vissza a főoldalra

 2014.07.18. 

Világelsőként sikerült a grafénból alig néhány atom szélességű szalagokat kivágnunk

Potenciális lehetőség az elektromos zavarok és a lehallgatások kivédésére a grafént, grafénkompozitot tartalmazó bevonatok alkalmazása

A Magyar Tudományos Akadémia Természettudományi Kutatóközpont (TTK), Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet (MFA), Nanoszerkezetek Kutatócsoportja csatlakozik az Európai Bizottság által kezdeményezett, a jövőbeni és feltörekvő technológiák fejlesztésére irányuló egyik kiemelt programhoz, a Graphene Flagship projekthez. Prof. Dr. Biró László Péter akadémikus, az MTA TTK MFA Nanoszerkezetek Kutatócsoport vezetője: nagyon lényeges, hogy hazánk ebben az összeurópai kezdeményezésben legalább egy kutatócsoporton keresztül jelen legyen. Hiszen olyan technológia fejlődik ki majd ezekből a kutatásokból, amely jelentős módon meghatározza a XXI. század mindennapjait.

 Június 23-án nyitották meg a svédországi Göteborgban a Graphene Week 2014 konferenciát, melynek középpontjában a tudomány, a technológia és a grafén különböző felhasználási lehetőségei álltak. Professzor úr is részt vett ezen a rendezvényen. Mi az oka annak, hogy a grafénkutatást megkülönböztetett figyelem övezi az Európai Unióban?

 – A grafénkutatást valóban megkülönböztetett figyelem kíséri az unión belül, amit az is bizonyít, hogy az EU két témában indított 10 éves kutatási programot, és mindkét témára 1-1 milliárd eurót szántak. Az egyik projekt az emberi agy, míg a másik a grafén kutatására irányul. A grafén – bizonyos értelemben – régi-új anyag. Régi abban az értelemben, hogy a grafén, lényegében, a grafit egyetlen atom vastagságú rétege. Arról a grafitról beszélek, ami a ceruzabelekben található. A grafén különlegessége, hogy olyan lemez, ami mindössze egyetlen atom vastagságú, a lemezen belül megvan ugyanaz a méhsejtszerű síkszerkezete, ami a tömbgrafitra is jellemző. Magát a grafitot úgy lehet elképzelni, mintha egy kártyacsomagunk lenne, és minden egyes kártyalapban hatszögletesen helyezkednek el a szénatomok. Ezek a rétegek, a „kártyacsomag lapjai” viszonylag gyengén kapcsolódnak egymáshoz, el lehet őket csúsztatni egymáson. Ezért tudunk a ceruzával papírra írni, hiszen a grafit nagyon puha anyag. Ennek köszönhetően, a grafit ceruzabélről néhány atomos vastagságú lemezek szakadnak le, és tapadnak rá a papírra. Tehát, ha mikroszkóppal megnéznénk egy ceruzanyomot, akkor néhány atomi vastagságú lemezek sokaságát látnánk benne. A grafén egyik különlegessége az, hogy csak felülete van, nincs térfogata, mivel egyetlen atom vastagságú. Ebből számos, teljesen unikális fizikai tulajdonsága ered, ami nyilvánvaló módon a figyelem középpontjába helyezte a grafént. A grafént 2004-ben sikerült először kísérletileg előállítani, míg elméletileg a tulajdonságainak bizonyos hányadát már az 1950-es években kiszámolták. Két, Angliában élő orosz kutató, Andre Geim és Konsztantyin Novoszjolov hozták létre a grafént Manchesterben, igen szellemes és egyszerű módszerrel; a grafit felszínéről speciális ragasztószalag segítségével addig szedtek le rétegeket, amíg sikerült egyetlen atomnyi réteget leválasztani. Ezután elkezdték vizsgálni a grafén fizikai tulajdonságait, és kiderült, hogy nagyon jó az elektromos vezetőképessége, nagy a mechanikai szilárdsága, ugyanis a síkon belül a grafénban a szénatomok közelebb vannak egymáshoz, mit a gyémánt rácsában. Tehát a síkon belül a grafénnak nagyobb a szilárdsága, mint a gyémántnak. Ugyanakkor, abból adódóan, hogy csupán egyetlen atom vastag, igencsak hajlékony – jól tudja követni azt a felszínt, amire ráhelyezik. Emellett optikai tulajdonságai is unikálisak. Olyan sok különleges tulajdonsággal bír a grafén, hogy nagyon sok kutató érdeklődésének előterébe került ez az anyag, s 2010-ben már fizikai Nobel-díjjal tüntették ki a felfedezőket. Azóta számos jelentős ipari cég – például a Samsung, a Nokia – nagyon komolyan érdeklődik a grafén iránt az elektronikai alkalmazások tekintetében, valamint a hajlékony síkképernyők alkalmazása szempontjából. Lehetővé válhat például az összehajtható képernyős mobiltelefon és a ruházatba integrált „viselhető” elektronika. Elég csak arra gondolni, hogy a számítástechnika és a mobiltelefonok milyen mértékben változtatták meg azt, ahogyan élünk. Ebből lehet következtetni arra, hogy a grafén és más hasonló anyagok milyen hatással lehetnek a következő évtizedekre.

 Tehát éppen az elmondottak az okai annak, hogy a grafénkutatás új utakat nyithat a nanoelektronikában?

 – Ez így igaz. Az egyetlen atomnyinál kisebb vastagságú anyagot már nem lehet elképzelni. Az már nem is anyag lenne, mivel az atomon belül a magfizika területére érkeznénk át. Ha valaki nekem 25 évvel ezelőtt, mikor elkezdtem atomi léptékű dolgokkal foglalkozni, azt mondta volna, hogy eljön az idő, mikor egyetlen atom vastagságú lemezt atomi pontossággal ki tudunk faragni olyan alakúra, ahogy azt mi szeretnénk, azt finoman szólva megmosolyogtam volna. Most ott tartunk, hogy a grafénkutatások révén számos más, néhány atomnyi vastag – úgynevezett kétdimenziós (2D) – anyag kutatásával kezdtek el foglalkozni. S mindez lehetőséget ad arra, hogy atomi rétegenként fölépítve megtervezzünk olyan új anyagokat, amelyek nem léteznek a természetben. Ez az anyagtudomány számára a fantasztikus lehetőségek tárházát nyitja meg.

 Miért tartották lényegesnek azt, hogy a Magyar Tudományos Akadémia TTK MFA Nanoszerkezetek Kutatócsoportja csatlakozzon a Graphene Flagship projekthez?

 – Mindez azért lényeges, mert egy európai „elit klubról” van szó, egy olyan erőteljesen kompetitív kutatási területen, amelyen csak a tavalyi év folyamán 12 000 tudományos munkát publikáltak! Ez az a közösség, amelyik 10 éven keresztül a már említett 1 milliárd eurónyi kutatási forrást fölhasználja. A közös munka során új kapcsolatok, együttműködések alakulhatnak ki, jobban megismertethetjük eredményeinket a nemzetközi porondon, és olyan információkhoz jutunk, amelyek az adott időben még nem publikusak. Egy ilyen robbanásszerűen fejlődő tudományterületen, mint a grafénkutatás, hónapoknak is nagy jelentősége lehet! Másfelől egyedüliek vagyunk Magyarországról, akiknek sikerült ehhez a projekthez csatlakozni. Nagyon lényeges, hogy hazánk ebben az összeurópai kezdeményezésben legalább egy kutatócsoporton keresztül jelen legyen. Hiszen olyan technológia fejlődik ki majd ezekből a kutatásokból, ami jelentős módon meghatározza a XXI. század mindennapjait. Aki a kutatásokból kimarad, az lemarad.

 Az ön által vezetett kutatócsoport mióta foglalkozik grafénkutatással, s azóta milyen sikereket ért el?

 – Mi a grafénnel, annak felfedezését követő évben, 2005-ben kezdtünk el foglalkozni. Tekintettel arra, hogy a mi erősségünk az atomi pontosságú pásztázószondás mikroszkópia, ezért elsősorban erre a területre koncentráltunk, s így mi voltunk a világon az elsők, akik képesek voltak arra, hogy ebből az egyetlen atom vastagságú lemezből meghatározott kristálytani irányok szerint néhány atomnyi széles szalagokat kivágjanak. Ez azért lényeges, mert a grafén elektromos tulajdonságai szempontjából úgynevezett félfém, ami azt jelenti, hogy a nagy grafénlemezből nem lehet olyan tranzisztort készíteni, amelynek létezik kikapcsolt állapota. Az integrált áramkörben – ami a mobiltelefonban, a televízióban, a számítógépben az „agyat adja”, tehát, ami az információt feldolgozza – olyan elektronikára van szükség, amelyik különbséget tud tenni a 0 és az 1 között, ehhez pedig olyan tranzisztor kell, amelynek létezik kikapcsolt állapota. Dr. Tapasztó Levente munkája nyomán mi voltunk azok, akiknek először sikerült bemutatni azt, hogy valóban – ahogy azt az elméleti szakemberek megjósolták –, ha egy meghatározott kristálytani irányba egy néhány atomnyi széles szalagot kivágunk grafénból, akkor ennek tiltott sávja keletkezik – tehát félfémesből átalakítottuk az anyagot félvezetővé. Ezáltal képessé vált arra, hogy olyan tranzisztort lehessen belőle készíteni, amelynek van kikapcsolt állapota. Mégpedig olyan tranzisztort, amely szobahőmérsékleten rendelkezik ilyen kikapcsolt állapottal, mert annak például senki sem örülne, ha mobiltelefonja mellett egy cseppfolyós nitrogénnal telt termoszt kéne hordoznia, mert le kell hűteni a mobiltelefont ahhoz, hogy működni tudjon. Hadd jegyezzem meg itt, hogy Dr. Tapasztó az idén sikeresen szerepelt az MTA Lendület pályázatán és most alakít egy új kutatócsoportot a grafénhoz hasonló 2D anyagok tanulmányozására. Egy másik fiatal kolléga Dr. Nemes-Incze Péter munkája nyomán, olyan módszert is kidolgoztunk, amelynek az volt a jelentősége, hogy egy szelektív kémiai marást sikerült találnunk, mely által grafénból viszonylag nagy felületen, olyan több elemből álló nano-mintázatokat lehet kialakítani, amelyeknek meghatározott kristálytani orientációjú élei vannak. Mindennek az volt az alapja, hogy előre meghatározott pontokon megszúrtuk a grafén felszínét egy pásztázó atomerő –mikroszkóp tűjével, s ezzel előre kijelöltük azt, honnan induljon el a maródás. A következő munkát koreai partnerünkkel közösen végeztük, hiszen együttműködési megállapodásunk van a Koreai Alapkutatási Tudományos Tanács és az MTA között közös laboratóriumok létrehozására. 2010-ben két ilyen laboratóriumot hoztak létre, amelyből az egyik a miénk volt, s amely a grafénkutatásra fókuszált. Ebben a laboratóriumban főleg a kémiai leválasztásos módszerrel előállított grafén szerkezeti jellemzésére koncentráltunk. Ez az a módszer, mely által akár lepedő méretű grafénlemezeket is elő lehet állítani. Mindez úgy történik, hogy egy rézlemez felszínére magas hőmérsékleten lerakódik a szén. Ez a szén kristályosodik grafénlemezekké, viszont a reakció egyszerre több helyen is megindul. Ennek következtében olyan szerű szerkezet alakul ki, mint mikor a folyosót járólapokkal burkolják, s a lapok közti vékony csíkokat fugával töltik ki. Esetünkben nem arról van szó, hogy a grafénlemezek szabályos négyezetek, vagy téglalapok lennének, hanem szabálytalan sokszögek, de ahol a sokszögek találkoznak egymással, ott van egy más tulajdonsággal rendelkező anyag, mely a fuga szerepét tölti be, s ezt nevezzük szemcsehatárnak. A szemcsehatárokban az atomok kevésbé rendezetten helyezkednek el, s emiatt – visszatérve a folyosói analógiára – más tulajdonságokkal rendelkezik a fuga és a mással a járólap. Mi abban léptünk előre jelentősen, hogy a szemcsehatárok tulajdonságait tártuk föl atomi pontossággal, mind kísérletileg, mind számítógépes szimuláció segítségével. A koreai partnerek annyira értékelték ezt a munkát, hogy immár a második hároméves ciklusban dolgozunk velük együtt.

 A Graphene Flagship projekten belül a kutatások külön-külön intézetben történnek, vagy egy nagy európai kutatóbázisban?

 – A projektnek van központi koordinációs magja, azon belül különböző munkacsomagok vannak, melyek más-más témára fókuszálnak. A munkacsomagokon belül működnek az egyes kutatócsoportok, amelyek nemzetközi összetételűek. Így a magyar kutatók egy kilenctagú konzorcium tagjaként csatlakoznak a programhoz, a kutatásokat a belga Philippe Lambin professzor koordinálja, ő a témavezető, s az MTA TTK MFA mellett belga, bolgár, fehérorosz, finn, görög, olasz egyetemek és intézetek is tagjai a csoportnak. Azzal a projekttel csatlakozunk a Flagshiphez, ami egy olyan korábbi projekt kvázi természetes folytatása, melyet részben ezekkel az együttműködő partnerekkel Dr. Márk Géza kollégám vezetett. Abban mi főleg a szén nanorendszerekbeli alagutazási folyamatait vizsgáltuk számítógépes modellezéssel. Lényegében, ennek a kiterjesztése a mostani projektünk, mely a Flagshiphez csatlakozik, s amelynek központi témája olyan grafén polimer kompozitok létrehozása, amelyek a nagyon magas frekvenciák tartományában árnyékoló anyagként működhetnek. Ma már jól tudjuk, hogy a technika fejlődésével nem csak a telefonok, hanem a hűtőszekrény, a mosógép és egyéb háztartási gépek is „okosan” működnek majd, ami igen nagy rádió-zűrzavarhoz vezethet, teszem azt egy tömbházban, ahol mondjuk száz lakás található. Tehát minél több ilyen „okos” gép vesz minket körül, annál nagyobb szükség lesz viszonylag egyszerűen a falra fölvihető elektromágneses szigetelő anyagokra, amelyek megakadályozzák az említett zűrzavart. A közelmúlt lehallgatási botrányától hangos a sajtó, és ez a lehallgatás technikailag azért volt lehetséges, mert falaink átlátszóak az elektromágneses sugárzás számára. S ez ellen is tenni kell valamit. Potenciális lehetőség a zavarok és a lehallgatások kivédésére a grafént, grafénkompozitot tartalmazó bevonatok alkalmazása.

Medveczky Attila