Az acélnál is erősebb, átlátszó anyagé a jövő

A szén a legrégebben ismert anyagok egyike, és az élő szervezetek fő alkotórésze, mégis rengeteg titkot tartogat még a tudomány számára. Mára odáig jutott a nanotechnológia, hogy az atomok szintjén tudjuk megmunkálni az anyagot, így a szén módosulatait is részecskéről részecskére alakíthatjuk. A legújabb ilyen matéria az ötszögű gyűrűkből felépülő grafén.

Az elemi szén a természetben két formában van jelen: nagy nyomáson keletkezik a rendkívül kemény gyémánt, kisebb nyomáson pedig a sokkal puhább grafit. Laboratóriumban azonban sok másféle anyag is előállítható, amely csak szénatomokból épül fel. Öt évvel ezelőtt Nobel-díjjal jutalmazták a grafén felfedezését, amely gyakorlatilag a grafit egyetlen atomnyi vastag rétege, ezért kétdimenziósnak nevezik. A grafén olyan vékony, hogy teljesen átlátszó, mégis tízszer erősebb az acélnál. Az eredeti változatban a szénatomok hatszöges, méhsejtekre emlékeztető hálózatot alkotnak, de azóta sok másféle szerkezetű anyag is a figyelem középpontjába került.
A Virginiai Nemzetközösségi Egyetem és a Pekingi Egyetem kutatói most olyan új grafénről számoltak be, amelyben a szénatomok kizárólag ötszögű struktúrát alkotnak. A tudósok emlékezete szerint az alapötletet egy kairói utca ötszögű díszkő borítása adta. Amint a kutatócsoport vezetője, Csian Vank (Qian Wang) meglátta a mintázatot, egyből az ötlött fel benne, hogy mivel egybevágó ötszögekből áll, ezért talán a szénatomokból felépülő változat is stabil lehet. Megbízta egyik hallgatóját, hogy készítse el az elképzelt ötszöges grafén számítógépes modelljét. Az anyag a tesztek szerint valóban stabilnak bizonyult, sőt valószínű tulajdonságai az eredeti grafént is felülmúlhatják.
Az anyagot még nem szintetizálták a valóságban, de a komputermodellek bizalomkeltők. Ezek szerint az ötszöges szénlap könynyű, de bivalyerős lehet, akár a 700 Celsius-fokot is elviselheti, és legfőképpen állandó félvezető tulajdonságokkal bírhat. Utóbbi jellegzetesség miatt kiemelkedő szerepe lehet az elektronikában, de az orvoslásban és minden területen, ahol elsőrendű fontosságú a kis tömeg és a nagy mechanikai stabilitás.
Nem a mostani közlemény szerzői foglalkoztak először a hatszögestől eltérő grafének kutatásával.
– Tizenhárom évvel ezelőtt kimutattuk, hogy ha periodikusan öt- és hétszögű rácselemeket építünk a grafénlapba, majd feltekerjük, akkor az egyenes szén nanocsövek helyett a telefonzsinórra emlékeztető spirális struktúrát kapunk – nyilatkozta lapunknak Biró László Péter kutatóprofesszor, a Magyar Tudományos Akadémia Energiatudományi Kutatóközpontjának Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézetében (MTA EK MFA) működő nanoszerkezetek osztály vezetője. – Tehát amikor nem hatszöges szerkezetben kapcsolódnak a szénatomok egymáshoz, a fellépő mechanikai feszültségek miatt deformálódni fog az anyag, és hullámos lesz.
A nanotechnológia körüli, két évtizeddel ezelőtti felfokozott várakozások lecsengtek. A közvélemény ma kevesebbet foglalkozik a focilabdára emlékeztető fullerénnel, a szén nanocsövekkel és a nem szénalapú nanoanyagokkal. Valójában a technológia azóta is folyamatosan fejlődik, és mára több ezer nanoszerkezetű összetevőkből készült termék kapható világszerte, a vízhatlanító spray-ktől kezdve az ezüstszemcsék miatt antibakteriális hatású zoknikig.
– Összeszámolni sem lehet, a grafén és rokonai hányféle területen hozhatnak forradalmi változást az iparban. A jelenkori számítógépek további fejlesztésének például az fog gátat szabni, hogy a szilíciumból készült alkatrészek már nem kicsinyíthetők tovább. Grafénnel azonban ez megoldható – folytatja Biró László Péter. – Ha huszonöt évvel ezelőtt valaki azt mondja nekem, hogy mára a laborban rutinszerűen elő tudunk állítani egyetlen szénatom vastagságú lapokat, és azokat atomi pontossággal meg is tudjuk munkálni, a szemébe nevetek. Pedig sikerült megcsinálnunk.
A grafén széles körű ipari felhasználásának azonban ma még akadálya, hogy bár a néhány centiméteresnél nagyobb szénlemezek gyártása megoldott, az így létrehozott anyag sok kristályszemcséből áll, ami rontja a minőségét. A grafén nagyon erős, de ahhoz, hogy láthatatlan golyóálló mellényt vagy repülőgép-alkatrészt gyártsunk belőle, több négyzetméteres darabokat kellene készíteni. Aztán ott az ára: miközben a repülőgépekhez használt alumínium kilogrammja tíz dollárba kerül, ugyanekkora tömegű grafén előállítása félmillió dollárt emészt föl. De minden új anyag drága közvetlenül a felfedezése után. Ezen igyekszik változtatni az Európai Unió által 2013-ban indított kutatási program, amelynek célja a grafén és egyéb kétdimenziós anyagok ipari alkalmazásának kidolgozása. A projektben az MTA EK MFA nanoszerkezet osztálya is részt vesz.

2015. február 12.