-én, a 2D-m, avagy a kétdimenziós kémia varázslatos világa

Zenit    2018-08-12 16:34:19

A tranzisztoroktól a szakíthatatlan óvszeren át a foszfo-rémig

Elképzeltetek már egy okostelefont, amit nem lehet összetörni, kedvetekre hajtogathattok, képernyője nem zsírosodik az ujjlenyomatotoktól, akkumulátora hamar feltölt, hosszú ideig nem merül le, és a készülék élettartama is kiemelkedően hosszú?

Az aktuális nanotechnológiai fejlesztések középpontjában álló szakág, a fizika és a kémia határterületének számító kétdimenziós anyagtudománynak köszönhetően a jövőben akár ez is elképzelhető lehet.

A grafitot puhasága miatt ceruzák betéteként ismerjük, a Mohs-féle skálán, mely az anyagokat keménységük szerint osztályozza, a grafit a legalacsonyabb, 1-es értéket kapja, azaz valóban az általunk ismert legpuhább anyagról van szó. (a legkeményebb, legellenállóbb anyag a gyémánt, 10-es osztályzattal) A grafit egyes rétegei között csupán a leggyengébb összetartó erőnek számító diszperziós kölcsönhatás érvényesül, azonban az egyes rétegeket erős kovalens kötések tartják össze, ráadásul az atomok távolsága kisebb, mint a gyémánt szénatomjai között. Ezeket mérlegelve két orosz tudós a Manchesteri Egyetemen 2004-ben arra a nagyszerű következtetésre jutott, hogy ha képesek egy ilyen réteg leválasztására, azzal a gyémántnál is keményebb anyaghoz jutnak. Ők ennek a legolcsóbb, mégis legbiztosabb módját választották és egy ragasztószalag segítségével addig választották le a rétegeket, ameddig sikerült „előállítaniuk” a csupán egyetlen atom vastagságú csodaanyagot, amely a grafén nevet kapta. A két tudóst időközben lovaggá ütötték és 2010-ben a Nobel-díjat is kiérdemelték, a grafén pedig (melynek neve németül teljesen véletlenül azt jelenti, grófok) elindult rögös világhódító útjára, hogy elősegítse a kétdimenziós kémia térnyerését és versenytársa legyen a szilíciumnak a számítástechnikai fejlesztésekben. (a megfontoltság és kreatív ötletek jellemzőek a kémikusokra, nemrég például egy kutatócsoport pneumatikus satuval közel 500 GPa (nem volt náluk nyomásmérő) nyomást fejtett ki platinára feszített hidrogénre, hogy fémes hidrogént kapjon, de állításuk szerint mikor megjelent a vöröslő-ezüstös pont, ami kísérletük sikerességét bizonyította, annyira megijedtek, hogy azonnal felfüggesztették a műveletet. A jelenség további megerősítést kíván)

Jelenleg az anyagot kizárólag luxusórákban használják, mert ipari előállítására csak a közelmúltban sikerült megfelelő technológiát kifejleszteni. Egyesek azt gyanítják, hogy a Tesla is grafénnal dúsítja az akkumulátorát a jobb paraméterek elérése érdekében, míg a Samsung jelenleg graféngolyók felhasználásával fejleszti új energiatárolóját. Érdekesség, hogy a Microsoft grafénból készült szakíthatatlan óvszere akár már a közeljövőben piacra kerülhet a tengerentúlon. Egyéb felhasználása a világítástechnikában, elektromos autózásban, tengervizek sótalanításában, illetve képernyők ruhába bújtatásában várható, azonban a nagyszerű energetikai paraméterei ellenére a szilícium kihívójává félvezető tulajdonságai hiánya miatt nem válhat, hiszen az áramot minden körülmények között átereszti. A tudósok azonban nem lógatták az orrukat, újabb monomolekuláris anyagok előállításába kezdtek. Kiderült, nagyon sok elem átalakítható 2D-vé, sőt, egyes vegyületek is hasonló tulajdonságokkal bírnak, melynek köszönhetően számos, eddig ismeretlen anyagot sikerült megalkotni. Ilyen a szilicén, mely a szilícium egy atom vastagságú formája. Mivel a szilícium szintén a széncsoport tagja, a szilicén tulajdonságai a grafénhez hasonlóak, ám rendelkezik a szílicium félvezető képességével is, ami diódákban, mikroprocesszoros chipekben és térvezérlésű tranzisztorokban való applikálását is lehetővé teszi.

Számítások szerint az ón egyrétegű formája, a sztanén még a szilicénnél is hatékonyabb lehet, alacsonyabb energiafogyasztás és kisebb hőkibocsátás válhat elérhetővé. A széncsoport negyedik tagjából, a germániumból származtatott germanén szintén hasonló tulajdonságú, ezt fizikai kísérletekben használják, amikor – a leírás szerint - olyan feles spinű részecskéket (fermionokat) ütköztetnek, melyek nem rendelkeznek antirészecskével. Hétköznapi felhasználása egyelőre belátható időn belül nem várható. Nem úgy a szintén egy síkban elhelyezkedő molibdén-diszulfidé (MoS2), amelyet már régóta használnak motorolajok súrlódáscsökkentő adalékaként, ausztrál kutatók pedig a világ legvékonyabb lencséjét alkották meg felhasználásával. A szintén több különféle atomból felépülő szilícium-boronitrit (Si2BN) a folyékony hidrogén hatékony tárolásában, a nióbium-diszelenid (NbSe2) a szobahőmérsékletű szupravezető megalkotásában lehet kulcsfontosságú.

Az –én-ek kedvelőinek ajánljuk a bizmutént, mely számítógépekben szigetelőként szolgálhat, a borofént, mely 36 atomos hatszöget formálva stabilizálódik, vagy a foszforént, amelyet szellemesen sötétben világító szarvasnak is „csúfolhatunk”, kombinálva ezzel a szójátékok és a kémia világát. (de nem kizárólag kombin állva) A szén szintén kétdimenziós allotróp módosulata a grafin, mely esetében a grafénrács egyszeres kötéseinek egy részét háromszorosra cserélik, így hat- illetve négyszög alakú gyűrűket kapnak.

Az világosan látszik, hogy a fent felsorolt anyagok az élet nagyon sok területén hozhatnak újítást. Ez a terület az egyik kedvenc szakágam, éppen a benne rejlő lehetőségek és a különböző anyagok ezen új felhasználási módjának titokzatossága miatt. Én várom azt az időt, amikor már napi kapcsolatban állunk majd ezekkel a fantasztikus anyagokkal, de ahhoz még sok ötlet, kitartás, kísérlet és persze pénz szükséges. Az látszik, hogy míg a filmipar törekszik a minél több „dimenzió” elérésére, az anyagtudományban a dimenziók számának csökkentése nyitott új dimenziókat.

 

Megjegyzések