Άλμα προς την εμπορική αξιοποίηση του γραφένιου κάνει η Samsung

Η πολυετής συνεργασία επιστημόνων της Samsung και του πανεπιστημίου Σουνγκιουνκουάν της Νότιας Κορέας με την χρηματοδότηση του Υπουργείο Επιστημών της χώρας οδήγησαν στην ανάπτυξη μιας μεθόδου σύνθεσης γραφένιου σε έναν μεγάλο ενιαίο κρύσταλλο, διασφαλίζοντας ότι δεν θα χάνει τίποτα από τις εκπληκτικές ιδιότητές του το θαυματουργό υλικό, που θεωρείται ότι θα πάρει την θέση του πυριτίου στην κατασκευή τσιπ και όχι μόνο.

Η Samsung αναμένεται να αξιοποιήσει την μέθοδο αυτή για την κατασκευή εύκαμπτων οθονών, γκάτζετ που φοριούνται και τις συσκευές ηλεκτρονικών της επόμενης γενιάς.

Το 2009 είχαμε μάθει πως τα μονοατομικά φύλλα άνθρακα που δημιουργήθηκαν για πρώτη φορά πριν από δέκα μόλις χρόνια υπόσχονται να δώσουν διαφανή και εύκαμπτα ηλεκτρονικά για χρήση σε οθόνες και σε ταχύτερους υπολογιστές -με συχνότητα λειτουργίας έως και 100GHz. Η κατασκευή των πρώτων κυκλωμάτων από γραφένιο άνοιξε τότε το δρόμο ακόμα και για την αντικατάσταση του πυριτίου.

Νοτιοκορεάτες ερευνητές παρουσίασαν το 2009 στο περιοδικό Nature μια νέα μέθοδο για τη δημιουργία ηλεκτροδίων από γραφένιο και τη μεταφορά τους πάνω σε λεπτά φύλλα ελαστικών πλαστικών, όπως το γνωστό PET. To κύριο στάδιο της διαδικασίας είναι η δημιουργία γραφενίου με τη μέθοδο της απόθεσης χημικού ατμού. Τα τελικά φύλλα γραφενίου-πλαστικού είχαν τόσο μικρό πάχος ώστε να παραμένουν διαφανή και να μπορούν να κάμπτονται ή να τεντώνονται, ανάλογα με το πολυμερές που χρησιμοποιήθηκε στην κατασκευή τους. Η νέα τότε τεχνική, εκτιμούσαν οι ερευνητές, θα μπορούσε να αξιοποιηθεί αρχικά για την ανάπτυξη ελαστικών οθονών, στις οποίες το γραφένιο θα υποκαθιστά το ακριβό και άκαμπτο οξείδιο τιτανίου-ίνδιου. «Σχεδιάζουμε να εξασφαλίσουμε επένδυση για τη δημιουργία εγκαταστάσεων μαζικής παραγωγής φύλλων γραφενίου μεγάλης κλίμακας» ανέφερε τότε στο Nature.com ο Δρ Μπιουνγκ Χι Χονγκ του Πανεπιστημίου Σουνγκιουνκουάν της Νοτίου Κορέας, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας.

Στόχος τους ήταν τότε να αναπτύξουν τεχνικές για την παραγωγή ποιοτικών φύλλων γραφενίου σε μεγάλες διαστάσεις, ώστε ο άνθρακας να αρχίσει να αντικαθιστά το πυρίτιο σε όλες τις εφαρμογές της ηλεκτρονικής.

Σήμερα, πέντε χρόνια αργότερα, το ίδιο Πανεπιστήμιο και συγκεκριμένα το Σχολείο Επιστήμης Προηγμένων Υλικών που λειτουργεί στους κόλπους του, συνεργάστηκε με το Ινστιτούτο Προηγμένης Τεχνολογίας της Samsung και ανέπτυξαν την κατάλληλη μέθοδο σύνθεσης γραφένιου η οποία, όπως υποστηρίζουν είναι ικανή να επιταχύνει την εμπορική αξιοποίηση του γραφένιου.

Η πολυ-κρυσταλλική μέθοδος που ήταν γνωστή ως τώρα περιόριζε τις ιδιότητες του υλικού. Με την νέα μέθοδο οι επιστήμονες κατάφεραν να συνθέσουν έναν ενιαίο κρύσταλλο γραφένιου σε μέγεθος της σημερινής φέτας πυριτίου (wafer), ξεπερνώντας το πρόβλημα της επιδείνωσης των ηλεκτρικών και μηχανικών ιδιοτήτων του υλικού από την ένωση πολλών κρυστάλλων γραφένιου, που περιόριζε το εύρος των εφαρμογών του.

Η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από το Υπουργείο Επιστημών, ICT και Μελλοντικού Σχεδιασμού στο πλαίσιο του έργου για για την Φροντίδα Κορυφαίων Ειδικών Επιστημόνων στον τομέα της Έρευνας. Δημοσιεύεται στην έκδοση της 4ης Απριλίου 2014 του Science Magazine and ScienceExpress.

Η Samsung τουλάχιστον μέχρι τον Ιανουάριο του 2013 κατείχε την πρωτιά μεταξύ των εταιρειών που κατείχαν κατοχυρωμένη τεχνολογία για την αξιοποίηση του γραφένιο και η έδρα της, η Νότια Κορέα είναι η τρίτη χώρα με τις περισσότερες σχετικές πατέντες μετά την Κίνα και τις ΗΠΑ.

Το θαυματουργό γραφένιο

• Το γραφένιο, ένα υλικό πιο σκληρό κι από το διαμάντι και ατσάλι, αποτελείται από άτομα άνθρακα διατεταγμένα σε ένα επίπεδο, που σχηματίζουν μια κυψελοειδή δομή από εξάγωνα, πάχους ενός μόλις ατόμου.
• Η ηλεκτρική αγωγιμότητα -100 φορές μεγαλύτερη από αυτή του πυριτίου- και άλλα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά καθιστούν το εξωτικό αυτό υλικό ιδανικό για χρήση στη μικροηλεκτρονική.
• Το γραφένιο θεωρείται ιδανικό για χρήση σε ηλεκτρονικά κυκλώματα, δεδομένου ότι οι ηλεκτρικές του ιδιότητες μπορούν να αλλάζουν από την αγώγιμη, στην ημιαγώγιμη ή σε μονωτική κατάσταση.
• Ως αγωγός του ηλεκτρισμού ρεύματος, το γραφένιο είναι εξίσου καλό με τον χαλκό.
• Ως αγωγός της θερμότητας, ξεπερνά πολλά άλλα υλικά.
• Είναι επίσης σχεδόν τελείως διαφανές, κι όμως λειτουργεί ως φίλτρο που δεν αφήνει να περάσουν από μέσα του ακόμα και τα άτομα ήλιου, τα μικρότερα άτομα αερίου.
• Στο χώρο της ηλεκτρονικής το γραφένιο θεωρείται ήδη διάδοχος του πυριτίου, καθώς θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε τρανζίστορ πολύ ταχύτερα από ό,τι τα σημερινά.
• Δεδομένου ότι είναι αγώγιμο και ταυτόχρονα διαφανές, θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί σε διαφανείς οθόνες αφής, επίπεδα φωτιστικά σώματα, ακόμα και ηλιακούς συλλέκτες.
• Όταν προστεθεί σε πλαστικά υλικά, το γραφένιο τα κάνει όχι μόνο αγώγιμα αλλά και πιο ανθεκτικά στη θερμότητα και τη μηχανική καταπόνηση. Δίνει έτσι εξαιρετικά λεπτά, εύκαμπτα αλλά και πολύ ισχυρά υλικά που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν στην κατασκευή αυτοκινήτων, αεροπλάνων και δορυφόρων.

Το γραφένιο ανακαλύφθηκε από δύο νέους φυσικούς ρωσικής καταγωγής, τους Αντρέ Γκέιμ και Κονσταντίν Νοβοσέλοφ, οι οποίοι τιμήθηκαν το 2010 με το Νόμπελ Φυσικής για τα «επαναστατικά τους πειράματα που αφορούν το δισδιάστατο υλικό γραφένιο».

3D Print Graphene

Το 2010 ερευνητές της IBM χρησιμοποίησαν το γραφένιο για τη δημιουργία «διόδων επίδρασης πεδίου» (FET), ένα είδος τρανζίστορ, με συχνότητες λειτουργίας που έφτασαν τα 30 GHz και θα μπορούσαν να αυξηθούν περαιτέρω στα 100 GHz. Εντούτοις, η πειραματική διάταξη που δημιούργησαν απείχε πολύ από την εμπορική αξιοποίηση.

Το 2011 ερευνητές στη Μ.Βρετανία βρήκαν τρόπο για να δημιουργήσουν κυκλώματα γραφενίου με ένα απλό εκτυπωτικό μηχάνημα. Συγκεκριμένα, ερευνητές του Πανεπιστημίου Κέιμπριτζ έφτιαξαν εύκαμπτα ηλεκτρονικά εξαρτήματα από γραφένιο χρησιμοποιώντας έναν οικιακό εκτυπωτή. Οι ερευνητές κατασκεύασαν ένα είδος μελανιού με βάση το γραφένιο και στη συνέχεια τροποποίησαν έναν οικιακό εκτυπωτή ώστε να παράγει ολοκληρωμένα κυκλώματα λεπτών στρωμάτων.
Η τεχνολογία παραγωγής ηλεκτρονικών εξαρτημάτων μέσω εκτύπωσης δεν είναι καινούργια αλλά μέχρι σήμερα χρησιμοποιούνταν μελάνια από μεταλλικά νανοσωματίδια. Όμως αυτά τα εξαρτήματα οξειδώνονταν μετά από 1-2 έτη και δεν έχουν αποδοτικότητα ανάλογη με εκείνη των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων από πυρίτιο. Η νέα μέθοδος με τη χρήση του γραφένιου υποσχόταν επανάσταση αφού τα τυπωμένα ηλεκτρονικά εξαρτήματα (π.χ τρανζίστορ) από γραφένιο είναι πιο ελαφρά, περισσότερο αγώγιμα, μεγαλύτερης σταθερότητας, αξιοπιστίας και χαμηλότερου κόστους από τα υπόλοιπα. Οι εφαρμογές που μπορεί να προκύψουν από αυτή την εξέλιξη είναι πολλές. Μπορούν να παραχθούν εύκολα «φορετοί» υπολογιστές, ενσωματωμένοι στα ρούχα, καθώς και διάφορες εύκαμπτες, διάφανες συσκευές.

Μέχρι σήμερα έχουν κατατεθεί πάνω από επτά χιλιάδες αιτήσεις διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας που αφορούν το γραφένιο, ενώ η ΕΕ αναγνώρισε το γραφένιο ως τεχνολογία του μέλλοντος και αποφάσισε να επενδύσει ένα δισεκατομμύριο ευρώ στη μελέτη του σε βάθος δεκαετίας.

In.gr Τεχνολογία