Tehnološka paradigma:
Kraljevstvo za grafen

Evropska komisija je za istraživanje najtanjeg i najčvršćeg materijala na Zemlji naučnicima dodelila celu milijardu evra, što je jedna od dve najveće sume koje su u Evropi ikad uložene u jedan naučni projekat. Zašto?

U odnosu na svoju masu, on je danas ubedljivo najskuplji materijal na Zemlji. Komad grafena koji je mali kao poprečni presek ljudske vlasi kose u proizvodnji košta čitavih 1000 dolara. Bitno veće površine dostižu basnoslovne, višemilionske cene. I kao što su u gotovo svim pređašnjim epohama, neki izvanredni prirodni, ali i ljudskom rukom proizvedeni materijali – poput bakra, svile, kaučuka, baruta ili uranijuma – snažno uticali na život ljudi i geopolitičke prilike, nije isključeno da svet sada dobija novi materijal koji će promeniti svakodnevicu.

Mada je u zenitu naučnih istraživanja tek devet godina, ova fascinantna alotropska modifikacija običnog ugljenika se pojavljuje kao idealno rešenje za unapređenje gotovo svih tehnologija koje karakterišu naš vek – od ekrana pametnih telefona i procesora do čistača vazduha. Sa druge strane, kad se pogleda pregršt neverovatnih osobina ovog materijala, može se reći da kad bi bogovi birali materijal kojim bi se ogrnuli, teško da bi mogli zamisliti bolji – veoma tanak, izuzetno snažan, naelektrisan i potpuno proziran. Da li je grafen i za ljude sada postao materijal budućnosti?

To mišljenje, pored hiljada naučnika koji se bave ovim materijalom i pojedinih telekomunikacionih kompanija poput Nokije, koje su sada zaigrale i na ovu kartu, ima i Evropska komisija, koja ne samo da mnogo očekuje od grafena, nego je u klađenju oko tehnološkog razvoja u narednih deset godina, na ovaj materijal stavila svoj do sada najveći ulog. Naime, kako je prethodne nedelje saopštila, Evropska komisija je u okviru programa podrške tehnologijama budućnosti FET dodelila jednu od dve najveće sume koje su u Evropi ikada uložene u jedan naučni projekat – punu milijardu evra.

MATERIJAL KOJI OBEĆAVA: Tako je, uz projekat mapiranja ljudskog mozga pod nazivom Human Brain Project, program Grafen dobio milijardu evra za istraživanja u oblasti na raskršću nauke i tehnologije. Evropski lideri smatraju da će projekat "Grafen" – koji predvodi švedski naučnik Jari Kinaret, a okuplja čak 100 istraživačkih grupa iz više od 15 evropskih država, sa 136 vodećih istraživača i čak četiri nobelovca – za deset godina dovesti do nove tehnološke revolucije. Grafen je i bez ove investicije jedna od najvećih naučnih tema u koju u poslednjih devet godina hrle na stotine i hiljade novih istraživača, kako fizičara tako i drugih naučnika.

U čemu je tajna grafena? Pre svega, grafen je najtanji materijal koji je dosad viđen na Zemlji – njegovu debljinu čini samo jedan sloj atoma ugljenika. Zato se praktično može smatrati materijalom u dve dimenzije – ogromnim ćilimom heksagonalnih veza ugljenikovih atoma koji "nema" debljinu. Sa druge strane, mada "dvodimenzionalan", ovaj materijal je i najčvršći na planeti – čak 300 puta je čvršći od čelika. Grafen je, što je posebno važno, izuzetan provodnik, mnogo bolji od bakra, i može se koristiti za sve vrste elektronskih uređaja.

Pored toga je izuzetno transparentan, praktično potpuno providan, ima i čitav niz drugih, za naučnike zadivljujućih optičkih osobina. Budući da je reč o jednoj dvodimenzionalnoj rešetci, on pokazuje mnoge uzbudljive karakteristike, kao i neočekivano veliki skup nedovoljno istraženih kvantnih "osobina". Zato su se na proučavanju jednog istog grafena sastale na desetine istraživačkih oblasti moderne fizike.

Grafen je pre svega supstanca koja je sasvim sačinjena od atoma ugljenika. No, budući da se ovaj "životni" element, zahvaljujući svojim atomskim karakteristikama, može u molekulima kombinovati na vrlo uvrnute načine, grafen čini rešetka atoma koji su složeni samo u jednom sloju. Ako se uopšte može govoriti o debljini, taj sloj ugljenikovih atoma je tanak kao trista milijarditih delova milimetra, odnosno 0,333 nanometra, koliko bi morao da iznosi prostor kad bi se na jedan sloj grafena morao postaviti još jedan.

Grafen se tako praktično prostire u jednoj ravni i ima heksagonalnu strukturu kristalne rešetke, nalik na pčelinja saća, koja je stabilna kad se u njoj nalazi barem 24.000 atoma ugljenika. Po strukturi rešetke je inače vrlo sličan grafitu, s tim što grafit ima rešetku sa tri dimenzije. Mada sličan, pokazuje bitno drugačije osobine, od kojih neke zaista nisu "od ovog sveta", naravno, kad govorimo o makroskopskom svetu u kome ne zapažamo ni delić svih onih kvantnih fenomena koji su karakteristični za grafen.

SRPSKA VEZA: Ovaj materijal je kao jednoatomski sloj ugljenika opisan još početkom šezdesetih godina, a od 1987. godine se koristi i sam pojam grafen, koji je iskovan tako da se razlikuje od grafita. No, grafen ni tada nije izazivao preveliku pažnju istraživača. Njegov veliki ulaz u nauku počinje 2004. godine radovima na Univerzitetu u Mančesteru, kada dva relativno mlada naučnika uspevaju da u laboratoriji izdvoje prvi jednoatomski sloj ugljenika i time dobiju grafen.

Reč je o Andreju Gejmu (51) i Konstantinu Novoselovu (36), naučnicima ruskog porekla koji su bili pioniri u ovakvim istraživanjima. Za svoj eksperimentalni rezultat, koji je gotovo odmah pokrenuo čitavu lavinu istraživanja, Gejm i Novoselov su već 2010. dobili Nobelovu nagradu za fiziku. Kako je tada saopštila Švedska akademija nauka, nagrada im je dodeljena za "revolucionarne eksperimente sa dvodimenzionalnim materijalom grafenom".

No, ono što je za nas posebno zanimljivo jeste da je upravo Novoselov svoja istraživanja sprovodio ne samo u Mančesteru nego i u Beogradu, u saradnji sa istraživačima iz Srbije. Naime, kao istraživač je boravio u Centru za nove materijale i fiziku čvrstog stanja na Institutu za fiziku u Beogradu, gde je učestvovao u istraživačkim projektima godinu dana pre nego što će dobiti najpoznatiju nagradu na svetu.

Zanimljivo je i da tu saradnju sa Srbijom Novoselov nije prekinuo ni nakon što je postao nobelovac. Trenutno je uključen kao saradnik u projekat osnovnih istraživanja iz oblasti fizike: "Fizika uređenih nanostruktura i novih materijala", koji u periodu od 2011–2014. vodi šef Centra za nove materijale dr Radoš Gajić. On sa svojim timom radi na ispitivanju grafena, uporedo sa hiljadama drugih vodećih svetskih istraživača.

Da li to znači i da bi sve one najavljene, raznorodne primene ovog materijala jednom mogle doprineti transformaciji srpske tehnologije i industrije? Ma kako bilo čudno, to zapravo uopšte nije isključeno, pošto se od grafena, kao od malo kog drugog materijala, očekuju primene toliko brojne da se sa ni sa čim ne mogu uporediti.

Pre svega, grafen bi zbog svoje velike provodnosti mogao biti izuzetna komponenta u integrisanim kolima. Problem je što ga je još teško proizvesti, ali kad to postane olakšano, a grafen dostupniji, granica moći kompjuterskih čipova će zaista dramatično porasti. Sa druge strane, zbog čudesnih optičkih osobina, grafen je idealan za sve touch screen uređaje, a pošto je elektroprovodan, čvrst i gotovo potpuno providan (apsorbuje samo 2,3 odsto svetlosti) mogućnosti njegove primene su gotovo nezamislive, od kreiranja nevidljivosti do ekrana u svim zamislivim oblicima.

No, grafen se može koristiti i kod solarnih ćelija, za detekciju gasova, za desalanizaciju, za destilaciju alkohola, kao i za pravljenje takozvanih grafenskih tranzistora, kvantnih tačaka, grafenskih traka, optičkih modulatora, ultrakondenzatora, pizoelektričnih uređaja, uređaja za regulaciju temperature, kao i raznih grafenskih bio-uređaja. S obzirom na takvo obilje primena, grafen bi mogao učiniti i mnogo više od onog što su svojevremeno učinile legure sa silicijumom kad je elektronika menjala svet. Kako i kuda, nemoguće je precizno predvideti. Ali, sasvim je izvesno da igrati na grafen danas predstavlja siguran ulog.

Slobodan Bubnjević