუმენტი არ არის ისეთივე გავრცელებული, როგორც წებოვანი ლენტი და არც ყველა საკვლევი ობიექტია ისეთი ჯადოსნური და ადვილად გასაგები, როგორც „ორგანზომილებიანი ბროლის“ გრაფინი.2004 წლის ნამუშევარი შეიძლება დაჯილდოვდეს 2010 წელს, რაც იშვიათია ბოლო წლების ნობელის პრემიის ჩანაწერებში.

გრაფენი არის ერთგვარი ნივთიერება, რომელიც შედგება ნახშირბადის ატომების ერთი ფენისგან, რომლებიც მჭიდროდ არის განლაგებული ორგანზომილებიან თაფლისებრ ექვსკუთხა გისოსად.ალმასის, გრაფიტის, ფულერენის, ნახშირბადის ნანომილების და ამორფული ნახშირბადის მსგავსად, ეს არის ნახშირბადის ელემენტებისაგან შემდგარი ნივთიერება (მარტივი ნივთიერება).როგორც ქვემოთ მოყვანილ სურათზეა ნაჩვენები, ფულერენი და ნახშირბადის ნანომილები შეიძლება გამოჩნდეს გრაფენის ერთი ფენისგან, რომელიც დაწყობილია გრაფენის მრავალი ფენით.გრაფენის გამოყენების თეორიული კვლევა ნახშირბადის სხვადასხვა მარტივი ნივთიერების (გრაფიტი, ნახშირბადის ნანომილები და გრაფენი) თვისებების აღსაწერად თითქმის 60 წელი გაგრძელდა, მაგრამ ზოგადად მიჩნეულია, რომ ასეთი ორგანზომილებიანი მასალების სტაბილურად არსებობა რთულია. მიმაგრებულია მხოლოდ სამგანზომილებიანი სუბსტრატის ზედაპირზე ან ისეთ ნივთიერებებზე, როგორიცაა გრაფიტი.მხოლოდ 2004 წელს ანდრე გეიმმა და მისმა სტუდენტმა კონსტანტინე ნოვოსელოვმა ექსპერიმენტების საშუალებით ამოიღეს გრაფიტის ერთი ფენა გრაფიტისგან, რომ გრაფენის კვლევამ მიაღწია ახალ განვითარებას.

ორივე ფულერენი (მარცხნივ) და ნახშირბადის ნანომილაკი (შუაში) შეიძლება ჩაითვალოს, როგორც გრაფენის ერთი ფენით შემოხვევად, ხოლო გრაფიტი (მარჯვნივ) გრაფენის რამდენიმე ფენით არის დაწყობილი ვან დერ ვაალსის ძალის შეერთებით.

დღესდღეობით გრაფენის მიღება შესაძლებელია მრავალი გზით და სხვადასხვა მეთოდს აქვს თავისი დადებითი და უარყოფითი მხარეები.გეიმმა და ნოვოსელოვმა გრაფენი მარტივი გზით მიიღეს.სუპერმარკეტებში არსებული გამჭვირვალე ლენტის გამოყენებით, მათ ამოიღეს გრაფენი, გრაფიტის ფურცელი ნახშირბადის ატომების მხოლოდ ერთი ფენით, მაღალი ხარისხის პიროლიზური გრაფიტის ნაჭერიდან.ეს მოსახერხებელია, მაგრამ კონტროლირებადი არც ისე კარგია და გრაფენი 100 მიკრონზე ნაკლები ზომით (მილიმეტრის ერთი მეათედი) შეიძლება მიიღოთ მხოლოდ, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას ექსპერიმენტებისთვის, მაგრამ ძნელია გამოიყენოს პრაქტიკაში. აპლიკაციები.ქიმიური ორთქლის დეპონირებამ შეიძლება გაიზარდოს გრაფენის ნიმუშები ათობით სანტიმეტრის ზომის ლითონის ზედაპირზე.მიუხედავად იმისა, რომ თანმიმდევრული ორიენტაციის მქონე ტერიტორია მხოლოდ 100 მიკრონია [3,4], ის შესაფერისი იყო ზოგიერთი აპლიკაციის წარმოების საჭიროებისთვის.კიდევ ერთი გავრცელებული მეთოდია სილიციუმის კარბიდის (SIC) კრისტალის გაცხელება 1100 ℃-ზე მეტ ტემპერატურაზე ვაკუუმში, ისე, რომ სილიციუმის ატომები ზედაპირთან აორთქლდეს და დარჩენილი ნახშირბადის ატომები გადააწყდეს, რასაც ასევე შეუძლია კარგი თვისებების მქონე გრაფენის ნიმუშების მიღება.

გრაფენი არის ახალი მასალა უნიკალური თვისებებით: მისი ელექტრული გამტარობა ისეთივე შესანიშნავია, როგორც სპილენძი და მისი თბოგამტარობა უკეთესია, ვიდრე ნებისმიერი ცნობილი მასალა.ძალიან გამჭვირვალეა.ვერტიკალური ხილული სინათლის მხოლოდ მცირე ნაწილი (2.3%) შეიწოვება გრაფენის მიერ და სინათლის უმეტესი ნაწილი გაივლის.ის იმდენად მკვრივია, რომ ჰელიუმის ატომებიც კი (გაზის ყველაზე პატარა მოლეკულები) ვერ გადიან.ეს ჯადოსნური თვისებები პირდაპირ არ არის მემკვიდრეობით მიღებული გრაფიტიდან, არამედ კვანტური მექანიკიდან.მისი უნიკალური ელექტრული და ოპტიკური თვისებები განსაზღვრავს, რომ მას აქვს ფართო გამოყენების პერსპექტივები.

მიუხედავად იმისა, რომ გრაფენი მხოლოდ ათ წელზე ნაკლები ხნის განმავლობაში გამოჩნდა, მან აჩვენა მრავალი ტექნიკური გამოყენება, რაც ძალზე იშვიათია ფიზიკისა და მატერიალური მეცნიერების სფეროებში.ზოგადი მასალების ლაბორატორიიდან რეალურ ცხოვრებაში გადატანას ათ წელზე მეტი ან თუნდაც ათწლეულები სჭირდება.რა სარგებლობა მოაქვს გრაფენს?მოდით შევხედოთ ორ მაგალითს.

რბილი გამჭვირვალე ელექტროდი
ბევრ ელექტრომოწყობილობაში გამჭვირვალე გამტარი მასალები უნდა იქნას გამოყენებული ელექტროდებად.ელექტრონული საათები, კალკულატორები, ტელევიზორები, თხევადკრისტალური დისპლეები, სენსორული ეკრანები, მზის პანელები და მრავალი სხვა მოწყობილობა ვერ დატოვებს გამჭვირვალე ელექტროდების არსებობას.ტრადიციული გამჭვირვალე ელექტროდი იყენებს ინდიუმის კალის ოქსიდს (ITO).მაღალი ფასისა და ინდიუმის შეზღუდული მიწოდების გამო, მასალა მყიფეა და მოქნილობის ნაკლებობაა, ელექტროდი კი ვაკუუმის შუა ფენაში უნდა განთავსდეს, ხოლო ღირებულება შედარებით მაღალია.მეცნიერები დიდი ხნის განმავლობაში ცდილობდნენ ეპოვათ მისი შემცვლელი.გამჭვირვალობის, კარგი გამტარობისა და მარტივი მომზადების მოთხოვნების გარდა, თუ თავად მასალის მოქნილობა კარგია, ის გამოდგება „ელექტრონული ქაღალდის“ ან სხვა დასაკეცი დისპლეის მოწყობილობების დასამზადებლად.ამიტომ, მოქნილობა ასევე ძალიან მნიშვნელოვანი ასპექტია.გრაფენი ისეთი მასალაა, რომელიც ძალიან უხდება გამჭვირვალე ელექტროდებს.

სამსუნგისა და სამხრეთ კორეის ჩენჯუნგუანის უნივერსიტეტის მკვლევარებმა მიიღეს გრაფენი 30 ინჩის დიაგონალის სიგრძით ქიმიური ორთქლის დეპონირებით და გადაიტანეს იგი 188 მიკრონი სისქის პოლიეთილენის ტერეფტალატზე (PET) გრაფენზე დაფუძნებული სენსორული ეკრანის შესაქმნელად [4].როგორც ქვემოთ მოცემულ სურათზეა ნაჩვენები, სპილენძის ფოლგაზე მოყვანილი გრაფენი ჯერ თერმო ზოლის ლენტით (ლურჯი გამჭვირვალე ნაწილი) იხსნება, შემდეგ სპილენძის ფოლგა იხსნება ქიმიური მეთოდით და ბოლოს გრაფენი გახურებით გადადის PET ფილაზე. .

ახალი ფოტოელექტრული ინდუქციური მოწყობილობა
გრაფენს აქვს ძალიან უნიკალური ოპტიკური თვისებები.მიუხედავად იმისა, რომ ატომების მხოლოდ ერთი ფენაა, მას შეუძლია გამოსხივებული სინათლის 2.3% შთანთქას ტალღის სიგრძის მთელ დიაპაზონში ხილული შუქიდან ინფრაწითელამდე.ამ რიცხვს საერთო არაფერი აქვს გრაფენის სხვა მატერიალურ პარამეტრებთან და განისაზღვრება კვანტური ელექტროდინამიკით [6].შთანთქმის სინათლე გამოიწვევს მატარებლების (ელექტრონების და ხვრელების) წარმოქმნას.გრაფენში მატარებლების წარმოქმნა და ტრანსპორტირება ძალიან განსხვავდება ტრადიციული ნახევარგამტარებისგან.ეს ხდის გრაფენს ძალიან შესაფერისს ულტრასწრაფი ფოტოელექტრული ინდუქციური მოწყობილობებისთვის.სავარაუდოა, რომ ასეთი ფოტოელექტრული ინდუქციური მოწყობილობა შეიძლება მუშაობდეს 500 გჰც სიხშირეზე.თუ იგი გამოიყენება სიგნალის გადაცემისთვის, მას შეუძლია გადასცეს 500 მილიარდი ნული ან ერთი წამში და დაასრულოს ორი Blu-ray დისკის შინაარსის გადაცემა ერთ წამში.

შეერთებულ შტატებში IBM Thomas J. Watson-ის კვლევითი ცენტრის ექსპერტებმა გამოიყენეს გრაფენი ფოტოელექტრული ინდუქციური მოწყობილობების დასამზადებლად, რომლებსაც შეუძლიათ 10 გჰც სიხშირეზე მუშაობა [8].ჯერ 300 ნმ სისქის სილიციუმით დაფარულ სილიციუმის სუბსტრატზე გრაფენის ფანტელები „ლენტის გახევის მეთოდით“ დამზადდა, შემდეგ კი მასზე დამზადდა პალადიუმის ოქროს ან ტიტანის ოქროს ელექტროდები 1 მიკრონი ინტერვალით და 250 ნმ სიგანით.ამ გზით მიიღება გრაფენის დაფუძნებული ფოტოელექტრული ინდუქციური მოწყობილობა.

გრაფინის ფოტოელექტრული ინდუქციური აღჭურვილობის სქემატური დიაგრამა და სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპის (SEM) ფოტოების რეალური ნიმუშები.ფიგურაში შავი მოკლე ხაზი შეესაბამება 5 მიკრონს, ხოლო ლითონის ხაზებს შორის მანძილი არის ერთი მიკრონი.

ექსპერიმენტების შედეგად მკვლევარებმა დაადგინეს, რომ ამ ლითონის გრაფენის ლითონის სტრუქტურის ფოტოელექტრული ინდუქციური მოწყობილობა შეიძლება მიაღწიოს სამუშაო სიხშირეს მაქსიმუმ 16 გჰც-ს და შეუძლია იმუშაოს მაღალი სიჩქარით ტალღის სიგრძის დიაპაზონში 300 ნმ (ულტრაიისფერთან ახლოს) 6 მიკრონიმდე (ინფრაწითელი). ტრადიციული ფოტოელექტრული ინდუქციური მილი ვერ რეაგირებს უფრო გრძელი ტალღის სიგრძის ინფრაწითელ შუქზე.გრაფენის ფოტოელექტრული ინდუქციური აღჭურვილობის მუშაობის სიხშირეს ჯერ კიდევ აქვს გაუმჯობესების დიდი ადგილი.მისი უმაღლესი შესრულება ხდის მას გამოყენების ფართო სპექტრის პერსპექტივას, მათ შორის კომუნიკაციის, დისტანციური მართვისა და გარემოს მონიტორინგის ჩათვლით.

როგორც უნიკალური თვისებების მქონე ახალი მასალა, გრაფენის გამოყენების კვლევა ერთმანეთის მიყოლებით ჩნდება.მათი აქ ჩამოთვლა გვიჭირს.სამომავლოდ შეიძლება იყოს გრაფენისგან დამზადებული ველის ეფექტის მილები, გრაფენისგან დამზადებული მოლეკულური ჩამრთველები და გრაფენისგან დამზადებული მოლეკულური დეტექტორები... გრაფენი, რომელიც თანდათანობით გამოდის ლაბორატორიიდან, გაბრწყინდება ყოველდღიურ ცხოვრებაში.

შეიძლება ველოდოთ, რომ გრაფენის გამოყენებით დიდი რაოდენობით ელექტრონული პროდუქტი გამოჩნდება უახლოეს მომავალში.დაფიქრდით, რა საინტერესო იქნება, თუ ჩვენი სმარტფონები და ნეტბუქები შემოგვეხვევა, ყურებზე დაჭერილი, ჯიბეებში ჩაყრა ან მაჯაზე შემოხვეული, როცა არ ვიყენებთ!