Είναι το γραφένιο η απάντηση σε όλες τις ερωτήσεις;

Τα τελευταία 10-15 χρόνια, όλο και πιο συχνά συναντά κανείς στα πλαίσια ενός επιστημονικού άρθρου ή μιας παρουσίασης για το ευρύ κοινό τον όρο γραφένιο. Παρότι διαισθητικά το όνομα παραπέμπει μάλλον σε κάποια ένωση ή κάποιο υλικό, ίσως οργανικό (χημικές ενώσεις με βάση τον άνθρακα και ονόματα που συνήθως λήγουν σε -άνιο, -ένιο κλπ), η εμφάνισή του γίνεται ακόμα και σε άρθρα σχετικά με την αστροφυσική, όπως για παράδειγμα σε αυτή την εργασία που επικεντρώνεται στο σχεδιασμό ανθεκτικότερων και αποδοτικότερων αισθητήρων για να ενσωματωθούν σε τηλεσκόπια. Δεν έχουν περάσει εξάλλου πολλά χρόνια από τότε που η Ευρωπαϊκή Επιτροπή αποφάσισε να επενδύσει 1 δισεκατομμύριο ευρώ σε θεμελιώδη έρευνα πάνω στο γραφένιο. Αυτό υπονοεί ότι κάτι καλό περιμένουμε να προκύψει από το γραφένιο… Τι στο καλό όμως είναι τελικά αυτό το γραφένιο;

Αν μετά την ανάγνωση αυτού του άρθρου καταλήξετε ότι… άνθρακες ο θησαυρός του γραφενίου, δεν θα έχετε καθόλου άδικο, μια και πρόκειται ακριβώς για μια μορφή άνθρακα. Ένα λεπτό φύλλο άνθρακα συγκεκριμένα – τόσο λεπτό που καθίσταται το λεπτότερο υλικό που υπάρχει, και που μπορεί να υπάρξει ποτέ. Μεγάλα λόγια; Όχι και τόσο, μια και το γραφένιο είναι το πρώτο πραγματικά δισδιάστατο υλικό που απομονώθηκε: πρόκειται για μια περιοδική διάταξη ατόμων άνθρακα σε ένα και μόνο επίπεδο, όπως φαίνεται στην Εικόνα 1, πράγμα που σημαίνει ότι το πάχος ενός φύλλου γραφενίου είναι ακριβώς ένα άτομο (περίπου 0.3 nm)!

Ο άνθρακας έχει την ικανότητα να οργανώνεται σε διάφορες μορφές με διαφορετικές ιδιότητες, από τον κοινό μαλακό και άφθονο γραφίτη στο σκληρό και δυσεύρετο διαμάντι, αλλά και σε περίεργες νανοδομές όπως οι νανοσωλήνες άνθρακα και οι νανοσκοπικές μπάλες ποδοσφαίρου με το εξωτικό όνομα φουλερένια Μπάκμινστερ. Η δυνατότητα οργάνωσης σε ατομικώς λεπτά φύλλα είχε προβλεφθεί θεωρητικά ήδη από τη δεκαετία του 1960, μαζί με την πρώτη εμφάνιση του ονόματος γραφένιο, και ενδείξεις ύπαρξης τέτοιων δομών είχαν παρατηρηθεί κυρίως ως στρώματα άνθρακα πάνω σε άλλες δομές. Η πλήρης απομόνωση ενός μονο-επιπέδου άνθρακα ωστόσο έγινε το 2004 με τη μέθοδο του… σελοτέιπ (δημιουργείς ένα στρώμα γραφίτη, πχ με το μολύβι, και το τραβάς με μια ταινία, Εικόνα 2), οδηγώντας στην απονομή του βραβείου Νόμπελ στους Andre Geim και Konstantin Novoselov πρακτικά αμέσως (για τα δεδομένα της Βασιλικής Σουηδικής Ακαδημίας Επιστημών), το 2010.

Πού οφείλεται όμως αυτή η άμεση ανταπόκριση/αναγνώριση; Αξίζει πραγματικά ο ντόρος; Σε γενικές γραμμές, η απάντηση είναι ναι. Αρχικά, είναι τεράστια επιτυχία το να δημιουργηθεί ένα υλικό πραγματικά μονοατομικού πάχους, μια δομή που διαισθητικά οι περισσότεροι επιστήμονες θα έλεγαν ότι αποκλείεται να είναι σταθερή. Αλλά κατά κύριο λόγο, είναι οι ιδιότητες που προσδίδει στο υλικό αυτή ακριβώς η δόμηση που κάνουν τη διαφορά. Σε κάθε μόριο και στερεό σώμα, η οικοδόμησή του από τα άτομα που το αποτελούν γίνεται μέσω συνεργασίας όλων των ατόμων, ώστε να μοιραστούν μεταξύ τους τα εξωτερικά τους ηλεκτρόνια (αυτά δηλαδή που βρίσκονται πιο μακριά από τον πυρήνα του ατόμου, και άρα έλκονται ασθενέστερα από αυτόν και τους είναι πιο εύκολο να κάνουν την παρασπονδία και να γλυκοκοιτάξουν ένα άλλο άτομο). Αυτός ο “γάμος από συμφέρον” (μεγαλύτερη σταθερότητα όταν μοιραζόμαστε κάτι) είναι η βάση όλης της ύλης γύρω μας. Ο άνθρακας έχει τέσσερα εξωτερικά ηλεκτρόνια (από τα έξι που έχει σύνολο μόνο δύο είναι ισχυρά δέσμια στον πυρήνα του) που ευχαρίστως θα τα μοιραζόταν με άλλα άτομα. Αν αυτά είναι επίσης άτομα άνθρακα, οδηγούμαστε στις δομές που αναφέρθηκαν παραπάνω, αν υπάρχουν κάποια άτομα υδρογονου έχουμε οργανικές ενώσεις, αν είναι κάποιο άτομο οξυγόνου έχουμε τα βλαβερά (για εμάς ή για το περιβάλλον) οξείδια, και ούτω καθεξής. Στην περίπτωση του γραφενίου, τα άτομα άνθρακα διατάσσονται στη δομή κυψέλης του Σχ. 1, και μοιράζονται τρία από τα εξωτερικά τους ηλεκτρόνια με γειτονικά άτομα άνθρακα, με ισχυρούς δεσμούς στο ίδιο επίπεδο. Το τέταρτο «ζει» εκτός επιπέδου, και κατά κάποιον τρόπο μένει ξέμπαρκο και κυκλοφορεί σε όλο το επίπεδο (βλ. Εικόνα 3 για τα σχετικά τροχιακά και την πιθανότητα παρουσίας ενός ηλεκτρονίου στον χώρο). Αυτή η ελευθερία κίνησης του τέταρτου ηλεκτρονίου είναι που καθιστά το γραφένιο εξαιρετικό αγωγό του ηλεκτρικού ρεύματος (εύκολη κίνηση φορτίων) αλλά και της θερμότητας (λόγω της ίδιας κίνησης των φορτίων).

Επιπλέον, ανάλυση της ηλεκτρονικής δομής του γραφενίου δείχνει ότι αυτά τα ηλεκτρόνια σχηματίζουν ένα (βασικά έξι) ζεύγη κώνων με γραμμική σχέση διασποράς, με την ενέργεια της ανώτερης κατειλημμένης στάθμης του συστήματος (γνωστής ως ενέργεια Fermi) ακριβώς στο σημείο τομής των δύο κώνων. Ένα τέτοιο διάγραμμα ζωνών έχει τεράστιο θεωρητικό ενδιαφέρον για τους φυσικούς, γιατί δείχνει ότι τα ηλεκτρόνια ακολουθούν την εξίσωση Dirac για σωματίδια χωρίς μάζα – χωρίς να έχει ιδιαίτερη σημασία τι ακριβώς σημαίνει αυτό, απλά πείτε στον φυσικό της γειτονιάς σας το όνομα Dirac και δείτε τα μάτια του/της να λάμπουν! Αλλά έχει και πρακτικό ενδιαφέρον, γιατί δείχνει ότι το γραφένιο είναι ημιαγωγός μηδενικού χάσματος (ή ημιμέταλλο), το οποίο μπορεί κανείς να πειράξει εύκολα συνδέοντας εξωτερικά ηλεκτρόδια και μια μπαταρία. Όλη η σύγχρονη τεχνολογία μας βασίζεται στους ημιαγωγούς (-> τρανζίστορ -> ολοκληρωμένα κυκλώματα -> η συσκευή από την οποία διαβάζετε αυτές τις γραμμές), και στην περίπτωση του γραφενίου έχουμε έναν ημιαγωγό που μπορεί να ελεγχθεί ή και να αλλάξει φύση πολύ εύκολα με μικρά εξωτερικά ερεθίσματα.

Πέρα από τις ηλεκτρονικές ιδιότητες, το γραφένιο έχει ενδιαφέρουσα απόκριση στα μαγνητικά πεδία (και, μην ξεχνάμε, οι μνήμες των ηλεκτρονικών μας συσκευών είναι μαγνητικές), είναι αξιοπερίεργα διαφανές στο φως (σε αντίθεση με τον μαύρο γραφίτη που απορροφά όλο το προσπίπτον σε αυτό φως), και είναι εξωφρενικά απίστευτα ανθεκτικό σε μηχανική καταπόνηση, κερδίζοντας τον τίτλο του σκληρότερου καρ… εεεμ με συγχωρείτε, υλικού που έχει μετρηθεί. Α, και είναι και απλά άνθρακας, οπότε λογικά θα είναι αρκετά συμβατό με τον οργανισμό μας, για παράδειγμα σε περίπτωση τεχνητών μελών; Όπως και να’χει, κάπως έτσι, έχει προσελκύσει το ενδιαφέρον επιστημόνων από κάθε κλάδο, αλλά και από κάθε βιομηχανία, υποσχόμενο να δώσει λύσεις σε κάθε πρόβλημα. Από την άλλη, είναι πολύ νωρίς ακόμα για να ξέρουμε πόσες από τις προτεινόμενες δραστηριότητες θα επιζήσουν στο μέλλον, πόσα από τα πρακτικά προβλήματα θα επιλυθούν αποτελεσματικά (για παράδειγμα, να έχει κανείς σταθερά ομοιογενή φύλλα γραφενίου μήκους κάποιων μέτρων, και όχι μικρομέτρων), αλλά και τι νέες κατευθύνσεις μπορεί να προκύψουν. Αν και δε θα λύσει το πρόβλημα της παγκόσμιας πείνας (εκτός από την πείνα των λίγων κολοσσών που θα το εκμεταλλευτούν εμπορικά), είναι χωρίς αμφιβολία ένα από τα πιο πλούσια σε φυσική και υποσχόμενα σε εφαρμογές υλικά εδώ και πολλές δεκαετίες.