Megreformálhatja az emberiség jövőjét az új anyag, a grafén

 

Megreformálhatja az emberiség jövőjét az új anyag, a grafén

Továbbá joobb elektromos vezető a réznél, rugalmasabb a guminál, színtelen és leheletkönnyű fajsúlyú. Az elkövetkező 20-30 évben gyakran fogunk találkozni vele.
Az elektronikától az orvostudományig nagyon sok területen ígér áttörés jellegű előrelépést a 2004-ben Nagy-Britanniában felfedezett anyag, a grafén. Előállítói Andrej Konsztantinovics Geim és Konsztantyin Szergejevics Novoszjolov, a Manchesteri Egyetem professzorai, aki felfedezésükért 2010-ben fizikai Nobel-díjat kaptak. A grafén kétdimenziós, egyetlen atomvastagságú szénréteg, keményebb a gyémántnál, háromszázszor erősebb az acélnál, jobb elektromos vezető a réznél, rugalmasabb a guminál, színtelen és leheletkönnyű fajsúlyú. Máris világméretű verseny indult meg az országok és vállalatok között a grafén jobb megismerésére és ipari alkalmazására. Lehetővé válhat például általa az összehajtható képernyő, a ruházatban viselhető nanoelektronika, a személyre szabott orvoslást lehetővé tevő egyszerű génmanipuláció, az új energiatároló rendszerek létrehozása. Sokak szerint ez lehet a jövő technológiájának az alapja.

Forrás: http://www.szabadsag.ro/

Érdemes már ma megismerkedni az anyagok szupermenjével, mert az elkövetkező 20-30 évben gyakran fogunk találkozni vele. 

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 milió 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.

Mindenmás

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 meggyugtató 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.

forrás: smart.blog.hu

Kartávolságra az éjjellátó kontaktlencse

Állítólag Oszama bin Laden elfogásakor már „cat vision” kontaktlencsét használtak a katonák. A technológia – nem pusztán katonai célra – elérhető közelségbe került.

Többé nem scifi: Ted Norris és Zhaohui Zhong, a University of Michigan mérnökei megtalálták a megoldást, hogy miként lehetne hatalmas védőszemüveg nélkül macskaként látni a sötétében. Az infravörös fény érzékelésére az egyetlen atom vastagságú nanotechnológiai anyagot, a grafént használják fel. (A grafén feltalálásáért Andre Geim és Konsztantyin Szergejevics Novoszjolov 2010-ben fizikai Nobel-díjat kapott.)

Grafén alkalmazásával a lencse anyagát nem kell rendkívül alacsony hőmérsékletre hűteni, s a mérete is rendkívül kicsi és vékony maradhat.
Ted Norris és Zhaohui Zhong a grafén rétegben – hasonlóan a szilícium chipekhez – elektromos jellé alakítva az infravörös sugarakat, már meg tudják jeleníteni az éjszakai képet. Még további kutatásra van szükség, hogy tovább javítsák a lencse fényérzékenységét.

A projekt egyáltalán nem akar megállni katonai céloknál: alkalmas lehet az okostelefonok éjszakai fényképezésének javítására, vagy például jól felhasználható az autószélvédők anyagában, a sötétben való autózáshoz.

Forrás: The Verge

Előttünk a grafénalapú világ

Úgy tűnik, hogy valamennyi, a jövőjét komolyan vevő állam és cég arra koncentrál, hogy minél több, grafénnal kapcsolatos felfedezés kötődjön hozzá. A felfokozott aktivitás következménye: a grafénes szabadalmak számának hihetetlen mértékű felfutása. E különleges anyag tulajdonságait jól ismerők azt mondják, hogy a grafén az ipari forradalomhoz hasonló változást indíthat el a gazdaságban.
De miért érdekes ez az anyag? Mert sokkal keményebb a gyémántnál, sokkal jobb elektromos vezető a réznél, és rugalmasabb a guminál. Ezért indult meg a világméretű verseny a grafén minél jobb megismerésére. Mindenki szeretné learatni a különleges tulajdonságú anyagból készült majdani termékek extraprofitját.

Bíró László Péter, az MTA Természettudományi Kutatóközpont professzora szerint a grafén valóban jó eséllyel forradalmasítja a világot. Sőt, elképzelhető, hogy jóval nagyobb mértékben, mint tette azt annak idején a szilícium, amelynek köszönhetően sok egyéb mellett integrált áramköröket, számítógépet, mobiltelefont, tabletet használunk. Ugyanúgy, ahogy ezek az eszközök átrajzolták az életünket, a grafén is ezt fogja tenni, például az összehajtható képernyők, a szó szerint ruházatban viselhető (nano) elektronika, a személyre szabott orvoslást lehetővé tevő olcsó "génszerkesztés", az új energiatároló rendszerek és még rengeteg más alkalmazás által.

Kérdésünkre, hogy nem túlzás ez a kijelentés egy olyan anyag esetén, amelyet 2004-ben hozott létre két orosz kutató, tehát évtizedes múltja sincs, Bíró László Péter válasza: csak a tavalyi év folyamán 8062, szakemberek által elbírált tudományos cikk jelent meg az angol nyelvű szaksajtóban grafén témában. Néhány publikáció magyar kutatók nevéhez fűződik. (Nincs okunk a szégyenkezésre, hazánk a világ élvonalához tartozik a grafén kutatásában, illetve abban, hogy az anyagot felhasználhatóvá tegyék.) Tapasztó Levente és munkatársai (MTA TTK Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet) 2012 nyarán olyan grafénmezőt hoztak létre, amelynek a „szerkezeti hullámossága” (egyszerűbben szólva a gyűröttsége) egy nanométernél kisebb periodicitással ismétlődik. Az új struktúra a grafén elektronszerkezetét is torzítja, és ebből adódóan az anyag tulajdonságait is megváltoztatja. A rendkívüli anyagnak az atomi pontosságú megmunkálását alapozta meg Nemes-Incze Péter 2010-es felfedezése. Az általa kidolgozott módszerrel cikcakk élű, hibátlan grafénalakzat állítható elő. A szerkezet és az anyagjellemzők vizsgálata közelebb viheti a kutatókat a közeljövő egyik szuperanyagaként kezelt grafén beható megismeréséhez.

A grafén tulajdonképpen egy régi-új anyag. A grafitot már nagyon régóta ismeri és használja az emberiség, a grafén pedig nem más, mint egyetlen atom vastagságú grafitréteg. Az 1958-ban Szocsiban született Andrej Geim és az 1974-ben Nyizsnyij Tagilban született Konsztantin Novoszelov 2004-ben jött rá, hogy miként lehet egyetlen grafitrétegből álló anyagot előállítani. A két fizikus zseniális ötlete az volt, hogy speciális ragasztószalag segítségével addig téptek egy grafitot, amíg sikerült arról egyetlen réteget leszakítani. Tíz év sem telt el, és azt látjuk, hogy az elektronikától az orvostudományig majd minden területen ígéretes alkalmazásokkal kecsegtet ez az anyag. A két orosz származású kutató 2004-es felfedezéséért 2010-ben fizikai Nobel-díjat kapott, majd 2012 januárjában lovaggá ütötték őket.

Az alapkutatásokon alapuló szabadalmak számának felfutása jól mutatja a felfokozott érdeklődést. A CambridgeIP összesítése szerint tavaly év végéig a világon összesen 7351, grafénnel kapcsolatos szabadalmi bejelentés született – ez rendkívül magas egy évtizede sem kutatott anyag esetében. A kínai intézményeké és vállalatoké a legtöbb (2200) levédett bejelentés. Az Egyesült Államok a második helyen 1754 szabadalommal áll. Az Egyesült Királyság, amely elindította ezt az egész folyamatot 2004-ben, csak 54 szabadalmat tud felmutatni – ebből 16 ahhoz a Manchester Egyetemhez fűződik, amelynek falai között jelenleg is dolgozik a két Nobel-díjas kutató. Ha a cégeket nézzük, akkor azt látjuk, hogy a Samsung 407, a második helyezett amerikai IBM 134 szabadalmat tudhat a magáénak. A BBC meglehetős szomorúsággal állapítja meg, hogy miközben a grafénnel kapcsolatos első jelentős kutatások Nagy-Britanniához kötődnek, a szabadalmak terén óriási a lemaradásuk.

Forrás: http://nol.hu/