Több napot is kibíró okostelefon-akkumulátorok, zsebbe gyûrhetõ tabletek, sokkal könnyebb repülõgépek és autók készülhetnek a grafénból, a közeljövõ szuperanyagából. Alig nyolc éve fedezték fel, de néhány éven belül felforgathatja az elektronikát.
Nem tipikus alkotóeleme az elektronikai berendezéseknek a szén. Akadnak ugyan olyan darabok, amelyeket szénszálas mûanyaggal tesznek szebbé vagy strapabíróbbá, de a gyártók manapság inkább még a fémek és a szilícium bûvöletében élnek. A grafén nevû anyaggal folyó kutatások azonban azt sugallják, hogy a nem is olyan távoli jövõben a szén átveheti az uralmat a szórakoztató elektronikában.
A grafén szerkezete. Az egy szénatomnyi vastagságú anyag azért különleges, mert rendkívül erõs, hajlékony, és remekül vezeti az elektromos áramot
Az anyag szerkezete nem túl bonyolult: amint a fenti ábrán látható, méhsejtre emlékeztetõ rácsba rendezõdõ szénatomokból áll, vagyis megfelel a köznapi grafit egyetlen atomi síkjának. A grafén laboratóriumi elõállítására zseniálisan egyszerû módszert talált a két orosz fizikus: egy grafittömbrõl fejtették le a rétegeket ragasztószalag segítségével.
A Nobel-díjas Andrej Geim ragasztószalag adagolója és grafittömbje
Forrás: Wikimedia Commons
Az egy atomi réteg vastag grafénlapok azért lettek a fizika szupersztárjai, mert ez az anyag bámulatosan sokoldalú. Grafénból lehet nagy kapacitású, villámgyorsan feltölthetõ kondenzátort, hajlékony áramköri lapot, átlátszó alkatrészeket gyártani. Ha a ma kutatott grafénalapú technológiák mindegyike sikeres lesz, a jövõ okostelefonjainak nagy része szénbõl fog készülni.
Mikor kerül a boltba a szénbõl készült telefon?
"Általában tizenöt évbe telik, amíg egy alapkutatás eredménye eljut a vásárlókhoz. A grafénkutatás 2004-ben kezdõdött, így még évekbe telhet, hogy megjelenjenek a grafént tartalmazó elsõ ipari technológiák" - mondta az [origo]-nak Bíró László Péter, az MTA Természettudományi Kutatóközpont Nanoszerkezetek Osztályának professzora.
Szupererõs aerogélt is lehet grafénból készíteni
Forrás: MTI/EPA/Long Vej
Az ipari alkalmazásokhoz szükséges nagy grafénlapok gyártását már megoldották (rézfelületen lehet nagy kiterjedésû, de polikristályos grafénlemezeket növeszteni). Azonban az egymástól függetlenül növekedni kezdõ kristálylemezkék találkozásánál rendezetlen szerkezet, szemcsehatár alakul ki. A kristályok szemcsehatárain az elektronok nem tudnak zavartalanul mozogni, ezzel a grafén elõnyös tulajdonságai sérülnek. Hasonló problémákkal azonban a szilíciumalapú elektronikában is meg kellett birkózni, és a tudósok végül sikerrel jártak. Továbbá vannak olyan alkalmazások, ahol a szemcsehatárok kevésbé zavaróak.
Tízezer töltést is kibír majd a szuperakku
A grafénalapú technológiák legfontosabb ígérete a nagy kapacitású, gyorsan feltölthetõ akkumulátor. A jelenleg használt lítiumion-akkumulátorok fejlõdnek ugyan valamelyest, de ez csak arra elég, hogy a gyorsuló mobilprocesszorok, növekvõ kijelzõk energiaéhségét csillapítsa. A grafén szuperkondenzátorokkal ugrásszerû fejlõdés következhet be, és a technológiai termékbemutatóknak nem az lenne a kérdése, hogy a legújabb okostelefon vagy laptop kibírja-e a munkanap végéig egy feltöltéssel. A jövõ szuperakkujai nemcsak a számítástechnikát változtathatják meg, hanem az elektromos autók elterjedésében is komoly szerepet játszhatnak.
A szuperhajlékony akkut be is mutatják a kutatók
A remek vezetõképesség csak a grafén egyik lényeges tulajdonsága. A szuperanyag emellett rendkívül erõs, szakítószilárdsága óriási, meghaladja a gyémántét is. A Berkeley egyetemen Qin Zhou és Alex Zettl által vezetett csoport az anyag mechanikai hatásokkal szembeniellenállóságát használta fel arra, hogy a jövõ hangfalaiban használható membránt készítsen.
DVD-író gyártja a grafénlemezt
A UCLA Richard Kaner vezette kutatócsapata nagyon egyszerû módszerrel gyártotta le az akkutechnológiai kutatásokhoz használt grafénrétegeket. Egy hagyományos DVD-lemezt bevontak grafitoxiddal, majd ezt a réteget redukálták egy DVD-író lézerének segítségével tiszta grafénné. A grafénból készült elektródákkal Kaner csoportja olyan kondenzátorokat tudott gyártani, amelyek energiasûrûsége hússzorosan meghaladta a hagyományos aktív szenes technológiával készült kondenzátorokét, és jelentõsen jobb a lítiumionos akkumulátorokénál is. A szuperkondenzátor ráadásul minõségromlás nélkül visel el akár tízezer feltöltést is.
Könnyebb repülõk és autók
A membránoknak két kívánalomnak kell megfelelniük: egyrészt vékonynak kell lenniük, hogy a rezgést minél könnyebben át tudják adni, másrészt erõs anyagból kell hogy készüljenek, hogy ne szakadjanak el a nagy igénybevétel hatására. A grafén olyan anyagnak bizonyult, amely a két tulajdonsággal egyaránt rendelkezik. A kutatók beszámolója szerint a néhány réteg grafénból készített tesztmembránnal felszerelt fülhallgató olyan jól teljesített, mint a kereskedelmi forgalomban kapható profi fejhallgató. A szuperanyag ráadásul energiájának nagy részét átadja a levegõnek, így egy kisebb membrán is képes nagy zajt csapni.
Az anyag kedvezõ mechanikai tulajdonságai teszik lehetõvé a Sydneyi Mûszaki Egyetem kutatói által feltalált "grafénpapír" létrehozását is. A több rétegnyi szénatomlapból készült anyag erõsebb, mint az acél (tízszer jobb a szakítószilárdsága), ugyanakkor hatszor könnyebb annál. Guoxiu Wang professzor szerint az új anyag alkalmas lehet arra, hogy a mostaninál jóval kisebb tömegû repülõket és autókat gyárthassanak a jövõben, amelyek a kisebb tömeg miatt jóval kevesebbet fogyasztanak majd.
Zsebbe gyûrhetõ tablet
"A grafén kapcsán lezajló folyamatokat egyszer már megtapasztalhatta az emberiség. Az 1950-es években feltalált tranzisztor azért alakulhatott át körömnyi méretû elektronikai alkatrészbõl a chipek hajszálnál is parányibb összetevõjévé - ma már egyetlen hajszál átmérõjébe akár ezer tranzisztor is beleférhet -, mert volt pénz a fejlesztésére" - mondta Bíró László Péter professzor. A kezdeti tranzisztorokkal is mûködõ, nagy mennyiségben eladható szórakoztató elektronikai termékek - például a táskarádió - finanszírozták a kutatásokat.
A grafén esetében a hajlítható mobilkijelzõ és az okos eszközök további alkatrészei adhatják meg ezt a támogatást Bíró szerint. A Nokia és a Samsung egyaránt óriási összegeket költ arra, hogy a mostani indium-ón-oxid- (ITO) alapú kijelzõket hajlékony, grafénalapú egységekre cserélhesse. A hajlékonyság mellett még egy érv szól a grafénkijelzõk mellett: míg szén mindenhol van, a világ ismert indiumkészletének döntõ hányada Kínában található, és csak méregdrágán lehet beszerezni.
A Samsung már ígéri a hajlékony kijelzõt
Nem a grafén az egyetlen anyag, amely egyszerre hajlékony és jó vezetõképességgel rendelkezik. A legtöbb ilyen anyag azonban nem átlátszó, így alkalmatlan arra, hogy kijelzõt készítsenek belõlük. A grafénalapú megjelenítõk nem egyszerûen strapabíróbbá teszik a mobileszközöket, hanem teljesen megváltoztatják az alakjukat. Az okostelefon zsebbe gyûrhetõ, összehajtogatható papírszerû eszközzé válik. A tablet megszûnik füzet méretû, táskát igénylõ kütyünek lenni, felcsavarható, farzsebben hordható berendezés lesz. Ha a dizájnerek kezét nem köti meg a merev szerkezetû kijelzõ és akkumulátor, sokkal változatosabb eszközök születhetnek.
Az MTA természettudományi Kutatóközpont Mûszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézetében zajló, Bíró professzor csoportja által végzett kutatásokat is a Koreai-Magyar Közös Nanotudományok Laboratórium finanszírozza döntõ mértékben már három éve. Ha pedig sikerül rendezett, ideális szerkezetû grafénlapokat létrehozni ipari méretekben, akkor számos területet megváltoztathat az anyag. Olcsóbbá teheti például a DNS szerkezetének leolvasását, ezzel megnyitva az utat a személyre szabott orvoslás elõtt.
Kedvenc hírek
