Kakva je percepcija znanstvenika u široj populaciji? To zna samo šira populacija. Ali kada sam ja bio student i izrađivao diplomski rad na Institutu Ruđer Bošković, ljudi su u glavi imali sliku rastresenog starčića raskuštrane sijede kose. Za tu sliku je, naravno, kriv Albert Einstein, megazvijezda prirodnih znanosti. Sreo sam nekako u to vrijeme svoga poznanika i na pitanje kamo idem odgovorio sam da idem na nogometnu utakmicu na Ruđeru. On je bio zaprepašten kada sam mu kazao da tamo nogomet igraju mnogi profesori, doktori i studenti. Po njemu smo morali biti likovi s dvije lijeve noge i s vrlo malo smisla za humor. Kako se samo grdno varao taj moj znanac. Mnogi vrhunski fizičari, uzmimo za primjer samo njih, bili su vrlo dobri planinari i sportaši, muzičari i zabavni edukatori.
Sjajan primjer duhovitosti znanstvenika nedavna je dodjela počasnog doktorata šestogodišnjem mačku Maxu na Sveučilištu Vermont za litter-ature (igra riječi jer na engleskom jeziku litter može značiti "leglo", "smeće", "prostirka" i još dosta toga, a literature znači književnost). Među značajnijim akademskim postignućima doktora Maxa nalaze se njegove šetnje kampusom i umiljavanje studentima.
Odličan je primjer i dodjeljivanje Ig-Nobelove nagrade koje je ustanovljeno 1991. godine. Dodjeljuje se svake godine za znanstvena istraživanja koja navode ljude da se smiju, i potom i o tome razmišljaju. Ig je kratica of ignoble, što na engleskom znači "neplemenit", dok noble znači plemenit, a Nobelova nagrada se zove po Alfredu Nobelu. Dakle, dodjeljuje se neplemenita Nobelova nagrada. Dva primjera istraživanja koja su je dobila: vrijedi li pravilo od pet sekundi, tj. je li neka hrana kada padne na pod i mi je pokupimo prije nego što protekne pet sekundi sigurna za upotrebu, i tvrdnja da crne rupe u svemiru ispunjavaju sve uvjete da budu pakao.
Jedan od dobitnika u 2000. godini bio je fizičar Andre Geim koji je pokazao, istražujući kako magnetsko polje djeluje na živa bića, da mala žabica može lebdjeti (levitirati) u jakom magnetskom polju. Deset godina kasnije, Geim je s Konstantinom Novoselovim dobio i pravu Nobelovu nagradu za "iznimno značajne eksperimente grafenom". Za sada je Andre Geim jedini dobitnik jedne i druge nagrade.
Već sada oko 40 milijuna proizvoda sadrži grafen. Ako se uspije proizvesti grafen na velikoj skali, što znači relativno velike standardizirane površine, sigurno će naći još mnogo primjena. Bio bi idealan za fleksibilne zaslone mobitela, računala i elektronski papir
Njih su dvojica jedno poslijepodne uzela selotejp i probala što će se dogoditi ako selotejp zalijepe za grafit i potom ga povuku natrag. Znali su da će sigurno otkinuti dio grafita, jer se grafit sastoji od niza relativno slabo povezanih slojeva. Potom su taj odlijepljeni sloj ponovo raslojili selotejpom i tako puno puta. Na koncu su dobili jedan jedini sloj grafita. Taj sloj zove se grafen. Dakle, grafit se sastoji od slojeva grafena.
Kada pišemo grafitnom olovkom, trenjem po papiru skidamo slojeve grafita i tako dobivamo čitljiv trag. Monosloj grafena se također može vidjeti golim okom, jer apsorbira oko tri posto vidljive svjetlosti. Geim i Novoselov shvatili su da su prvi uspjeli izolirati taj jedan sloj kojim su mogli manipulirati. To im je omogućilo da mjere njegova fizikalna svojstva.
Prije opisa svojstava grafena pogledajmo njegov kemijski sastav. Grafen se, baš kao i grafit, sastoji isključivo od ugljikovih atoma. U grafenu su ti atomi posloženi tako da tvore šesterokutnu rešetku. Takvo uređenje možete vidjeti vrlo često na različitim mrežama, podovima i slično. Dapače, za one koji prate nogomet, sve mreže na Evropskom prvenstvu su imale takvu heksagonalnu strukturu. Struktura grafena upravo je takva. U svim smjerovima širi se takva mreža u čijim čvorovima leži po jedan atom ugljika. Svaki atom ugljika pripada trima heksagonima, kako se to lijepo vidi na ilustraciji ovoga teksta. Debljina grafenskog sloja iznosi 0,345 nanometara (nm). U milimetrima je to 0,00035 dijelova mm. Promjer jednog ugljikovog atoma iznosi 0,183 nm, pa bi se moglo očekivati da će i debljina grafena biti takva. Odakle ta razlika?
Odgovor leži u svojstvima ugljikovog atoma. Svaki ugljikov atom ima četiri elektrona koji mogu sudjelovati u stvaranju kemijskih veza. U dijamantu, materijalu koji se također sastoji isključivo od atoma ugljika, svaki ugljikov atom povezan je s četiri ugljikova atoma vezama koje nazivamo jednostrukim vezama. Naime, svaka jednostruka veza sastoji se od dva elektrona, pri čemu svaki atom u nju daje po jedan elektron. Na taj način stvara se trodimenzionalna struktura iznimne čvrstoće.
Ugljikovi atomi mogu se vezati međusobno, tvoreći i dvostruke i trostruke veze i shodno tome angažiraju odgovarajući broj svojih elektrona.
U grafenu svaki atom ima tri susjeda s kojima ga vežu jednostruke veze, pri čemu sve veze leže u jednoj ravnini. Tako svakom atomu preostaje po jedan slobodan elektron. Ti slobodni elektroni vežu se međusobno i stvaraju elektronski oblak ispod i iznad mreže ugljikovih atoma. S jedne strane to povećava snagu kemijskih veza u grafenu, a s druge objašnjava zašto se u grafitu slojevi tako lako skidaju. Naime, veze između grafenskih spojeva puno su slabije upravo zbog postojanja tih elektronskih oblaka. Istovrsni naboji odbijaju se, međutim kod ovakvih elektronskih sistema u kojima sudjeluje velik broj elektrona mogu se stvarati i slabe privlačne veze, što onda objašnjava i postojanje grafita. Ti elektroni koji se nalaze na površini grafena (na obje strane) razlog su za postojanje uzbudljivih i jedinstvenih svojstava ovog materijala.
Andre Geim – jedini dobitnik Nobelove i Ig-Nobelove nagrade (Foto: Wikimedia Commons)
Izolacija grafena omogućila je da se izmjere njegova fizikalna svojstva. Rezultati su bili zapanjujući. Pokazalo se da se u nekim smjerovima elektroni kreću svega nekoliko stotina puta manjom brzinom od one kojom se kreće svjetlost. Mjerenja električne vodljivosti kao i provodljivosti topline pokazala su da je grafen znatno učinkovitiji nego bakar. Pritom je grafenski sloj vrlo fleksibilan i ekstremno otporan na kidanje. Uza sve to, veoma je lagan. U samom početku istraživanja postojala su očekivanja da bi grafen mogao zamijeniti silicij u izgradnji poluvodičkih elemenata. Međutim, da bi se to postiglo, grafen bi trebalo modificirati jer on nije poluvodič nego polumetal. Barem za sada, koliko znam, zadovoljavajuća modifikacija nije postignuta.
Problem je industrijska proizvodnja grafena velikih površina, kao i vrlo visoka cijena proizvodnje. Za sada se industrija koristi flekama grafena koje onda kombinira s raznim polimerima, stvarajući grafenske kompozitne materijale.
Grafen je vrlo lagan. Jedan gram grafena ima površinu od približno deset teniskih terena. Dakle, već vrlo mala količina može značajno utjecati na svojstva kompozitnih materijala.
Grafen se već koristi kao dodatak u građevinskoj industriji, često kao dodatak cementu. Postoji značajan potencijal u proizvodnji membrana za pročišćavanje voda. Neki proizvođači nude teniske rekete, bicikle, jedra i slično tvrdeći da su od grafenskih kompozitnih materijala.
Jedan je od glavnih interesa industrije i razvoj grafenskih baterija. To se već prakticira na više načina. Za sada je najčešći put kombiniranje grafena sa litij-ionskim baterijama koje su danas standardne baterije u mobilnim telefonima, računalima i električnim automobilima. Idealno bi bilo napraviti bateriju od grafena zbog ogromnog kapaciteta, brzine punjenja i pražnjenja, kao i zbog malih dimenzija i male mase.
Litij-ionske baterije imaju kapacitet od 180 vatsati (Wh) po kilogramu, dok grafen ima 1000 Wh po kilogramu, dakle pet i pol puta više. Kada se uzme u obzir i brzina punjenja, vidi se da je grafen baterija budućnosti, ukoliko se uspiju smanjiti troškovi proizvodnje i pritom zadržati odgovarajuću kvalitetu sloja. Jedan kineski proizvođač električnih automobila objavio je da ima bateriju koja se za osam minuta napuni do 80 posto, ali to nije verificirano.
Interesantno je usporediti brzinu punjenja litij-ionske baterije s onom baziranom na grafenu. Prvoj treba 100 minuta da se napuni do 80 posto, a za ostalih 20 posto treba joj pola od tog vremena, 50 minuta. Grafenska baterija ima potpuno linearan rast, što znači da bi njoj, ako uzmemo prethodni primjer, za preostalih 20 posto trebalo 25 minuta. Grafenske baterije sigurnije su od litij-ionskih jer su otpornije na zapaljenje. Osim toga, grafen nije toksičan materijal.
Već sada oko 40 milijuna proizvoda sadrži grafen. Ako se uspije proizvesti grafen na velikoj skali, što znači relativno velike standardizirane površine, on će sigurno naći još mnogo primjena. Zbog fleksibilnosti bio bi idealan za fleksibilne zaslone mobitela, računala i elektronski papir. Za sada je mnogo toga napravljeno na laboratorijskoj skali, ali – kao uvijek – skaliranje na industrijsku proizvodnju ostaje glavni problem.
Jedna kompanija u Engleskoj koristi kemijsku depoziciju ugljika iz pare i tako dobiva grafenski sloj na nosaču, što kasnije koriste za izradu vrlo osjetljivih senzora za magnetska polja. Također su pokazali da takvi senzori mogu biti vrlo osjetljivi na prisutnost bakterija i virusa. To su najnoviji smjerovi razvoja i, ako se pokažu primjenljivim u realnim uvjetima, mogu značajno unaprijediti dijagnostiku i prevenciju bakterijski i virusno uzrokovanih bolesti.
Nakon što je grafen otkrio svoja sjajna svojstva, otkriveni su mnogi drugi dvodimenzionalni materijali sličnih svojstava, na primjer borofen, silicen, fosforen i golden, tako da danas govorimo o 2D materijalima kao velikoj grupi materijala specifičnih svojstava. No to je druga priča.
