Anno MMX, Geim et Novoselov Praemium Nobelianum physicae ob opera sua de grapheno acceperunt. Hoc praemium multas personas vehementer impressit. Nam non omne instrumentum experimentale Praemio Nobeliano tam commune est quam taenia glutinosa, neque omne objectum investigationis tam magicum et facile intellectu est quam graphenum "crystallum bidimensionale". Opus anni MMIV ornatum anno MMX praemiari potest, quod in historia Praemiorum Nobelianorum annorum recentium rarum est.
Graphenum est genus substantiae quod constat ex uno strato atomorum carbonii, dense dispositis in reticulum hexagonale bidimensionale faviforme. Sicut adamas, graphitus, fullerenus, nanotubuli carbonii et carbonium amorphus, est substantia (substantia simplex) ex elementis carbonicis composita. Ut in figura infra demonstratur, fullereni et nanotubuli carbonii videri possunt quasi quodammodo involuti ex uno strato grapheni, quod multis stratis grapheni accumulatur. Investigatio theoretica de usu grapheni ad describendas proprietates variarum substantiarum carbonicarum simplicium (graphiti, nanotubulorum carbonii et grapheni) fere sexaginta annos duravit, sed plerumque creditur tales materias bidimensionales difficilem esse stabilem solas existere, tantum superficiei substrati tridimensionalis vel intra substantias sicut graphitus adhaerentes. Non ante annum 2004, cum Andreas Geim et discipulus eius Constantinus Novoselov uno strato grapheni e graphito per experimenta extraxerunt, investigatio de grapheno novum progressum consecuta est.
Tam fullerenum (sinistrum) quam nanotubulum carbonis (medium) quasi uno strato grapheni quodammodo convolutum considerari potest, dum graphitus (dextra) a multis stratis grapheni per nexum vis van der Waals accumulatur.
Hodie, graphenum multis modis obtineri potest, et variae methodi suas habent commoditates et incommoditates. Geim et Novoselov graphenum simplici modo obtinuerunt. Taenia pellucida in macellis empta utentes, graphenum, laminam graphiti cum uno tantum strato atomorum carbonii crassitudine, a frusto graphiti pyrolytici ordinis superioris detraxerunt. Hoc commodum est, sed moderabilitas non tam bona est, et graphenum magnitudine minus quam 100 micron (decima parte millimetri) tantum obtineri potest, quod ad experimenta adhiberi potest, sed difficile est ad usus practicos. Depositio vaporis chemici potest exempla grapheni magnitudine decem centimetrorum in superficie metalli crescere. Quamquam area cum orientatione constanti tantum 100 micron est [3,4], apta fuit necessitatibus productionis quarundam applicationum. Alia methodus communis est crystallum carburi silicii (SIC) ad plus quam 1100 ℃ in vacuo calefacere, ut atomi silicii prope superficiem evaporent, et atomi carbonii reliqui reordinentur, quod etiam exempla grapheni cum bonis proprietatibus obtinere potest.
Graphenum est materia nova proprietatibus singularibus praedita: conductivitas electrica eius tam excellens est quam cuprum, et conductivitas thermalis eius melior quam ulla alia materia nota. Valde pellucidum est. Tantum parva pars (2.3%) lucis visibilis incidentis verticalis a grapheno absorbebitur, et maxima pars lucis per eum transibit. Tam densum est ut ne atomi helii quidem (minimae moleculae gasis) per eum transire possint. Hae proprietates magicae non directe a graphito, sed a mechanica quantica hereditantur. Proprietates eius electricae et opticae singulares determinant ut latas applicationis possibilitates habeat.
Quamquam graphenum minus quam decem annos tantum apparuit, multas applicationes technicas ostendit, quod in campis physicae et scientiae materialium rarissime fit. Plus quam decem annos vel etiam decennia requiruntur ut materiae generales e laboratorio ad vitam realem transeant. Quid est usus grapheni? Duo exempla inspiciamus.
Electrodum molle pellucidum
In multis instrumentis electricis, materiae conductivae pellucidae ut electroda adhibendae sunt. Horologia electronica, calculatoria, televisiones, monitores crystalli liquidi, tabulae tactiles, tabulae solares, et multa alia instrumenta existentiam electrodorum pellucidorum relinquere non possunt. Electroda pellucida traditionalis indii stannei oxidum (ITO) utitur. Propter pretium altum et copiam indii limitatam, materia fragilis et flexibilitatis caret, et electroda in strato medio vacui deponi debet, et sumptus relative altus est. Iam diu, scientifici substitutionem eius quaerere conantur. Praeter requisita pelluciditatis, bonae conductivitatis, et facilis praeparationis, si flexibilitas ipsius materiae bona est, apta erit ad "chartam electronicam" vel alia instrumenta monitoria plicabilia facienda. Ergo, flexibilitas etiam aspectus magni momenti est. Graphenum talis materia est, quae aptissima est ad electroda pellucida.
Investigatores ex Samsung et Universitate Chengjunguan in Corea Meridiana graphenum longitudinis diagonalis 30 unciarum per depositionem vaporis chemici adepti sunt et in pelliculam polyethylene terephthalate (PET) crassitudinis 188 micron transtulerunt ut velum tactile graphene fundatum producerent [4]. Ut in figura infra demonstratur, graphenum in lamina cuprea crevit primum cum taenia thermali ad detrahendum (parte caerulea perspicua) iungitur, deinde lamina cuprea methodo chemica dissolvitur, et denique graphenum in pelliculam PET calefactione transfertur.
Nova instrumenta inductionis photoelectricae
Graphenum proprietates opticas singularissimas habet. Quamquam unum tantum stratum atomorum exstat, 2.3% lucis emissae in toto spatio longitudinis undae a luce visibili ad infrarubrum absorbere potest. Hic numerus nihil cum aliis parametris materialium grapheni habet et ab electrodynamica quantica determinatur [6]. Lux absorpta ad generationem vectorum (electronum et foraminum) ducet. Generatio et transportatio vectorum in grapheno valde differunt ab illis in semiconductoribus traditis. Hoc graphenum aptissimum reddit ad apparatum inductionis photoelectricae ultravelocis. Aestimatur tale apparatum inductionis photoelectricae frequentia 500 GHz operari posse. Si ad transmissionem signorum adhibeatur, 500 miliarda zerorum vel unitatum per secundum transmittere potest, et transmissionem contentorum duorum discorum Blu-ray uno secundo complere.
Periti ex Centro Investigationis IBM Thomas J. Watson in Civitatibus Foederatis Americae graphenum adhibuerunt ad fabricanda instrumenta inductionis photoelectricae quae frequentia 10 GHz operari possunt [8]. Primo, lamellae grapheni in substrato silicii, silice 300 nm crassa tecto, per "methodum scindendi taeniae" praeparatae sunt, deinde electroda aurea palladii vel aureae titanii cum intervallo 1 micronis et latitudine 250 nm in eis factae sunt. Hoc modo, instrumentum inductionis photoelectricae grapheno fundatum obtinetur.
Schema instrumentorum inductionis photoelectricae grapheni et photographiarum microscopii electronici perlustrantis (SEM) exemplorum realium. Linea nigra brevis in figura quinque micronibus respondet, et distantia inter lineas metallicas est unus micron.
Per experimenta, investigatores invenerunt hoc instrumentum inductionis photoelectricae structurae metallicae grapheni frequentiam operandi 16ghz ad summum attingere posse, et magna celeritate in ambitu longitudinis undae a 300 nm (prope ultravioletam) ad 6 microna (infrarubram) operari, dum tubus inductionis photoelectricae traditionalis luci infrarubrae longitudinis undae longioris respondere non potest. Frequentia operandi instrumenti inductionis photoelectricae grapheni adhuc magnum spatium emendationi habet. Eius efficacia superior ei latam varietatem applicationum praebet, inter quas communicatio, gubernatio remota, et observatio environmentalis.
Ut materia nova proprietatibus singularibus praedita, investigationes de applicatione grapheni una post alteram emergunt. Difficile nobis est eas hic enumerare. In futuro, fortasse tubi effectus campi ex grapheno facti, interruptores moleculares ex grapheno facti, et detectores moleculares ex grapheno facti in vita cotidiana erunt... Graphenum quod paulatim e laboratorio prodiit in vita cotidiana fulgebit.
Exspectare possumus magnum numerum productorum electronicorum grapheno utendorum proximo tempore appariturum esse. Cogita quam iucundum esset si telephona gestabilia et computatra portatilia nostra convolvi, auribus nostris figuntur, in loculis nostris reconduntur, vel circa carpos nostros involvi possint cum non in usu sunt!
Tempus publicationis: IX Martii, MMXXII