Grafen, materiał składający się z jednej warstwy atomów węgla ułożonych w sześciokątną sieć, przyciąga uwagę społeczności naukowej ze względu na swoje niezwykłe właściwości. Jego wytrzymałość przewyższająca stal, niezwykła elastyczność i wysoka przewodność czynią go kluczowym elementem w rozwoju nowych technologii. Zespół naukowców z Instytutu Ruđer Bošković (IRB) wykorzystuje wiązki jonów do precyzyjnego kształtowania struktury grafenu, co może prowadzić do nowych zastosowań tego materiału.

Naukowcy z IRB, poprzez badania, których wyniki opublikowano w czasopiśmie Applied Surface Science, wykazali, że wiązki jonów o wysokiej energii mogą precyzyjnie kształtować nanoporowaty grafen. Proces ten zmienia funkcjonalność grafenu, otwierając możliwości tworzenia materiałów o dostosowanych właściwościach do specyficznych potrzeb przemysłowych.

"Nasza praca stanowi znaczący postęp w zrozumieniu, jak kontrolować struktury na poziomie atomowym w grafenie. Kontrola tworzenia nanoporów za pomocą wiązek jonów o wysokiej energii otwiera nowe możliwości dostosowywania właściwości grafenu do różnych zastosowań," podkreśliła dr Kristina Tomić Luketić, doktor habilitowany w Laboratorium Interakcji Wiązek Jonów w IRB.

Grafen jest uznawany za najcieńszy materiał, jaki kiedykolwiek odkryto, a jednocześnie jest jednym z najlepszych przewodników ciepła i elektryczności. Te właściwości czynią go idealnym dla zaawansowanych urządzeń elektronicznych, rozwiązań energetycznych i innowacyjnych materiałów kompozytowych. Jego zastosowanie już widoczne jest w elastycznych wyświetlaczach, superszybkich układach elektronicznych i ultralekkich sprzętach sportowych. Ze względu na zdolność do tworzenia barier molekularnych, grafen jest również odpowiedni do filtrów wody i powietrza, gdzie może znacznie poprawić wydajność i obniżyć koszty produkcji.

Zespół badaczy z IRB, w tym dr Andreja Gajović z Laboratorium Materiałów do Konwersji Energii i Sensorów oraz dr Marko Karlušić z Laboratorium Cienkich Warstw, zastosował metodę, którą można porównać do artystycznego tworzenia mikroskopijnych arcydzieł na poziomie atomowym. Wykorzystano wiązki wysokoenergetyczne jodu, miedzi, krzemu i tlenu, przyspieszone do dużych prędkości, do tworzenia nanoporów w jednowarstwowym grafenie. W zależności od prędkości i rodzaju jonów, próbki wykazywały różne charakterystyki, przy czym wolniejsze jony tworzyły większe pory, podobne do uderzenia ciężkiej kuli w bardziej miękką powierzchnię.

Proces kształtowania grafenu obejmuje depozycję energii wiązki jonowej, jądrową i elektroniczną moc hamowania grafenu dla wiązek jonowych. Jądrowa moc hamowania może bezpośrednio przesuwać atomy z ich pozycji, podczas gdy elektroniczna moc hamowania powoduje uszkodzenia poprzez zakłócenie struktury elektronowej grafenu, umożliwiając tworzenie precyzyjnie dostosowanych nanostruktur.

Dodatkowe badania wykazały, jak podłoże, na którym znajduje się grafen, może znacznie wpłynąć na charakterystykę uszkodzeń. Optymalne wyniki uzyskano, gdy elektroniczna moc hamowania znacznie przewyższała jądrową. Ta wiedza umożliwia rozwój nowych metod tworzenia zaawansowanych materiałów, takich jak nanoporowaty grafen, który może znaleźć zastosowanie w różnych dziedzinach, od technologii sensorowych po systemy magazynowania energii.

Badania były finansowane przez Chorwacką Fundację Nauki (HRZZ) oraz Europejski Fundusz Rozwoju Regionalnego w ramach Centrum Doskonałości Naukowej dla Zaawansowanych Materiałów i Sensorów.

Dalsze Badania
Kontynuując badania, naukowcy mają nadzieję odkryć nowe sposoby na poprawę właściwości grafenu i jego zastosowania w przemyśle. Skupienie się na rozwoju technologii, które umożliwiłyby masową produkcję grafenu po bardziej przystępnych cenach. Biorąc pod uwagę jego unikalne właściwości, grafen mógłby zrewolucjonizować wiele przemysłów, w tym elektronikę, energetykę i medycynę.

Perspektywy Grafenu
Oprócz już znanych zastosowań, grafen jest również badany pod kątem użycia w rozwoju nowych typów baterii, ogniw słonecznych i urządzeń biomedycznych. Jego biokompatybilność i zdolność do przekazywania sygnałów czynią go idealnym kandydatem do zaawansowanych implantów medycznych i sensorów. Dodatkowo badana jest możliwość wykorzystania grafenu do produkcji ekologicznych materiałów, co mogłoby znacznie przyczynić się do zrównoważonego rozwoju.

Wnioski z Badań
Badania przeprowadzone w IRB stanowią znaczący krok naprzód w zrozumieniu i zastosowaniu grafenu. Precyzyjne kształtowanie tego materiału na poziomie nano otwiera nowe możliwości dostosowywania jego właściwości, co mogłoby prowadzić do rozwoju nowych technologii i ulepszania istniejących. Biorąc pod uwagę niezwykłe właściwości grafenu, oczekuje się, że jego zastosowanie w przyszłości będzie tylko rosło, przynosząc nowe innowacje w różnych przemysłach.

Kristina Tomić Luketić, Andreja Gajović, Marko Karlušić: High-energy heavy ions as a tool for production of nanoporous graphene, Applied Surface Science, Volume 669, 2024, https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2024.160593