Grafeeni

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Grafeeni koostuu yhdestä kerroksesta toisiinsa sitoutuneita hiiliatomeja

Grafeeni on vuonna 2004 löydetty hiilen allotrooppinen muoto, joka koostuu yhdestä kerroksesta toisiinsa sitoutuneita sp2-hybridisoituneita hiiliatomeja. Se on eräiden muiden hiiliallotrooppien perusrakenne: grafiitti on monta grafeenikerrosta päällekkäin ja hiilinanoputket rullalle kiertynyttä grafeenia. Fullereenit voidaan ajatella grafeeniksi, jonka rakenteessa on kuusikulmioiden seassa viisikulmioita. Grafeeni on tällä hetkellä maailman kestävin tunnettu aine. Grafeenia on suomeksi toisinaan kutsuttu myös "grafiiniksi", ilmeisesti englannin graphene-sanan ääntämyksen vaikutuksesta.

Grafeenista valmistetulla transistorilla on päästy sadan gigahertsin kytkentänopeuteen.[1]

Ruotsin Nobel-komitea myönsi vuoden 2010 Nobelin fysiikanpalkinnon Andre Geimille ja Konstantin Novoseloville "uraauurtavista kokeista kaksiulotteisen materiaalin grafeenin parissa".[2][3]

Löytäminen ja valmistus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Löytäminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Teoreettisessa fysiikassa oli 1930-luvulla päätelty, että vain yhden atomikerroksen paksuiset rakenteet eivät voi olla pysyviä. Atomien lämpöliikkeen katsottiin hajottavan tällaiset rakenteet. Hyvin ohuista rakenteista on myös tehty paljon kokeita ja tämä alkuperäinen päättely on näyttänyt pitävän paikkansa. Kun kokeissa materiaaleja tarpeeksi ohennettiin, ne hajosivat. [4]

Grafeenin teoreettinen ja käytännön olemassaolo grafiitin sisäisen rakenteen osana on tunnettu jo pitkään ennen grafeenin löytämistä itsenäisenä rakenteena 2004. Yhden atomin paksuisten pintojen teoreettista tutkimusta ovat tehneet mm. fyysikko Philip Russel Wallace ja kemisti Hanss-Peter Boehm. Röntgenkristallografian avulla aineiden rakennetta atomien mittakaavassa oli tutkittu ja ensimmäisiä kuvia hiiliatomien eri muodoista oli julkaistu vuonna 1938. Näiden tutkimusten pohjalta grafiitin sisäinen rakenne tunnettiin. Boehm keksi sanan "grafeeni" kuvaamaan näitä grafiitin sisältämiä hiilen kerroksia. Ei kuitenkaan pidetty mahdollisena eristää tällaisia yksiatomisia tasoja toisista niin, että niiden rakenne säilyisi vakaana. [5]

Kun grafeeni löydettiin, niin aikaisempien kokeiden ja ennakkokäsitysten vastaisesti sen kaltainen yhden atomitason paksuinen rakenne onnistuttiin eristämään itsenäiseksi pysyväksi hiilikalvoksi. [6] Tämä löytö yllätti tutkijat.[4] Se oli ensimmäinen[5] yhden atomikerroksen paksuinen materiaali.

Grafiittikappale, teippirulla ja grafeenitransistori jotka Geim ja Novoselev lahjoittivat Nobel-museoon.

Grafeenin löysivät Manchesterin yliopiston tutkijat Konstantin Novoselov ja Andre Geim. He yrittivät eri menetelmin ohentaa grafiittia. Alun perin heidän tutkimuksensa oli työviikon lopuksi tehtävää mielikuvituksellista hassuttelua. Heidän kokeissa käyttämänsä välineet olivat varsin tavanomaisia: ensin he koettivat erottaa grafeenia tavallisesta noesta, joka on hyvin hiilipitoinen aine. Toisessa kokeessa he käyttivät lyijykynän piikiteen pintaan jättämää grafiittijälkeä. Kolmannessa kokeessa he irrottivat grafiittia teipin liimapinnan avulla grafiittisesta kappaleesta. Teippi irrotti grafiittia kappaleesta ohueksi kalvoksi teippiin. Toisella teipillä he irrottivat tästä ohuesta kalvosta toisen, vielä ohuemman, kalvon. Tätä idea jatkaen he pääsivät varsin yksinkertaisin keinoin hyvin ohuisiin grafiittikalvoihin. Tutkijat onnistuivat löytämään keinon kalvojen tarkan paksuuden määrittämiseen optisella mikroskoopilla. Näistä ohuista kalvoista he saivat kemiallisilla lisäkeinoilla lopulta ohennettua grafiitin yksittäisiksi yhden atomin paksuisiksi hiilikalvoiksi. [4][5]

Valmistus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Geimin ja Nosolevin käyttämä tekniikka tuotti noin 0,1 neliömillimetrin halkaisijan kokoisia grafeenihiutaleita. Ne ovat riittävän kookkaita tutkimuskäyttöön mutta eivät vielä käytännön sovellutuksiin.[4]Geimin ja Nosolevin keksinnön ympärille Manchesteriin perustettiin yhtiö, Graphene Industries, joka valmistaa ja myy grafeenisia kalvoja. Valmistus tehdään puhdastiloissa.

Grafeeni on poikkeuksellisten ominaisuuksiensa vuoksi tällä hetkellä fysiikan tutkituimpia materiaaleja. Pieniä hiutaleita suurempia grafeenipintoja on pystytty tuottamaan 2010-luvulla. Suurin tuotettu grafeenikalvo on noin 70 senttiä leveä. Koska grafeenin ominaisuudet ovat erittäin hyvät mutta valmistaminen vaikeaa, se on tällä hetkellä maailman kalleinta ainetta. Vuonna 2010 tuhannella dollarilla sai neliösentin kokoisen kalvon grafeenia. Hintojen odotetaan kuitenkin nopeasti laskevan kun tuotantomenetelmät kehittyvät. [5]

Valmistusmenetelmiä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Grafeenia voi valmistaa kuumentamalla ensin piikarbidia ja sitten pelkistämällä sen sisältämä hiili sen pinnalle grafeeniksi.[5]

Grafeenia voi valmistaa höyrystämällä hiiltä iridiumin, nikkelin tai kuparin pinnalle. Tällä valmistustavalla on iridiumin avulla saatu aikaan yli neliösentin kokoisia ja hyvin rakentuneita grafeenikalvoja.[5]

Grafeenia voi valmistaa atomivoimamikroskoopin avulla: sillä voidaan raaputtaa grafiitin hiutaleella piilevyä. Tämä "piirtäminen" nano-kokoisella ”kynällä” jättää levyyn pieniä grafeeniläiskiä. [7]

Tutkimus Suomessa[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Toinen aineen löytäjistä Andre Geim vieraili vuonna 2009 Suomessa, jolloin Espoon Dipolissa järjestettiin Fysiikan päivät, joilla esiteltiin myös grafeenin ominaisuuksia.[8]

Vuonna 2013 Euroopan unioni on päättänyt rahoittaa grafeenin tutkimusta yhteensä miljardilla eurolla tulevan kymmennen vuoden aikana. Suomesta hankkeessa ovat mukana Aalto-yliopistosta O.V. Lounasmaa-laboratorio sekä Mikro- ja nanotekniikan laitos, VTT ja Nokia Research Center. [9]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. prosessori.fi: Grafeenitransistori kiihtyi jo 100 gigahertsiin Viitattu 8.2.2010. (suomeksi)
  2. Fysiikan Nobel monikäyttöisen aineen tutkijoille 5.10.2010. YLE Uutiset. Viitattu 5.10.2010.
  3. Fysiikan Nobel-palkinto kaksiulotteisen grafeenin keksijöille Viitattu 5.10.2010.
  4. a b c d Grafeenista vauhtia elektroniikkaan. Tiede-lehti, 2009, nro 4. Artikkelin verkkoversio Viitattu 11.5.2013. (suomeksi)
  5. a b c d e f Timo Paukku: Kymmenen uutta ihmettä, s. 34-41. Tampere: Gaudeamus, 2013. ISBN 978-952-495-280-4.
  6. Graphene and Other Two-Dimensional Materials, The University of Manchester Viitattu 11.5.20013. (englanniksi)
  7. Garbon wonderland Viitattu 11.5.20013. (englanniksi)
  8. Lee, C. et al.: Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene. Science, 2008, 321. vsk, nro 5887, s. 385. Artikkelin verkkoversio.
  9. Tekniikka&Talous -lehti, 2013, nro 2. (suomeksi)

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]


Tämä kemiaan liittyvä artikkeli on tynkä. Voit auttaa Wikipediaa laajentamalla artikkelia.