Grafenul – materialul revoluţionar care va transforma secolul al XXI-lea

Ce este grafenul?

Grafenul este compus în totalitate din carbon, la fel ca diamantul şi cărbunele. Spre deosebire de aceste materiale, atomii de carbon ce formează grafenul sunt aşezaţi în „fâşii” bidimensionale, făcând acest material extraordinar de rezistent şi totodată flexibil.

• Ce s-a întâmplat cu dinții oamenilor atunci când fluorul a fost scos din apă?
• Ce a arătat un studiu pe mii de gemeni despre legătura dintre depresie și fructe

Grafenul este cel mai subţire material identificat până acum – o „foaie” de grafen are o grosime de doar un atom, motiv pentru care oamenii de ştiinţă afirmă că este primul material 2D identificat de omenire. Grafenul este un conductor electric mai bun decât cuprul, fiind totodată de 300 de ori mai puternic decât oţelul şi având proprietăţi optice unice. De asemenea, deşi este aproape transparent, grafenul este atât de dens încât nici heliul, cel mai mic atom de gaz, nu poate trece prin el.

Metoda prin care Andre Geim şi Kostya Novoselov au obţinut grafenul este una extrem de simplă: cei doi cercetători de la Universitatea din Manchester au aplicat o bandă adezivă peste o bucată de grafit, detaşând din ea prin desprinderea benzii fulgi de grafit. Folosind alte bucăţi de bandă adezivă, ei au dezlipit straturi succesive de grafit, subţiind fulgii. Apoi, banda adezivă a fost dizolvată în acetonă, iar stratul de grafit rezultat a fost lipit de o plăcuţă de siliciu. Unii fulgi, măsurând doar un atom în grosime, s-au ataşat de plăcuţa de siliciu.

Grafitul este cunoscut mai ales ca materialul din care se fabrică mina de creion, fiind format din straturi de carbon suprapuse. Cercetătorii estimează că un milimetru de grafit este format din aproximativ trei milioane de straturi de grafen. Creioanele produc o dâră neagră atunci când scriem cu ele deoarece frecarea duce la dezlipirea unor fulgi de grafit. De aceea, profesorul Geim afirmă că este foarte probabil ca toţi cei care au scris vreodată cu un creion să fi produs grafen, însă fără să observe rezultatul.

Cum ar putea fi folosit grafenul?

„Proprietăţile superioare ale grafenului justifică supranumele de «material minune»”, consideră Kostya Novoselov, profesorul care a izolat pentru prima dată acest material în 2004, alături de Andre Geim, la Universitatea din Manchester.

Trăsăturile extraordinare ale grafenului fac posibilă utilizarea lui în nenumărate domenii. Profesorul Geim consideră că este imposibil de identificat cea mai promiţătoare schimbare pe care o poate provoca. „Gama posibilelor utilizări este atât de vastă şi se dezvoltă cu o asemenea viteză încât a ne concentra pe una singură ar însemna să subestimăm amploarea efortului ştiinţific în desfăşurare”, a explicat laureatul premiului Nobel.

În electronică, grafenul ar putea fi folosit pentru producerea de tranzistori ultrarapizi, display-uri flexibile sau LED-uri. Materialul ar putea spori eficacitatea laserelor şi a fotodetectorilor şi ar putea transforma domeniile producţiei şi stocării energiei, contribuind la modificarea a numeroase dispozitive precum bateriile şi celulele solare. De asemenea, folosirea grafenului în materiale compozite ar permite îmbunătăţirea structurii aripilor de avion, ceea ce le-ar reduce acestora greutatea. În medicină, grafenul ar putea fi folosit pentru conceperea de ţesuturi şi retine artificiale şi pentru a transporta medicamentele la ţesutul care are nevoie de ele.

„Ecranele de tip touch screen care au grafenul drept element conductiv pot fi tipărite pe plastic foarte subţire, în loc de sticlă, astfel că ar fi uşoare şi flexibile. Telefoanele mobile ar putea fi la fel de subţiri ca o coală de hârtie, fiind atât de uşor de îndoit încât ar intra în orice buzunar. Datorită rezistenţei extraordinare a grafenului, aceste telefoane ar fi foarte greu de distrus”, explică specialiştii American Chemical Society.

Supratik Guha, şeful diviziei de cercetare în fizică din cadrul IBM, anunţă că specialiştii companiei americane lucrează la tranzistori de frecvenţă înaltă pe bază de grafen şi la dispozitive care folosesc regiunea terahertz din spectrul electromagnetic. Această regiune, aflată între frecvenţele infraroşu şi microunde, promite să ofere numeroase aplicaţii în imagistica medicală şi în comunicaţiile pe distanţe scurte. Undele terahertz trec prin materiale plastice şi prin ţesuturile vii, dar până acum oamenii de ştiinţă nu au reuşit să le controleze. „Cu ajutorul grafenului putem modula şi controla radiaţiile în terahertz”, spune Guha.

De asemenea, grafenul ar putea permite conceperea unor panouri solare uşoare şi flexibile, care ar putea acoperi toate suprafeţele exterioare ale clădirilor, nu doar acoperişul. Grafenul absoarbe doar 2% din lumina care îl atinge, indiferent de lungimea de undă. De asemenea, este un foarte bun conductor electric. Astfel, dacă o celulă fotovoltaică este amplasată între două straturi de grafen, lumina ar tranzita grafenul şi ar atinge celula fotovoltaică. Aceasta ar genera electricitate, care ar fi transportată cu ajutorul straturilor de grafen. Combinaţia ar permite crearea de panouri solare flexibile ce pot fi folosite în nenumărate feluri: pe automobile, haine, genţi, dispozitive electronice sau pe oricare altă suprafaţă atinsă de lumină. Aşadar, graţie grafenului, energia solară ar putea deveni mult mai uşor de folosit şi mai răspândită decât ne-am putea imagina astăzi.

Medicina este alt domeniu care promite să fie transformat de grafen. Pentru că acest material este subţire, flexibil şi rezistent la soluţiile sărate ce formează ţesuturile vii, grafenul este un material ideal pentru conceperea dispozitivelor bionice. Spre deosebire de elementele metalice, care rezistă în corpul uman doar câţiva ani, dispozitivele din grafen pot fi utilizate toată viaţa. De asemenea, pentru că grafenul este conductor electric, el ar putea fi folosit pentru a transmite impulsuri electrice către neuroni, permiţând oamenilor paralizaţi să-şi recapete controlul asupra membrelor în urma unui accident soldat cu vătămarea măduvei spinării. Acelaşi mecanism ar putea fi folosit pentru a permite controlarea membrelor artificiale, prin utilizarea grafenului pentru a transmite semnale electrice către motoarele care le pun pe acestea în mişcare.

Cursa pentru brevete şi investiţiile extraordinare în grafen

Potenţialul extraordinar al grafenului a stimulat guvernele şi organizaţiile din întreaga lume să investească sume importante în cercetări asupra acestui material, din dorinţa de a nu rata „revoluţia grafenului”. Profesorul Andre Geim estimează că se fac anual cheltuieli de mai mult de un miliard de dolari în cadrul cercetărilor asupra materialului-minune.

Descoperirea grafenului a dus la o veritabilă „cursă a brevetelor” purtată de companii, universităţi şi alte instituţii de cercetare. O analiză făcută de organizaţia CambridgeIP arată că, din totalul de 7.351 de cereri de brevete referitoare la grafen înregistrate în cursul anului 2012, 2.204 brevete proveneau din China, 1.754 din SUA şi 1.160 din Coreea de Sud. Printre companiile cu cele mai multe brevete se numără Samsung, cu 407, şi IBM, cu 134. Cu toate acestea, Europa continuă să joace un rol cheie în dezvoltarea grafenului. „Europa nu a fost la fel de agresivă în ceea ce priveşte brevetele, însă aici se desfăşoară cele mai importante cercetări în domeniu”, a explicat Luigi Colombo, un expert în grafen, pentru Financial Times.

Marea Britanie vrea să rămână centrul cercetărilor pe tema grafenului, motiv pentru care guvernul insular a decis să cheltuiască 61 de milioane de lire sterline pentru a crea „National Graphene Institute”, un centru naţional de cercetare ce va fi inaugurat în Manchester în 2015. Universitatea din Manchester anunţă că intenţionează ca acest institut să fie „liderul mondial în domeniul cercetărilor asupra grafenului”. Nici Universitatea Cambridge nu s-a lăsat mai prejos, anunţând că va deschide Cambridge Graphene Centre, în care vor fi investite 30 de milioane de lire sterline.

De curând, Uniunea Europeană a anunţat că intenţionează să finanţeze cu un miliard de euro un proiect dedicat grafenului şi potenţialelor sale utilizări, ce urmează să fie coordonat de profesorul Jari Kinaret de la Universitatea de Tehnologie Chalmers din Goteborg, Suedia. „Puteţi privi acest fond imens ca pe o metodă de încurajare a companiilor să se implice mai mult în eforturile universităţilor europene”, spune Andre Geim.

Vicepreşedintele Comisiei Europene, Neelie Kroes, afirmă că „povestea grafenului arată că încă mai există lucruri uluitoare în ştiinţă. Descoperirea acestui material a fost ca un miracol”. „De la un material descoperit cu ajutorul unui vârf de creion şi al unei benzi adezive, astăzi grafenul este aproape de a da naştere unei noi industrii”, a mai spus Kroes.

Kroes crede că acest material va juca un rol extraordinar în dezvoltarea continentului european în următoarele decenii. De aceea, oficialul european a lansat o comparaţie cu celebra Silicon Valley («Valea Siliciului»), regiunea californiană în care îşi desfăşoară activitatea numeroase companii de succes în domeniul tehnologiei (printre care Apple, Facebook sau Google). „Aţi auzit de Silicon Valley? Europa vrea să fie cunoscută sub numele de «Graphene Valley»”, a declarat Kroes cu ocazia anunţului făcut de oficialii europeni cu privire la investiţiile în cercetările asupra grafenului. Cercetătorii se aşteaptă ca, în viitor, grafenul să înlocuiască siliciul în numeroase domenii.

Nokia este una dintre cele 74 de companii europene ce formează Graphene Flagship Consortium, către care se vor îndrepta fondurile de 1 miliard de euro oferite de Uniunea Europeană. Printre proiectele la care lucrează compania finlandeză se numără şi un telefon mai uşor şi extrem de rezistent, care nu se încinge. Jani Kivioja, unul dintre cercetătorii de la Nokia Research Center, explică entuziasmul generalizat pentru acest material extraordinar: „Am început să lucrăm cu grafenul în 2006, iar de atunci am identificat numeroase domenii în care l-am putea folosi. Cu toate acestea, cred că descoperirile cele mai importante nu au avut loc încă. Am atins un prag critic,dar abia acum începe revoluţia grafenului. Revoluţia Industrială a avut loc după ce am învăţat să producem fier cu costuri reduse. Apoi am avut parte de era siliciului. Acum urmează grafenul”.

Profesorul Geim temperează aşteptările foarte mari pe care oamenii le au de la grafen, afirmând că „de regulă este nevoie de o perioadă de aproximativ 40 de ani de la descoperirea unui material nou până la folosirea acestuia în produse destinate publicului larg. Gândiţi-vă la polimeri: a durat ceva de la descoperirea lor până la momentul în care plasticul a devenit omniprezent în viaţa noastră”. Un lucru pare sigur: grafenul urmează să joace un rol extraordinar în dezvoltarea tehnologică ce va caracteriza secolul al XXI-lea, revoluţionând cele mai importante domenii.