Wyższa Szkoła Humanitas

Wydział Administracji i Zarządzania

Grzegorz Różycki

nr albumu 25320

GRAFEN – MATERIAŁ PRZYSZŁOŚCI

Bezpieczeństwo i Higiena Pracy I stopnia

Blok BHP (B) niestacjonarne semestr 2

Jaworzno 24.05.2013

Większości z nas węgiel kojarzy się z materiałem opałowym i chodnikiem w kopalni, gdzie z narażeniem życia wydobywają go umorusani górnicy. W przyrodzie występuje też w innych formach - jako prozaiczny grafit i najlepszy przyjaciel kobiety, czyli diament. Istnieją jeszcze inne odmiany węgla zwane fulerenami, które kształtem przypominają piłkę futbolową oraz nanorurki – jedne z najwytrzymalszych znanych materiałów. Do tego grona alotropowych odmian węgla niedawno dołączył grafen – materiał, z którym naukowcy wiążą wielkie nadzieje.

Grafen jest płaską strukturą złożoną z atomów węgla, połączonych w sześciokąty. Ze względu na wygląd przypomina plaster miodu. Ponieważ materiał ten ma jednoatomową grubość, uważa się go za strukturę dwuwymiarową. Opis teoretyczny grafenu powstał już w roku 1947 w pracy Wallace’a. Jednak w tym samym okresie opublikowano szereg innych prac, w których dowodzono, że grafen, jak i inne materiały dwuwymiarowe, nie może istnieć w przyrodzie. Już na początku lat 80. ubiegłego wieku pojawiały się artykuły wskazujące, że grafen można wytworzyć. Jednak dopiero w 2004 roku nastąpił przełom - równolegle grupy z Georgii i Manchesteru pokazały, że wytworzony przez nich grafen ma unikalne własności, które zostały przewidziane wcześniej. Po tych publikacjach nastąpiło gwałtowne przyspieszenie prac nad grafenem - zarówno pod kątem czysto badawczym, jak i w poszukiwaniu coraz lepszych metod wytwarzania tego materiału.

Za badania grafenu Andriej Gejm i Konstantin Nowosiołow, z uniwersytetu w Manchesterze, otrzymali w roku 2010 Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Uzyskali oni grafen w warunkach laboratoryjnych i to w dość oryginalny i zdawałoby się zgoła nie naukowy sposób. Otóż nakleili na grafit zwyczajną taśmę klejącą uzyskując równomierną i cienką warstwę atomów węgla. Metoda była udoskonalana i obecnie jest nieco bardziej skomplikowana. Używa się w tym celu kryształów z innych materiałów, na których hoduje się grafen, a następnie metodami chemicznymi usuwa zbędną część. Technologia jest na tyle zaawansowana i powtarzalna, że już dziś może służyć do produkcji grafenu w dużych ilościach. Naukowcy widzą już główne potencjalne zastosowanie.

Rys.1 Model Struktury grafenu

Właściwości grafenu :

• Bardzo dobry przewodnik ciepła – zmierzona przewodność cieplna wynosi od 4840±440 do 5300±480 W/mK (dla porównania srebro – 429 W/mK)

• Posiada niewielką rezystancję

• Bardzo wysoka ruchliwość elektronów w temperaturze pokojowej

• Prędkość przepływu elektronów, wynosząca 1/300 prędkości światła, umożliwia badanie efektów relatywistycznych dla elektronu poruszającego się w przewodniku

• Jest bardzo przezroczysty - warstwa o grubości jednego atomu pochłania 2,3% białego światła.

• Jest ponad 100 razy mocniejszy niż stal (o tej samej grubości), a zarazem tak elastyczny, że można go bez szkody rozciągnąć o 20%.

• Membrana z utlenionego grafenu nie przepuszcza gazów, nawet atomów helu, a równocześnie jest całkowicie przenikalna przez wodę (H₂O). Daje to możliwość zastosowania do filtracji w temperaturze pokojowej, np. w celu zwiększenia stężenia alkoholu bez użycia klasycznej destylacji czy wymrażania.

Materiał ten ma szansę w wielu zastosowaniach zastąpić krzem. Naukowcy amerykańskiego Massachusetts Institute of Technology (MIT) zbudowali eksperymentalny grafenowy układ, jako mnożnik częstotliwości, co oznacza, że jest w stanie odebrać przychodzący sygnał elektryczny pewnej częstotliwości i wyprodukować sygnał wychodzący, będący wielokrotnością tej częstotliwości. W tym przypadku, układ stworzony przez MIT podwoił częstotliwość elektromagnetycznego sygnału. Testy przeprowadzone przez IBM wykazały, że tranzystor wytworzony w procesie technologicznym 240 nm jest w stanie osiągnąć częstotliwość do 100 GHz.

Przejrzystość i znakomite przewodnictwo sprawiają, że grafen nadaje się do wytwarzania przejrzystych, zwijanych w rolkę wyświetlaczy dotykowych, energooszczędnych źródeł światła oraz produkcji energii odnawialnej z baterii słonecznych i magazynowania jej w wysokowydajnych akumulatorach. Czujniki z grafenu potrafią zarejestrować obecność pojedynczej cząsteczki szkodliwej substancji, znajdując zastosowanie np. w monitoringu i ochronie środowiska. Jako dodatek do tworzyw sztucznych, grafen może je przekształcić w przewodniki elektryczności, połączony z aluminium może służyć do budowy nowoczesnych sieci energetycznych. Elektrony poruszają się w grafenie z prędkością sięgającą 1/300 prędkości światła, pozwala to wykonywać wiele doświadczeń, które dotąd wymagały użycia akceleratora.

Rys. 2 Ekran dotykowy pokryty grafenem

Jest świetnym przewodnikiem prądu, najlepszym znanym przewodnikiem ciepła, a do tego niewidoczny, lekki i 50 razy wytrzymalszy od stali. Nie sposób przeszacować jego możliwych zastosowań. Nie wiadomo, co jeszcze szykują koncerny. Traktują grafen jak materiał strategiczny i pracują nad nim w tajemnicy. Samych zgłoszeń patentowych jest już kilka tysięcy. Wystarczy, że tylko część pomysłów wypali. A i tak odmienią naszą codzienność.

Cały tekst: http://wyborcza.pl/1,75400,13838648,Grafen_zmieni_twoje_zycie.html#ixzz2UDBDh0YB