არ არის არაფერი უფრო მსუბუქი, მტკიცე, გამჭვირვალე და ამავე დროს ელასტიური, ვიდრე ფანქრის გრაფიტის ერთი შრე, რომელიც შედგება კრისტალირებული ნახშირბადისგან და ეწოდება გრაფენი. ეს ძალიან მყარი და ამავე დროს არაჩვეულებრივად მოქნილი მასალაა. იგი დენს და სითბოს მეტალივით კარგად ატარებს და თანაც გამჭვირვალეა როგორც მინა. ელექტრონები გრაფენებში გადაადგილდებიან თითქმის 100-ჯერ უფრო სწრაფად ვიდრე კაჟში, რომელიც დღესდღეობით პროცესორების ძირითად მასალას წარმოადგენს. ასე რომ, თუ გრაფენს გამოვიყენებთ ჩიპების დასამზადებლად, მაშინ საგრძნობლად აიწევს კომპიუტერების წარმოების დონე. მეცნიერების აზრით, გრაფენის გამოყენებას კავშირგაბმულობის დანადგარებში შეუძლია 10-ჯერ და 100-ჯერ გაზარდოს კომუნიკაციის სიჩქარე.

გრაფენის მიღება არც ისე დიდი ხნის წინ მოხერხდა. მანჩესტერის უნივერსიტეტის მეცნიერებმა ანდრეი გეიმმა და კონსტანტინე ნოვოსელოვმა გრაფენის აღმოჩენისთვის 2010 წელს მიიღეს ნობელის პრემია ფიზიკის დარგში.

სად შეიძლება გამოიყენოთ ეს საოცარი ნივთიერება? ამ კითხვაზე პასუხის მისაღებად მარტო ევროკავშირი უახლოეს წლებში აპირებს მილიარდ დოლარზე მეტი დახარჯოს. არა მარტო მთავრობები, არამედ მსხვილი IT-კომპანიებიც, როგორებიცაა Nokia და Samsung, ერთვებიან ამ პროექტში.


ჩვეულებრივი გრაფიტის ნატეხისგან გრაფენის მისაღებად საჭიროა ატომების შრეების გამოყოფა (1)
ელექტრონული მიკროსკოპი საშუალებას გვაძლევს დავათვალიეროთ გრაფენის ერთგვაროვანი უჯრედული სტრუქტურა (2)

საუკეთესო გამტარობა და დიდი სიმტკიცე

გრაფენეზე ელექტრონები გადაადგილდებიან ძალიან დიდი სიჩქარით. ამავე დროს ნივთიერებას გააჩნია ძალიან კარგი სიმტკიცე, ელასტიურობა და გამჭვირვალობა.

გრაფენის საიდუმლოს ახსნა დაგვეხმარება შევისწავლოთ თუ როგორ შეიძლება ატომის სისქის რიგის მასალების შექმნა. ნახშირბადის ატომის ჰექსოგონალური უჯრედული სტრუქტურის გამო მისი ოთხი ელექტრონიდან სამი უკავშირდება მეზობელ ატომებს, ხოლო მეოთხე ელექტრონის ორბიტა პერპენდიკულარულია გრაფენის სიბრტყის. დაკავშირებული ელექტრონები უზრუნველყოფენ უჯრედის სიმტკიცეს, ხოლო მეოთხე დაუკავშირებელი ელექტრონი გრაფენს აძლევს მაღალ სითბო და ელექტროგამტარობას. ასეთი სტრუქტურის გამო გრაფენი გამოდის ალმასივით მტკიცე და თან შეუძლია გაიწელოს დაახლოებით 20%-ით.

კომპიუტერულ ტექნიკაში გრაფენის გამოყენებისას დიდი ყურადღება ექცევა მეოთხე გაუწყვილებელ ელექტრონს. გრაფენს გააჩნია ერთი განსაკუთრებული თვისება: ელექტრონების ვალენტური და ელექტრული დონეების გადაკვეთა არის ძალიან მცირე. ამის დამსახურებით ელექტრონები გადაადგილდებიან გრაფენის უჯრედებში დიდი სიჩქარით და თითქმის დაბრკოლების გარეშე. ასე რომ, გრაფენული ტრანზისტორები შეიძლება გამოყენებული იქნან კომპიუტერული პროცესორების ბაზად, იმუშაონ ძალიან მაღალი სიჩქარით და ამავე დროს არ გადახურდნენ. კომპანია IBM-მა 2010 წელს უკვე შეიმუშავა ტრანზისტორი, რომლის სიხშირე არის 100 გჰც.



უჯრედის აღდგენა. როგორც მეცნიერებმა გამოარკვიეს, გრაფენს აქვს თვისება, ავტომატურად აღიდგინოს სტრუქტურა კატალიზატორის დახმარებით. ამისათვის საჭიროა ნახშირბადის დამატებითი ატომები.

მასობრივი წარმოების პროგრესი

ყველა „გრაფენული ოცნება“ შეიძლეა დაიმსხვრეს, თუ არ იქნება აღმოჩენილი გრაფენის იაფფასიანი წარმოების მეთოდი. ამჟამად არსებობს სამი საკმაოდ იმედისმომცემი მიმართულება:

• პირველი გულისხმობს აორთქლებას, უფრო სწორად გრაფიტის დაშლას, რის შედეგადაც წარმოიქმნება გრაფენის 1 მმ ზომის „ფიფქები“. მოცემული რაოდენობა საკმარისია გამოკვლევებისთვის, მაგრამ წარმოებისთვის არა.
• მეორე მეთოდი გულისხმობს მაღალ ტემპერატურაზე კაჟის კარბიდის გრაფიტიზაციას. მაღალი ტემპერატურა (1500-2000°C) შლის კაჟის კარბიდს შემადგენელ ნაწილებად. კაჟი, როგორც ყველაზე „აქროლადი“ ელემენტი, შორდება ზედაპირის ფენებს და ტოვებს ერთ-შრიან ან მრავალ-შრიან გრაფენს. ამ მეთოდით მზადდება ფირფიტები, რომელიც შედგება 50 მმ დიამეტრის გრაფენის შრეებისგან და კაჟის კარბიდისგან.
• მესამე მეთოდის გამოყენებისას (Chemical Vapour Deposition) გაცხელებული ნახშირბადის შემცველი გაზი სპილენძის ზედაპირზე კონდენსირდება, რის შედეგადაც წარმოიქმნება გრაფენი. უნდა აღვნიშნოთ რომ ეს მეთოდი ითვლება დღევანდელ დღეს ყველაზე პერსპექტიულ ტექნოლოგიად.

გრაფენი გამოიყენება ტრანზისტორებში, ნახევარგამტარეში, აკუმულატორებში, ფლეშმეხსიერებებში და ა.შ.

გრაფენი შეცვლის ძვირფას მასალებს

გრაფენის არაჩვეულებრივმა გამტარობამ განაპირობა მისი ფართო გამოყენება მზის ბატარეებში და აკუმულატორებში. გამოცდილებამ აჩვენა, რომ ბატარეის დატენვის დრო, რომლსი ტევადობაა 2500 მა, შეიძლება დავიდეს 90 წმ-მდე.

გრაფენი არა მარტო კარგად ატარებს დენს, არამედ არის გამჭვირვალეც, რასაც იყენებენ დისპლეებში (ელექტრული ხელსაწყოებში). გრაფენულ ელექტროდებზე დაფუძნებული ორგანული ფოტოდიოდები ჯერ კიდევ 2010 წ შეიქმნა სტენფორდის უნივერსიტეტში. გრაფენმა შეცვალა გამჭვირვალე და ძვირფასი ინდიუმის კალას ორჟანგი, რომელიც ასევე გამოიყენება მზის ბატარეებში.

გრაფენის მექანიკური თვისებები ასევე მნიშვნელოვანია მისი გამოყენებისას: მცირე მასა, კარგი ელასტიურობა და დიდი სიმტკიცე გრაფენს ხდის არაჩვეულებრივ მასალად ყურსასმენის მემბრანების დასამზადებლად.

შეძლებს თუ არა გაამართლოს გრაფენმა მასზე დამყარებული იმედები ჯერჯერობით უცნობია. გადაუჭრელ ამოცანად მიიჩნევა მისი მასობრივად წარმოებაც. ახლახან ფიზიკოსთა ჯგუფმა, რომლის სათავეშია ნობელის პრემიის ლაურეატი, გრაფენის ერთ-ერთი აღმომჩენი კონსტანტინე ნოვოსელოვია, წარმოადგინა გრაფენის „განვითარების კონცეფცია“, რომლის თანახმადაც ისეთი პროდუქტები როგორიცაა ორგანული ფოტოდიოდები ძალიან მალე გამოჩნდება. თუმცა გრაფენულ პროცესორებს, რომელთა სიხშირე 100 გჰც მეტია, ალბათ მინიმუმ 10 წელი უნდა ველოდოთ.

ელასტიური მოწყობილობები და იდეალური ყურსასმენები. ასეთი მოწყობილობები მხოლოდ მოგებაში წავლენ გრაფენის გამოყენეის შემთხვევაში და ყურსასმენში გრაფენის გამოყენება მკვეთრად გაზრდის მის ხმის გამოსახულებას