Grafén – kov, ktorý sa chová ako voda

Graphene: A Metal That Behaves Like WaterGrafén sa chystá zmeniť svet. Od svojho objavu pred desiatimi rokmi, ho technologický odborníci považujú za zázračný materiál, ktorý by mohol nahradiť kremík v elektronike, zvýšiť účinnosť batérií, trvanlivosť a vodivosť dotykových obrazoviek, pripraviť cestu k lacnej tepelnej elektrickej energii a mnoho ďalších iných vecí.

Je to jeden atóm tenký, pevnejší ako oceľ, tvrdší ako diamant a jeden z najviac vodivých materiálov na svete.

Skôr než sa grafénové výrobky dostanú na trh, je treba prekonať ešte niektoré problémy. Vedci sa stále snažia pochopiť základnú fyziku tohto jedinečného materiálu. Taktiež je veľmi náročné ho vyrobiť a ešte ťažšie bez nečistôt.

V novom článku publikovanom v časopise Science, vedci z Harvardu a a Raytheon BBN Technology pre moderné chápanie základných vlastností grafénu, pozorovali prvýkrát elektróny v kove, ktorý sa správa ako tekutina.

Aby bolo vôbec možné toto pozorovanie, tím zlepšil metódy pre vytvorenie ultra – čistého grafénu a vyvinul nový spôsob, ako zmeniť jeho tepelnú vodivosť. Tento výskum by mohol viesť k novým termoelektrickým zariadeniam a rovnako by mohol poskytnúť modelový systém na preskúmanie exotických javov, ako sú čierne diery a vysoko energetické plazmy.

Tento výskum viedol Philip Kim, profesor fyziky a aplikovanej fyziky na John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).

Elektrónová super diaľnica

V bežných trojrozmerných kovoch pôsobia elektróny na seba ťažko. Ale v dvojrozmernej grafénovej (šesťuholníkovej) štruktúre sa chovajú elektróny ako na super diaľnici, v ktorej všetky častice musia smerovať v rovnakom jazdnom pruhu. Elektróny sa v graféne správajú ako nehmotné relativistické objekty, niektoré s kladným a niektoré so záporným nábojom. Pohybujú sa neuveriteľnou rýchlosťou 1/300 rýchlosti svetla a predpokladá sa, že sa pri izbovej teplote zrazia so sebou desať biliónov krát za sekundu. Tieto intenzívne interakcie medzi nábojmi častíc neboli nikdy predtým pozorované u bežného kovu.

Tím vytvoril ultra – čistú vzorku vložením jeden atóm tenkého grafénového listu medzi desiatky vrstiev elektricky izolačného, dokonale priehľadného kryštálu s podobnou atómovou štruktúrou ako grafén.

„Ak máte materiál, ktorý je tenký jeden atóm, tak bude ovplyvňovaný jeho prostredím,“ povedal Jesse Crossno, postgraduálny študent v Kimovom laboratóriu a prvý autor štúdie. „Ak je na povrchu grafénu niečo čo je drsné a neusporiadané, bude to zasahovať do pohybu elektrónov. Je naozaj dôležité vytvoriť grafén bez rušenia prostredím.

Táto technika bola vyvinutá Kimom a jeho spolupracovníkmi na Columbia University, predtým než sa v roku 2014 presťahovali do Harvardu, kde ho dopracovali k dokonalosti vo svojom laboratóriu v SEAS.

Potom tím nastavil druh tepelnej polievky kladne a záporne nabitých častíc na povrchu grafénu a pozoroval tečenie týchto častíc ako tepelné a elektrické prúdy.

To čo pozorovali vyvrátilo všetko čo doteraz vedeli o kovoch.

Čierna diera na čipe

Väčšina z nášho sveta – ako tečie voda (hydrodynamika) alebo ako sa zatáča krivka lopty, je popísaná v klasickej fyzike. Veľmi malé veci, ako sú elektróny sú popísané v kvantovej mechanike, zatiaľ čo veľmi veľké a veľmi rýchle veci, ako sú galaxie sú popísané v relativistickej fyzike, ktorú propagoval Albert Einstein.

Kombinácia týchto zákonov fyziky je notoricky ťažká, ale existujú extrémne príklady, kde sa prekrývajú. Vysoko energetické systémy, ako sú supernovy a čierne diery môžeme opísať ako prepojenie klasickej teórie hydrodynamiky s Einsteinovou teóriou relativity. Je ťažké ale spustiť experiment na čierne diere. A tu nastupuje grafén.

Keď silne interaktívne častice v greféne boli poháňané elektrickým poľom, nesprávali sa ako jednotlivé častice ale ako tekutina, ktorá by mohla byť popísaná hydrodynamicky.

„Namiesto toho, aby sme sledovali ako jedna častica bola ovplyvnená elektrickou alebo tepelnou silou, sme mohli vidieť konzervovanú energiu, pretože tiekla cez mnoho častíc, ako vlna cez vodu,“ povedal Crossno.

„Fyziku, ktorú sme objavili pri štúdiu čiernych dier a teórie strún, vidíme v graféne,“ povedal Andrew Lucas, spoluautor a postgraduálny študent fyziky na Harvarde. „Ide o prvý modelový systém relativistickej hydrodynamiky v kove.“

Malý čip grafénu by mohol byť použitý pre modelovanie správania sa tekutiny, rovnako ako ostatné vysoko energetické systémy.

Priemyselné dôsledky

Takže teraz už vieme, že silne interaktívne elektróny v graféne sa správajú ako kvapalina. Aký vplyv to bude mať na priemyselné aplikácie grafénu?

Najprv, aby bolo možné sledovať hydrodynamický systém, potreboval tím vyvinúť presný spôsob merania, ako dobre elektróny v systéme nesú teplo. Je to veľmi ťažké urobiť, hovorí spoluautor Dr. Kin Chung Fong, vedec .

Materiály vedú teplo dvoma spôsobmi: prostredníctvom vibrácií v atómovej štruktúre či v mriežke, alebo ho vedú samotné elektróny.

„Potrebovali sme nájsť šikovný spôsob, ako ignorovať prenos tepla z mriežky a sústrediť sa iba na to, koľko tepla nesú elektróny,“ povedal Fong.

Preto sa tím obrátil na hluk. Pri konečnej teplote sa elektróny pohybujú náhodne. Čím vyššia je teplota, tým hlučnejšie sú elektróny. Meraním teploty na tri desatinné miesta, bol tím schopný presne odmerať tepelnú vodivosť elektrónov.

„Prevod tepelnej energie na elektrický prúd a naopak je notoricky ťažké s bežnými materiálmi,“ povedal Lucas. „Ale v zásade s čistou vzorkou grafénu neexistujú žiadne limity na to, aby ste nemohli urobiť takéto zariadenie.“


Zdroj: nanowerk.com,

Leave a Comment