Yhdysvaltain fyysikot huomasivat vahingossa, että grafeeni voi tuottaa energiaa ympäristöä käyttämällä ja siitä tulee uusi sana energiassa ja bioniikassa lähitulevaisuudessa.
Grafeenin olemassaolo luonnossa on ilmiö, joka tuli mahdolliseksi johtuen siitä, että tutkijat löysivät "porsaanreiän" fysiikan laeissa ja pakottivat jatkuvan kaksiulotteisen atomikankaan käyttäytymään kuin kolmiulotteinen materiaali. Yhä useammat uudet tutkimukset paljastavat tämän materiaalin hyödyllisiä sovelluksia, ja ennusteet kuulostavat erittäin rohkaisevalta: kävi ilmi, että grafeenilla voidaan saada lähes ääretön määrä energiaa!
Vahingossa tapahtuva löytö
Arkansasin yliopiston tutkijoiden johtama fyysikkojen ryhmä teki löytön vahingossa. Heidän testauksen alkuperäinen tarkoitus oli tutkia grafeenin värähtelyä - mutta mitä varten?
Olemme kaikki tuttuja rakeisesta grafiitista, jota käytetään yleisesti yhdessä keraamisten komponenttien kanssa lyijykynäakselin luomiseen. Musta lyijykynä, joka jää sen jälkeen, kun lyijykynän lyijy kulkee paperin yli, on itse asiassa ohuita hiiliatomien arkkeja, jotka liukuvat helposti toistensa yli. Fyysikot ovat vuosien ajan miettineet: onko mahdollista eristää tällainen levy ja tehdä siitä itsenäinen kaksiulotteinen taso?
Vuonna 2004 Manchesterin yliopiston fyysikot onnistuivat. Hiiliatomilevyjen on oltava erillään toisistaan, jotta ne toimisivat kolmiulotteisena materiaalina tarvittavan stabiilisuuden aikaansaamiseksi. Kävi ilmi, että "porsaanreikä" tässä tapauksessa on liikkuvien atomien siirtyminen, mikä antaa grafeenille kolmannen ulottuvuuden ominaisuudet. Toisin sanoen grafeeni ei ollut koskaan 100% litteä - se värähteli atomitasolla niin, että sen sidokset eivät hajoa spontaanisti.
Fyysikko Paul Tibado johti äskettäin jatko-opiskelijaryhmää ja teki heidän kanssaan hyvin yksinkertaisen tutkimuksen tämän siirtymisen ja värähtelyn tason mittaamiseksi. Tutkijat asettivat grafeeniarkkeja erityiseen kupariverkkoon ja havaitsivat atomien aseman muutoksia mikroskoopilla. Numerot jostain syystä eivät kuitenkaan vastanneet odotettua mallia. Lisäksi tiedot vaihtelivat kokeilusta toiseen.
Mainosvideo:
Grafeeni energialähteenä
Thibado päätti viedä kokeen toiseen suuntaan yrittäen löytää sopivan mallin ja muuttaa tapaa, jolla hän analysoi tietoja. Tutkijat ovat jakaneet jokaisen mittauksen aikana otetun kuvan alakuviin. Strategia osoittautui oikeaksi: laaja-alainen kuva ei antanut mahdolliseksi tutkia atomien liikelakeja, mutta sen yksityiskohtien analyysi seurauksena antoi mahdollisuuden löytää jotain mielenkiintoista. Grafeenilevyjen oletettiin liikkuvan samalla periaatteella kuin taivutettujen metallilevyjen - mutta tämä oletus osoittautui vääriksi.
Kävi ilmi, että koko kohta on ns. "Lentolennoissa" - pienten satunnaisvaihtelujen mallit yhdistettynä äkillisiin, teräviin muutoksiin. Tällaisia järjestelmiä havaittiin aikaisemmin biologisissa ja ilmastojärjestelmissä, mutta fyysikot ovat nähneet ne ensimmäistä kertaa atomitasolla. Mittaamalla näiden grafeeniaaltojen nopeutta ja mittakaavaa, Thibado ehdotti, että niitä voitaisiin käyttää energian uuttamiseen ympäristöstä.
Niin kauan kuin ympäristön lämpötila estää grafeeniatomien "mukavan" liikkumisen toisiinsa nähden, ne jatkavat sykettä ja taipumista. Aseta elektrodit tämän grafeeniosan molemmille puolille ja sinulla on pieni generaattori. Laskelmien mukaan 10x10 mikronin grafeenigraafin teho on 10 mikrosekuntia. Kun otetaan huomioon, että tapin pää mahtuu jopa 20 000 näihin neliöihin, niin "voimanpesä" ei näytä kovin vaikuttavalta, eikö niin? Tämä teho huoneenlämpötilassa riittää kuitenkin energian tarjoamiseen pienelle laitteelle - esimerkiksi rannekellolle. On myös mielenkiintoista, että tulevaisuudessa tällainen energian hankintamenetelmä voi johtaa bioimplanttien luomiseen, jotka eivät tarvitse suuria paristoja.
johtopäätös
Chibado tekee parhaillaan yhteistyötä Yhdysvaltain merivoimien tutkimuslaboratorion tutkijoiden kanssa, onko tällä strategialla tulevaisuutta. Ehkä juuri grafeenista tulee "tulevaisuuden energian" lähde, joka antaa teknologioille mahdollisuuden tehdä merkittävä läpimurto lähitulevaisuudessa.
Vasily Makarov