U posljednjoj deceniji, tehnologija ekrana je napredovala velikom brzinom, transformirajući naše mobilne telefone, televizore i prijenosne uređaje. Potrošači traže ekrane veće rezolucije, svjetlije i koji nude realističnije iskustvo.

Naravno, oni također moraju biti otporni i izdržljivi. Upravo u tom kontekstu grafen, zvanično otkriven prije dvadeset godina, 22. oktobra 2024. godine, dobiva na značaju, zahvaljujući svojim višestrukim svojstvima.

Struktura grafena

Grafen je materijal sastavljen od jednog sloja atoma ugljika koji su raspoređeni u heksagonalnu rešetkastu strukturu, sličnu saću. Proteže se samo u dvije dimenzije, zbog čega se naziva dvodimenzionalni materijal ili 2D materijal.

Godine 2004. postao je prvi izolirani materijal s ovom karakteristikom, koji je uspio odvojiti jedan sloj grafena od grafita koristeći jednostavnu, ali revolucionarnu metodu: selotejp. Sastojao se od upotrebe ljepljive trake za postepeno skidanje slojeva grafena s grafita, istog materijala od kojeg su napravljene naše olovke.

Možemo je zamisliti kao stranice knjige, gdje je knjiga grafit. Revolucionarna posebnost je da se smanjenjem dimenzionalnosti materijala, odnosno prelaskom sa 3D materijala poput grafita na 2D kao što je grafen, njegova svojstva drastično mijenjaju.

Ovo otkriće donijelo je fizičarima Konstantinu Novoselovu i Andreu Geimu Nobelovu nagradu za fiziku 2010. godine.

Najjači materijal na svijetu

Možda kada pomislimo na jak, tvrd i otporan materijal, zamišljamo nešto vrlo čvrsto, poput ogromne stijene. Međutim, najjači materijali mogu biti iznenađujuće lagani. Grafen je prvak, sa mehaničkom otpornošću oko 200 puta većom od čelika. Takođe je izuzetno lagan i tanak, debljine jednog atoma.

Kvadratni metar ovog materijala teži manje od jednog grama i oko 100.000 puta je tanji od naše kose. Osim toga, njegova velika elastičnost omogućava da bude vrlo otporan na deformacije. Može se savijati i savijati bez loma.

Nadmašuje bakar u električnoj provodljivosti, najčešće korištenom provodniku za prijenos električne energije, a također se ističe u toplinskoj provodljivosti.

Sva ova svojstva ugrađena su u sloj koji je toliko tanak da je praktično providan i upija vrlo malo svjetlosti, nešto više od 2 %.

Ako razmotrimo i mogućnost nanošenja na druge vrste kristala ili površina, lako je razumjeti zašto njegove primjene mogu biti tako raznolike i obećavajuće.

Alternativa tradicionalnim materijalima

Fleksibilnost, transparentnost i provodljivost su ključne osobine za razvoj sklopivih ili zakrivljenih ekrana, jednog od najnovijih trendova u potrošačkoj elektronici. Zbog toga se grafen pojavio kao izuzetno zanimljiva alternativa tradicionalnijim materijalima, kao što je indijum kalaj oksid (ITO) , koji se široko koristi u mobilnim ekranima, televizorima, kompjuterima, pa čak i u solarnim ćelijama.

Grafen može ponuditi iste ili bolje performanse, bez nedostataka što je sastavljen od rijetkog materijala kao što je indijum. Nadalje, ITO ne nudi mnogo fleksibilnosti, ograničavajući generiranje novih fleksibilnih uređaja, posebno velikih.

Ali kako da sintetišemo grafen?

Da bi se grafen integrisao u elektronske ili optoelektronske uređaje, neophodno je imati metodu sinteze koja omogućava njegov rast na odgovarajućim supstratima, uz garantovanje visoke kristalnosti i veoma niskog nivoa nečistoća.

Iako je grafen proizveden i proučavan opsežno i gotovo iscrpno u laboratoriji, njegova visokokvalitetna proizvodnja velikih razmjera ostaje skupa i tehnički složena.

Jedan od glavnih problema je prenošenje grafenskog filma na željenu podlogu i tu postaje relevantan njegov razvoj na safiru. Prvo, zato što se visokokvalitetni grafen može uzgajati direktno na safiru, izbjegavajući moguću kontaminaciju metalima koji se koriste u rastu i moguća mehanička naprezanja.

Drugo, zato što se safir već široko koristi u trenutnoj tehnologiji, kao što su LED diode (diode koje emituju svjetlost) i, općenito, u mikroelektronici, pa njegova implementacija na tržištu može biti brža i jeftinija.

U stvari, prvi prototipovi ekrana sa LED diodama od grafena mikroskopske veličine (MicroLED) su već u razvoju. Ovo omogućava veću rezoluciju i izdržljivost. Osim toga, omogućit će proizvodnju nosivih i transparentnih uređaja.

Ali, prije nego što bude uobičajeno vidjeti prozirnu televiziju u našem domu, biće potrebno pronaći efikasnije i jeftinije metode proizvodnje.