Nobel z fizyki za odkrycie grafenu

Novoselov i Geim, którzy studia skończyli w Rosji, po raz pierwszy spotkali się w Holandii, gdy Novoselov robił doktorat. Razem wyjechali do Wielkiej Brytanii, gdzie zostali profesorami University of Manchester. W październiku roku 2004 opublikowali na łamach "Science" artykuł, który wywołał poruszenie na całym świecie.

Wyizolowali grafen z kawałka grafitu, który można znaleźć w zwykłym ołówku. Co więcej, do uzyskania jego jednoatomowej warstwy wykorzystali zwykłą taśmę samoprzylepną. Wielu specjalistów nie wierzyło, że jednoatomowa warstwa jakiegokolwiek materiału może być stabilna.

Tymczasem grafen to najmocniejszy znany materiał, ponad 100 razy mocniejszy niż stal, a zarazem tak elastyczny, że można go bez szkody rozciągnąć o 20 proc. Podobnie jak diament, składa się z atomów węgla, pierwiastka, bez którego nie mogłoby istnieć życie w znanej nam formie. Atomy węgla tworzą w grafenie płaską, praktycznie dwuwymiarową siatkę o sześciokątnych oczkach, której struktura przypomina plaster miodu.

Grafen jest równie dobrym przewodnikiem elektryczności co miedź, a pod względem przewodnictwa ciepła przewyższa wszystkie znane materiały. Choć jest niemal całkowicie przezroczysty (pochłania tylko 2,3 proc. światła), przez jego warstwę nie przechodzą nawet maleńkie atomy helu.

Dzięki grafenowi fizycy mogą w nieosiągalny wcześniej sposób badać zjawiska z zakresu mechaniki kwantowej, gdyż elektrony poruszają się w grafenie z prędkością sięgająca 1/300 prędkości światła. Pozwala to wykonywać wiele doświadczeń, które dotąd wymagały użycia akceleratora.

Z grafenu powstają nowe komponenty elektroniczne - na przykład tranzystory, dużo szybsze od powszechnie stosowanych tranzystorów krzemowych. Komputery z grafenu mogłyby działać z częstotliwością rzędu 500-1000 gigaherców.

Przejrzystość i znakomite przewodnictwo sprawiają, że grafen nadaje się do wytwarzania przejrzystych, zwijanych w rolkę wyświetlaczy dotykowych, źródeł światła czy baterii słonecznych. Czujniki z grafenu potrafią zarejestrować obecność pojedynczej cząsteczki szkodliwej substancji.

Jako dodatek do tworzyw sztucznych, grafen może je przekształcić w przewodniki elektryczności, podnosi też odporność na ciepło oraz wytrzymałość mechaniczną. Tak elastyczne i wytrzymałe materiały nadają się do budowy samochodów, samolotów czy pojazdów kosmicznych.

Przez wiele lat uważano, że istnieją dwie odmiany węgla, różniące się ułożeniem atomów - diament i grafit. Struktura diamentu jest trójwymiarowa, co nadaje jej olbrzymią odporność. Grafit jest tak miękki, że można nim pisać po papierze - tworzące go płaskie warstwy atomów łatwo się po sobie ślizgają, co sprawia, że ołówkiem można pisać po papierze. Na milimetrową warstwę grafitu składają się trzy miliony oddzielnych, leżących na sobie warstw, dziś znanych jako grafen. Później okazało się, że istnieją jeszcze "zwinięte" z grafenu nanorurki i kuliste fullereny, przypominające piłkę.

Zapewne każdemu, kto pisał ołówkiem, udawało się od czasu do czasu uzyskać warstwę grafenu, choć o tym nie wiedział. Jednak nikt nie potrafił świadomie rozłożyć grafitu na pojedyncze warstwy - do czasu, gdy na ten pomysł wpadli tegoroczni nobliści.

W roku 2004 Geim i Novoselov wykorzystali taśmę klejącą, aby odrywać poszczególne warstewki z kawałka grafitu. Uzyskali w końcu jednoatomowe warstwy. Potem fragmenty grafenu przytwierdzali do płytki z utlenionego krzemu, standardowego materiału stosowanego w elektronice.

Pojedyncza warstwa węglowej siateczki o sześciokątnych oczkach mając grubość jednego atomu jest praktycznie dwuwymiarowa, choć nawet niewielki z punktu widzenia codziennego życia kawałek grafenu składa się z miliardów atomów.

Obecnie, metodami podobnymi do stosowanych w produkcji układów elektronicznych, udaje się uzyskiwać arkusze grafenu o szerokości nawet 70 centymetrów. Metr kwadratowy grafenu ważyłby 0,77 miligrama. Gdyby zrobić niego hamak, utrzymałby ciężar 4 kilogramów - czyli przeciętnego kota. W dodatku byłby niewidoczny i ważył tyle, co koci wąs.