Grafenul, materialul revoluționar care contribuie la schimbarea lumii: este format dintr-un singur strat de atomi de carbon, dar este de 200 de ori mai rezistent decât oțelul

Posted on februarie 28, 2025

by Miruna Alexandrescu

Curiozități

În urmă cu mai bine de 20 de ani, doi fizicieni de la Universitatea Manchester din Regatul Unit, Andre Geim și Konstantin Novoselov, au publicat un articol revoluționar despre „efectul câmpului electric în filmele de carbon atomic subțiri”. Lucrarea lor a descris proprietățile electronice extraordinare ale grafenului, format dintr-un singur strat de atomi de carbon, având o grosime de doar 0,34 nanometri. Deși este incredibil de subțire, grafenul este extrem de rezistent, având o rezistență mecanică de peste 130 GPa (gigapascali), ceea ce îl face de 200 de ori mai rezistent decât oțelul.

Lucrarea a fost rapid copiată și reprodusă de oamenii de știință din întreaga lume. Au fost concepute noi metode de fabricare a acestui material. Afirmațiile incredibile despre proprietățile sale îl făceau să pară desprins din benzile desenate ale lui Stan Lee.

De atunci, au fost publicate sute de mii de lucrări academice privind grafenul și materialele conexe.

În ultimele două decenii, grafenul a devenit unul dintre cele mai fascinante și promițătoare materiale din domeniul științei materialelor. De la descoperirea sa, acest material bidimensional a revoluționat multiple industrii, de la electronică și energie, până la medicină și construcții. Proprietățile sale extraordinare îl fac un candidat ideal pentru inovații tehnologice care ar putea schimba fundamental lumea în care trăim.

Istoria descoperirii grafenului

Grafenul, deși discutat teoretic de peste jumătate de secol, a fost pentru mult timp considerat un material imposibil de obținut în mod stabil. Abia în anul 2004, cercetătorii Andre Geim și Konstantin Novoselov, de la Universitatea din Manchester, au reușit să-l izoleze folosind o metodă surprinzător de simplă – cu ajutorul unei benzi adezive. Prin această tehnică, numită „metoda scotch tape”, oamenii de știință au exfoliat grafenul din grafit, demonstrând că materialul poate fi stabil în condiții normale.

Această descoperire a fost atât de revoluționară încât, în 2010, Geim și Novoselov au fost recompensați cu Premiul Nobel pentru Fizică. De atunci, cercetările în domeniul grafenului au explodat, milioane de dolari fiind investiți în dezvoltarea acestui material și a aplicațiilor sale.

Ce este grafenul și ce îl face special?

AlexanderAlUS

Grafenul este o foaie de carbon cu o grosime de doar 0,34 nanometri, în care atomii sunt dispuși într-o rețea hexagonală, similară cu un fagure de miere. Această structură simplă îi conferă o serie de proprietăți excepționale:

Conductivitate electrică ridicată – Grafenul este unul dintre cei mai buni conductori de electricitate cunoscuți.
Rezistență mecanică incredibilă – Este de aproximativ 200 de ori mai rezistent decât oțelul, dar în același timp extrem de flexibil.
Conductivitate termică excepțională – Este un conductor termic mai bun decât majoritatea metalelor.
Transparență remarcabilă – Deși este un material opac la prima vedere, grafenul lasă să treacă peste 97% din lumina vizibilă.
Impermeabilitate – Nici măcar atomii de heliu, unii dintre cei mai mici atomi cunoscuți, nu pot trece printr-un strat de grafen.

Aceste proprietăți îl fac ideal pentru aplicații care necesită un material super-subțire, extrem de rezistent și cu o conductivitate ridicată.

Entuziasmul inițial și așteptările enorme

După descoperirea sa, grafenul a fost considerat un material care va revoluționa tehnologia, cu aplicații variind de la baterii ultraperformante la circuite electronice ultra-rapide. Entuziasmul din jurul acestui material a dus la o adevărată „febră a grafenului”, multe companii investind masiv în cercetare și dezvoltare.

Provocările Industriale

Cu toate acestea, după ani de cercetare, implementarea grafenului la scară largă s-a dovedit a fi mult mai dificilă decât se anticipase. Printre provocările majore s-au numărat:

Costurile ridicate ale producției – Metodele de fabricare a grafenului de înaltă calitate sunt scumpe și greu de scalat pentru producția industrială.
Dificultăți în integrarea în electronice – Deși grafenul este un conductor excelent, lipsa unui „band gap” face dificilă utilizarea sa în tranzistori convenționali.
Lipsa de aplicații comerciale imediate – Deși s-a demonstrat că grafenul poate îmbunătăți diverse materiale, aplicațiile comerciale nu au apărut în ritmul așteptat.

În ultimii ani, însă, cercetătorii au reușit să depășească multe dintre aceste obstacole. Tehnici de producție mai eficiente au fost dezvoltate, iar noi aplicații practice au început să apară, făcând grafenul din ce în ce mai accesibil pentru industrie.

Citește și: William Shockley și inventarea tranzistorului, dispozitivul care a schimbat lumea

Impactul grafenului asupra științei materialelor

Grafenul a schimbat fundamental modul în care cercetătorii privesc materialele bidimensionale și a deschis calea către dezvoltarea altor materiale asemănătoare, precum fosforenul, borofenul și disulfura de molibden.

Aplicații în Diverse Domenii

Electronice și nanotehnologie
- Grafenul poate fi utilizat pentru a crea tranzistori ultra-subțiri și ultra-rapizi.
- Se dezvoltă ecrane flexibile și transparente pentru telefoane mobile și tablete.
- Microcipurile bazate pe grafen ar putea depăși limitările actuale ale siliciului.
Energie și stocarea energiei
- Bateriile pe bază de grafen au potențialul de a fi mai ușoare, mai eficiente și cu încărcare ultra-rapidă.
- Panourile solare îmbunătățite cu grafen pot avea o eficiență mai mare în captarea energiei solare.
Medicină și biotehnologie
- Grafenul este testat pentru transportul țintit al medicamentelor, datorită biocompatibilității sale.
- Are potențial în diagnosticarea medicală, fiind utilizat în senzori ultra-sensibili.
Materiale avansate și construcții
- Materialele îmbunătățite cu grafen, precum betonul și asfaltul, sunt mai durabile și mai rezistente la intemperii.
- Textilele tratate cu grafen pot deveni mai ușoare și mai rezistente.
Filtrare și mediu
- Membranele pe bază de grafen pot filtra eficient apa sărată sau poluată, oferind soluții pentru criza apei potabile.
- Grafenul poate fi utilizat în baterii mai ecologice, reducând dependența de materiale rare și toxice.

În prezent, grafenul se află la o răscruce – de la un material experimental, începe să devină o componentă-cheie în multe industrii. Odată cu dezvoltarea unor metode de producție mai accesibile și cu noile descoperiri în domeniul materialelor bidimensionale, este doar o chestiune de timp până când grafenul își va atinge adevăratul potențial. Se zvonește că unele dintre cele mai importante corporații, inclusiv SpaceX, Tesla, Panasonic, Samsung, Sony și Apple folosesc materialul pentru a dezvolta noi produse.

Cercetătorii sunt optimiști că, în următorii 10-20 de ani, vom vedea grafenul în bateriile telefoanelor, în structurile avansate de construcție, în domeniul sănătății și chiar în tehnologii spațiale.

Grafenul este, fără îndoială, unul dintre cele mai promițătoare materiale descoperite vreodată. Deși inițial s-a confruntat cu provocări tehnologice și economice, progresul continuă să aducă grafenul mai aproape de implementarea pe scară largă. La mai mult de două decenii de la descoperirea sa, acest material revoluționar este pregătit să redefinească multiple industrii și să contribuie la construirea unui viitor tehnologic mai avansat și sustenabil.