Fizikai Nobel-díj 2010-ben a világ legerősebb anyagáért

A 2010-es fizikai Nobel-díjat Andrej Geim és Konsztantyin Novoszelov orosz származású fizikusok kapták, a grafénnel kapcsolatos kutatási eredményeikért. A grafén az utóbbi évek sztárja az anyagtudományokban: egy teljesen új matéria, amelynél vékonyabbat és erősebbet eddig nem ismertünk. A grafént műanyaggal keverve kiváló tulajdonságú anyagok állíthatók elő, amelyek vezetik az áramot, erősek, könnyűek és a hőnek jobban ellenállnak: a jövőben űreszközök, repülőgépek, sőt autók anyagában találkozhatunk velük.

Grafénlap atomi szerkezetének modellje. A szénatomok egy méhsejt-szerű, hatszöges rács csomópontjain helyezkednek el, 0,14 nanométer távolságra egymástól

A grafén az utóbbi évek sztárja az anyagtudományokban: egy teljesen új matéria, amelynél vékonyabbat és erősebbet eddig nem ismertünk. Ha egy kávéscsészét fólia helyett grafénréteggel fednénk be, és megpróbálnánk egy ceruzával átlyukasztani, egy autót is rátehetnénk a ceruza végére, mégsem szakadna át. Elektromos vezetőképessége a rézéhez hasonló, hővezetése pedig minden más anyagénál jobb. Bár majdnem teljesen áttetsző, olyan sűrű, hogy egy héliumatom sem jut át rajta.

Geim és Novoszelov a ceruzákban is használt, közönséges grafitból állította elő ezt a különleges anyagot, amely nem más, mint egy egyetlen atom vastagságú szénréteg. A legtöbben azt gondolták, hogy egy ilyen vékony kristályrács egyszerűen nem maradhat stabil.

A grafén alkalmazása először az elektronikát forradalmasíthatja (részletesen lásd lent). Műanyaggal keverve pedig egészen kiváló tulajdonságú anyagok állíthatók elő, amelyek vezetik az áramot, erősek, könnyűek és a hőnek jobban ellenállnak. A jövőben űreszközök, repülőgépek, sőt autók anyagában találkozhatunk velük.

Andrej Geim holland állampolgár, 1958-ban született Oroszországban. Konsztantyin Novoszelov brit-orosz állampolgár, és szintén Oroszországban született, 1974-ben. Jelenleg mindketten a University of Manchester kutatói.

A nanocső-probléma

A szénvegyületek a legsokoldalúbb anyagcsaládot alkotják, hogy egyebet ne említsünk: maga az élő anyag is szénvegyületeken alapul. Ennek ellenére a XX. század második felében a tisztán szénből felépülő, jól ismert szerkezetek (grafit és gyémánt) nem voltak a tudomány figyelmének középpontjában, mígnem 1985-ben Kroto, Smalley és Curl felfedezték a fullerént, a 60 szénatomból álló (C60), 1 nanométer (0,000000001 m) átmérőjű "focilabdát". Munkájukért szokatlanul gyorsan, már 1996-ban kémiai Nobel-díjat kaptak. Meglepő, de a felfedezők nem valamely "földi" kérdésre keresték a választ a fullerén felfedéséhez vezető kísérletek során. Egy úgynevezett széncsillag körüli térben zajló folyamatokat próbáltak modellezni. Az keltette fel a figyelmüket, hogy kísérleteikben makacsul olyan atomfürtök keletkeztek, amelyekben 60 szénatom volt.

A forrásba jött kutatási terület a fullerén felfedezése után sem csendesedett el. 1991-ben Sumio Iijima japán kutató felfedezte a szén-nanocsöveket. Ezek lényegében egyik irányban nagyon hosszúra nyúlt fullerénmolekulák, tökéletes "hengerré" tekert, egyetlen atom vastagságú grafitrétegek, amelyek végeit egy-egy fél fulleréngömb zárja le. A valóságban természetesen senki sem képes "feltekerni" egy egyetlen atom vastagságú réteget, az atomokat kell "rákényszeríteni" arra, hogy a szokásostól eltérő módón kapcsolódjanak össze.

Bár a szén-nanocsövek üstökösként robbantak be a tudomány világába, és az elmúlt tizenöt évben sokan fűztek hozzájuk nagyratörő reményeket, mégsem valósult meg tömeges elektronikai alkalmazásuk. Ennek több akadálya is van. Az egyik gond az, hogy mindmáig nem sikerült megoldani az előre meghatározott típusú szén-nanocsövek növesztését. A szén-nanocső nem más, mint egy tökéletes hengerré csavart, egyetlen atom vastagságú grafitréteg. Ám nagyon sokféle, eltérő tulajdonságú szén-nanocső létezik. A feltekerés módjától függően előállhatnak például fémes vagy félvezető viselkedésűek, sőt ezen típusokon belül is más és más elektronszerkezettel kell számolnunk a különböző átmérőjű darabok esetében. Ahhoz azonban, hogy valamilyen technikai eszközt gyártsunk, nagyon jól definiált technikai tulajdonságokkal kell rendelkeznie annak az anyagnak, amit fel kívánunk hozzá használni.

Megoldást jelenthetne, ha a tömegesen előállított, sokféle nanocső közül az azonos típusúakat hatékonyan ki tudnánk válogatni. Valóban léteznek is ilyen irányú és az utóbbi időben egyre eredményesebbnek tűnő kutatások, ám még ha sikerülne is ezen a gondon túllépni, egyből ott tornyosulna a következő probléma. Tegyük fel, hogy könnyedén előállítottunk, majd kiválogattunk azonos tulajdonságú szén-nanocsöveket, és felhalmoztuk őket egy edényben. Ez szabad szemmel úgy nézne ki, mint valamely közönséges fekete por. Ahhoz azonban, hogy ezeket a nanométer átmérőjű elemeket fel tudjuk használni, valamilyen módon egyesével meg kellene azokat "fogni", kiemelni az edényből, és nanométeres pontossággal odahelyezni a kívánt helyre. Ez ma még rendkívül bonyolult feladat. Laboratóriumi körülmények között megoldható, de tömeges ipari felhasználásra nincs megfelelő módszer.

A grafén születése

Itt jön a képbe az egyetlen atom vastagságú grafitréteg, vagyis a grafén, amely nem más, mint egy kitekert szén-nanocső. Tulajdonságaiban sokban hasonlít a szén-nanocsövekre, ám van egy nagy előnye: használatával egy csapásra megszabadulnánk az előbbiekben vázolt "kiválogatom-odateszem" problémától. Egy nanoelektronikai eszköz megépítésénél nem kellene egyesével bíbelődni a nanocsövecskékkel, hanem a grafénlapból - akárcsak egy vég selyemből - megfelelő eszközzel könnyen kiszabható lenne a felhasználni kívánt mintázat. Képletesen szólva, míg az első eset ahhoz hasonlítható, mint amikor valaki gyufaszálakból próbálja fáradságos munkával felépíteni a Parlament makettjét, addig a második ahhoz, amikor a szabó néhány nyisszantással kivágja a készülő szoknya darabjait a ruhaanyagból. Nem beszélve arról, hogy ha ismerjük a grafénlap orientáltságát (kristálytani irányítottságát), akkor tulajdonságai is pontosan meghatározottakká válnak.

A tudományos közösség 2003-2004 körül kezdett el intenzíven foglalkozni a grafénnal. P. R. Wallace amerikai elméleti fizikus ugyan már az 1940-es évek végén kiszámolta az elektronszerkezetét, de igen hosszú ideig az volt a hiedelem, hogy ilyen anyag a valóságban nem létezhet. Sokan azt gondolták, hogy nem lehet stabil egy mindössze egyetlen atomréteg vastagságú lemez. Azután a kilencvenes évek elején katalízissel foglalkozó szakemberek figyeltek fel először arra, hogy ultranagy vákuumú berendezéseikben, sajátos körülmények között kiválik egy monoréteg grafit. Ez a jelenség őket igencsak bosszantotta, hiszen tönkretette a katalizátoraikat, ám más kutatók előtt hihetetlen lehetőségeket villantott fel.

A grafén legígéretesebb felhasználási területe a nanoelektronika. Optimista felmérések szerint a szilícium-alapú elektronika még maximum tíz évig tud előrehaladni. Addigra a tranzisztorok olyan kicsire zsugorodnak, hogy a fizikai hatások megváltoznak, és olyan jelenségek lépnek fel, amelyek a jelenlegi tranzisztoroknál még nem jelentkeznek. A hagyományos módszerrel bizonyos méretek alá a fizika alaptörvényei miatt nem lehet lemenni. A félvezetőipar már régóta kétségbeesetten keres valamilyen kiutat ebből a zsákutcából. Az egyik potenciális út a szén-nanocső volt, ám ez elbukott a fent említett problémák miatt. A grafén azonban új reményt adott a nanocsövekből kiábrándult kutatóknak. Még nem ismerjük kellően ezt az új anyagot, még sok mindent meg kell tanulnunk róla, de ha bebizonyosodna az alkalmassága, akkor akár új típusú tranzisztorként is működhetne. A hardvert át kellene alakítani, de ugyanazok a szoftverek futnának rajta, mint amit a szilíciumalapú elektronikára már kidolgoztak.

Az összeállítás a grafén kolozsvári születésű szakértőjével, Biró László Péterrel korábban készített interjúnkon alapul. A kutató az MTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézete Nanoszerkezetek Osztályának vezetője.