Tajemnica grafenu rozwiązana?

Układane jedna na drugą, warstwy grafenu zmieniają swoje właściwości w zależności od stopnia wzajemnego oddziaływania, modyfikowanego przez skręcenie warstw względem siebie. To odkrycie tłumaczy inne, nieco tajemnicze zachowanie się tak przygotowanego węglowego materiału, w porównaniu do oryginału - grafitu, donosi "Physical Review Letters". 

Grafen, czyli atomowej grubości płaszczyzna utworzona wyłącznie z węgla, na dobre zawładnął umysłami naukowców na całym świecie. Od kilkunastu lat, od dnia odkrycia grafenu, prowadzone są badania nad możliwością wykorzystania tego materiału zarówno w elektronice przyszłości, biomedycynie, jak i w przemyśle odzieżowym (e-tkaniny). By móc bezpiecznie wdrażać nowe technologie oparte na grafenie konieczne jest najpierw dokładne poznanie właściwości fizykochemicznych tego nanomateriału, który nadal kryje w sobie wiele tajemnic.

Przykładem mogą być zakończone niedawno badania prowadzone przez międzynarodową grupę naukowców łączącą badaczy z Rutgers University, Massachusetts Institute of Technology (USA) oraz University of Manchester (Wielka Brytania), podczas których analizowano cechy grafenowego analogu grafitu.

Teoretycznie grafen stanowi pojedynczą, atomowej grubości warstwę grafitu, z tego względu kilka warstw grafenu ułożonych jedna na drugą powinno zachowywać się jak kawałek grafitu - nic bardziej mylnego.

Przeprowadzone badania polegały na syntezie kolejnych - wytwarzanych jedna po drugiej - grafenowych warstw za pomocą techniki chemicznego osadzania z par CVD (ang. chemical vapor deposition). Dzięki temu możliwe było, w pewnym stopniu, odtworzenie struktury grafitu z atomowej grubości warstw grafenu. Tak wytworzony analog grafitu poddano badaniom fizykochemicznym, dzięki czemu określono jakie oddziaływania zachodzą pomiędzy poszczególnymi warstwami atomów węgla.

W badaniach użyto między innymi odpowiednio dopasowany skaningowy mikroskop tunelowy STM, który umożliwiał określanie wzajemnych relacji (odległość i kąt skręcenia) pomiędzy poszczególnymi warstwami grafenu.

Okazało się, że w zależności od kąta skręcenia warstwy względem kolejnych warstw, zmieniają się właściwości sztucznego grafitu. Jeżeli poszczególne warstwy grafenu ułożone jedna na drugą są skręcone o minimum 20 stopni całość wykazuje właściwości zbliżone do pojedynczej, atomowej grubości warstwy. Gdy kąt jest mniejszy (1 stopień) materiał zyskuje zupełnie nowe właściwości, które mogą według naukowców wynikać z silnych wzajemnych oddziaływań (typu stacking) pomiędzy atomami węgla poszczególnych warstw ułożonych w stos.

Według naukowców uzyskane wyniki pozwolą w przyszłości na świadome modyfikowanie właściwościami fizykochemicznymi poszczególnych warstw syntetycznego grafitu, dzięki czemu możliwe będzie tworzenie nowych przewodzących materiałów na bazie atomowych grubości warstw węgla.

PAP - Nauka w Polsce