Noong 2010, nanalo sina Geim at Novoselov ng Nobel Prize sa pisika para sa kanilang trabaho sa graphene. Ang parangal na ito ay nag-iwan ng malalim na impresyon sa maraming tao. Tutal, hindi lahat ng kagamitang pang-eksperimento ng Nobel Prize ay kasingkaraniwan ng adhesive tape, at hindi lahat ng bagay sa pananaliksik ay kasing-mahiwaga at madaling maunawaan ng "two-dimensional crystal" graphene. Ang gawa noong 2004 ay maaaring igawad sa 2010, na bihira sa talaan ng Nobel Prize nitong mga nakaraang taon.
Ang graphene ay isang uri ng sangkap na binubuo ng isang patong ng mga atomo ng carbon na malapit na nakaayos sa isang two-dimensional honeycomb hexagonal lattice. Tulad ng diamante, grapayt, fullerene, carbon nanotubes at amorphous carbon, ito ay isang sangkap (simpleng sangkap) na binubuo ng mga elemento ng carbon. Gaya ng ipinapakita sa larawan sa ibaba, ang mga fullerenes at carbon nanotubes ay makikitang nakabalot sa ilang paraan mula sa isang patong ng graphene, na pinagpatong-patong ng maraming patong ng graphene. Ang teoretikal na pananaliksik sa paggamit ng graphene upang ilarawan ang mga katangian ng iba't ibang simpleng sangkap ng carbon (graphite, carbon nanotubes at graphene) ay tumagal nang halos 60 taon, ngunit sa pangkalahatan ay pinaniniwalaan na ang mga naturang two-dimensional na materyales ay mahirap na matatag na umiral nang mag-isa, nakakabit lamang sa three-dimensional na ibabaw ng substrate o sa loob ng mga sangkap tulad ng grapayt. Noong 2004 lamang nang hinubad nina Andre Geim at ng kanyang estudyante na si Konstantin Novoselov ang isang patong ng graphene mula sa grapayt sa pamamagitan ng mga eksperimento na nakamit ng pananaliksik sa graphene ang bagong pag-unlad.
Ang parehong fullerene (kaliwa) at carbon nanotube (gitna) ay maituturing na pinagsama-sama ng isang patong ng graphene sa ilang paraan, habang ang graphite (kanan) ay nakasalansan ng maraming patong ng graphene sa pamamagitan ng koneksyon ng puwersang van der Waals.
Sa kasalukuyan, ang graphene ay maaaring makuha sa maraming paraan, at ang iba't ibang pamamaraan ay may kani-kaniyang mga kalamangan at kahinaan. Sina Geim at Novoselov ay nakakuha ng graphene sa isang simpleng paraan. Gamit ang transparent tape na mabibili sa mga supermarket, hinubad nila ang graphene, isang graphite sheet na may isang layer lamang ng carbon atoms ang kapal, mula sa isang piraso ng high-order pyrolytic graphite. Ito ay maginhawa, ngunit ang kakayahang kontrolin ay hindi gaanong mahusay, at ang graphene na may sukat na mas mababa sa 100 microns (isang ikasampu ng isang milimetro) ay maaari lamang makuha, na maaaring gamitin para sa mga eksperimento, ngunit mahirap itong gamitin para sa mga praktikal na aplikasyon. Ang chemical vapor deposition ay maaaring magpalago ng mga sample ng graphene na may sukat na sampu-sampung sentimetro sa ibabaw ng metal. Bagama't ang lugar na may pare-parehong oryentasyon ay 100 microns lamang [3,4], ito ay naging angkop para sa mga pangangailangan sa produksyon ng ilang mga aplikasyon. Ang isa pang karaniwang pamamaraan ay ang pag-init ng silicon carbide (SIC) crystal sa higit sa 1100 ℃ sa vacuum, upang ang mga silicon atoms na malapit sa ibabaw ay sumingaw, at ang mga natitirang carbon atoms ay muling isaayos, na maaari ring makakuha ng mga sample ng graphene na may magagandang katangian.
Ang Graphene ay isang bagong materyal na may mga natatanging katangian: ang electrical conductivity nito ay kasinghusay ng tanso, at ang thermal conductivity nito ay mas mahusay kaysa sa anumang kilalang materyal. Ito ay napaka-transparent. Maliit na bahagi lamang (2.3%) ng vertical incident visible light ang maa-absorb ng graphene, at karamihan sa liwanag ay dadaan dito. Ito ay napakasiksik na kahit ang mga atomo ng helium (ang pinakamaliit na molekula ng gas) ay hindi makakadaan. Ang mga mahiwagang katangiang ito ay hindi direktang minana mula sa graphite, kundi mula sa quantum mechanics. Ang natatanging electrical at optical properties nito ang nagtatakda na mayroon itong malawak na posibilidad ng aplikasyon.
Bagama't wala pang sampung taon ang paglitaw ng graphene, marami na itong naipakitang teknikal na aplikasyon, na napakabihirang gamitin sa larangan ng pisika at agham ng materyal. Inaabot ng mahigit sampung taon o kahit dekada bago magamit ang mga pangkalahatang materyales mula sa laboratoryo patungo sa totoong buhay. Ano ang silbi ng graphene? Tingnan natin ang dalawang halimbawa.
Malambot at transparent na elektrod
Sa maraming kagamitang elektrikal, kailangang gamitin bilang mga electrode ang mga transparent na konduktibong materyales. Ang mga elektronikong relo, calculator, telebisyon, liquid crystal display, touch screen, solar panel at marami pang ibang aparato ay hindi maaaring iwan ang pagkakaroon ng mga transparent na electrode. Ang tradisyonal na transparent na electrode ay gumagamit ng indium tin oxide (ITO). Dahil sa mataas na presyo at limitadong supply ng indium, ang materyal ay malutong at kulang sa flexibility, at ang electrode ay kailangang ideposito sa gitnang layer ng vacuum, at ang gastos ay medyo mataas. Sa loob ng mahabang panahon, sinusubukan ng mga siyentipiko na makahanap ng kapalit nito. Bilang karagdagan sa mga kinakailangan ng transparency, mahusay na conductivity at madaling paghahanda, kung ang flexibility ng materyal mismo ay mabuti, ito ay magiging angkop para sa paggawa ng "electronic paper" o iba pang natitiklop na display device. Samakatuwid, ang flexibility ay isa ring napakahalagang aspeto. Ang graphene ay isang materyal na angkop para sa mga transparent na electrode.
Ang mga mananaliksik mula sa Samsung at Chengjunguan University sa South Korea ay nakakuha ng graphene na may haba na 30 pulgada sa pamamagitan ng chemical vapor deposition at inilipat ito sa isang 188 micron na kapal na polyethylene terephthalate (PET) film upang makagawa ng graphene based touch screen [4]. Gaya ng ipinapakita sa larawan sa ibaba, ang graphene na tumutubo sa copper foil ay unang idinidikit sa thermal stripping tape (asul na transparent na bahagi), pagkatapos ay tinutunaw ang copper foil sa pamamagitan ng kemikal na pamamaraan, at sa huli ay inililipat ang graphene sa PET film sa pamamagitan ng pag-init.
Bagong kagamitan sa photoelectric induction
Ang Graphene ay may kakaibang mga katangiang optikal. Bagama't mayroon lamang isang patong ng mga atomo, maaari nitong sumipsip ng 2.3% ng inilalabas na liwanag sa buong saklaw ng wavelength mula sa nakikitang liwanag hanggang sa infrared. Ang bilang na ito ay walang kinalaman sa iba pang mga parameter ng materyal ng graphene at natutukoy ng quantum electrodynamics [6]. Ang hinihigop na liwanag ay hahantong sa pagbuo ng mga carrier (mga electron at hole). Ang pagbuo at transportasyon ng mga carrier sa graphene ay ibang-iba sa mga nasa tradisyonal na semiconductors. Dahil dito, ang graphene ay lubos na angkop para sa ultrafast photoelectric induction equipment. Tinatayang ang naturang photoelectric induction equipment ay maaaring gumana sa frequency na 500ghz. Kung gagamitin ito para sa pagpapadala ng signal, maaari itong magpadala ng 500 bilyong zero o isa bawat segundo, at makukumpleto ang pagpapadala ng mga nilalaman ng dalawang Blu-ray disc sa isang segundo.
Gumamit ang mga eksperto mula sa IBM Thomas J. Watson Research Centre sa Estados Unidos ng graphene upang gumawa ng mga photoelectric induction device na maaaring gumana sa 10GHz frequency [8]. Una, ang mga graphene flakes ay inihanda sa isang silicon substrate na natatakpan ng 300 nm na kapal na silica sa pamamagitan ng "tape tearing method", at pagkatapos ay ginawa rito ang mga electrode na gawa sa palladium gold o titanium gold na may pagitan na 1 micron at lapad na 250 nm. Sa ganitong paraan, nakukuha ang isang photoelectric induction device na nakabatay sa graphene.
Diagram ng eskematiko ng mga larawan ng kagamitan sa photoelectric induction ng graphene at scanning electron microscope (SEM) ng mga aktwal na sample. Ang itim na maikling linya sa pigura ay katumbas ng 5 microns, at ang distansya sa pagitan ng mga linya ng metal ay isang micron.
Sa pamamagitan ng mga eksperimento, natuklasan ng mga mananaliksik na ang metal graphene metal structure photoelectric induction device na ito ay maaaring umabot sa working frequency na 16ghz nang pinakamarami, at maaaring gumana sa mataas na bilis sa wavelength range mula 300 nm (malapit sa ultraviolet) hanggang 6 microns (infrared), habang ang tradisyonal na photoelectric induction tube ay hindi kayang tumugon sa infrared light na may mas mahabang wavelength. Malaki pa rin ang posibilidad na mapabuti ang working frequency ng graphene photoelectric induction equipment. Dahil sa superior performance nito, malawak ang saklaw ng aplikasyon nito, kabilang ang komunikasyon, remote control, at environmental monitoring.
Bilang isang bagong materyal na may mga natatanging katangian, ang pananaliksik sa aplikasyon ng graphene ay sunod-sunod na umuusbong. Mahirap para sa atin na isa-isahin ang mga ito dito. Sa hinaharap, maaaring magkaroon ng mga field effect tube na gawa sa graphene, mga molecular switch na gawa sa graphene at mga molecular detector na gawa sa graphene sa pang-araw-araw na buhay… Ang graphene na unti-unting lumalabas sa laboratoryo ay magniningning sa pang-araw-araw na buhay.
Maaari nating asahan na maraming produktong elektroniko na gumagamit ng graphene ang lilitaw sa malapit na hinaharap. Isipin kung gaano ka-interesante kung ang ating mga smartphone at netbook ay maaaring irolyo, isaksak sa ating mga tainga, ipasok sa ating mga bulsa, o isuot sa ating mga pulso kapag hindi ginagamit!
Oras ng pag-post: Mar-09-2022