Pliiatsi vabastamine

Foto:arhiiv

Materjaliteaduse üks viimaste aastate suurimaid avastusi ja lootusi grafeen ehk ühe aatomi paksune grafeenileht avastati 2004. aastal. Grafeenihelbekese eraldamise eest grafiidist anti juba 2010. aastal välja Nobeli preemia. Vaatamata tormilisele akadeemilisele uurimistööle ei ole siiani grafeenile olulist praktilist rakendust, kuigi raha on uuringutele eraldatud suurtes kogustes. Seni on grafeeni toodetud väga vähe, seepärast on see üks kalleimaid materjale maakeral. Hoolimata paljudest ideedest tundub, et praeguses seisus saab grafeeni mõistlikult kasutada vaid juhul, kui millegi muuga seda asendada ei anna.

Kui te tõmbate pliiatsiga paberile joone, siis teadke – see joon viis välja Nobeli preemiani. Kõige tavalisem kirjutusvahend sisaldab ühe aatomi paksusi nanokilekesi.
Pliiatsisüsi grafiit on puhas süsinik, mille ehitus arvati kindlalt teada olevat. Siiski kujutab see endast tasapinnalisi, üksteise otsa laotud aatomite kihte. Grafeeniks hakati kutsuma üht neist kihtidest – sellist, mis koosneb ainult süsiniku aatomitest, mis kuusnurkselt üksteise kõrvale paigutatuna moodustavad ühe aatomi paksuse kihi.
Süsinik on kahepalgeline element. Ühelt poolt moodustab see uhke ja tugeva teemandi, teiselt poolt aga pehme ja määriva grafiidi. Teemant oli inimesele tuntud enne grafiiti, mida ei tundnud iidsed hiinlased ega vanad kreeklased. Inglased avastasid grafiidimaardla alles 16. sajandil. Saadud ainega, mida hakati ekslikult kutsuma pliimaagiks, plumbago, sai kenasti paberile jälgi jätta. See grafiidi võime sai Euroopas kähku tuntuks.

Salastatud maak
1779. aastal näitas rootsi keemik Carl Scheele, et plumbago on tegelikult süsinik, seejärel pakkus saksa geoloog Abraham Werner sellele nimeks grafiit, kreekakeelsest sõnast „kirjutama“. Grafiidile leiti kähku ka sõjaline rakendus, see sobis ideaalselt suurtükikuulide valamisvormide vooderduseks. See grafiidi võime salastati. Napoleoni sõdade ajal keelas Inglise kuningakoda grafiidi ning isegi pliiatsite ekspordi Prantsusmaale.
Aastaid püüti valmistada ühekihilist süsinikukilet grafeeni, ent tulutult. Esmalt prooviti grafiidi aatomkihtide vahele toppida erinevaid molekule, et nõnda grafiidikihte üksteisest lahti kangutada. Kuid tulemuseks oli vedelavõitu plöga. Seejärel prooviti hõõruda grafiidikristalle mõne teise pinna vastu, et neid nõnda õhemaks saada. Nii saadi umbes saja aatomkihi paksusi plaate. Siis töötati välja meetod nn nanopliiatsi saamiseks, mille teravik on vaid kümmekond aatomkihti paks.
2004. aastal õnnestus Manchesteri ülikooli teadlastel Andre Geimil ja Konstantin Novosjolovil saada esimene tükike grafeeni. Nad kleepisid grafiidihelbed kleeplindile ja tõmbasid siis kleepsu helveste küljest lahti. Sel moel said nad üha õhemaid grafiidikilesid. Kuni lõpuks leidsid neid uurides, et sekka on sattunud ka grafeenitükikesi. Need olid väga hea kvaliteediga, see tähendab täielikult lisandivabad. Lisandid on võõrad aatomid, mis tavaliselt kristallide puhul materjaliteadlastele peavalu valmistavad. Need moonutavad kristalli ja muudavad selle omadusi kehvemaks. Kuid grafeen on ses suhtes imelaps, et on lisandeist peaaegu vaba ja senimõõdetud materjalidest tugevaim, ning tänu ühekihilisusele ka painduv. Üllataval kombel on grafeen ka väga hea elektrijuht, juhtides elektrone toatemperatuuril paremini kui mis tahes teine siiani tuntud aine.
Pole siis ime, et insenerid on hakanud grafeeni vastu suurt huvi ilmutama, pidades silmas selle kasutamist supertugevates ainetes, nutikates ekraanides, ultrakiiretes transistorites või kvantarvutites. Grafeeni esinemine looduses, saati veel siis kõige tavalisemas pliiatsisüdamikus, tuli materjaliteadlastele üllatusena. Grafeen on kõigist võimalikest kõige õhem atomaarne tasapind ja grafeeniplaadid, mis kinnituvad üksteise külge jõududega, mida nimetatakse van der Waalsi nimega (mis muuseas vastutavad ka selle eest, et geko või kärbsed laest alla ei kuku), moodustavadki lõppkokkuvõttes grafiidi.
Nii nagu teaduses ikka – kui mõni aine on juba ühes kohas avastatud, leitakse seda igalt poolt. Nõnda on lugu ka grafeeniga. Seda hõljub teie suvegrilli ümber, seda piisab teie pliidi alla, seda on igas teie pliiatsisirgelduses. Te ei aimagi, et mõne aja pärast ronib grafeen teie tillukestesse arvutitesse ja võib seletada ära ka maailma ehituse kõige kummalisemaid viise.
51aastane Andre Geim ja 36aastane Konstantin Novosjolov said oma töö eest Nobeli preemia tänapäeva kohta väga kähku. Mõlemad alustasid teadlastena Venemaal, sealt lahkusid Hollandisse, kust edasi Ühendkuningriiki. Praegu on nad Manchesteri ülikooli professorid. Nende kaubamärk on mängulisus. 2003. aastal leiutasid nad superkleepuva lindi, võttes eeskuju geko jalgadest. 1997. aastal õnnestus Geimil panna konn magnetväljas hõljuma, mis tõi talle Ig Nobeli naljaauhinna, mis „paneb inimesed esmalt naerma, seejärel mõtlema“. 2010. aastal tuli päris-Nobel. Kas paneb see esmalt mõtlema, seejärel naerma, sõltub juba elektroonikatööstusest.
2015. aasta veebruaris ilmus teadusajakirjas Science Euroopa Liidu teadusprojekti „Graphene Flagship“ teadlaste ülevaateartikkel grafeeni rakendamise kohta energeetikas. Nii Genova tehnikainstituudi füüsiku Francesco Bonaccorso juhitud rühm uurib grafeeni kasutamise võimalusi päikese- ja kütuseelementides, patareides, superkondensaatorites ning vesiniku tootmisel ja hoidmisel. Kahemõõtmelisel grafeenilehel on väga suur pindala ja massi suhe – 2600 ruutmeetrit grammi kohta, kuid ülevaate esitanud teadlased jäävad „kainelt optimistliku vaatekoha“ juurde.

Jää uus struktuur
Hiljuti selgus, et grafeen suudab luua ka uue struktuuriga jääd. Ajakirja Nature 2015. aasta märtsinumbris avaldatud artiklist selgub, et kui Geim ja tema kolleegid tilgutasid kahe grafeenikile vahele veetilga ja ootasid, kuni vesi vajalikul määral aurustub, ei tekkinud tavaline V-kujuliste molekulidega heksagonaalse struktuuriga jää, kus sarvedeks vesiniku aatomid, vaid hoopis korrapärase ruudukujulise struktuuriga jää, kus vesiniku ja hapniku vahelised keemilised sidemed asusid üksteisega risti. Sellise struktuuri tekkeks peab grafeenikilede vahel rõhk olema 10 000 korda suurem kui atmosfäärirõhk. Siin tulevad taas mängu van der Waalsi jõud nagu gekojalgade udemete puhul. Ruudujääd võiks kasutada filtriks, arvavad teadlased.
Grafeenile on ilmunud ka vähemalt üks konkurent. Teadusajakiri Nature teatas 2015. aasta veebruari alul, et teoreetikute seitsme aasta tagune ootus luua vaid aatomkihi paksusega ränikile on täitunud. Kui sellistest kiledest saaks ehitada elektroonilisi seadmeid, lubaks silitseeni nime saanud materjal pooljuhtide tööstuses Moore’i seadusel edasi eksisteerida. Texase ülikooli nanomaterjalide teadlane Deji Akinwande tunnistab küll, et esimene, 2015. aastal valmistatud silitseentransistor pole mingi erilise kvaliteediga ja selle eluiga on vaid minutites. Temaga nõustub 2012. aastal esimesena laboris silitseeni valmistanud Prantsusmaa Aix-Marseille’i ülikooli materjaliteadlane Guy Le Lay. Grafeeni kohta on vaikimisi teada, et olgu see nii huvitav kui tahes, transistorite tegemiseks see ei sobi, sest juhib voolu. Erinevalt arvutikiipides kasutatavatest pooljuhtidest puudub grafeenil keelutsoon – energiatõke, mille elektron peab ületama, et aine hakkaks voolu juhtima. Keelutsoonid tagavad pooljuhtide võime töötada loogiliste elementidena, st lülituda sisse ja välja ning teostada loogilisi tehteid bittides.
Silitseeni saadi mitte pliiatsigrafiiti koorides nagu grafeeni, vaid vaakumkambris räniaatomite kuuma auru hõbealusele kondenseerimisel. Erinevalt vastupidavast grafeenist on paljas silitseen õhu käes ebapüsiv. Akinwande ja tema kolleegid kaitsesid silitseeni õhukese hõbedakihiga, millele omakorda kandsid viienanomeetrise alumiiniumikihi. Pärast veel keerulisemat kokakunsti õnnestus osa hõbedast välja graveerida, et saada elektroodid, mille vahel oli silitseen. Akinwande loodab, et silitseeni aitab kaitsta teflon, kuid seni pole suudetud mõõta silitseeni keelutsooni. Siiski üritavad EL teadlased „Graphene Flagship“ miljardieuroses projektis luua teisigi kahemõõtmelisi aatomipaksusi kilesid – nagu näiteks germaneen ja fosforeen.
Viimasel ajal ei ole süsiniku maailmast pääsu kellelgi, kes tegeleb nanotehnoloogiaga. Imelised nanotorud on tegelikult grafeeni rullikeeratud vormid. Ja paarikümne aasta eest avastatud jalgpallitaoliselt kerakujulised, vaid süsiniku aatomitest saadud molekulid, mida USA arhitekti Buckminster Fulleri auks kutsutakse fullereenideks, on oma osa mänginud ka kõige kummalisemate kvantnähtuste, nagu põimumine, esilekutsumisel. Sellistel kuuekümnest süsiniku aatomist koosnevatel molekulidel C60 demonstreeris 1999. aastal kvantinterferentsi Viini ülikooli kvantfüüsiku Anton Zeilingeri meeskond. See tähendab et need elektronmikroskoobi all nähtavad molekulid ilmutavad ometigi kvantiseloomu ja neid ei saa käsitleda vaid diskreetsete osakestena. Nad on oma olekute superpositsioonis, ehk siis mitmes kohas ühekorraga. „Mõõteseadme valikust oleneb, kas osake on kvantobjekt või klassikaline süsteem,” ütleb Zeilinger. Kui vaadata fullereene skaneeriva tunnelmikroskoobiga, siis näeb väikesi jalgpallikesi kenasti oma kohtadel istumas. Kui aga valida interferentsmõõtmine, siis on needsamad molekulid kvantmehaaniliselt delokaliseeritud. Üks ja sama molekul käitub ühel juhul nagu kvantsüsteem kõigi selle veidrustega, teisel aga täiesti tavalise klassikalise süsteemina nagu mingi lauajalg.

Grafeeni ootused
Pilt välismaailmast ei teki kusagile inimese silma taha, aju ehitab – või täpsemalt arvutab – pildi võrkkestast tulevate elektriliste signaalide põhjal üles.
Presbüteri vaimulik Thomas Bayes ei kirjutanud palju, ent temast jäi nüüdseks kuulus käsikiri, mille leidis ta paberite seast sõber Richard Price ja avaldas kuningliku ühingu ajakirjas Philosophical Transactions of the Royal Society 1763. aastal. Kirjutist pealkirjaga „Essee juhuste doktriini probleemi lahendamise suunas“ unustati või ignoreeriti 150 aastat, nüüdseks on selle doktriini ideed saanud keskseks majanduses ja taju uurimisel.
Kas uus materjal saab oluliseks ja kui kiiresti see juhtub, pole niivõrd füüsika kui majanduse probleem. Seega tuleb ennustamisel arvestada maailma tõenäosuslikkust, mis on vastuoluline ja segane. Tõenäosusest võib mõelda kui sageduste suhetest või aju olekutest. Esimene on „objektiivne“ ja teine „subjektiivne“, mis lülitab süsteemi ka vaatleja. Bayes’i teoreem põhineb subjektiivsetel tõenäosustel, muutes keskseks vaatleja ootused. See teeb teoreemi oluliseks kaudsete, eriti konstrueeritud otsuste puhul, nagu taju, aga ka tuleviku ennustamine.
Bayes pakub reeglid hüpoteeside tõepärasuse arvutamiseks eelneva tõendusmaterjali põhjal tuletatud eelnevate tõenäosuste ehk aprioorse tõenäosuse põhjal ja uue tõendusmaterjali usutavusest tuleneva pärastise tõenäose ehk aposterioorse tõenäosuse põhjal.
Bayes’i reegel on selline: korrutage hüpoteesi eelnev, subjektiivne tõenäosus tõendusmaterjali esinemise tõenäosusega, kui hüpotees on tõene. Määrake nende arvude suhe. Võrrelge seda suhet ja see annab hüpoteesi esinemise tõenäosuse.
Aju säilitab alternatiivseid hüpoteese, igaüks oma aprioorse tõenäosusega. Kui me ennustame uue materjali tulevikku, siis võtame arvesse vaid aprioorse tõenäosuse, kõrvutades aine omadusi olemasolevate ainete omadustega. Tõenäosus tuleb suhteliselt suur. Kui aga lähtume aposterioorsest tõenäosusest, siis on see paraku suhteliselt väike, kuna rakendamisel tuleb ette palju takistusi.
Grafeen on kuulus oma elektriliste omaduste poolest. Kuid Manchesteri ülikooli teadlased on avastamas võimalusi, kuidas saaks sellest imematerjalist valmistada mikroläätsesid. Grafeeni uurimise eest Nobeli preemia pälvinud Konstantin Novosjolov ja tema kolleegid on ränipinnale tekitanud grafeenimullikesi, mis tavaliselt tekivad grafeenilehe ja ränipinna vahele jäänud õhumullikeste tõttu. Rakendanud neile pinge, suutsid teadlased läbipaistva mullikese kuju muuta. Nad loodavad, et nõnda saaks toota lihtsat, iseteravustuvat läätse väikeste elektrooniliste kaamerate tarbeks, nagu neid kasutatakse mobiiltelefonides.

Kallis lõbu
Ometi on grafeeni praktilised rakendused jäänud pidama ohtrate tehniliste takistuste taha. Ülisiledat ja suurt üheaatomilist grafeenikilet on väga raske valmistada, ikka tuleb välja lainjas kile. Ja isegi kui selline kile on käes, siis on sellega tööstuses raske manipuleerida. Nobelistide meetodil grafeeni tootmine on aeglane ja kallis, mistõttu on see materjal praegu olemasolevatest kõige kulukam.
Keemiline aurustamine on teine valmistamise võimalus: metaangaas lastakse üle tuhandekraadise katalüütilise vasekihi ja nii tuleb hinaks100 000 dollarit ruutmeeter.
Möödunud aasta juuni keskel teatas põhiliselt Korea teadlastest koosnev rühm sellest, et pani maailma ühe kõige tumedama ja valgust neelavama aine hõõguma, valmistades sellest kõige peenema hõõgniidi. Eriti oluline oli, et grafeen hakkas valgust kiirgama, kinnitatuna kiibi pinnale. Grafeen hõõgus 2500 °C temperatuuril ning seda oli näha ka palja silmaga. Kusjuures hõõgumise värvust saab muuta, muutes grafeeni kaugust silikoonist, sest see moodustub interferentsist hõõguva ja peegelduva valguse vahel. Kummalisel kombel püüdis ka Edison esmalt oma hõõgniidiga lambi luua süsiniku baasil, nüüd on jõutud süsiniku üheaatomilise kihini.
Euroopa Liidu projekti „Graphene Flagship“ korraldatud grafeeni nädalal möödunud aasta juuni keskel Chalmersi instituudis demonstreerisid firma Bosch ja Max Plancki instituut grafeenil põhinevat magnetandurit, mis on 100 korda tundlikum kui räniandurid. Et nendega hinnalt võistelda, läheb veel 5-10 aastat. Magnetanduri töö põhineb Halli efektil, mille järgi magnetväli indutseerib elektrikandjate voo. Miljardilise eelarvega ELi projekt on mõeldud nii grafeeni rakendamiseks kui populariseerimiseks.
Exetery ülikoolis ja Lissaboni teadusasutuste teadlaste poolt loodi maailma esimene tõeline elektrooniline tekstiil. Idee oli esmakordselt kudumisse sisse kududa painduvad elektroodid. Nõnda võiks tekstiilist toota GPS-seadmeid, kasutada seda tervise seiramiseks, isikliku turvaseadmena või suhtlemisvahendina. Rühma juhi Helena Alvarese sõnul on tekstiilisse ennegi helenduvaid või peegeldavaid tehnoloogilisi lisasid kootud, kuid grafeenile annab eelise selle paindlikkus.
Teadlaste tulevikunägemused on ilusad ja võluvad, kuid meenutagem veel kord, et siiani on grafeen kalleim tööstuslikult toodetav aine. Imematerjal, millele tõotatakse tuhandet ja ühte helget tulevikku. Kuid jälgides grafeenist kirjutatud artiklite pealkirju, saab selgeks, et enamik selle võimalikest rakendustest on vaid algusjärgus. Ühendkuningriigis Cambridge’is asuva grafeenikeskuse direktor tunnistab, et pärast grafeeni avastamist 2004. aastal on enamik sellealaseid uuringuid piirdunud akadeemiliste, fundamentaalsete töödega. Alles 2010. aastal hakkasid ülikoolide osakonnad ja firmad selle materjali vastu rohkem huvi tundma. Kõige esinduslikum on Euroopa Liidu projekt „Graphene Flagship “, millest juba oli juttu. Teiseks suuremaks rahastajaks on saanud Ühendkuningriik. Manchesteris näiteks arendatakse grafeenist hõõgniidiga lambipirni, mille tehnilised üksikasjad on veel saladuses.
Töötatakse ka grafeentindi kallal, millega saaks trükkida paberile näiteks väga häid turvaelemente. Grafeen näib sobivat ka spordivahenditesse, nagu tennisereketid, suusad ja golfikepid. Grafeeni sisaldavate komposiitmaterjalide võimalused sõltuvad seni teadlaste spekulatsioonidest.
Häda on selles, et ehkki lugematu arv firmasid tegeleb grafeeni kasutamisele võtuga ühel või teisel kujul, puuduvad üksmeelselt väljamõeldud standardid selle materjali kohta, nõnda et grafeen on mõneti Metsiku Lääne perioodis. Standardiseerimine ei ole eriti võluv, kuid ilma selleta on raske rääkida ülemaailmsest koostööst selle ühelt poolt lihtsa, teisalt eriliselt omapärase materjali arendamiseks.
Nii võime me unistada vee puhastamisest, painduvatest diskettidest või elektroonilistest rõivastest, ent enne, kui keegi pole grafeenist valmistanud toodet, mida mingil muul moel toota ei saa, ei saa me ka olla kindlad selle tuleviku suhtes. Tõsi, ka elektrile ei ennustatud erilist rakendust, nii nagu ka lennukile või mobiiltelefonile. Praeguse teabe põhjal tundubki, et grafeeni põhiline kasutusala saab olla eelkõige elektroonika. Iseasi, kas inimesel on nõnda palju vahendeid, et nii kallist materjali kasutades seadmeid murdosa võrra kiiremaks ja pisemaks teha.
Siiski võime olla kindlad ühes: tavaline pliiats ei kao ja võime end rahustada, et selleski sisaldub tilluke osa imeainet grafeeni. 1858. aastal patentis ameerika leidur Hymen Lipman pliiatsi, mille teises otsas on kustutuskumm. See on suurepärane näide leiutisest, mis võib olla üheaegselt nii kasulik kui ka ohtlik. Sest kui hakkate kirjutatut kustutama ja vaatate samal ajal, mida kustutasite, võite endal silma peast torgata.

Artiklis on kasutatud lõike Tiit Kändleri äsjailmunud raamatust „Leiutised, mida ei osatud oodatagi“, mis ilmus meie kirjastuse Ühinenud Ajakirjad AS kirjastamisel. Toim.

Lisa kommentaar

Turvaküsimus: *