Γραφένιο: ένας κόσμος σε δύο διαστάσεις

Οι εξελίξεις γύρω από το ελαφρύτερο και ανθεκτικότερο υλικό που κατασκεύασε έως σήμερα ο άνθρωπος ήταν το αντικείμενο μεγάλου συνεδρίου που διοργανώθηκε στην Αθήνα. Ο Αλκης Γαλδαδάς το παρακολούθησε και έχει το ρεπορτάζ

«Ποια είναι η γνώμη σας
για το γραφένιο;».

«Δεν ξέρω, δεν έχω φάει ποτέ μου»!

Υπάρχουν άνθρωποι που δεν έχουν μάθει ακόμη κάτι για το γραφένιο. Και άλλοι που ναι μεν γνωρίζουν ότι κάποιοι δημιούργησαν το πιο λεπτό «φύλλο» στον κόσμο, αφού κατάφεραν να πάρουν από τον γραφίτη μόνο μια στρώση ατόμων άνθρακα, αλλά ίσως και να πιστεύουν ότι τα πράγματα σταμάτησαν εκεί. Κάτι που δεν είναι απλά «last year» αλλά γεγονός εδώ και 13 ολόκληρα... years.

Ηδη αυτοί που το κατάφεραν πρώτοι, το 2004, οι Ρώσοι Νοβοσέλοβ και Γκάιμ, τιμήθηκαν με το βραβείο Νομπέλ της Φυσικής για το 2010, η αγγλική κυβέρνηση τους έχει φτιάξει ένα Κέντρο Ερευνας Γραφενίου, που κόστισε 35 εκατομμύρια λίρες και τους έχει απονείμει, μαζί με την υπηκοότητα της χώρας, και τον τίτλο του σερ! Eνώ η Ευρωπαϊκή Ενωση, επειδή πείστηκε ότι πρόκειται για υλικό που θα έχει πολλές εφαρμογές στο μέλλον, τον Οκτώβριο του 2013 διέθεσε 1 δισεκατομμύριο ευρώ για να δημιουργήσει την πλατφόρμα Graphene Flagship. Από αυτήν χρηματοδοτούνται ήδη 150 ερευνητικά κέντρα σε 20 χώρες μόνο για αυτό το υλικό και για μια δεκαετία.

Δικαιολογημένα όμως να μην έχει εξοικειωθεί ο κόσμος μαζί του, αφού ακόμη δεν έχει εμφανιστεί σε πολλά αντικείμενα καθημερινής χρήσης.

Οι πιο γνωστές εφαρμογές

Κάνουμε σαν την Αλίκη στη χώρα των θαυμάτων και κλείνοντας για μια στιγμή τα μάτια μικραίνουμε για να μπορούμε να χωρέσουμε στον χώρο όπου ισχύουν οι όροι της νανοτεχνολογίας. Κινούμαστε πλέον σε χώρους και μεγέθη δισεκατομμυριοστών του μέτρου. Το καθαρό γραφένιο είναι ένα φύλλο με άτομα άνθρακα που σχηματίζουν ένα επίπεδο πλέγμα από εξάπλευρα, όπως τα κελιά σε μια κηρήθρα. Η απόσταση μεταξύ τους είναι λίγο περισσότερο από 1 δισεκατομμυριοστό του μέτρου (1.14 nm) και η αλήθεια είναι πως όλα αυτά τα άτομα δεν πρέπει να τα φανταζόμαστε ότι φτιάχνουν κάτι σαν το φύλλο του χαρτιού επάνω στο τραπέζι αλλά μάλλον μοιάζουν με την επιφάνεια μιας θάλασσας όταν επικρατεί ελαφρός κυματισμός.

Εκτός από το καθαρό γραφένιο υπάρχουν πλέον 300 τουλάχιστον άλλοι συνδυασμοί ατόμων που δίνουν τέτοιες μικρές νανο-πλάκες δύο διαστάσεων και αυτές παραδίδονται είτε μέσα σε διάλυμα είτε σε μορφή ξηράς σκόνης είτε επάνω σε λεπτές πλάκες από πυρίτιο ή άλλα σκληρά υλικά. Επίσης παίζει ρόλο το πόσες στρώσεις θα έχει το υλικό που μας παραδίδουν Π.χ. η ένδειξη 500 μπορεί να αντιστοιχεί σε 2-10 στρώσεις, το 300 σε 10-20 στρώσεις και το 100 σε 20-40 στρώσεις.

Σε λίγο, όταν το καταλάβουν και οι διαφημιστές, θα θεωρείται προσόν για ένα προϊόν να περιέχει γραφένιο. Από τα αεροπλάνα, όπου θεωρούν ότι μπορεί να αντικαταστήσει το πλέγμα χαλκού που περιβάλλει ολόκληρο το εσωτερικό του αεροσκάφους, μειώνοντας σημαντικά το βάρος, μέχρι τους αφρούς στα στρώματα που κοιμόμαστε. Από το τσιμέντο και τα χρώματα ως τα αντισκωριακά επιχρίσματα των πλοίων και τα μελάνια που παίζουν τον ρόλο καλωδίου, είναι δηλαδή και αγωγοί του ηλεκτρισμού. Τα φίλτρα από γραφένιο για την αφαλάτωση του νερού είναι 500 φορές λεπτότερα, 1.000 φορές ανθεκτικότερα και 100 φορές πιο οικονομικά ως προς την ενέργεια.

Το μάθημα του μίστερ Κρόμι

Ο Μάικ Κρόμι, από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλι, ανήκε στους επίσημους προσκεκλημένους της Εβδομάδας για το Γραφένιο εδώ στην Αθήνα, και έμεινε και τις πέντε ημέρες. Κάνοντας πάντα αισθητή την παρουσία του, είτε ήταν ο κύριος ομιλητής είτε ήταν απλός ακροατής που μετά απηύθυνε τις δικές του ερωτήσεις στον ομιλητή. Εχει μια καλά οργανωμένη ομάδα στην Καλιφόρνια που ασχολείται με το γραφένιο και βγάζει συνεχώς εργασίες γύρω από αυτό.

Δέχτηκε πρόθυμα να μιλήσει στο ΒΗΜΑ-Science για τις έρευνες της ομάδας του, αν και όλη σχεδόν την εβδομάδα σερνόταν κυριολεκτικά εξαιτίας ενός πολύ δυνατού κρυολογήματος. Στην πρώτη ερώτηση, σχετικά με το αν το επόμενο βήμα θα είναι να πάμε από τις δύο διαστάσεις στη μία, η απάντηση ήλθε στο δευτερόλεπτο: «Μα αυτό ακριβώς κάνουμε τώρα με τις νανοταινίες (nanoribbons)». Και με πολύ ενθουσιασμό εξηγεί ότι μπορούν πλέον να «κόβουν» στα μέτρα τους, δηλαδή σε όποιο πλάτος θέλουν, ταινίες από μια ολόκληρη επιφάνεια και η αλλαγή στο πλάτος να έχει ως συνέπεια και την αλλαγή στη συμπεριφορά των ταινιών στις πλευρές τις παράλληλες προς τον μεγάλο άξονα.

Μαχαίρι για νανοταινίες

Εδώ αξίζει να γνωρίζουμε επίσης ότι υπάρχουν δύο τρόποι να «κόψεις» νανοταινία από μια νανοεπιφάνεια με τα άτομα άνθρακα σε εξαγωνικό πλέγμα. Αν φανταστούμε το εξαγωνικό πλέγμα λοιπόν, με τις τελείες να παριστάνουν τα άτομα του άνθρακα και τις γραμμές τούς (άυλους στην πραγματικότητα) δεσμούς μεταξύ τους, μπορούμε να κόψουμε υπό γωνία έτσι ώστε οι εξωτερικές πλευρές να σχηματίζουν ζιγκ-ζαγκ (\./·\./·\./) ή να κόψουμε παράλληλα με τις πλευρές και να έχουμε το σχήμα της πολυθρόνας (armchair), όπως επικράτησε να λέγεται (\._./), με τη σημαντική παρατήρηση ότι στην πρώτη περίπτωση παρουσιάζεται και μαγνητισμός στις πλευρές ενώ στη δεύτερη όχι. Οπότε καταλαβαίνουμε ότι έχουμε φθάσει σε εκπληκτικές δυνατότητες χειρισμών, συνδυασμών και αντιδράσεων, όπως είναι η δημιουργία υπερευαίσθητων ανιχνευτών χημικών ουσιών ή μεθόδων αποκατάστασης τραυματισμών στον νωτιαίο μυελό (σε πειραματόζωα προς το παρόν), στο Rice University, με όλα αυτά να έχουν επιτευχθεί μόλις τον προηγούμενο χρόνο.

Πυρήνες «βαρέων βαρών»

Αλλά οι απροσδόκητες δυνατότητες ενός φύλλου γραφενίου έδωσαν την ευκαιρία στην ομάδα του καθηγητή Κρόμι να κάνει και μιαν άλλη εξαιρετικά πρωτότυπη εργασία. Που αναφέρεται συχνά ως «προσομοίωση υπερ-βαρέων πυρήνων με τη βοήθεια του γραφενίου». Πρόκειται για μια υπόθεση που είχαν κάνει από πολύ παλαιότερα οι θεωρητικοί φυσικοί, ότι δηλαδή αν μπορούσαμε για μια στιγμή να κατασκευάσουμε πυρήνες ατόμων πολύ πέρα από αυτούς που υπάρχουν σήμερα, δηλαδή αντί για 124, που είναι σήμερα ο μαζικός αριθμός του πιο μεγάλου τεχνητά δημιουργημένου στοιχείου, να είχαμε για μια στιγμή κάτι κοντά στο 140 ή και 170, τα ηλεκτρόνια που θα  περιστρέφονταν γύρω του δεν θα μπορούσαν να μείνουν όλα στις τροχιές τους. Τότε θα έπεφταν ακολουθώντας ελικοειδή τροχιά στον πυρήνα δίνοντας πίσω ένα ποζιτρόνιο. Αυτή την κατάσταση κατάφεραν να την προσομοιώσουν και να την επιβεβαιώσουν στο Μπέρκλι βάζοντας φορτισμένα άτομα ασβεστίου στο πλέγμα να παίξουν τον ρόλο των υπερ-πυρήνων και παρακολουθώντας τη συμπεριφορά των γύρω ηλεκτρονίων, κάτι που δεν θα επιτυγχανόταν ίσως και ποτέ, αφού δεν μπορούμε να φτιάξουμε τέτοιους πυρήνες.

Το παραπάνω πείραμα όμως μας δείχνει ότι η φαντασία και ένα υλικό με φανταστικές ιδιότητες μπορούν να δώσουν πραγματικά σπουδαία αποτελέσματα.

Σεμνά και προσεκτικά

Τα λάθη που μπορεί να κάνει ένα μέσο επικοινωνίας όταν ασχολείται με υλικά όπως το γραφένιο και τα όμοια με αυτό μου  υπενθύμισε ο έλληνας ερευνητής Κώστας Κωσταρέλος, καθηγητής Νανοϊατρικής στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ που έκανε, ίσως, μία από τις πιο σημαντικές ανακοινώσεις στην Εβδομάδα για το γραφένιο. Διότι έχει ασχοληθεί με επιμονή με το πώς μπορεί να συμπεριφερθούν τα υλικά αυτά όταν βρεθούν μέσα σε έναν οργανισμό.

Συνιστά συνήθως μικρό θρίαμβο και για το μέσο επικοινωνίας όταν κάνει τίτλους με την εμφάνιση κάποιου νέου υλικού ή μεθόδου που μπορούν να ανακουφίσουν από μια πάθηση. Και με το γραφένιο ήδη σχεδιάζονται πολλά και εντυπωσιακά στον τομέα των βιο-εφαρμογών και τα μέσα περιμένουν να σηκώσουν τα θέματα που έχουν να κάνουν με επιτυχίες στην υγεία και στην όποια θεραπεία. Όμως πώς ξεκινάει σωστά και χωρίς διάθεση για ψεύτικες εντυπώσεις ένας τέτοιος σχεδιασμός με ένα πολλά υποσχόμενο υλικό;

Κάνοντας ταυτόχρονη αναζήτηση για τις λέξεις «graphene» και  «toxicity» θα προκύψουν αρκετές διευθύνσεις όπου υπάρχουν εργασίες σχετικές με τη δράση του υλικού αυτού στη διαδρομή  του από τα διάφορα ζωτικά όργανα του σώματος. Και εκεί διαπιστώνει κανείς ότι έχουμε ένα θέμα που ακόμη είναι υπό έρευνα. Μπορεί το γραφένιο να προσβάλει θετικά τους εχθρούς ενός οργανισμού αλλά ανάλογα με τις συνθήκες όπως σχήμα, μέγεθος, οξειδωτική δράση, διαδρομή, επιπρόσθετες λειτουργικές ομάδες μορίων, μπορεί να εκπλαγούμε αρνητικά. Το υλικό αυτό να «επιτεθεί» και εκεί που δεν πρέπει.

Στην παρουσίαση που έκανε ο καθηγητής Κωσταρέλος είχαμε την ευκαιρία να παρακολουθήσουμε τη διαδρομή του υλικού μέσα στο σώμα ενός πειραματόζωου. Πνεύμονες, συκώτι, σπλήνα, νεφρά. Και κατά την άποψή του αν είναι σωστή η δόση να μην προκαλέσει ανεπιθύμητες παρενέργειες στον οργανισμό και να αποβληθεί μετά από 90 ημέρες περίπου, ενώ το αρχικό πλέγμα θα έχει αποδομηθεί κατά το μεγαλύτερο μέρος του.

Σε μια σύντομη συνάντηση στο διάλειμμα του συνεδρίου ο κ. Κωσταρέλος τόνισε το πόσες πολλές παράμετροι υπάρχουν ακόμη να διερευνηθούν προτού είναι σίγουρο το πώς το υλικό αυτό θα κυκλοφορεί στον ανθρώπινο οργανισμό. Παίζουν ρόλο και η επιφάνεια αλλά και το πώς καταλήγει στις πλευρές του το πλέγμα. Ποια συνάφεια θα παρουσιάσει με διάφορους ιστούς. Υπάρχει επίσης κάτι που ονομάζεται «φυσικός τροπισμός» και χαρακτηρίζει την τάση για συγκεκριμένη, αναπόφευκτη συμπεριφορά (όπως είναι, για παράδειγμα από την καθημερινή ζωή, η προσήλωση των φυτών στην πορεία του ηλίου). Κάποια από τα υλικά λοιπόν μπορεί να ωθούν προς συγκεκριμένη συμπεριφορά του οργανισμού ενώ, όπως επισημαίνεται στην εργασία που αναφέραμε πριν, μπορεί να υπάρξουν και  ανθρακικά «συντρίμμια» (debris) μαζί με το πλέγμα, αν δεν ακολουθηθεί η σωστή διαδικασία παρασκευής, που θα αποβούν τοξικά για τον οργανισμό.

Παράλληλα όμως το λεπτότατο αυτό πλέγμα γραφενίου δίνει τη δυνατότητα με την κατάλληλη καλωδίωση να επιτρέπει σε όσους πραγματοποιούν επεμβάσεις στον εγκέφαλο να έχουν απίστευτα πιο αναλυτικές χαρτογραφήσεις των αντιδράσεων των νευρικών κυττάρων, τοποθετώντας ειδικά επιθέματα στο εξωτερικό της χειρουργούμενης περιοχής αντί να εισχωρούν με πολύ μικρότερης ακρίβειας ηλεκτρόδια στο εσωτερικό!

Γίνεται κατανοητό ίσως και από τους μη ειδικούς ότι είναι εντελώς διαφορετικές οι ιδιότητες των τελικών υλικών που θα χρησιμοποιηθούν για εξωτερική χρήση από αυτά που θα εισαχθούν στον οργανισμό είτε με ένεση είτε με κατάποση. Και αυτό κάνει ακόμη πιο δύσκολο το θέμα και πιο σκεπτικό τον ερευνητή, ενώ ταυτόχρονα υπάρχει και η πίεση για να προκύψει σύντομα κάποιο συγκεκριμένο προϊόν.

Γραφένιο: η θέα από την Ελλάδα

Ενας από τους πρωταγωνιστές της Εβδομάδας της αφιερωμένης σε αυτό το υλικό, ο καθηγητής στο Τμήμα Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών (και συνεργαζόμενο μέλος ΔΕΠ του ΙΤΕ/ΙΕΧΜΗ) κ. Κώστας Γαλιώτης, που ήταν πρόεδρος και διοργανωτής της τεράστιας αυτής συνάντησης, ρωτήθηκε, μετά το τέλος όλων των εκδηλώσεων από το ΒΗΜΑ-Science, για το τι ήταν αυτό που του έκανε τη μεγαλύτερη εντύπωση κατά τη διάρκεια της Graphene Week. «Μου έκανε ιδιαίτερη εντύπωση», είπε, «ότι έπειτα από 13 χρόνια από την "ανακάλυψη" και στην ουσία την απομόνωση του γραφενίου υπάρχουν ακόμη πολλά θέματα βασικής έρευνας να επιλυθούν και πολλές άγνωστες πτυχές στη συμπεριφορά του και φυσικά και των άλλων (περίπου 2.500) δισδιάστατων υλικών». Και όταν του ζητήθηκε να κάνει τη σύγκριση με τα προηγούμενα χρόνια, ακόμη και το 2016, για την όλη δραστηριότητα, ερευνητική και επιχειρηματική, έδωσε εντυπωσιακά στοιχεία: «Μιλάμε για μια κοσμογονία. Πότε άλλοτε στη 40χρονη ερευνητική μου διαδρομή δεν συνάντησα τόσο μεγάλο επιστημονικό αλλά και επιχειρηματικό ενδιαφέρον για ένα και μόνο υλικό. Σίγουρα δεν υπάρχει κορεσμός, διότι εκτός από το γραφένιο, τώρα μελετώνται και τα υπόλοιπα δισδιάστατα υλικά αλλά και ετεροδομές, δηλαδή υβριδικά υλικά που αποτελούνται από στρώσεις διαφόρων δισδιάστατων υλικών (που μας θυμίζουν κάπως το γλυκό μιλφέιγ). Αυτή τη στιγμή έχουν δοθεί πάνω από 50.000 διπλώματα ευρεσιτεχνίας παγκοσμίως για εφαρμογές του γραφενίου αλλά και άλλων υλικών δύο διαστάσεων».

Ηταν λογικό βέβαια, με βάση τα όσα ανακοινώθηκαν από άλλες χώρες, ιδιαίτερα αυτών που βρίσκονται στη μεσογειακή ζώνη από Ισπανία έως και Τουρκία, να πρέπει να γίνουν γνωστά και κάποια πράγματα σχετικά με την Ελλάδα: «Η έρευνα υψηλής ποιότητας αλλά και γενικά το curiosity research αναπόφευκτα οδηγεί σε ενδιαφέρουσες εφαρμογές. Το σημαντικό είναι αυτές οι εφαρμογές να βρουν τον δρόμο τους προς στην αγορά προς όφελος της κοινωνίας. Αυτό μπορεί να γίνει με πολλούς τρόπους (π.χ. με licensing, με εκχώρηση δικαιωμάτων κ.λπ.) και όχι αναγκαστικά με τη σύσταση επιχειρήσεων (startups), η δημιουργία των οποίων πιστεύω ότι δεν ενθαρρύνεται στην Ελλάδα λόγω του πολύπλοκου νομικού πλαισίου αλλά και της υψηλής φορολογίας. Η έρευνα στην Ελλάδα πάνω στο γραφένιο διεξάγεται κυρίως στο ΙΤΕ, στο ΤΕΙ Κρήτης, στα Πανεπιστήμια Πατρών, Ιωαννίνων, Θεσσαλονίκης και Κρήτης, αλλά και στο ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος και στο Εθνικό Ιδρυμα Ερευνών. Είναι υψηλής ποιότητας, εργασίες δημοσιεύονται στα καλύτερα περιοδικά και τυγχάνει παγκόσμιας αναγνώρισης, όπως φαίνεται από τις χιλιάδες αναφορές που παίρνει ανά έτος. Εξάλλου αυτό έχει αναγνωριστεί και από την ανάθεση της διοργάνωσης του Graphene Week 2017 στην Ελλάδα ενώ υπήρξαμε από τα ιδρυτικά μέλη του Graphene Flagship εξακολουθώντας να έχουμε μια ισχυρή συμμετοχή σε αυτό».

Ελληνική πρωτοπορία

Η έρευνα του κ. Γαλιώτη και των συνεργατών του για το γραφένιο στην Πάτρα, όπου έχει δημιουργηθεί και τεχνολογικός κόμβος καινοτομίας (hub) στο Επιστημονικό Πάρκο Πατρών, εστιάζεται στην παραγωγή γραφενίου και άλλων δισδιάστατων υλικών με έμφαση στην παραγωγή δισδιάστατων υλικών μεγάλων διαστάσεων. Οπως αναφέρει: «Είμαστε world leaders στη μελέτη των φυσικο-μηχανικών ιδιοτήτων του γραφενίου αλλά και σύνθετων υλικών που ενσωματώνουν γραφένιο. Τέλος, έχουμε μεγάλη δραστηριότητα στις περιοχές προστασίας άλλων συμβατικών υλικών αλλά και έργων τέχνης με επικάλυψη γραφενίου. Το ίδιο το γραφένιο αλλά και κάποια δισδιάστατα υλικά παρουσιάζουν μεγάλο ενδιαφέρον σε πολλούς τομείς της ηλεκτρονικής, της φωτονικής, στη βιοτεχνολογία και στα σύνθετα υλικά. Αν κοιτάξει κανείς το λεγόμενο patent landscape θα δει ότι υπάρχουν πάνω από 30 τομείς εφαρμογών για τις οποίες έχουν εγκριθεί παγκόσμια διπλώματα ευρεσιτεχνίας».

Οπως φάνηκε από μια ειδική κλειστή συνάντηση (το Connect Workshop) που έγινε στο πλαίσιο της Graphene Week με εκπροσώπους από εταιρείες και πανεπιστημιακούς, χωρίς  αμφιβολία πρόκειται για υλικό που έχει βρει επενδυτές και στην Ευρώπη (σε διαρκή ανταγωνισμό φυσικά με την Κίνα). Ισπανία, Ιταλία, Αγγλία, Ιρλανδία, Γερμανία, Τουρκία είναι γερά πλέον στην παραγωγή, ενώ προς το παρόν αυξάνονται οι τομείς όπου μπορεί να χρησιμοποιηθούν το γραφένιο και τα ομόλογά του υλικά, πάντα  στις δύο διαστάσεις. Από  κράνη για τους μοτοσικλετιστές και ρακέτες του τένις ως τις λεπτές ιατρικές επεμβάσεις και τα αεροπλάνα, όπως είδαμε, θα το βρίσκουμε μπροστά μας και γύρω μας. Χωρίς να ξεχνάμε βέβαια ότι η μεγάλη άνοδος ενός υλικού (και των προσδοκιών γύρω από αυτό) έχει και τους κινδύνους της. Και για τον επενδυτή και για τον φοιτητή που θα αποφασίσουν να του αφιερώσουν τα επόμενα τρία με τέσσερα χρόνια της ζωής τους...

Για να ξέρουμε τι λέμε

Τα πράγματα έχουν προχωρήσει τόσο ώστε με τον όρο γραφένιο να μην εννοούμε κάθε φορά μόνο το πλέγμα 2 διαστάσεων που το αποτελούν αποκλειστικά άτομα άνθρακα. Μετά το 2004 και τις εργασίες των Γκάιμ και Νοβοσέλοφ άρχισαν να προστίθενται και άλλα υλικά που μπορούσαν να εμφανιστούν με τη μορφή ενός επίπεδου «φύλλου» με πάχος όσο ένα μόνον άτομο.

Ετσι, υπάρχει πλέον η διάκριση για «καθαρό γραφένιο» (pristine graphene), οξείδιο του γραφενίου που επικράτησε να συμβολίζεται με GO, ενώ υπάρχει και το ανηγμένο γραφένιο με σύμβολο rGO. Το οξείδιο του γραφενίου, ένα φυλλόμορφο υλικό, προκύπτει από την επίδραση οξέων στον γραφίτη και σε αυτό συνυπάρχουν πλέον άτομα οξυγόνου και υδρογόνου. Το ανηγμένο γραφένιο προκύπτει από το προηγούμενο αν επιδράσουν άλλες χημικές ενώσεις ή θερμανθεί στους 1.050 περίπου βαθμούς Κελσίου, οπότε φεύγουν τα περισσότερα άτομα οξυγόνου και υδρογόνου αφήνοντας ένα πιο καθαρό υλικό και σε μορφή διάκριτων φύλλων.

Τέλος, υπάρχει και μια άλλη υβριδική μορφή όπου έχουν προσκολληθεί διάφορες οργανικές ενώσεις στην επιφάνεια του γραφενίου και έχουμε το οργανοτροποποιημένο γραφένιο. Ωστόσο, πέρα από αυτά, η λέξη γραφένιο έχει πλέον γίνει όρος-ομπρέλα που καλύπτει και πολλές άλλες ενώσεις που μπορούν να προκύψουν με τη μορφή ενός φύλλου με πάχος ενός μορίου μόνον. Στην αγγλική βιβλιογραφία συνήθως γίνεται το ίδιο, ενώ μερικές φορές όλα μαζί τα διαφορετικά αναφέρονται και ως GBMs (Graphene Based Materials).

Επίσκεψη στην Επιπεδοχώρα

Για να εξηγήσουμε τα ανεξήγητα. Που θα πρέπει να είναι αρκετά για όποιον δεν είναι εξοικειωμένος με τη λεγόμενη Φυσική Στερεάς Κατάστασης. Διότι οι άνθρωποι που ασχολούνται με τη Φυσική και τη Χημεία για να μπορέσουν να περιγράψουν με μαθηματικές εξισώσεις τα όσα συμβαίνουν ακόμη και μέσα σε ένα απλό κομμάτι χάλκινο σύρμα έχουν επινοήσει μια σειρά από τεχνητά μεγέθη που προκύπτουν έμμεσα από τη συμπεριφορά των πραγματικών συστατικών ενός στερεού σώματος. Για παράδειγμα, από τη μάζα m ενός οποιουδήποτε φορτισμένου σωματιδίου μέσα στο στερεό έχουν φτιάξει κάτι, και δουλεύουν πολύ με αυτό, που ονομάζουν «δυνάμει μάζα» και τη συμβολίζουν με το m*. Αυτή είναι η μάζα που «αισθάνεται πως έχει» το σωματίδιο, π.χ. ένα ηλεκτρόνιο όταν κινείται μέσα στο στερεό και δέχεται τις επιδράσεις όλων των άλλων φορτισμένων φορέων (είναι κάτι ανάλογο με το πόσο αισθανόμαστε να μας δυσκολεύει το σώμα μας αν βρεθούμε μέσα σε έναν πολύ μεγάλο συνωστισμό και δυσκολευόμαστε να προχωρήσουμε). Οταν λοιπόν έχουμε ένα μόνον φύλλο δύο διαστάσεων, με πάχος μόνον όσο είναι το πάχος των μορίων που το αποτελούν, αλλάζουν πολλά πράγματα και έχουμε παράξενες εκ πρώτης όψεως συμπεριφορές.

Δεσμοί με σημασία

Το κάθε άτομο άνθρακα σε ένα στερεό σώμα δημιουργεί δεσμό με τέσσερα άλλα γειτονικά. Εδώ όμως στο γραφένιο, που είναι επίπεδο, έχει μόνον τρία, άρα περισσεύουν ηλεκτρόνια που κινούνται σε περιοχές κάθετες, επάνω και κάτω ως προς το επίπεδο. Οταν γραφτούν και λυθούν οι αντίστοιχες εξισώσεις για την κίνηση των ηλεκτρονίων στο επίπεδο του γραφενίου προκύπτουν ακόμη πιο παράξενα πράγματα. Η ενέργειά τους είναι ανάλογη της ορμής, κάτι που το βρίσκουμε να συμβαίνει στα φωτόνια, που όμως δεν έχουν μάζα και κινούνται με την ταχύτητα του φωτός. Αν λοιπόν αυξάνουμε την ορμή των ηλεκτρονίων σε ένα φύλλο γραφενίου βάζοντας ένα ηλεκτρικό πεδίο, μπορούμε να τα κάνουμε να κινούνται με ταχύτητες που να είναι μόλις 300 φορές μικρότερες από την ταχύτητα του φωτός. Και έτσι εξηγείται η τεράστια ταχύτητα απόκρισης των εξαρτημάτων με γραφένιο.

Επίσης προκύπτει με έναν άλλο διανοητικό μετασχηματισμό από τη Φυσική του Στερεού ότι στο γραφένιο «η ζώνη σθένους», που περιέχει τα πιο διαθέσιμα ηλεκτρόνια των ατόμων, «ακουμπάει στη ζώνη αγωγιμότητας». Για να γίνει πιο κατανοητό τι σημαίνει αυτό μπορούμε να σκεφτόμαστε ότι η ζώνη σθένους είναι η όχθη ενός ποταμού. Εμείς είμαστε εκεί ακριβώς δίπλα στο νερό. Αρκεί λοιπόν ένα μικρό σπρώξιμο για να πέσουμε στο νερό και να μας παρασύρει στη ροή του. Λίγη ενέργεια λοιπόν από ένα ηλεκτρικό πεδίο στέλνει εύκολα ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας δημιουργώντας ηλεκτρικό ρεύμα. Και στο γραφένιο αυτό σημαίνει στην καθημερινή γλώσσα ότι αν και το αποτελούν άτομα άνθρακα, αυτό συμπεριφέρεται ως μέταλλο. Αρα είναι πολύ καλός αγωγός της θερμότητας και του ηλεκτρισμού! Αυτά για το ένα φύλλο με πάχος ένα άτομο. Οσο προσθέτουμε φύλλα τόσο το υλικό αποκτά συμπεριφορά ημιαγωγού.

http://www.tovima.gr/science/article/?aid=905649