Érdemes már ma megismerkedni az anyagok szupermenjével, mert az elkövetkező 20-30 évben gyakran fogunk találkozni vele. Egy szót mondok: grafén
De mi is az a grafén?
Próbáltad gyerekkorodban a nápolyinak óvatosan leapplikálni egy-egy rétegét? Ha ugyanezt a grafittal teszed meg, újabb és újabb rétegeket szedsz le róla, míg végül csak egyetlen atomnyi vastag réteg marad, már el is jutottál a grafénhez.
Az egy atomnyi vastagságú grafit annyira vékony, hogy a gyakorlatban nem is látható, ezért kétdimenziós anyagnak is nevezhetjük. Hogy el tudjuk képzelni, mennyire vékony: ha hárommillió ív ilyen grafénréteget teszünk egymásra, még mindig csak 1 milliméter vastag lesz.
De miért akkora felfedezés ez, hogy két tudós (Andre Geim és Konsztantyin Novoszjolov) 2010-ben emiatt kapott fizikai Nobel-díjat?
Hát azért, mert a grafénnek egyedülálló tulajdonságai vannak. Lássuk:
200-szor erősebb az acélnál, ezzel a legerősebb ismert anyag. Hogy ezt is egy példával illusztráljam, ha egy folpack vékonyságú grafén fóliára ráállítunk hegyével lefelé egy ceruzát, arra pedig ráállítunk egy elefántot, nem fogja tudni átszúrni.
A keménysége ellenére olyan rugalmas, mint a gumi, jól hajlítható
Az elektronok gyorsabban mozognak benne, mint más anyagban. 10-szer jobb vezető, mint a réz.
Átlátszó
Öntisztító, ellenáll a víznek, olajnak, zsírnak
Jól keverhető. Csupán egy százaléknyi grafént keverve a műanyaghoz, kiváló elektromos vezetőt kapunk.
De sokkal érdekesebb, hogy mit lehet csinálni belőle. Néhány példa a felhasználási lehetőségeiről:
Karkötővé hajtogatható tablet
Olyan átlátszó, hajlítható, érintőképernyős eszközt lehet vele készíteni, ami teljes szélességében tabletként, összehajtva mobiltelefonként, a csuklón meghajlítva okosóraként/okoskarkötőként is használható. Tud átlátszó is lenni, de át tud változni bármilyen színűvé, vagy mintájúvá. Ráadásul a grafénnel kevert műanyag erősebb és könnyebb lesz. A zsírtaszító tulajdonsága miatt pedig nem lesz tele ujjlenyomattal.
Sőt, grafén réteggel bevonva az asztalokat, falakat, mindenből kijelzőt varázsolhatunk. Nem kellenek többet fizikai kapcsolók és szabályozók a tűzhelyekre, a házfalakon távolról irányítva változtathatják a reklámokat, a buszmegállók tábláin az érkezési időpontokat, de kiválthatja a hagyományos televíziót, vetítőt is.
Ablaküvegből napelemek
A jelenleginél 20-szor hatékonyabb napelemek építhetőek belőle, a felhasználásával a napenergia megtérülési mutatói jóval meggyőzőbbé válhatnak. A lakás ablakai akár teljes méretükben bevonhatók grafénnel, így napelemként és képernyőként is használhatók. Mivel bármilyen színt meg tud jeleníteni, megszűnhet a függöny fényszűrő feladata. Vagy képzeljünk el egy kirakatüveget, amelyen reklámok futnak. És ha a járókelők már megőrülnek a sok reklámtól, semmi baj, mert a grafén törhetetlenné is teszi a kirakatüveget.
Útban a kvantumszámítógép felé
Az utóbbi években egyre inkább vért izzadnak a chipfejlesztők, hogy megfeleljenek Moore törvényének, és 18-24 havonta duplázni tudják a processzorok teljesítményét. Ez a megfelelés azonban egyre komplexebb és drágább gyártási technológiákat követel. Sokan gondolják, hogy a fejlődés eddigi üteme nem tartható a jövőben. Az ultragyors, de nem melegedő graféntartalmú csipek fejlesztése ugyan még viszonylag korai stádiumban van, de várhatóan nagyságrendekkel jobb teljesítményt produkál majd, mint a szilícium. Az IBM kutatóinak eredményei alapján úgy tűnik, a grafén megmentheti Moore törvényét.
A torrentezés jövője
Wifi-n vagy 3G-n nagy fájlokat feltölteni máig idegőrlő tevékenység. Mivel az elektronok szinte ellenállás nélkül hasítanak végig a kétdimenziós felületen, ezért grafén antennával lehetséges akár másodpercenként egy terabites sebesség elérése is. Ez kb. 50-80 darab közepes minőségű mozifilmnek felel meg.
Telefontöltés 5 másodperc alatt! – Ha voltál már olyan helyzetben, hogy egy kávézó pincérének kellett könyörögnöd 5 perc telefontöltésért, mert egy fontos hívást vársz, akkor örülsz majd annak az információnak, hogy a grafén alapú elemek 5 másodperc alatt 100 százalékra tölthetők.
Ráadásul több energiát, hosszabb ideig lesznek képesek tárolni. Épp ideje lenne, hiszen az elektronika hihetetlen fejlődéséből az elemek eddig teljesen kimaradtak. Az első iPhone is kb. egy napig bírta, és a mai készülékek is. Lítium-ion elemek kapacitását a tízszeresére tudták növelni grafén hozzáadásával.
A mobil eszközökön kívül ez forradalmi hatású lehet az elektromos autóiparra is, amelynek legnagyobb problémája, hogy hatalmas súlyú elemeket cipelnek az autók (egy Teslában 450 kiló elem van), mégis 80-100 kilométerenként lemerülnek. És ha egyszer lemerültek, órákig tart a töltésük. Nos, a grafénnal dúsított elemek ezen problémák mindegyikét megoldják, mert súlyra könnyebbek, sokkal nagyobb kapacitásúak, és nagyságrendekkel gyorsabban töltődnek. Sőt, grafén tartalmú kaszni esetén maga az autó is tudja tölteni energiával.
Törhetetlen járművek
A grafén könnyűsége, hajlékonysága és törhetetlensége az autó, és repülőgyártásban is óriási fejlődést jelent. Egy koreai egyetemen réz, illetve nikkel rétegeket grafén rétegekkel keverve olyan kompozit anyagot állítottak elő, amely a rezet 500-szor, a nikkelt 180-szor erősebbé tette, ugyanakkor ellenállóvá az erózióval szemben. Járműveknél is előnyös lehet az ablakoknál a vízlepergető hatás. A grafénnal vége lesz az ablaktörlő-iparnak.
Tengervízből ivóvíz
A világon 783 millió ember nehezen jut édesvízhez, ami közvetetten évente 3,4 millió ember halálát okozza. A tudósok azt gondolták, a grafén erős felépítését és vízhatlanságát felhasználva új vízszűrő eljárásokat lehetne kidolgozni.
Az MIT, illetve a repülőgép-, és hadiipari óriás Lockheed Martin is fejest ugrott a fejlesztésbe. Egy grafénrétegre apró lyukakat szúrtak, amely a vizet átengedi, de a nátriumot, klórt, és egyéb ionokat kiszűri. Míg az elmúlt évtizedekben elterjedt, fordított ozmózis alapú víztisztításnál óriási nyomással kell keresztülnyomni a vizet a szűrő membránon, az annál ezerszer vékonyabb grafén esetében jóval kisebb nyomás elegendő. Így sokkal kevesebb energiával, jóval olcsóbban valósítható meg a tengervíz sótalanítása.
Minden más
Aki irigyelte a Predator idegen lényeinek UV- vagy infravörös látását, az örülhet, mert grafén alapú kontaktlencsével ő is képes lesz hasonlóra.
A gyógyászatban is nagy reményeket fűznek hozzá, elsősorban a bioszenzorok, és a célzott gyógyszerbevitel területén.
Építészetben használható bevonóanyagként, erősebbé, ellenállóbbá, és vízlepergetővé teszi az épületeket, lehetetlenné teszi a graffitizést.
A felhasználási módok sokoldalúságát mutatja, hogy a Manchester-i Egyetem elszakíthatatlan, grafén tartalmú gumióvszert fejleszt, amit Bill Gates alapítványa is támogat.
És hogy hab is legyen a tortán: Az alapanyag, a szén óriási mennyiségben rendelkezésre áll, és nagyon olcsó.
Ha ennyire szép minden, akkor miért nincs még hajlítható telefon?
Ahogy minden új technológiának, a grafénnak is vannak problémái. A nanotechnológia – aminek egyik zászlóshajója lehet a grafén – lényege ugyanis a felfoghatatlanul apró méret. Egy atom vastagságú, láthatatlan réteggel nagyipari környezetben dolgozni nem triviális dolog.
A kutatók leggyakrabban az ún. hántolásos módszerrel állítják elő a grafént. Ez abból áll, hogy egy grafitdarabra ragasztószalagot nyomnak, majd letépik, a letépett rétegekre újabb ragasztószalagot tesznek, rétegről rétegre vékonyítva, míg csak egy atomnyi marad. Ez a módszer egy kutatólaborban elegendő, de tömeggyártásra nem alkalmas. Bár több irányba is elindultak a tömeggyártással, a szükséges gépek és ipari folyamatok kialakítása évekig tart.
Emellett léteznek egészségügyi félelmek. A láthatatlanul parányi, de nagyon erős nanorészecskék ugyanis az emberi (vagy más élő) szervezetbe kerülve komoly károkat okozhatnak. A szervezet képtelen ezeket lebontani, a sejtfalakat viszont könnyedén képesek átszúrni. Ez a tulajdonsága hasonló az azbeszthez, gyulladást alakít ki, és súlyos betegségekhez vezethet. A kutatók sem tartják lehetetlennek ezen problémák megoldását, de a kereskedelmi forgalomba kerülés előtt ezekre mindenképp megnyugtató megoldást kell találni.
A Samsung, az IBM, a Siemens, az LG, az egyetemi kutatólaboratóriumokon keresztül a kormányok dollármilliárdokat öntenek a grafénkutatásba (tavaly az EU is megszavazott egy egymilliárd Eurós grafénkutatási programot). Ahogy jönnek az eredmények, úgy kapcsolódnak be újabb és újabb szereplők, hogy részesei lehessenek a jövőbeli piacrobbanásnak. A terület befektetői 3-5 éven belül várják a kereskedelmi forgalomban kapható grafén termékek megjelenését, a szkeptikusabbak 7-10 évet mondanak. Várhatóan a kijelzők és napelemek lesznek az első boltba kerülő termékek, a többi felhasználási mód még a kutatásokon múlik.
Mindenesetre nemsokára eljön az idő, amikor a Szilícium völgy – ha másban nem is, – elnevezésében az elavult technológiát fogja jelenteni.
Venmarton
Biztos?
Mi biztos? 🙂
– Egyébként meg mindenképp.
20x hatekonyabb napelem? Az jo, a mostaniak kb15-20%-ot tudnak, tehat akkor a grafrnbol csinalt napelem 3-400%-ot tud? Biztos?
Kedves Balázs és Pityka!
Úgy érzem igen-nem válaszra vártok. Ha nem is konkrétan ebben a témában, de több helyen meg azon munkálkodnak, hogy hogyan butítsanak vissza dolgokat, hogy az emberek számára beadható legyen.
– Igazából olyan nagyságrendű változások történnek napjainkban és olyan nagyságrendű változások előtt állunk, amit egyre nehezebb belegyömöszölni a megszokott “mennyiségi” kifejezések és keretek közé. Erről biztosan Ti is sokat tudnátok mesélni.
A cikkben nem teljesen tisztázott az elem és az akkumulátor fogalma és inkább tájékoztató jellegű szerintem, hiszen nincsen kibontva, hogy valójában milyen paramétereket rendeltek a számszaki megközelítéshez. Arról is esett már szó egy másik cikkben, hogy a grafén csak a kezdet volt a nanotechnológiában, ami kiverheti sokaknál a biztosítékot.
Mi úgy véljük, hogy inkább a minőségi robbanás az, ami lényeges, – ennek érzékeltetésére abszolút megfelelnek a fenti sorok. Az energia, illetve ennek tárolása, mint olyan, főleg ha egy kicsit szabadabb energiáról beszélünk, tudomásul kell vennünk, hogy van és pár év múlva, ahogy újrastrukturálódik a társadalmunk már csak az “indító energia” mikéntje lesz maximum téma.
Kevésbé látom értelmét, hogy ragaszkodjunk a százalékos megközelítéshez. Annyira, de annyira sok dimenziós ez a létezés.
“… Ott volt David Bohm munkája, aki a kvantum-non-lokalitás elméletét alkalmazta egy rendszer meghatározásához; őt már említettem a holografikus paradigmával kapcsolatban. Ám Neumann János (1955.) volt az első, aki a fizikába – és így a tudomány egészébe – beépítette a tudatot, azt állítva, hogy a tudat választja ki a megtapasztalást az összes olyan kvantumlehetőség közül, amelyeket egy objektum képvisel a kvantumfizikában. Az ő feltevése magyarázatot ad a megfigyelői hatásra („observer effect”) – a megfigyelők egyértelműen mindig átalakították a kvantumlehetőségeket konkrét megtapasztalásokká. A hetvenes években Fred Alan Wolf volt az (1970., 1984.), aki népszerűsítette Neumann elképzelését a következő jelmondattal: „Mi hozzuk létre a saját realitásunkat”… ” (Goswami)
Talán tegyük fel másképp a kérdést!
– Mennyit szeretnénk?
Murzsicz András
Dear charoninstitute!
Először is köszönet a grafén bemutatásáért, itt hallottam először róla.
Van 2 pontatlanság a cikkben. Az egyik, hogy az elektron biztos, hogy nem megy gyorsabban. Annak állandó a sebessége. Valamivel lassabb a fénynél, de állandó az elektron sebessége is. Hát hogy a grafén ohmos ellenállása 10x kisebb a réznél, az taps! Ez már óriási haladás az áramvezetés tekintetében.
A másik az inkább ellentmondás a szövegben. Mert ugye felvetődik a vékonyság, mint probléma – nagyon jó érvekkel egyébként. És a gyártás az meg hántolással történik. Hát akkor nem hántolok annyit, és máris több atom vastag a grafén, így elkerülendő a vékonyság. De, ha grafitból hántolok, akkor a grafén nem egy új anyag, hanem csak egy 1 atom vastag grafit. Érted. És akkor így nem világos, hogy most mindenképpen kell az 1 atom vastagság, vagy lehet a grafén több atom vastag is biztonságosan, tehát hogy a rétegek például nem csúsznak el egymáson. Meg hát gondolom a szénatomok kristályrácsának elrendezésében van itt a kulcs. Tehát akkor nem grafitot vékonyítanak, mert az végig grafit marad, és akkor meg a hántolási technológia válik értelmetlenné. No, hát ennyi igazából. Nem rosszindulatból írtam! Meg köszönöm, hogy most már ismerek egy új főnevet. 🙂
Dögöljek meg, ha értem… Ha valami ilyen erős az atomnyi vastagságra vékonyított anyagában, akkor minek egyáltalán nagy küzdelemmel levékonyítani? Százszor, ezerszer, milliószor, milliárdszor vastagabb, vagy eredeti vastagságában ennyiszeresen erősebbnek kellene lennie, nem? Ezért ellentmondásosnak tűnik, hogy a hagyományos ceruzáim hegyét mennyit kellett farigcsálnom anno… Valami apró részlet kimaradhatott az anyag szerkezetének módosítására vonatkozóan a cikkből… Szerintem…
Kedves László!
Annál a fránya elektronnál tényleg vannak problémák, mert a diszkontinuitás, mint olyan gőzerővel működik nála is. (folyamatosság, folytonosság megszakadása) Azaz, – kilép az általunk megszokott linearitás keretei közül. Ergo van olyan állapot, amikor az elektron időfüggetlen állapotba más tulajdonságokat mutat és megszűnik az állandósága.
Mondanék akkor még vagy két főnevet. 🙂 Szilicén és Foszforén
– Ezek szintén “bajnok-aspiránsok”
Kedves Mátyás!
Kérlek ne dögölj meg még annak ellenére se, hogy esetleg egy ideig még nem is fogod!
Még nem köztudott igazán, hogy az anyag, amikor halmazállapot változáson megy keresztül akkor megváltozik. – Pedig nap mint nap kiveri a szemünket, – gondoljunk csak a jég, víz, gőz állapotokra.
Ezt Tesla is nagy titokként kezelte, emlegette. Idézik is ezt Tőle elegen.
Az meg még kevésbé köztudott, hogy a dimenziók esetében is ugyanez játszódik le.
Ezért kellett a két dimenziós anyag-szerkezetig lemenni, mert itt módosul a térbeli rácsszerkezet.
Ugyanaz a metódus, mint az alkimistáknál, de ezekről már írtunk sokat.
Javasolnám mindkettőtöknek, ha megengeditek, hogy a legutolsó cikket olvassátok el. (jobbra fent)
Az általatok felvetett paradoxon feloldásához is vezethet.
És bocsánat, hogy nem mentem bele mélyebben a témába.
Murzsicz András
‘Az egyik, hogy az elektron biztos, hogy nem megy gyorsabban. Annak állandó a sebessége.’ –
Szondi László
Ezt honnan vetted? Hallottál már a röntgen csőről, például? Fermi szintről? Sommerfeld modellről? Még a fotonokat is meg lehet _állítani_, megfelelő körülmények között.
Hát hogy a fotont meg lehet állítani, azt azért nem hiszem, de most hagyjuk a fényt.
Arról beszélek, ha VEZETŐN megy az áram. Nem 1 db elektronról van most szó! Hanem áramvezetésről. Áramvezetésnél eleve csak a külső elektronhéjakon megy a brigád. És ott az áramlás iránya eleve egységes, ott “szinte” állandó a sebességük. A katódsugárcső az teljesen más, meg a nukleonok körül keringő elektron is más. Mármint ebből a szempontból.
Jó, mondjuk úgy kellett volna írnom, hogy az áram nem folyik gyorsabban. Nem az elektron szót kellett volna használnom.
Két kérdés:
1: ha valóban ilyen kemény, akkor a grafitceruza belseje miért törékeny, és miért kopik?
2: a többi réteget le nem választva miért nem olyan szuper kemény? Hiszen vastagabb! És ha az azt borító rétegek puhábbak is, attól még a közepében lévő grafén miatt nem kéne eltörni, jól gondolom?
Vagy van erre is ésszerű magyarázat? Ha igen, akkor érdekelne. 😀
Kedves Péter!
Az utolsó intézeti hozzászólásban pontosan erre a két kérdésre lett utalva.
Továbbá tájékoztatásul még annyit, – nem fogadunk több hozzászólást ehhez a cikkhez, már így is túl magas az olvasottsági hullám.
Ez a cikk fenn van még máshol is az interneten, kérjük azokat osszák meg, ha tehetik.
Köszönettel; Murzsicz András