Iš pirmo žvilgsnio, grafenas iš viso neturėtų egzistuoti. Tačiau į mūsų pasaulį jis įsmuko per landą fizikoje, kai neįmanomas 2D atomų sluoksnis elgiasi kaip 3D medžiaga.
Naujais grafeno raibuliavimo tyrimais atrastas atominio mastelio fenomenas, kurį galima panaudoti kaip praktiškai neribotą švarios energijos šaltinį.
Anglis – pragarai, be anglies negerai… ar kažkaip panašiai. Atrasta dar viena anglies alotropinės atmainos, grafeno, savybė, galinti padėti aprūpinti energija pačius mažiausius prietaisus.
Iš pirmo žvilgsnio, grafenas iš viso neturėtų egzistuoti. Tačiau į mūsų pasaulį jis įsmuko per landą fizikoje, kai neįmanomas 2D atomų sluoksnis elgiasi kaip 3D medžiaga. Naujais grafeno raibuliavimo tyrimais atrastas atominio mastelio fenomenas, kurį galima panaudoti kaip praktiškai neribotą švarios energijos šaltinį.
Arkanzaso universiteto tyrėjų vadovaujama fizikų komanda nesiekė rasti naują elektroninių įrenginių maitinimo būdą, jų tikslas buvo daug kuklesnis – paprasčiausiai stebėti, kaip grafenas kratosi.
Visi žinome, kas yra grafitas, kurio mišiniais užpildomos pieštukų šerdelės.
Pieštuko paliekamą pėdsaką sudaro anglies atomų sluoksneliai. Kadangi šie sluoksneliai tarpusavyje nėra surišti, jie vienas kito atžvilgiu nesunkiai slysta.
Fizikai ilgai laužė galvas, ar įmanoma atskirti, izoliuoti vieną grafito sluoksnelį, kad dvimatis anglies atomų darinys laikytųsi pats. 2004 metais pora fizikų iš Manchesterio universiteto pasiekė neįmanomą tikslą ir izoliavo anglies atomo storio sluoksnelius nuo grafito gabalo
Kad galėtų egzistuoti ir būtų patvari, 2D medžiaga turėjo kažkaip sukčiauti ir apsimesti 3D medžiaga. Pasirodo, šią „landą“ atomai padaro, atsitiktine tvarka šokinėdami, taip dvimačiam grafeno sluoksneliui suteikdami geidžiamą trečiąjį matmenį.
Kitaip tariant, grafenas įmanomas dėl to, kad jis nėra idealiai plokščias, o atominiu lygiu vibruoja taip, kad jo ryšiai spontaniškai nenutrūksta. Norėdamas tiksliai išmatuoti šio judėjimo lygį, fizikas Paul Thibado vadovavo savo studentų komandai, atlikusiai paprastą tyrimą.
Grafeno sluoksnelius jie išdėliojo ant varinio pagrindo ir stebėjo atomų pozicijos pokyčius skenuojančiu tuneliniu mikroskopu. Nors atomų judėjimą aukštyn ir žemyn jie užfiksavo, tačiau gauti skaičiai nelabai atitiko prognozes. Jų bandymuose renkami duomenys būdavo vis skirtingi.
„Studentai baiminosi, kad taip nieko naudingo nesužinosime, – sako Thibado. – Bet pagalvojau, gal keliame pernelyg paprastą klausimą.“
Thibado pasuko eksperimentą kita kryptimi, ir struktūros duomenyse ėmė ieškoti, pakeisdamas, galima sakyti, požiūrio kampą.
„Suskirstėme kiekvieną atvaizdą į povaizdžius, – sako Thibado. – Nagrinėjant didelio mastelio vidurkius, dingsta struktūra. Žvelgiant į atskiro atvaizdo regionų kitimą, struktūra išryškėjo.“
Komanda greitai suprato, kad grafeno sluoksniai garankščiuojasi panašiai, kaip iš šonų sukinėjamas plono metalo sluoksnis. Mažos, atsitiktinės fluktuacijos, drauge sukuriančios staigius, dramatiškus poslinkius, vadinamos Lévy skrydžius. Nors jie buvo stebėti sudėtingose biologinėse ir klimato sistemose, atominiu lygmeniu juos užfiksuoti pavyko pirmą kartą.
Matuodamas šių grafeno bangų dažnį ir mastą, Thibado suprato, kad tai gali būti įmanoma panaudoti, išgaunant energiją iš įprastos temperatūros aplinkos.
Kol grafeno temperatūra verčia atomus nepatogiai stumdytis ir grumdytis, tol jis banguoja ir lankstosi.
Prie šio nenurimstančio grafeno pusių pritaisius elektrodus, fiksuojama mažutėlaitė kintama įtampa. Šis vaizdo klipas paaiškina procesą detaliau:
Thibado skaičiavimais, vienas 100 µm² ploto grafeno gabalėlis galėtų tiekti 10 µW galią. Tai neskamba įspūdingai, bet turint omeny, kad ant smeigtuko galvutės būtų galima sutalpinti daugiau nei 20 000 tokių kvadratėlių, nedidelis grafeno kiekis kambario temperatūroje galėtų neribotai maitinti, tarkime, rankinį laikrodį. Arba dar geriau, jis galėtų tiekti energiją bioimplantams – nereikėtų sudėtingų baterijų.
Kad ir kaip jaudinamai tai skambėtų, tačiau tokias pritaikymo galimybes dar reikia ištirti atidžiau. Laimei, Thibado jau bendradarbiauja su JAV Laivyno tyrimų laboratorija, ir tikrina, ar ši koncepcija perspektyvi. Kaip neįmanoma molekulė, grafenas jau nemažai nuveikė, versdama permąstyti, ką manėme žiną apie fiziką.
Jis jau laikomas ateities laidininku. Gal jis taps ir ateities elektroninių įrenginių energijos šaltiniu. Tyrimas publikuotas „Physical Review Letters“.
