Miracolul din linia creionului - fizica; Mai multe - FAZ
În electronică astăzi totul este mic, foarte mic. Deci, dacă un material este pe cale să-l revoluționeze, așa cum a făcut odată siliciu, atunci trebuie să permită dimensiuni deosebit de filigranate - dar nu neapărat în toate cele trei direcții spațiale. Unul ar putea fi suficient dacă este de un milion de ori mai subțire decât o foaie de hârtie. Ca o formă de carbon care, spre deosebire de grafit, nu constă din multe straturi paralele, ci dintr-un singur strat de atomi legați ca un fagure de miere. Cristalul surprinzător de stabil se numește grafen - cu accent pe final.
Multă vreme, noul material preferat al fizicienilor în stare solidă a fost considerat a fi o construcție pur teoretică. Se credea că vibrațiile atomilor unul împotriva celuilalt ar distruge o astfel de rețea. Așadar, surpriza a fost grozavă când Andre Geim și Kostya Novoselov au prezentat mici grafice cu fulgi în urmă cu trei ani. Fizicienii din Manchester au reușit să o producă folosind o tehnică destul de practică: folosind bandă adezivă obișnuită, au dezlipit straturi de mici cristale de grafit, precum cele găsite în fiecare urmă de creion, cu câteva straturi atomice groase. Au presat trombocitele pe o bază făcută din oxid de siliciu și au repetat procesul până când au fost prezente cristale individuale de grafen.
Undele de lumină într-un model de fagure de miere
Faptul că cristalele bidimensionale nu se rostogolesc sau se aglomerează, așa cum se presupune, este datorat undelor luminoase într-un model regulat în fagure: scobiturile stabilizatoare au o înălțime de doar un nanometru și se întind pe o sută de atomi. Acest lucru a fost demonstrat recent de măsurătorile efectuate la Institutul Max Planck pentru cercetarea în stare solidă din Stuttgart.
Proprietățile electronice excepționale ale cristalelor de grafen au trezit rapid interesul industriei semiconductoarelor. Deoarece, deși grafenul nu este nici un semiconductor, nici un metal, el conduce electricitatea și căldura extrem de bine. Aceasta este o consecință a structurii fagure de miere: din cei patru electroni cu care fiecare atom de carbon s-ar putea lega de exterior, doar trei sunt necesari în structura fagurelui. Al patrulea poate fi oriunde la nivelul cristalului și, în asociere cu specificațiile sale, poate aluneca de-a lungul aproape netulburat de coliziuni cu atomii de rețea și transporta energia electrică cu pierderi mici.
Aici este graficul la îndemână. Deoarece miniaturizarea componentelor electronice din siliciu își va atinge limitele fizice în viitorul apropiat. Apoi trebuie găsit un nou material care să permită miniaturizarea în continuare a elementelor circuitului. Graficele ar putea fi un candidat potrivit pentru aceasta.
Panglici înguste de grafen în loc de linii de cupru
Max Lemme de la Society for Applied Micro- and Optoelectronics (AMO) investighează în Aachen în ce măsură grafenul este potrivit pentru utilizarea în componente electronice. Grupul său de lucru urmărește două abordări: Pe de o parte, benzile înguste de grafen sunt destinate să înlocuiască cablurile de cupru de pe componentele electronice; „Condiția prealabilă pentru aceasta este, totuși, că este posibil să se producă grafen în calitate suficientă pe o suprafață mare, de exemplu folosind tehnici similare celor utilizate astăzi pentru siliciu”, spune Lemme. "În plus, ar trebui să puteți tăia aceste straturi cu o precizie de aproximativ cinci nanometri."
Acest lucru este încă în discuție astăzi, chiar dacă numeroase grupuri de cercetare lucrează la dezvoltarea unor metode fiabile de producție pentru straturi mari de grafen. „Există deja procese promițătoare acolo”, spune Thomas Seyller de la Universitatea din Erlangen-Nürnberg, „dar acestea fac încă obiectul unei cercetări de bază intensive”. Până în prezent, fizicienii au trebuit să se mulțumească cu fulgi de câțiva micrometri. „Acest lucru este suficient pentru experimentele de orientare importante în prezent”, spune Heinrich Kurz, directorul AMO. În ceea ce privește producția pe scară largă pentru aplicații viitoare, nu este nevoie să vă faceți griji: "Dacă tehnologia microelectronică își folosește armele acolo, va fi posibil și", spune Kurz.
Publicațiile recente nu se limitează la microelectronică atunci când vine vorba de aplicațiile grafenului: în luna martie a acestui an, cercetătorii din Marea Britanie și Statele Unite au calculat că cristalele de grafen îndoi undele electronice în direcția „greșită” - similar cu ceea ce fac așa-numitele metamateriale cu undele electromagnetice. Faceți radiații. Acest lucru a făcut posibilă construirea de lentile și separatoare de fascicule pentru undele electronice din membrana de carbon ondulată.
Senzori ideali pentru cele mai mici cantități de gaz?
La sfârșitul lunii iulie, oamenii de știință conduși de Andre Geim au sugerat utilizarea grafenului ca detector extrem de sensibil pentru moleculele de gaz. Măsurătorile lor au arătat că acumularea de molecule individuale, cum ar fi amoniacul sau dioxidul de azot, au schimbat conductivitatea grafenului cu salturi, astfel încât să poată fi construiți senzori ideali pentru cele mai mici cantități de gaze toxice. Aproape în același timp, oamenii de știință din Illinois au prezentat în Nature producția de folii asemănătoare hârtiei din grafen. Potrivit cercetătorilor, straturile de carbon extrem de rezistente la rupere și stabile ar putea întări polimerii, metalele sau ceramica din materialele compozite.
Siegmar Roth de la Max Planck Institute for Solid State Research din Stuttgart nu crede în aceste rapoarte senzaționale: „Nu este o surpriză faptul că o rețea atomică mică este sensibilă la contactul cu molecule străine individuale”. În plus, grafenul este mult prea ostil din punct de vedere chimic legăturilor pentru a putea îmbunătăți proprietățile materialului, cum ar fi rezistența la tracțiune, atunci când este încorporat într-un material plastic. Lemme este de asemenea de acord: „Pentru ca acest lucru să funcționeze, ar trebui mai întâi să modificați chimic graficul”.
Niciun succesor al siliciului încă
Este încă prea devreme pentru a schimba grafenul ca succesor al siliciului în microelectronică, spune Daniel Loss de la Universitatea din Basel, dar subliniază progresele enorme ale tehnologiei semiconductoarelor din ultimii zece ani. Ideile sale pentru aplicarea viitoare a grafenului merg mult mai departe decât cele ale colegilor săi: În viitor, straturile de grafen ar putea forma baza unui computer cuantic în care momentele magnetice ale electronilor - prinse în așa-numitele puncte cuantice - furnizează purtătorii de informații.
Cristalele ondulate de carbon ar avea o atracție specială chiar dacă speranțele mari pentru o gamă largă de aplicații nu ar fi îndeplinite: deoarece purtătorii de sarcină care se deplasează prin planul grafenului respectă așa-numita ecuație Dirac, care descrie particule cuantice care sunt aproape la fel de rapide ca lumina. Acest lucru este surprinzător, deoarece ecuația Schrödinger, care este valabilă doar pentru cuantele lente, este de obicei suficientă pentru condițiile din solide. Răspunsurile la întrebările fundamentale de fizică care sunt căutate în prezent în acceleratoarele mari de particule ar putea să adoarmă în straturile subțiri de carbon.