Az idei fizikai Nobel-díjat két Manchesterben dolgozó orosz tudós, Andre Geim és Konsztantyin Novoszelov kapta a kétdimenziós grafén kutatásáért. (Geim ma már holland, tanítványa, Novoszelov pedig orosz-brit állampolgár.) A nanotechnológia és a nanofizika fejlődésével fizikusok az elmúlt évtizedekben a tiszta szén olyan új megjelenési formáit kezdték tanulmányozni, amelyek a természetes állapotban gyakoribb grafit és gyémánt mellett főleg kísérleti úton állíthatók elő.

0D – a fullerének

Kiderült ugyanis, hogy a szén összesen „négy dimenzióban” – 0D, 1D, 2D és 3D formában is – létezhet. Mit is jelent mindez? A szinte nulladimenziós (0D), 1 nanométer átmérőjű, pontszerű fullerének felfedezéséért hárman kaptak 1996-ban kémiai Nobel-díjat: Sir Harold W. Kroto, Richard E. Smalley és Robert F. Curl. Ők egyébként a 60 atomos „focilabdát” 11 évvel korábban, 1985-ben fedezték fel.

A fullerén 60 atomos változata, modell

Wikipedia

Időközben kiderült, hogy vannak a 60 atomot tartalmazó fullerénen kívül 70, 72, 76, 84 vagy még több atomból álló fullerének is – a lényeg, hogy páros számú szénatomból álljanak. A természetben 60, 70, 76 és 84 atomos fullerént találtak eddig.

1D – a nanocsövek

A következő lépés az egydimenziós (1D) nanocsövek felfedezése volt: e tökéletes hengereknek a végén egy-egy fullerén félgömb van, amúgy pedig egyrétegű szénatomok alkotják a cső falát. A nanocsöveket egyetlen irányba "megnyúlt" fulleréneknek is tekinthetjük.

Nanocső modellje – megnyújtott fullerén

Wikipedia

A nanocsövek felfedezését egy 1991-es eredmény alapján egy japán tudós, Sumio Iijima nevéhez kötik általában, de már korábban is figyeltek meg ilyen képződményeket. A hetvenes években például elektronmikroszkópon észlelték a nanocsöveket, de még nem igazán tudták, mik azok. A nanocsövek tulajdonságai igen eltérőek, jelenleg a tudósok és a technológusok még nem tudták az ipari hasznosításukat kellőképpen megoldani.

3D – grafit és gyémánt

Ami a háromdimenziós tiszta szeneket illeti: grafitceruzákkal írhatunk, a gyémántok ipari hasznosítása is közismert. Ugyanakkor az ékszerészek számára a gyémánt hiába ritka és drága, az atomfizikusok által előállított 0D-s, 1D-s szénformáknál még mindig sokkal gyakoribb.

A hiányzó láncszem: a 2D-s grafén

A kétdimenziós szénre azonban hosszú ideig nem bukkantak rá, pontosabban tudtak valamit róla, már a 19. században is voltak erre mutató kutatási eredmények, majd a 20. század első felében kezdtek sokasodni a sejtések. P. R. Wallace már 1943-ban leírta a grafén szerkezetét, de igazolni nem tudták a létezését.

A grafén szerkezeti modellje

Wikipedia

Egészen a 21. századig nem tudták igazán jól használható állapotban előállítani. 2004-ben azonban sikerült Geimnek és Novoszelovnak a szénatomokat „rábírniuk arra”, hogy egyetlen vékony rétegbe rendeződjenek. Így találtak rá a gyakorlatilag kétdimenziós grafénre, amelynek – most úgy tűnik – különleges fizikai tulajdonságait a nanoszámítógépekben, érintőképernyők gyártásában és talán még napelemekben is fel lehet használni. A grafén egyébként majdnem olyan jó elektromos vezető, mint a réz.

A kutatások gőzerővel folynak világszerte, a pesti Műegyetemen például az Európai Kutatási Tanács, az ERC ösztöndíját is elnyerte legutóbb a szén nanocsövek kutatásával is foglalkozó Simon Ferenc. Az ERC pályázatain öt magyar nyert idén, ebből ketten a Műegyetem nanofizikusai, Simon mellett Csonka Szabolcs is részesült a fejenként több mint egymillió eurós kutatási támogatásból – minderről Mihály György tanszékvezető adott tájékoztatást a hvg.hu-nak.

A grafén precíziós megmunkálása most tehát a tudósok és a nanotechnológusok legfőbb feladata. Ahhoz azonban, hogy a félvezetőiparban is felhasználható legyen ez az anyag, számos műveletet kell elvégezni a grafénnal.

Jönnek a grafén-chipek

A nagy számítástechnikai cégek közül az IBM már évek óta dolgozik grafén-chipeken, amelyek azonban szerintük egyelőre nem a digitális, hanem az analóg tranzisztorokat helyettesíthetik – erről a ComputerWorld számolt be idén februárban. 2010 elején jelentette be a cég, hogy olyan kísérleti processzort sikerült létrehoznia, ami négyszer gyorsabb a korábbi, 2009-es grafén-chipeknél, amelyek 26 gigahertzes tempóban dolgoztak.

Probléma a grafénnel – a magyar megoldások

A grafénlapokkal az a fő számítástechnikai probléma, hogy módosítani kell őket ahhoz, hogy digitálisan is alkalmazhatóak legyenek. A változtatás célja, hogy a belőlük készült tranzisztoroknak legyen kikapcsolt állapotuk, vagyis amikor nem folyik át rajtuk áram, akkor a szilíciumos chipeket felválthatnák a grafén-alapúak. Kísérleti, és nem ipari körülmények között ez sikerült már Magyarországon is, az ipari megvalósítás azonban nehézkes.

A nanoolló

Az MTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézetében (MFA) Bíró László Péter irányítása alatt a grafénlapokból keskeny szalagokat próbálnak kivágni. Ezt egy pásztázó alagútmikroszkóp tűjével próbálják elvégezni. A kivágott grafén szalag már olyan keskeny, hogy megváltoznak az elektronok tulajdonságai, és akár szobahőmérsékleten is működhet az effajta elektronika. Létrehozhatják ugyanis az úgynevezett tiltott sávokat, amik olyan energiaszintet jelentenek a félvezetőkben, ahol nem tartózkodhatnak elektronok, vagyis nincs ilyenkor elektromos vezetés. E 2008-ban kifejlesztett technológia a „nanoolló”, amely elsősorban Tapasztó Levente nevéhez köthető Bíróék kutatócsoportjában. Az MFA-ban azonban kísérleteznek egy másik módszerrel is: ebben kémiai reakciókkal igyekeznek megmunkálni az egyetlen atomnyi vastagságú grafénlemezeket.

A BME stratégiai területe a nanokutatás

A grafének kutatásával a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetemen (BME) Mihály György tanszékvezető irányításával foglalkoznak. A BME nemrég elnyert kutatóegyetemi címének megfelelően öt fő kutatási területet jelölt ki, ezek közül az egyik a nanotechnológia. Tervezik itt a nanotechnológiai laborhálózat kialakítását, és a jövőben a nanotechnológusok, nanomérnökök képzését is.