Grafen, materijal sastavljen od jednog sloja ugljikovih atoma raspoređenih u heksagonalnu rešetku, privlači pažnju znanstvene zajednice zbog svojih izvanrednih svojstava. Njegova snaga koja premašuje čelik, izvanredna fleksibilnost i visoka provodljivost čine ga ključnim elementom u razvoju novih tehnologija. Tim znanstvenika s Instituta Ruđer Bošković (IRB) koristi ionske snopove za precizno oblikovanje strukture grafena, što bi moglo dovesti do novih primjena ovog materijala.

Znanstvenici IRB-a su kroz istraživanja, čiji su rezultati objavljeni u časopisu Applied Surface Science, pokazali da snopovi iona visoke energije mogu precizno oblikovati nanoporozni grafen. Ovaj postupak mijenja funkcionalnost grafena, otvarajući mogućnosti za stvaranje materijala s prilagođenim svojstvima za specifične industrijske potrebe.

"Naš rad predstavlja značajan napredak u razumijevanju kako kontrolirati strukture na atomskoj razini u grafenu. Kontrola stvaranja nanopora uz pomoć ionskih snopova visoke energije otvara nove mogućnosti za prilagodbu svojstava grafena za različite primjene," istaknula je dr. sc. Kristina Tomić Luketić, poslijedoktorandica u Laboratoriju za interakcije ionskih snopova na IRB-u.

Grafen je prepoznat kao najtanji materijal ikad otkriven, a ujedno je i jedan od najboljih vodiča topline i električne struje. Ove osobine čine ga savršenim za napredne elektroničke uređaje, energetska rješenja te inovativne kompozitne materijale. Njegova primjena već se vidi u fleksibilnim zaslonima, superbrzim elektroničkim sklopovima i ultralakim sportskim rekvizitima. Zbog sposobnosti formiranja molekularnih barijera, grafen je također pogodan za filtre vode i zraka, gdje može značajno poboljšati učinkovitost i smanjiti troškove proizvodnje.

Tim istraživača s IRB-a, uključujući dr. sc. Andreju Gajović iz Laboratorija materijala za konverziju energije i senzore te dr. sc. Marka Karlušića iz Laboratorija za tanke filmove, primijenio je metodu koja se može usporediti s umjetničkim stvaranjem mikroskopskih remek-djela na atomskom nivou. Korišteni su visokoenergetski snopovi joda, bakra, silicija i kisika, ubrzani do velikih brzina, za stvaranje nanopora u jednoslojnom grafenu. Ovisno o brzini i vrsti iona, uzorci su pokazali različite karakteristike, pri čemu su sporiji ioni stvarali veće pore, slično udarcu teške lopte u mekšu površinu.

Proces oblikovanja grafena uključuje depoziciju energije ionskog snopa, nuklearnu i elektronsku zaustavnu moć grafena za ionske snopove. Nuklearna zaustavna moć može izravno izbaciti atome iz njihovih pozicija, dok elektronska zaustavna moć stvara oštećenja poremećajem elektronske strukture grafena, omogućujući stvaranje precizno prilagođenih nanostruktura.

Dodatna istraživanja su pokazala kako podloga na kojoj se nalazi grafen može značajno utjecati na karakteristike oštećenja. Optimalni rezultati su postignuti kada elektronska zaustavna moć znatno prevladava nuklearnu. Ovo saznanje omogućava razvoj novih metoda za stvaranje naprednih materijala poput nanoporoznog grafena, koji bi mogao naći primjenu u različitim područjima, od senzorskih tehnologija do sustava za pohranu energije.

Istraživanje je financirano sredstvima Hrvatske zaklade za znanost (HRZZ) i Europskog fonda za regionalni razvoj u sklopu Znanstvenog centra izvrsnosti za napredne materijale i senzore.

Dodatna istraživanja
Nastavljajući s istraživanjima, znanstvenici se nadaju otkriti nove načine za poboljšanje svojstava grafena i njegovu primjenu u industriji. Fokus je na razvoju tehnologija koje bi omogućile masovnu proizvodnju grafena po pristupačnijim cijenama. S obzirom na njegove jedinstvene osobine, grafen bi mogao revolucionirati mnoge industrije, uključujući elektroniku, energetiku i medicinu.

Perspektive grafena
Uz već poznate primjene, grafen se istražuje i za upotrebu u razvoju novih vrsta baterija, solarnih ćelija i biomedicinskih uređaja. Njegova biokompatibilnost i sposobnost prijenosa signala čine ga idealnim kandidatom za napredne medicinske implantate i senzore. Također, istražuje se mogućnost korištenja grafena u izradi ekološki prihvatljivih materijala, što bi moglo značajno doprinijeti održivom razvoju.

Zaključak istraživanja
Istraživanja provedena na IRB-u predstavljaju značajan korak naprijed u razumijevanju i primjeni grafena. Precizno oblikovanje ovog materijala na nano razini otvara nove mogućnosti za prilagodbu njegovih svojstava, što bi moglo dovesti do razvoja novih tehnologija i poboljšanja postojećih. S obzirom na izvanredne osobine grafena, očekuje se da će njegova primjena u budućnosti samo rasti, donoseći nove inovacije u raznim industrijama.

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