Чудото от линията молив - физика; Още - FAZ
В електрониката днес всичко е малко, много малко. Така че, ако даден материал е на път да го революционизира отново, както някога е направил силиция, той трябва да позволява особено филигранни измерения - но не непременно във всичките три пространствени посоки. Човек може да е достатъчен, ако е милион пъти по-тънък от лист хартия. Подобно на форма на въглерод, която за разлика от графита не се състои от много паралелни слоеве, а от една равнина от омрежени атоми, подобни на пчелна пита. Изненадващо стабилният кристал се нарича графен - с акцент върху края.
Дълго време новият любим материал на физиците в твърдо състояние се смяташе за чисто теоретична конструкция. Вярваше се, че вибрациите на атомите един срещу друг ще унищожат такава мрежа. Така че изненадата беше страхотна, когато Андре Гейм и Костя Новоселов представиха малки графики на люспи преди три години. Физиците от Манчестър бяха успели да го произведат с техника, която беше доста земна: Използвайки обикновена лепяща лента, те отлепиха слоеве от малки графитни кристали, като тези, открити във всяка следа от молив, с дебелина на няколко атомни слоя. Те притискат тромбоцитите върху основа от силициев оксид и повтаряха процеса, докато присъстваха отделни кристали графен.
Леки вълни в пчелна пита
Фактът, че двумерните кристали не се навиват или сгъстяват, както се предполага, е благодарение на светлинните вълни в редовен модел на пчелна пита: стабилизиращите вдлъбнатини са високи само нанометър и обхващат около сто атома. Това наскоро показаха измервания в Института за изследване на твърдо състояние на Макс Планк в Щутгарт.
Изключителните електронни свойства на графеновите кристали бързо предизвикаха интереса на полупроводниковата индустрия. Защото, въпреки че графенът не е нито полупроводник, нито метал, той провежда електричество и топлина изключително добре. Това е следствие от структурата на пчелната пита: от четирите електрона, с които всеки въглероден атом може да се свърже навън, в структурата на пчелната пита са необходими само три. Четвъртият може да бъде навсякъде на нивото на кристала и, заедно с неговите особености, може да се плъзга почти необезпокояван от сблъсъци с решетъчните атоми и да транспортира електрическа енергия с малки загуби.
Тук графиката е полезна. Тъй като миниатюризацията на електронни компоненти, изработени от силиций, ще достигне своите физически граници в обозримо бъдеще. След това трябва да се намери нов материал, който позволява по-нататъшно миниатюризиране на елементите на веригата. Графиките могат да бъдат подходящ кандидат за това.
Тесни панделки от графен вместо медни линии
Макс Лем от Обществото за приложна микро- и оптоелектроника (AMO) изследва в Аахен до каква степен графенът е подходящ за използване в електронни компоненти. Неговата работна група преследва два подхода: От една страна, тесните ленти от графен са предназначени да заменят медните проводници на електронните компоненти и те вече са успели да произведат първия си транзистор. "Предпоставката за това обаче е, че графенът може да бъде произведен в достатъчно качество на голяма площ, например с помощта на техники, подобни на използваните днес за силиций", казва Лем. „Освен това трябва да можете да изрежете тези слоеве с точност от около пет нанометра.“
Това все още не може да става и днес, въпреки че многобройни изследователски групи работят върху разработването на надеждни производствени методи за големи графенови слоеве. „Там вече има обещаващи процеси“, казва Томас Сейлер от университета в Ерланген-Нюрнберг, „но те все още са обект на интензивни основни изследвания“. Досега физиците трябваше да се задоволят с люспи с размер няколко микрометра. „Това е достатъчно за важните в момента експерименти с ориентация“, казва Хайнрих Курц, директор на AMO. Що се отнася до мащабното производство за бъдещи приложения, няма нужда да се притеснявате: „Ако микроелектронната технология използва оръжията си там, това също ще бъде възможно“, казва Курц.
Последните публикации не са ограничени до микроелектрониката, що се отнася до приложенията на графена: През март тази година изследователи от Великобритания и САЩ изчислиха, че кристалите графен огъват електронните вълни в „грешна“ посока - подобно на това, което така наречените метаматериали правят с електромагнитните вълни Направете радиация. Това направи възможно изграждането на лещи и разделители на лъчи за електронни вълни от вълнообразната въглеродна мембрана.
Идеални сензори за най-малки количества газ?
В края на юли учените на Андре Гейм предложиха да се използва графен като силно чувствителен детектор за газови молекули. Техните измервания показаха, че натрупването на отделни молекули, като амоняк или азотен диоксид, променя проводимостта на графена, така че да могат да се създадат идеални сензори за най-малките количества токсични газове. Почти по същото време учени от Илинойс представиха производството на хартиени фолиа от графен в Nature. Изключително устойчивите на разкъсване и стабилни въглеродни слоеве, според изследователите, могат да бъдат използвани в композитни материали за подсилване на полимери, метали или керамика.
Зигмар Рот от Института за изследване на твърдо състояние на Макс Планк в Щутгарт не вярва в тези сензационни доклади: "Не е изненадващо, че една малка атомна решетка е чувствителна към контакт с отделни чужди молекули." В допълнение, графенът е химически твърде враждебен към връзките, за да може да подобри свойствата на материала, като якостта на опън, когато е вграден в пластмаса. Lemme също се съгласява: "За да работи това, първо трябва да промените химически графиката."
Все още няма наследник на силиция
Все още е твърде рано да се търгува с графен като наследник на силиция в микроелектрониката, казва Даниел Лос от Университета в Базел, но посочва огромния напредък в полупроводниковите технологии през последните десет години. Неговите идеи за бъдещото приложение на графен отиват много по-далеч от тези на неговите колеги: В бъдеще слоевете графен могат да формират основата на квантов компютър, в който магнитните моменти на електрони - уловени в така наречените квантови точки - осигуряват носителите на информация.
Вълнообразните въглеродни кристали биха имали специално привличане, дори ако големите надежди за широк спектър от приложения не бяха изпълнени: тъй като носителите на заряд, които се движат през графеновата равнина, се подчиняват на така нареченото уравнение на Дирак, което описва квантовите частици, които са почти толкова бързи, колкото светлината. Това е изненадващо, защото уравнението на Шрьодингер, което е валидно само за бавни кванти, обикновено е достатъчно за условията в твърдите тела. Отговорите на основни въпроси на физиката, които в момента се търсят в ускорителите на големи частици, могат да спят в тънките слоеве въглерод.