Nauji Pensilvanijos universiteto (JAV) mokslininkų tyrimai leidžia tikėtis, jog grafeną – itin perspektyvią, vieno anglies atomo storio plėvelę, pelniusią Mančesterio universiteto (Jungtinė Karalystė) fizikams 2010 metų fizikos Nobelio premiją – bus galima gaminti kur kas paprasčiau ir pigiau.
Nauji Pensilvanijos universiteto (JAV) mokslininkų tyrimai leidžia tikėtis, jog grafeną – itin perspektyvią, vieno anglies atomo storio plėvelę, pelniusią Mančesterio universiteto (Jungtinė Karalystė) fizikams 2010 metų fizikos Nobelio premiją – bus galima gaminti kur kas paprasčiau ir pigiau.
Kaip aiškinama neseniai pasirodžiusiame straipsnyje, Pensilvanijos universiteto tyrėjų komandai pavyko sukurti aukštos kokybės grafeną, kurio 95 procentus ploto sudarė vieno anglies atomo storio plėvelė. Svarbiausia tai, kad mokslininkams neprireikė išradinėti naujų medžiagų ar kūrimo metodų – visą procesą galima pritaikyti pramoninėje gamyboje.
„Esame susipažinę su kitų tyrėjų darbais, kuriuose aprašomas 90 procentų rezultatas, – teigia tyrimams vadovavęs fizikos profesorius Čarlis Džonsonas (Charlie Johnson). – Mūsų darbas yra žingsnelis arčiau pagrindinio tikslo – 100 procentų. Be to, esame nusiteikę gamybos procesą padaryti pramoniniu.“
Mokslininkų grupės pasiekimai aprašyti vasario 10 d. žurnalo „Chemistry of Materials“ numeryje.
Grafenas savo sandara primena tinklinę tvorą – anglies atomų gardelę, sudarytą iš plonyčių vieno atomo storio lakštų. Nepaprastos šios medžiagos fizikinės savybės, pavyzdžiui, stulbinantis elektrinis laidumas, galėtų lemti persilaužimą saulės energijos, energijos saugojimo elementų, kompiuterių atminties ir daugybės kitų technologijų srityse. Tačiau viską gadina tai, jog grafeno gamybos procesas yra sudėtingas, dažnai pasibaigiantis neprognozuojamais rezultatais. Tai neabejotinai mažina šios medžiagos panaudojimo potencialą.
Pramoninį grafeno gamybos procesą apriboja ne didelė kaina ar natūralių išteklių stoka – juk panašu, kad nedideli grafeno kiekiai susidaro kiekvienąkart ką nors pakeverzojus paprasčiausiu pieštuku. Pramoninį procesą stabdo nesugebėjimas pagaminti pakankamą pageidaujamo plonumo grafeno kiekį.
Viena iš perspektyvesnių gamybos technologijų yra vadinama cheminiu gariniu nusodinimu (angl. chemical vapor deposition). Jos metu plonyčiai metalo lakštai yra apipurškiami metanu, tuomet metane esantys anglies atomai ant metalo paviršiaus suformuoja ploną grafeno sluoksnį. Toks procesas privalo būti atliekamas vakuume, nes kitaip daugialypiai anglies sluoksniai susilieja į beverčius gumulus.
Pensilvanijos universiteto komandai pavyko parodyti, jog vienasluoksnį grafeną galima patikimai pagaminti esant normaliam slėgiui, jeigu tik metalo lakštai yra pakankamai glotnūs.
„Tas faktas, jog procesą galima atlikti esant atmosferos slėgiui, leidžia grafeną gaminti ir pigiau, ir lanksčiau“, – pasakoja pirmasis straipsnio bendraautoris Žengtangas Luo (Zhengtang Luo).
Kai kitos mokslininkų grupės itin kruopščiai ruošė brangius vario lakštus, Č. Džonsono komanda atlikdama eksperimentus panaudojo prekyboje esančią vario foliją.
„Iš esmės šią foliją galima įsigyti įrankių parduotuvėje“, – pasakojimą tęsia profesorius.
Tam, kad metalo lakštų paviršiaus defektai nesugadintų tvarkingos grafeno sandaros, kitos mokslininkų grupės stengėsi kuo labiau juos nuglotninti. Tačiau toks procesas yra brangus. Č. Džonsono tyrėjų komanda pritaikė „elektrinio poliravimo“ metodą, įprastą pramonėje, kuomet tenka atlikti baigiamąją sidabro dirbinių arba chirurginių instrumentų gamybos fazę. Taip nugludinta vario folija buvo pakankamai glotni, jog net 95 procentus jos paviršiaus pavyktų padengti vieno atomo storio grafeno sluoksniu.
Pramonėje naudojamų medžiagų ir technologijų taikymas galėtų gerokai nuleisti komercinės produkcijos gamybos kartelę.
„Bendra gamybos sistema yra paprastesnė, pigesnė ir lankstesnė“, – taikliai pastebi Ž. Luo.
Pats svarbiausias supaprastinamas greičiausiai būtų galimybė grafeną gaminti esant aplinkos slėgiui, mat jis leistų atsisakyti kai kurių numatomai brangių grafeno gamybos linijų ypatumų.
„Jeigu reikia dirbti dideliame vakuume, tenka rūpintis, kaip patekti ir išeiti iš vakuumo kameros, jog nesusidarytų nuotėkis, – apibendrina pasakojimą profesorius. – Tačiau jeigu darbas vyksta esant atmosferos slėgiui, galima įsivaizduoti elektrinį vario poliravimą, grafeno nusodinimą ir šios medžiagos judėjimą konvejerio juosta kito gamyklinio proceso link.“
