A szuperanyaggal könnyebb lesz az élet

2013.03.22. 17:07

Több napot is kibíró okostelefon-akkumulátorok, zsebbe gyűrhető tabletek, sokkal könnyebb repülőgépek és autók készülhetnek a grafénból, a közeljövő szuperanyagából. Alig nyolc éve fedezték fel, de néhány éven belül felforgathatja az elektronikát.

Nem tipikus alkotóeleme az elektronikai berendezéseknek a szén. Akadnak ugyan olyan darabok, amelyeket szénszálas műanyaggal tesznek szebbé vagy strapabíróbbá, de a gyártók manapság inkább még a fémek és a szilícium bűvöletében élnek. A grafén nevű anyaggal folyó kutatások azonban azt sugallják, hogy a nem is olyan távoli jövőben a szén átveheti az uralmat a szórakoztató elektronikában.

Ragasztószalaggal a Nobel-díjig

A grafén már néhány éve a tudományos világ csodaanyaga. 2010-ben a fizikai Nobel-díjat is a grafénnal kapcsolatos kutatásokért adták oda az angliai Manchesterben dolgozó Andrej Geim és Konsztantyin Novoszelov orosz származású fizikusoknak.

Forrás: AlexanderAlUS (CC)
A grafén szerkezete. Az egy szénatomnyi vastagságú anyag azért különleges, mert rendkívül erős, hajlékony, és remekül vezeti az elektromos áramot

Az anyag szerkezete nem túl bonyolult: amint a fenti ábrán látható, méhsejtre emlékeztető rácsba rendeződő szénatomokból áll, vagyis megfelel a köznapi grafit egyetlen atomi síkjának. A grafén laboratóriumi előállítására zseniálisan egyszerű módszert talált a két orosz fizikus: egy grafittömbről fejtették le a rétegeket ragasztószalag segítségével.

A Nobel-díjas Andrej Geim ragasztószalag adagolója és grafittömbjeForrás: Wikimedia Commons


Az egy atomi réteg vastag grafénlapok azért lettek a fizika szupersztárjai, mert ez az anyag bámulatosan sokoldalú. Grafénból lehet nagy kapacitású, villámgyorsan feltölthető kondenzátort, hajlékony áramköri lapot, átlátszó alkatrészeket gyártani. Ha a ma kutatott grafénalapú technológiák mindegyike sikeres lesz, a jövő okostelefonjainak nagy része szénből fog készülni.

Mikor kerül a boltba a szénből készült telefon?

"Általában tizenöt évbe telik, amíg egy alapkutatás eredménye eljut a vásárlókhoz. A grafénkutatás 2004-ben kezdődött, így még évekbe telhet, hogy megjelenjenek a grafént tartalmazó első ipari technológiák" - mondta az [origo]-nak Bíró László Péter, az MTA Természettudományi Kutatóközpont Nanoszerkezetek Osztályának professzora.

Szupererős aerogélt is lehet grafénból készíteniForrás: MTI/EPA/Long Vej


Az ipari alkalmazásokhoz szükséges nagy grafénlapok gyártását már megoldották (rézfelületen lehet nagy kiterjedésű, de polikristályos grafénlemezeket növeszteni). Azonban az egymástól függetlenül növekedni kezdő kristálylemezkék találkozásánál rendezetlen szerkezet, szemcsehatár alakul ki. A kristályok szemcsehatárain az elektronok nem tudnak zavartalanul mozogni, ezzel a grafén előnyös tulajdonságai sérülnek. Hasonló problémákkal azonban a szilíciumalapú elektronikában is meg kellett birkózni, és a tudósok végül sikerrel jártak. Továbbá vannak olyan alkalmazások, ahol a szemcsehatárok kevésbé zavaróak.

Tízezer töltést is kibír majd a szuperakku

A grafénalapú technológiák legfontosabb ígérete a nagy kapacitású, gyorsan feltölthető akkumulátor. A jelenleg használt lítiumion-akkumulátorok fejlődnek ugyan valamelyest, de ez csak arra elég, hogy a gyorsuló mobilprocesszorok, növekvő kijelzők energiaéhségét csillapítsa. A grafén szuperkondenzátorokkal ugrásszerű fejlődés következhet be, és a technológiai termékbemutatóknak nem az lenne a kérdése, hogy a legújabb okostelefon vagy laptop kibírja-e a munkanap végéig egy feltöltéssel. A jövő szuperakkujai nemcsak a számítástechnikát változtathatják meg, hanem az elektromos autók elterjedésében is komoly szerepet játszhatnak.

A szuperhajlékony akkut be is mutatják a kutatók

A remek vezetőképesség csak a grafén egyik lényeges tulajdonsága. A szuperanyag emellett rendkívül erős, szakítószilárdsága óriási, meghaladja a gyémántét is. A Berkeley egyetemen Qin Zhou és Alex Zettl által vezetett csoport az anyag mechanikai hatásokkal szembeni ellenállóságát használta fel arra, hogy a jövő hangfalaiban használható membránt készítsen.

DVD-író gyártja a grafénlemezt

A UCLA Richard Kaner vezette kutatócsapata nagyon egyszerű módszerrel gyártotta le az akkutechnológiai kutatásokhoz használt grafénrétegeket. Egy hagyományos DVD-lemezt bevontak grafitoxiddal, majd ezt a réteget redukálták egy DVD-író lézerének segítségével tiszta grafénné. A grafénból készült elektródákkal Kaner csoportja olyan kondenzátorokat tudott gyártani, amelyek energiasűrűsége hússzorosan meghaladta a hagyományos aktív szenes technológiával készült kondenzátorokét, és jelentősen jobb a lítiumionos akkumulátorokénál is. A szuperkondenzátor ráadásul minőségromlás nélkül visel el akár tízezer feltöltést is. 



Könnyebb repülők és autók

A membránoknak két kívánalomnak kell megfelelniük: egyrészt vékonynak kell lenniük, hogy a rezgést minél könnyebben át tudják adni, másrészt erős anyagból kell hogy készüljenek, hogy ne szakadjanak el a nagy igénybevétel hatására. A grafén olyan anyagnak bizonyult, amely a két tulajdonsággal egyaránt rendelkezik. A kutatók beszámolója szerint a néhány réteg grafénból készített tesztmembránnal felszerelt fülhallgató olyan jól teljesített, mint a kereskedelmi forgalomban kapható profi fejhallgató. A szuperanyag ráadásul energiájának nagy részét átadja a levegőnek, így egy kisebb membrán is képes nagy zajt csapni.

Az anyag kedvező mechanikai tulajdonságai teszik lehetővé a Sydneyi Műszaki Egyetem kutatói által feltalált "grafénpapír" létrehozását is. A több rétegnyi szénatomlapból készült anyag erősebb, mint az acél (tízszer jobb a szakítószilárdsága), ugyanakkor hatszor könnyebb annál. Guoxiu Wang professzor szerint az új anyag alkalmas lehet arra, hogy a mostaninál jóval kisebb tömegű repülőket és autókat gyárthassanak a jövőben, amelyek a kisebb tömeg miatt jóval kevesebbet fogyasztanak majd.

Zsebbe gyűrhető tablet

"A grafén kapcsán lezajló folyamatokat egyszer már megtapasztalhatta az emberiség. Az 1950-es években feltalált tranzisztor azért alakulhatott át körömnyi méretű elektronikai alkatrészből a chipek hajszálnál is parányibb összetevőjévé - ma már egyetlen hajszál átmérőjébe akár ezer tranzisztor is beleférhet -, mert volt pénz a fejlesztésére" - mondta Bíró László Péter professzor. A kezdeti tranzisztorokkal is működő, nagy mennyiségben eladható szórakoztató elektronikai termékek - például a táskarádió - finanszírozták a kutatásokat.

A grafén esetében a hajlítható mobilkijelző és az okos eszközök további alkatrészei adhatják meg ezt a támogatást Bíró szerint. A Nokia és a Samsung egyaránt óriási összegeket költ arra, hogy a mostani indium-ón-oxid- (ITO) alapú kijelzőket hajlékony, grafénalapú egységekre cserélhesse. A hajlékonyság mellett még egy érv szól a grafénkijelzők mellett: míg szén mindenhol van, a világ ismert indiumkészletének döntő hányada Kínában található, és csak méregdrágán lehet beszerezni.


A Samsung már ígéri a hajlékony kijelzőt

Nem a grafén az egyetlen anyag, amely egyszerre hajlékony és jó vezetőképességgel rendelkezik. A legtöbb ilyen anyag azonban nem átlátszó, így alkalmatlan arra, hogy kijelzőt készítsenek belőlük. A grafénalapú megjelenítők nem egyszerűen strapabíróbbá teszik a mobileszközöket, hanem teljesen megváltoztatják az alakjukat. Az okostelefon zsebbe gyűrhető, összehajtogatható papírszerű eszközzé válik. A tablet megszűnik füzet méretű, táskát igénylő kütyünek lenni, felcsavarható, farzsebben hordható berendezés lesz. Ha a dizájnerek kezét nem köti meg a merev szerkezetű kijelző és akkumulátor, sokkal változatosabb eszközök születhetnek.

Az  MTA természettudományi Kutatóközpont Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézetében zajló, Bíró professzor csoportja által végzett kutatásokat is a Koreai-Magyar Közös Nanotudományok Laboratórium finanszírozza döntő mértékben már három éve. Ha pedig sikerül rendezett, ideális szerkezetű grafénlapokat létrehozni ipari méretekben, akkor számos területet megváltoztathat az anyag. Olcsóbbá teheti például a DNS szerkezetének leolvasását, ezzel megnyitva az utat a személyre szabott orvoslás előtt.