Grafen i nanomaterijali

Zbog iznimnih svojstava grafen je dobar kao električni vodič, za izradu ekrana osjetljivih na dodir, svjetlosnih panela, solarnih čelija itd. Pomiješa li se s plastičnim materijalima, služi za izradu kompozitnih materijala za satelite, zrakoplove i automobile. Očekuje se da će njegova primjena jako unaprijediti proizvode IT industrije. Grafen je jedan od novih materijala koji istražuju i znanstvenici iz zagrebačkog Instituta ‘Ruđer Bošković’.

U IRB-u se istražuju sljedeći materijali: poluvodiči Si, GaAs i slično, metalni oksidi, primjerice TiO₂, ZrO₂, ZnO, SnO, SiO₂ itd., ugljik u obliku grafena i nanocjevčica. Proučavaju se i svojstva organskih materijala i bio-

Tehnologija materijala obogatila je svijet nepromičivim tkaninama, solarnim panelima, bioresorbirajućim medicinskim implantantima koji se nakon nekog vremena, kad obave svoju ulogu u liječenju određene zdravstvene teškoće, rastaču i iz tijela uklanjaju fiziološkim procesima materijala – kaže dr. sc. Andreja Gajović, znanstvena savjetnica u Laboratoriju za molekulsku fiziku Zavoda za fiziku materijala IRB-a.

Posebno ističe nanomaterijale, odnosno nanostrukturirane materijale koji se sve više upotrebljavaju u raznim životnim područjima. Ta se klasa materijala intenzivno istražuje i razvija u Zavodu za fiziku materijala Instituta ‘Ruđer Bošković’, no njihova proizvodnja u velikim količinama zahtijevala bi preinaku dosadašnjih proizvodnih procesa u smjeru nanotehnologije.

Nanomaterijali imaju nova ili poboljšana svojstva koja proizlaze iz prostornog ograničenja njihovih sastavnih dijelova na veličine do 100 nm, odnosno ispod desetislučitog dijela milimetra. To su, primjerice, nanočestični prahovi, tanki filmovi nanometarskih debljina, nanostrukturirana keramika i sl. Površina nanočestičnih prahova vrlo je velika u odnosu na volumen, zbog čega su reaktivni. To su često prahovi poznatoga kemijskog sastava, ali čestice su manje od desetislučitog dijela milimetra; pripravljaju se kemijskom sintezom od otopina.

U IRB-u se također istražuju prahovi koji se sastoje od geometrijski dobro definiranih nanostruktura: nanocjevčica, nanožica, nanokockica, nanoštapića i sl. Ondje se izrađuju i tanki filmovi metodom raspršivanja tako što se na neku površinu s pomoću specijaliziranih uređaja nanosi sloj po sloj atoma kako bi se precizno kontrolirali sastav i struktura nanometarskih filmova. Izrađuju se također tzv. kvantne točke unutar tankih filmova primjenom dodatnih metoda kao što su ionski snopovi, istražuju se i svojstva nanostrukturirane keramike izrađene od nanoprahova, zbog čega imaju unutarnju strukturu različitu od klasičnih keramičkih materijala, što joj dodatno poboljšava i mijenja svojstva – ističe dr. sc. Gajović, naglašavajući da primjena nanostrukturiranih materijala ovisi o njihovim specifičnim svojstvima.

Znanstvenici iz Zavoda za fiziku materijala u IRB-u istražuju nanostrukturirane materijale radi primjene na fotonaponskim modulima, u elektro-ničkim komponentama, termoelektrici, katalizatorima, antikorozijama i slično, objašnjava dr. sc. Gajović. Nanotehnologija omogućuje stvaranje novih nanostrukturiranih materijala i materijala nanometarskih dimenzija s precizno odabranim svojstvima.

Grafen je najpoznatiji, najtanji i najjači novi materijal današnjice. Riječ je o dvodimenzionalnoj ugljikovoj strukturi od jednog atoma, vrlo čvrstom kristalu (stotinu puta jačem od čelika) koji se može rastegnuti za 20 posto. Iako je posve proziran, grafen je iznimno gust – kroz njega ne može proći ni najmanji atom plina.

Nanomaterijali imaju nova ili poboljšana svojstva koja proizlaze iz prostornog ograničenja njihovih sastavnih dijelova na veličine manje od desetisučitog dijela milimetra.

ćuje stvaranje novih nanostrukturiranih materijala i materijala nanometarskih dimenzija s precizno odabranim svojstvima. Glavna prednost tako priređenih materijala u odnosu na klasične jest u tome što su mnogo manji, zbog čega se smanjuju dimenzije konačnih proizvoda, što je, primjerice, važno u slučaju elektroničkih komponenata. Međutim, nanomaterijali imaju i potpuno nova svojstva: veliku specifičnu površinu, veliku vodljivost (grafen), čvrstoću, tvrdoću, fotoosjetljivost (TiO₂), električni ili toplinski kapacitet te mogu imati znatno bolja magnetska i električna svojstva u odnosu na klasične. U IRB-u se istražuju upravo nova svojstva nanomaterijala i objašnjavaju mehanizmi kojima se postižu kako bi se ona mogla još poboljšati, sve radi primjene novih materijala – ističe dr. sc. Gajović.

Napominje da se danas upotrebljava mnogo materijala novoga kemijskog sastava, strukture i morfologije. Često su novi materijali poznate supstancije koje promjenom strukture dobivaju nova svojstva. Također se kombiniraju poznati materijali kako bi se dobili kompoziti s potpuno novim svojstvima. Sve se više rabe i otpadni materijali koji se preradjuju ili dodaju u proizvodnji novih kompozita.

Za svako područje razvijaju se specifični materijali čija svojstva variraju ovisno o željenoj primjeni. Razvojem novih materijala bavi se mnogo stručnjaka, počevši od znanstvenika koji provode temeljna istraživanja, odnosno stvaraju i sintetiziraju funkcionalne materijale željenih svojstava, najčešće na temelju teorijskih modela, zatim istražuju postignuta svojstva novopriređenih materijala te optimiraju njihovu sintezu. Svojstva priređenih materijala prilagođavaju se i optimiraju ovisno o primjeni, većinom mnogo različitijoj nego što se očekuje u početnom istraživanju. Napredak tehnologije utemeljene na novim materijalima obuhvaća i inženjere koji razvijaju nove proizvode, od građevinskih materijala preko nadomjestaka u medicini i stomatologiji do različitih elektroničkih naprava, ili usavršavaju proizvode ugradnjom razvijenih materijala – objašnjava dr. sc. Gajović.

Prema njezinim riječima, teško je predvidjeti koje će prirodne materijale uskoro posve zamijeniti novi jer mnogi u nekim primjenama imaju čak bolja svojstva od sintetičkih. Stoga se u novije vrijeme sve češće u sintezi materijala proučavaju i oponašaju prirodni procesi i da bi se stvorili materijali koji omogućuju imitaciju prirodnih procesa. Radi proizvodnje energije, primjerice, istražuje se proces fotosinteze kako bi se poboljšao rad fotonaponskih materijala ili dobilo gorivo od ugljikova dioksida i vode.

Novi materijali zamijenit će prirodne samo u proizvodima čija se svojstva znatno poboljšavaju primjenom novih materijala. Možda je najbolji primjer za to odjeća koju ne treba glačati ili koja ima bolja toplinska svojstva i prozračnija je, a napravljena je od sintetičkih materijala. Iskorištavanje prirodnih resursa također je katkad ograničeno, zbog čega se razvijaju novi materijali koji bi mogli zamijeniti one koji se više ne mogu dobiti iz prirode – kaže dr. sc. Gajović, naglašavajući da treba napomenuti kako je vrlo često energijski i ekološki mnogo nepovoljnije proizvesti nov materijal nego koristiti se prirodnim s jednakim ili sličnim svojstvima.