Procesory kilkaset razy szybsze niż teraz, elastyczne komputery, superczułe akcelerometry, sieci bezprzewodowe o dużym zasięgu, światłowody o wielokrotnie większej przepustowości niż obecnie. To wszystko stanie się możliwe w ciągu najbliższych 10 lat dzięki zastosowaniu grafenu. BARTŁOMIEJ MROŻEWSKI

Grafen to materiał zbudowany z jednego z najbardziej pospolitych pierwiastków na Ziemi – węgla. Węgiel w stanie wolnym przyjmuje w naturze w postać różnych minerałów, np. grafitu czy diamentu, radykalnie różniących się właściwościami. Występuje także w postaci innych kryształów, np. okrągłych fulerenów, odkrytych w latach 80. ubiegłego wieku. Od niedawna znamy jeszcze jeden kryształ węgla – grafen.

Błona z węgla

Grafen to warstwa z węgla, która powstaje po oddzieleniu plastra kryształu grafitu o grubości jednego atomu. Odkrycia w 2004 roku dokonali Andre Geim i Konstantin Novoselov z uniwersytetu w Manchesterze. Udało się im za pomocą najzwyklejszego na świecie przezroczystego przylepca marki Scotch oderwać warstwę atomów z kryształu grafitu. Poddali ją następnie badaniom i opisali właściwości materiału, które okazały się nie z tej ziemi!

Najważniejszą jest doskonałe przewodnictwo elektryczne, które można osiągnąć bez chłodzenia materiału do temperatury bliskiej zeru bezwzględnemu, jak ma to miejsce w przypadku nadprzewodników.

– Grafen wykazuje bardzo dużą ruchliwość elektronów, przemieszczają się kilka tysięcy razy szybciej niż w krzemie – mówi dr inż. Włodzimierz Strupiński z warszawskiego Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych, który zajmuje się badaniem i wytwarzaniem grafenu. – Dzięki temu można uzyskać znacznie większe częstotliwości pracy urządzeń elektronicznych. Poza tym doskonale przewodzi ciepło i jest 100 razy bardziej wytrzymały niż stal.

Tę cechę najlepiej opisali na- ukowcy z Uniwersytetu Columbia. Jak twierdzą, by przebić folię grafenową o grubości popularnej folii do żywności, trzeba ustawić słonia na starannie zaostrzonym ołówku.

Grafen jest odporny także na naprężenia mechaniczne. Można go na przykład rozciągnąć o 20 proc. bez ryzyka rozerwania.

Jednocześnie grafen jest przezroczysty, jedna warstwa pochłania ok. 2 proc. światła. Dlatego, jak tłumaczy Włodzimierz Strupiński, nie można go zobaczyć naniesionego na powierzchnię bez skorzystania z czujników, które np. wykrywają przewodnictwo elektryczne.

Najciekawszy materiał na świecie

Od czasu jego odkrycia grafen jest jedną z najintensywniej badanych substancji na świecie. Odkrywcy doczekali się uznania ze strony Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk, która przyznała im Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2010 roku. W tym roku ma się ukazać 10 tys. publikacji naukowych na jego temat. Przez fizyków jest nazywany najciekawszym materiałem na świecie.

Właściwości tej substancji sprawiają, że może się przydać w wielu różnych zastosowaniach. Zaskakującym przykładem jest inżynieria materiałowa. Grafen wkrótce stanie się jednym z najczęściej używanych dodatków w materiałach kompozytowych, gdyż pozwoli zwiększyć wytrzymałość oraz zapewni doskonałe przewodzenie ciepła. Niewykluczone, że niedługo obudowy telefonów komórkowych czy laptopów będą produkowane z dodatkiem tego właśnie materiału.

Procesory z grafenu

Największa rewolucja szykuje się w elektronice, gdzie grafen w niektórych zastosowaniach może zastąpić krzem. Pod koniec tego roku firma Intel zapowiada debiut procesorów wykonanych w technologii 22 nm, to już o krok do procesu 10 nm, który przez wielu jest uważany za granicę możliwości zmniejszania tranzystorów krzemowych. Poniżej tej granicy pojawią się uboczne efekty związane z prawami fizyki kwantowej, które utrudnią poprawne działanie tych układów.

Zastosowanie grafenu pozwoli tę granicę przekroczyć i stworzyć znacznie szybsze procesory niż obecnie. Już w 2008 roku zespół naukowców z Manchesteru stworzył grafenowy tranzystor o grubości 1 nm, czyli jednego atomu. Z kolei w 2010 roku IBM zaprezentował tranzystor grafenowy, który pracował z częstotliwością 100 GHz, i ogłosił, że w przyszłości będzie możliwe wyprodukowanie procesora o częstotliwości 1 THz, czyli 500 razy szybszego niż współczesne układy w pecetach.

Jednak, co najważniejsze, był on wykonany za pomocą urządzeń stosowanych do produkcji układów krzemowych. Zastosowano stary proces 240 nm (obecnie wykorzystuje się 32 nm), ale miniaturyzacja tranzystora grafenowego jest tylko kwestią czasu. Po modyfikacjach urządzeń będzie można produkować go na skalę przemysłową w istniejących fabrykach.

Szybsze sieci

Dr inż. Włodzimierz Strupiński, Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych w Warszawie

Grafen najszybciej znajdzie zastosowanie w elektronice analogowej. Na przykład w multiplekserach, czyli układach zwiększających częstotliwość fali. Klasyczne multipleksery generują spore szumy. W urządzeniach z grafenem nie ma takich problemów. Naukowcy z amerykańskiego MIT pomnożyli częstotliwość fali x6, z minimalnymi, kilkuprocentowymi stratami. To pozwoli poprawić efektywność urządzeń do łączności bezprzewodowej, a więc poszerzy możliwości telefonów komórkowych. Grafen zwiększy także wydajność sieci optycznych, gdyż można go wykorzystać do stworzenia bardzo wydajnych modulatorów światła, które są używane do generowania sygnału wysyłanego światłowodami.