ponedjeljak, 18 April 2016 09:16

Grafen – čudotvorni materijal


Istovremeno i najtanji i najjači, gotovo providan, a toliko gust da ni najmanji atomi plina ne mogu proći kroz njega. Odličan je provodnik struje, jači od čelika a rastezljiv i do 20%.

2010. godine fizičari rođeni u Rusiji Konstantin Novoselov i Andre Geim, a oba nastavnici na Sveučilištu u Manchesteru, osvojili su i Nobelovu nagradu za fiziku za svoj rad sa ovim materijalom.

"Naše istraživanje je utvrdilo da je grafen najjači materijal ikada izmjeren, oko 200 puta jači od konstrukcijskog čelika“, izjavio je profesor James Hone sa Columbia Sveučilišta. “Morali bi balansirati slona na olovci da bi probili list grafena debljine najlona.”

Upoznajte neke od karakteristika grafena, dvodimenzionalne ugljikove strukture debljine jednog atoma.

Tanak kao papir, jači od čelika

Neobično je čvrst, a u isto vrijeme i savitljiv. U poređenju ‘lista’ grafena sa čelikom, šest je puta lakši, ima pet do šest puta manju gustoću, dva puta tvrđi sa deset puta jačom čvrstoćom i trinaest puta savitljiviji.

Ove karakteristike bi mogle imati izuzetno veliki uticaj na budućnost gradnje vozila, a posebno na avio industriju, koja uveliko ovisi o omjeru čvstoće i težine materijala.

S obzirom na njegovu fleksibilnost, novi i radikalan dizajn mogao bi biti dostupan za sve vrste vozila. Osim toga, grafen je materijal koji se može i reciklirati, što ga čini relativno lakim i jeftinim za proizvodnju.

Reaguje na materijal koji se nalazi ispod njega

Kada se stavi na različite materijale, materijal debljine jednog atoma može poprimiti drastično različita svojstva.

Pokusi, provedeni na MIT-u, predstavili su ovu vrstu ponašanja.

Grafen je toliko tanak da je konstantno pod utjecajem električnog polja atoma ispod njega. Ukoliko bi naučnici željeli da određene biomolekule dovedu do reakcije, bez da ih uznemiruju, grafen bi im mogao pomoći.

U kontaktu sa svjetlom, grafen stvara struju

Prema istraživačima na MIT-u, grafen stvara električnu energiju kada ga pogodi svjetlost. Pored svojih ostalih impresivnih ‘supermoći’, mogućnost za proizvodnju električne energije od svjetla je samo šlag na tortu.

Radi na principu da kada je pogođen svjetlom (gotovo bilo kojom vrstom svjetla), dobija karakteristiku toplog provodnika. To znači da elektroni molekula grafena dobiju dovoljno energije da se počnu kretati (strujati), iako ugljik ispod ostaje hladan.

Provodnici struje nisu nešto novo, ali predstaljaju revoluciju u ovoj vrsti scenarija. Grafen može proizvesti i provoditi struju u najobičnijim uslovima, kao što su soba do koje dopire sunčeva svjetlost.

Grafen može poboljšati učinkovitost desalinizacije

Iako je već dovoljno impresivan, čini se da grafen ima još nekoliko asova u rukavu. Prema istraživačima na MIT-u, grafen također može povećati učinkovitsot desalinizacije za dva ili tri reda veličine.

Desalinizacija može zvučati dosadno, ali je i te kako važna. Oko 97% vode na našem planetu nije za piće, s obzirom da je slana. A metode uklanjanja soli iz vode su dugotrajne i skupe. Grafen, čudnovati materijal ima potencijal da promjeni način na koji se do sada desaliniziralo i postane ‘najbolji filter na svijetu’. Ako možete povećati učinkovitost desalinizacije za dva ili tri reda veličine (to jest, 100 do 1000 puta učinkovitije) problem pitke vode u svijetu bi bio riješen.

Desalinizacija radi vjerovatno onako kako ste i zamislili, morska voda prolazi kroz filter koji blokira sol a propušta čistu vodu. Problem je taj: što je deblji filter, proces je manje učinkovitiji. Ako ste već stvorili sliku o grafenu, možete predpostaviti naredne rečenice. Listovi grafena su debljine jednog atoma. Budući da je nanopropusan, može pustiti vodu da prođe kroz njega, ali ne i soli – i sve to bez potrebe za ikakvim pritiskom, pomoću kojih trenutni filteri rade.

Grafen jača učinkovitost umjetne fotosinteze

Već smo u dijelu teksta gdje vas ne trebaju čuditi supermoći grafena, ali ako vam nije dosta – evo još jedne.

Nedavna studija tima naučnika iz Instituta za hemijsko i tehnološko istraživanje u Koreji i Ewha ženskog univerziteta, otkrila su da grafen ima potencijal za povećanje efikasnosti umjetne fotosinteze. To je vjerojatno dijelom zahvaljujući svojoj sposobnosti da proizvode električnu energiju pri udaru svjetla.

Kada govorimo o fotosintezi, umjetnoj ili ne, postoji važan dio procesa koji se zove fotokatalist. U biljkama, fotokatalist je klorofil. U laboratoriji, proces je malo teži, ali grafen bi mogao biti odgovor.

Budući da je 46% ukupne sunčeve svjetlosti koja udara Zemlju u vidljivom spektru – za razliku od samo 4% u UV području – dosadašnji umjetni fotokatalisti koji dobivaju svoju ‘hranu’ od normalnog vidljivog sunčevog svjetla nisu pokazali najbolji rezultat.

Dalje možete pretpostaviti. Naučnici su pokušali iskoristiti grafen kao fotokatalist. Kao što se i očekivalo, običan list grafena u kombinaciji s malo enzima porfirina postao je izuzetno funkcionalan sa sunčevim svjetlosnim spektrom, što ga je odmah učinilo najboljim kandidatom za umjetne fotokataliste.

Ovo otkriće se ne zaustavlja samo na umjetnoj fotosintezi. Uskoro ćemo imati umjetne solarne ćelije koje se hrane sunčevom svjetlošću i karbon dioksidom, a pretvaraju ih u metansku kiselinu – koja se koristi u industriji plastike.

Listovi grafena mogu sami zakrpiti svoje rupe

Ako vam grafen već nije nije dovoljno čudotvoran, evo još jedne karakteristike: Listovi grafena mogu sami zakrpiti svoje rupe!

Čini se da pitanje više nije „šta grafen može“, već „šta grafen ne može učiniti“.

Jedna od slabosti grafena je da, dok ima nevjerojatnu čvrstoću, činjenica da je pretanak (jedan atom) ga čini sklonom oštećenju. Tim istraživača na Sveučilištu u Manchesteru, Velika Britanija, koji uključuje i jednog od koosnivača grafena Konstantina Novoselovog, otkrio je još jednu korisnu kvalitetu materijala koji bi mogao prevazići i svoje slabosti. List grafena sa rupama, ukoliko je izložen gomili slobodnih atoma ugljika, može popuniti sve rupe – i biti kao nov.

Do ovog otkrića je došlo sasvim slučajno, kada su naučnici dodavali metalne trake na materijal, kako bi eksperimntisali sa povećanom primjenom u elektronici. Primjetili su da ‘odlutali’ atomi ugljika popunjavaju oštećenja na listu grafena – što je dovelo do novog revolucionarnog otkrića.

Kada su usmjerili pažnju na ovaj fenomen, istraživači su otkrili da i ugljikovodici pokazuju slično ponašanje, ali oni bi mogli stvoriti nepravilne formacije u lista grafena. Međutim, čisti atomi ugljika, primijenjeni u odgovarajućim količinama, popune rupe u savršenom heksagonalnom obliku. Kada je nestalo slobodnih atoma ugljika, atomi metala su preuzeli njihovu ulogu i popunili preostale rupe.

Grafen je trenutno jedan od najčudotvornijih materijala na svijetu, a njegov potencijal se tek počeo otkrivati...

 

Izvor: Pixelizam

Ocijeni
(7 glasova)
Čitano 995 puta

Magazin Ašk