211service.com
Grafeen wint Nobelprijs
De Nobelprijs voor Natuurkunde 2010 is toegekend aan de twee onderzoekers die de eerste experimenten uitvoerden met grafeen, een tweedimensionale laag koolstofatomen. De prijs, uitgereikt aan natuurkundigen van de Universiteit van Manchester André Geim en Konstantin Novoselov , erkent werk dat minder dan tien jaar geleden begon aan een materiaal dat sindsdien is gebruikt om recordbrekende transistors en rekbare elektroden te maken.
Prijswinnaar: De Nobelprijs voor natuurkunde ging dit jaar naar Britse onderzoekers die pionierden in de studie van grafeen. Dit scanning-elektronenmicroscoopbeeld toont een verfrommeld grafeenvel van het materiaal van één atoom dik.
Grafeen is een materiaal met veel superlatieven: het is de beste geleider van elektriciteit bij kamertemperatuur en het sterkste materiaal dat ooit is getest. Het is ook een uitstekende warmtegeleider en is transparant en flexibel. Vóór het werk van Geim en Novoselov hadden onderzoekers het bestaan van het materiaal getheoretiseerd en voorspeld dat het zou kunnen worden gebruikt om transistors meer dan 100 keer sneller te maken dan die in de huidige op silicium gebaseerde chips. Maar totdat de Britse onderzoekers in 2004 grafeen maakten en testten, vermoedden veel natuurkundigen dat materialen van één atoom dik onstabiel zouden zijn.
In 2004 maakten Geim en Novoselov grafeen in het laboratorium door met plakband een stuk grafiet in steeds dunnere vellen te pellen, zoals in deze video. Een grafeenvel is een enkele laag koolstofatomen verstrikt in een honingraatachtig, zich herhalend zeshoekig patroon.
Grafeen is een van nature voorkomend materiaal. Lagen grafeen vormen het grafiet dat in potlood wordt gevonden. Wanneer je een potlood op een stuk papier trekt, worden deze lagen gekliefd, waardoor er dunne lagen van deze carbonvellen achterblijven. Door grafiet te pletten en met tape af te pellen tot steeds dunnere vlokken en uiteindelijk in stukjes van slechts één atoom dik, konden Geim en Novoselov bruikbare hoeveelheden grafeen maken die konden worden bestudeerd en twijfels over de stabiliteit van grafeen wegnemen.
Multimedia
Kostya Novoselov demonstreert zijn low-tech techniek voor het maken van grafeen.
In hun eerste werk, in 2004, toonden ze niet alleen aan dat ze grafeen hadden gemaakt, maar verduidelijkten ze ook de elektrische eigenschappen ervan door het te patroon en aan te sluiten op elektroden. Ze waren niet de eersten die ooit grafeen zagen, maar het waren zeker Geim en Novoselov die echt de deur openden om het te kunnen bestuderen, zegt James Tour , hoogleraar scheikunde aan de Rice University.
Toen ze dit experimentele systeem ontwikkelden om het materiaal te bestuderen, ontdekten Geim en Novoselov en andere onderzoekers die volgden, enkele opmerkelijke dingen. Ten eerste gedragen elektronen in grafeen zich alsof ze geen massa hebben, en bewegen ze vooruit met snelheden van een miljoen meter per seconde. (Vergelijk dat met de lichtsnelheid in een vacuüm, 300 miljoen meter per seconde.) En terwijl elektronen gewoonlijk weerkaatsen op obstakels in een geleidend materiaal, gaan elektronen die door het perfecte honingraatrooster van grafeen reizen soepel.
De perfecte structuur van grafeen geeft aanleiding tot exotische kwantumeffecten die door natuurkundigen worden bestudeerd. De elektrische eigenschappen, de transparantie en de sterkte van het materiaal zijn echter in beslag genomen door ingenieurs die aan alles werkten, van aanraakschermen tot zonnecellen tot lichtgewicht constructiematerialen. Onderzoekers van IBM ontwikkelen arrays van grafeentransistors die conventioneel silicium in het stof achterlaten, en een groep bij Samsung ontwikkelt geprinte grafeenelektroden voor gebruik in transparante, flexibele aanraakschermen.
Als erkenning voor de belofte van het materiaal, KINDEREN aanbevolen werk bij Georgia Tech op grafeentransistors als een van de meest veelbelovende opkomende technologieën in 2008; in hetzelfde jaar erkenden we Novoselov met onze Young Innovator Award, de TR35.
De techniek van Geim en Novoselov kan worden gebruikt om grafeen in relatief kleine hoeveelheden te maken, genoeg om het in het laboratorium te bestuderen en testapparaten te maken, maar lang niet genoeg om te produceren. In de tussenliggende jaren hebben onderzoekers methoden ontwikkeld om grotere hoeveelheden van het materiaal te maken, en nu leren ze hoe ze het kunnen gebruiken om apparaten te maken.
Nu moeten we manieren vinden om grafeen op grote schaal betrouwbaar te synthetiseren en deze technologieën reproduceerbaar te maken op een manier die economisch zinvol is, zegt Phaedon Avouris, een onderzoeker die grafeentransistors en fotodetectoren ontwikkelt bij IBM's Watson Research Center in Yorktown Heights, New York .