Mnamo 2010, Geim na Novoselov walishinda Tuzo la Nobel katika Fizikia kwa kazi yao kwenye graphene. Tuzo hii imeacha hisia kubwa kwa watu wengi. Baada ya yote, sio kila zana ya majaribio ya Tuzo la Nobel ni ya kawaida kama mkanda wa wambiso, na sio kila kitu cha utafiti ni cha kichawi na rahisi kuelewa kama graphene ya "glasi mbili". Kazi hiyo mnamo 2004 inaweza kutolewa mnamo 2010, ambayo ni nadra katika rekodi ya Tuzo la Nobel katika miaka ya hivi karibuni.
Graphene ni aina ya dutu ambayo ina safu moja ya atomi za kaboni zilizopangwa kwa karibu ndani ya kimiani ya hexagonal yenye sura mbili. Kama almasi, grafiti, kamili, nanotubes za kaboni na kaboni ya amorphous, ni dutu (dutu rahisi) inayojumuisha vitu vya kaboni. Kama inavyoonyeshwa kwenye takwimu hapa chini, Fullerenes na nanotubes za kaboni zinaweza kuonekana kama zilizovingirwa kwa njia fulani kutoka kwa safu moja ya graphene, ambayo imewekwa na tabaka nyingi za graphene. Utafiti wa kinadharia juu ya utumiaji wa graphene kuelezea mali ya dutu rahisi za kaboni (grafiti, nanotubes za kaboni na graphene) imedumu kwa karibu miaka 60, lakini kwa ujumla inaaminika kuwa vifaa vya pande mbili ni ngumu kuwapo peke yako, Imeambatanishwa tu na uso wa sehemu ndogo ya sehemu tatu au vitu vya ndani kama grafiti. Haikuwa hadi 2004 kwamba Andre Geim na mwanafunzi wake Konstantin Novoselov walinyakua safu moja ya graphene kutoka grafiti kupitia majaribio ambayo utafiti juu ya graphene ulipata maendeleo mapya.
Wote kamili (kushoto) na kaboni nanotube (katikati) wanaweza kuzingatiwa kuwa wamezungushwa na safu moja ya graphene kwa njia fulani, wakati grafiti (kulia) imewekwa na tabaka nyingi za graphene kupitia unganisho la nguvu ya van der Waals.
Siku hizi, graphene inaweza kupatikana kwa njia nyingi, na njia tofauti zina faida na hasara zao. Geim na Novoselov walipata graphene kwa njia rahisi. Kutumia mkanda wa uwazi unaopatikana katika maduka makubwa, walivua graphene, karatasi ya grafiti iliyo na safu moja tu ya atomi za kaboni, kutoka kwa kipande cha grafiti ya juu ya pyrolytic. Hii ni rahisi, lakini controllability sio nzuri sana, na graphene na saizi ya chini ya microns 100 (moja ya milimita) inaweza kupatikana tu, ambayo inaweza kutumika kwa majaribio, lakini ni ngumu kutumiwa kwa vitendo Maombi. Uwekaji wa mvuke wa kemikali unaweza kukua sampuli za graphene na saizi ya sentimita za sentimita kwenye uso wa chuma. Ingawa eneo lenye mwelekeo thabiti ni microns 100 tu [3,4], imekuwa inafaa kwa mahitaji ya uzalishaji wa matumizi kadhaa. Njia nyingine ya kawaida ni kuwasha glasi ya silicon carbide (sic) hadi zaidi ya 1100 ℃ katika utupu, ili atomi za silicon karibu na uso, na atomi za kaboni zilizobaki zimepangwa upya, ambazo pia zinaweza kupata sampuli za graphene zilizo na mali nzuri.
Graphene ni nyenzo mpya na mali ya kipekee: Uboreshaji wake wa umeme ni bora kama shaba, na ubora wake wa mafuta ni bora kuliko nyenzo yoyote inayojulikana. Ni wazi sana. Sehemu ndogo tu (2.3%) ya tukio la wima linaloonekana litafyonzwa na graphene, na taa nyingi zitapita. Ni mnene sana hata atomi za heliamu (molekuli ndogo za gesi) haziwezi kupita. Sifa hizi za kichawi hazirithi moja kwa moja kutoka kwa grafiti, lakini kutoka kwa mechanics ya quantum. Tabia zake za kipekee za umeme na macho huamua kuwa ina matarajio mapana ya matumizi.
Ingawa graphene imeonekana tu kwa chini ya miaka kumi, imeonyesha matumizi mengi ya kiufundi, ambayo ni nadra sana katika nyanja za fizikia na sayansi ya nyenzo. Inachukua zaidi ya miaka kumi au hata miongo kadhaa kwa vifaa vya jumla kuhama kutoka maabara kwenda kwa maisha halisi. Matumizi ya graphene ni nini? Wacha tuangalie mifano miwili.
Elektroni laini ya uwazi
Katika vifaa vingi vya umeme, vifaa vya uwazi vya uwazi vinahitaji kutumiwa kama elektroni. Saa za umeme, mahesabu, televisheni, maonyesho ya glasi ya kioevu, skrini za kugusa, paneli za jua na vifaa vingine vingi haviwezi kuacha uwepo wa elektroni za uwazi. Electrode ya jadi ya uwazi hutumia oksidi ya bati ya indium (ITO). Kwa sababu ya bei ya juu na usambazaji mdogo wa indium, nyenzo ni brittle na ukosefu wa kubadilika, na elektroni inahitaji kuwekwa katika safu ya kati ya utupu, na gharama ni kubwa. Kwa muda mrefu, wanasayansi wamekuwa wakijaribu kupata mbadala wake. Kwa kuongezea mahitaji ya uwazi, ubora mzuri na maandalizi rahisi, ikiwa kubadilika kwa nyenzo yenyewe ni nzuri, itakuwa inafaa kwa kutengeneza "karatasi ya elektroniki" au vifaa vingine vya kuonyesha. Kwa hivyo, kubadilika pia ni jambo muhimu sana. Graphene ni nyenzo kama hiyo, ambayo inafaa sana kwa elektroni za uwazi.
Watafiti kutoka Chuo Kikuu cha Samsung na Chengjuan huko Korea Kusini walipata graphene na urefu wa inchi 30 na uwekaji wa mvuke wa kemikali na kuihamisha kwa filamu ya micron nene polyethilini terephthalate (PET) ili kutoa skrini ya kugusa ya graphene [4]. Kama inavyoonyeshwa kwenye takwimu hapa chini, graphene iliyopandwa kwenye foil ya shaba inaunganishwa kwanza na mkanda wa mafuta ya kupigwa (sehemu ya uwazi ya bluu), kisha foil ya shaba hufutwa na njia ya kemikali, na mwishowe graphene huhamishiwa kwenye filamu ya PET kwa kupokanzwa .
Vifaa vipya vya induction ya picha
Graphene ina mali ya kipekee ya macho. Ingawa kuna safu moja tu ya atomi, inaweza kunyonya 2.3% ya taa iliyotolewa katika safu nzima ya nguvu kutoka kwa taa inayoonekana hadi infrared. Nambari hii haina uhusiano wowote na vigezo vingine vya vifaa vya graphene na imedhamiriwa na elektroni za elektroni [6]. Nuru ya kufyonzwa itasababisha kizazi cha wabebaji (elektroni na shimo). Kizazi na usafirishaji wa wabebaji katika graphene ni tofauti sana na zile zilizo kwenye semiconductors za jadi. Hii inafanya graphene inafaa sana kwa vifaa vya induction ya picha ya Ultrafast. Inakadiriwa kuwa vifaa vya ujanibishaji vya picha vinaweza kufanya kazi kwa mzunguko wa 500GHz. Ikiwa inatumiwa kwa maambukizi ya ishara, inaweza kusambaza zeros bilioni 500 au zile kwa sekunde, na kukamilisha usambazaji wa yaliyomo kwenye rekodi mbili za Blu ray katika sekunde moja.
Wataalam kutoka Kituo cha Utafiti cha IBM Thomas J. Watson huko Merika wametumia graphene kutengeneza vifaa vya induction vya picha ambavyo vinaweza kufanya kazi kwa masafa ya 10GHz [8]. Kwanza, flakes za graphene zilitayarishwa kwenye sehemu ndogo ya silicon iliyofunikwa na silika 300 nm na "njia ya kubomoa mkanda", na kisha dhahabu ya palladium au elektroni za dhahabu za titani na muda wa 1 micron na upana wa 250 nm zilifanywa juu yake. Kwa njia hii, kifaa cha induction cha picha ya msingi wa graphene hupatikana.
Mchoro wa schematic wa vifaa vya induction ya picha ya graphene na skanning darubini ya elektroni (SEM) ya sampuli halisi. Mstari mfupi mweusi kwenye takwimu unalingana na microns 5, na umbali kati ya mistari ya chuma ni micron moja.
Kupitia majaribio, watafiti waligundua kuwa kifaa hiki cha muundo wa chuma cha chuma cha chuma cha graphene kinaweza kufikia mzunguko wa kazi wa 16GHz wakati mwingi, na inaweza kufanya kazi kwa kasi kubwa katika safu ya wimbi kutoka 300 nm (karibu na ultraviolet) hadi microns 6 (infrared), wakati Tube ya jadi ya induction ya picha haiwezi kujibu taa ya infrared na wimbi refu zaidi. Frequency ya kufanya kazi ya vifaa vya induction ya picha ya graphene bado ina nafasi nzuri ya uboreshaji. Utendaji wake bora hufanya iwe na matarajio anuwai ya matumizi, pamoja na mawasiliano, udhibiti wa mbali na ufuatiliaji wa mazingira.
Kama nyenzo mpya na mali ya kipekee, utafiti juu ya utumiaji wa graphene unajitokeza moja baada ya nyingine. Ni ngumu kwetu kuwaongeza hapa. Katika siku zijazo, kunaweza kuwa na zilizopo za athari za shamba zilizotengenezwa kwa graphene, swichi za Masi zilizotengenezwa kwa graphene na vifaa vya kimasi vilivyotengenezwa na graphene katika maisha ya kila siku… graphene ambayo polepole hutoka katika maabara itaangaza katika maisha ya kila siku.
Tunaweza kutarajia kwamba idadi kubwa ya bidhaa za elektroniki zinazotumia graphene zitaonekana katika siku za usoni. Fikiria juu ya jinsi ingekuwa ya kufurahisha ikiwa smartphones zetu na vitabu vya netbook vinaweza kuvingirwa, kushonwa masikioni mwetu, kuingizwa kwenye mifuko yetu, au kuvikwa mikono yetu wakati haitumiki!
Wakati wa chapisho: Mar-09-2022