Jos olet ollut lähellä tiedelehteä viimeisen vuosikymmenen aikana, olet törmännyt jonkinlaiseen superlatiiviin grafeenista – kaksiulotteisesta ihmemateriaalista, joka lupaa muuttaa kaiken tietojenkäsittelystä biolääketieteeksi.
Grafeenin sovelluksissa on paljon hypeä muutamien merkittävien ominaisuuksien ansiosta. Se on miljoona kertaa ohuempi kuin ihmisen hiukset, mutta 200 kertaa vahvempi kuin teräs. Se on joustava, mutta voi toimia täydellisenä esteenä ja on erinomainen sähkönjohdin. Yhdistä kaikki ja saat materiaalin, jolla on monia mahdollisesti vallankumouksellisia sovelluksia.
Mikä on grafeeni?
Grafeeni on hiiltä, mutta yhden atomin paksuisessa hunajakennohilassa. Jos kurkot takaisin vanhoihin kemian oppitunteihin, muistat, että kokonaan hiilestä koostuvilla materiaaleilla voi olla dramaattisesti erilaisia ominaisuuksia riippuen siitä, miten sen atomit on järjestetty (eri allotroopit). Esimerkiksi lyijykynän lyijyssäsi oleva grafiitti on pehmeää ja tummaa verrattuna kihlasormuksessasi olevaan kovaan ja läpinäkyvään timanttiin. Ihmisen tekemät hiilirakenteet eivät eroa toisistaan; pallon muotoinen Buckminsterfullereeni toimii eri tavalla kuin hiilinanoputkien kierretyt järjestelyt.
Grafeeni on valmistettu hiiliatomien levystä kuusikulmaisessa hilassa. Yllä mainituista se on muodoltaan lähimpänä grafiittia, mutta vaikka tämä materiaali on valmistettu kaksiulotteisista hiililevyistä, joita pidetään kerroksittain kerroksittain heikkojen molekyylien välisten sidosten avulla, grafeeni on vain yhden arkin paksuinen. Jos pystyisit kuorimaan yhden, yhden atomin korkean hiilikerroksen grafiitista, sinulla olisi grafeenia.
Grafiitin heikot molekyylien väliset sidokset tekevät siitä pehmeän ja hilseilevän, mutta itse hiilisidokset ovat kestäviä. Tämä tarkoittaa, että pelti, joka koostuu pelkästään näistä hiilisidoksista, on vahva – noin 200 kertaa vahvempi kuin vahvin teräs, mutta samalla joustava ja läpinäkyvä.
Grafeenia on teoretisoitu pitkään, ja sitä on tuotettu vahingossa pieniä määriä niin kauan kuin ihmiset ovat käyttäneet grafiittikyniä. Sen pääasiallinen eristäminen ja löytö on kuitenkin kiinnitetty Andre Geimin ja Konstantin Novoselovin työhön Manchesterin yliopistossa vuonna 2014. Kahden tiedemiehen kerrotaan pitäneen "perjantai-iltakokeita", joissa he testasivat ideoita päivätyönsä ulkopuolella. Yhdessä näistä istunnoista tutkijat käyttivät teippiä poistamaan ohuita hiilikerroksia grafiittipalasta. Tämä uraauurtava tutkimus johti lopulta grafeenin kaupalliseen tuotantoon.
Kun he saivat Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 2010, Geim ja Novoselov lahjoittivat teippiannostelijan Nobel-museolle.
Mihin grafeenia voidaan käyttää?
Yksi tärkeä asia on huomata, että tutkijat kehittävät kaikenlaisia materiaaleja, jotka perustuvat grafeeniin. Tämä tarkoittaa, että on luultavasti parempi ajatella "grafeeneja", samalla tavalla kuin ajattelemme muovia. Pohjimmiltaan grafeenin tulo voi johtaa kokonaan uuteen materiaaliluokkaan, ei vain yhteen uuteen materiaaliin.
Katso aiheeseen liittyvä Mikä on turbulenssi? Yksi fysiikan miljoonan dollarin kysymyksistä selvitetään Uranuksesta löydetty "timanttisade" on luotu uudelleen maan päälle - ja se voi auttaa ratkaisemaan kasvavan energiakriisimme Kvanttilaskenta tulee täysi-ikäiseksiSovellusten osalta tutkimusta tehdään niinkin laajasti kuin biolääketieteestä ja elektroniikasta kasvinsuojeluun ja elintarvikepakkauksiin. Esimerkiksi grafeenin pintaominaisuuksien muokkaaminen voisi tehdä siitä erinomaisen materiaalin lääkkeiden annosteluun, kun taas materiaalin johtavuus ja joustavuus voisivat ennakoida uuden sukupolven kosketusnäyttöpiirejä tai taitettavia puettavia laitteita.
Se, että grafeeni pystyy muodostamaan täydellisen esteen nesteille ja kaasuille, tarkoittaa sitä, että sitä voidaan käyttää myös muiden materiaalien kanssa suodattamaan mitä tahansa yhdisteitä ja alkuaineita – mukaan lukien helium, joka on poikkeuksellisen vaikeasti estettävä kaasu. Tällä on useita sovelluksia teollisuudessa, mutta se voi myös osoittautua erittäin hyödylliseksi vedensuodatuksen ympäristötarpeisiin.
Grafeenin monikäyttöiset ominaisuudet avaavat ovet valtavalle määrälle yhdistelmäkäyttöä. Vaikka paljon on pohdittu, kuinka se voi tehostaa olemassa olevia teknologioita, alan jatkuva kehitys johtaa lopulta kokonaan uusiin alueisiin, jotka olisivat aiemmin olleet mahdottomia. Voisimmeko nähdä kokonaan uuden ilmailutekniikan luokan nousevan? Entä lisätyn todellisuuden optiset implantit? Ulkonäöltään 2000-luku on se aika, jolloin saamme sen selville.