Maluje nam się czarna przyszłość..

Pod koniec dziewiętnastego wieku, kiedy brytyjskie towarzystwo naukowe już zacierało ręce do grupowego przybicia piątki w związku z odkryciem wszelkiej dostępnej fizyki pojawił się młody Żyd i wyjaśniając implikacje wiążące się ze skończoną prędkością światła pokazał język całemu naukowemu światu. Nie od dzisiaj wiemy, że historia lubi się powtarzać.

 

Tym razem jednak za odkrycie nie odpowiada Lud Wybrany, a zwyczajni, zazwyczaj zieloni, Irlandczycy. Jest rok 2015 i obecnie nawet statystyczni Amerykanie, którzy zapytani o umiejscowienia naszego pięknego kraju bez wahania kierują palec wskazujący na granicę z Pakistanem, zaczynają interesować się dwuwymiarowym węglem – grafenem, materiałem o tak fantastycznych właściwościach, że nada się zarówno do składania elektroniki jak i kamizelek kuloodpornych.

Grafen. It's so 2000 and late..

Grafen. It’s so 2000 and late.. (źródło: naukawpolsce.pap.pl )

Żeby jednak artykuł nie wypadł za sztywno czas na małą dygresję. Klasa, jak myślicie, skąd u pierwszego małpoluda pojawił się pomysł na przygotowywanie żywności? Antropologiem nie jestem, ale stawiam wszystkie swoje zęby, że to było coś w tym stylu – najpierw któryś z naszych przodków znalazł spalonego kurczaka i metodą doustną zorientował się, że ptak jest finger lickin’ good! Smażenie zaczęło się na całego, potem wraz z ulepieniem pierwszego kociołka ludzka ciekawość doprowadziła do gotowania, pieczenia, duszenia, a w ostatecznym rozrachunku do największej zdobyczy w kulinarnych podbojach homo sapiens – chińskiej zupki.

Dlaczego o tym wspominam? Drogi czytelniku, załóż przez chwilę, że jesteś naukowcem – biały kitel, w jednej ręce probówka z czymś wybuchowym, w drugiej gaśnica. Nagłym olśnieniem odkrywasz izotop jakiegoś pierwiastka, który potrafi mieć grubość jednego atomu, jest właściwie dwuwymiarowy. I na tym wcale nie kończą się jego zalety – jest bardzo rozciągliwy (nawet 20% rozszerzenie bez uszkodzenia struktury), prawie przezroczysty (grafen przepuszcza aż 98% widzialnego światła!), a jego przewodnictwo cieplne i elektryczne sprawiają, że srebro pakuje walizki, a miedź idzie do kąta i popada w depresję.

Dostajesz Nobla, wyjeżdżasz na Bahamy, przepuszczasz forsę na koke i laski, wracasz spłukany na uczelnię i myślisz co by tu zrobić, żeby jeszcze raz znaleźć się na szczycie. Zaczynasz kombinować z dwuwymiarowymi strukturami – skoro zadziałało z węglem, to może i inne pierwiastki się nadadzą. Sprawdzasz krzem, potem fosfor. Bingo! Kolejny Nobel w drodze, lot na Bahamy już zarezerwowany, a panienki i dealer poinformowane.

Nauka popłaca!

Nauka popłaca!

To oczywiście nie było tak – grafen odkryli Rosjanie, patent na czarny fosfor ma firma Sionyxx założona przez dwóch profesorów z Harvardu (wspomniani we wstępie irlandzcy naukowcy stoją za tanią metodą jego pozyskiwania), a za silicen odpowiedzialne są połączone siły Państw Osi – Niemiec i Włoch. Nobla dostali tylko Ruscy (w 2010r.), nie polecieli na Bahamy, tylko z powrotem do Manchesteru gdzie pracują na tamtejszym uniwersytecie. Co jednak nie wyklucza ani koksu, ani panienek.

Przejdźmy jednak do sedna dzisiejszego artykułu – czarnego fosforu. Dlaczego jest taki cudowny i w czym niby ma być lepszy od grafenu? Przedstawmy zatem rodzinę Fosforów:

  • Fosfor biały zwany również żółtym, jest odmianą nietrwałą wykazującą tendencję do przechodzenia w inne, bardziej trwałe odmiany. Jest to substancja silnie toksyczna, dawka śmiertelna wynosi zaledwie 0,1 g. Fosfor odmiany białej jest bezbarwny, miękki jak wosk, ma nieprzyjemny zapach. Nie rozpuszcza się w wodzie, trudno rozpuszcza się w alkoholu. W temp. ok. 60C w atmosferze powietrza nierozdrobniony biały fosfor zapala się, samozapłon może nastąpić również w trakcie krojenia – spowodowany tarciem;
  • Fosfor czerwony jest to proszek o zabarwieniu ciemnoczerwonym, nierozpuszczalny w dwusiarczku węgla, nietoksyczny, mniej reaktywny niż fosfor biały. Zapala się w powietrzu dopiero w temp. powyżej 400C;
  • Fosfor fioletowy jest mało aktywny chemicznie, nierozpuszczalny w żadnej substancji;
  • Fosfor czarny ma szarą barwę, metaliczny połysk, przewodzi prąd elektryczny. Sieć przestrzenna fosforu czarnego ma strukturę warstwową, w której każdy atom tworzy trzy wiązania z trzema sąsiadami.
Struktura silicenu. Jak widzimy w dole obrazka - jest mocno pofalowana, w przeciwieństwie do grafenu.

Struktura silicenu. Jak widzimy w dole obrazka – jest mocno pofalowana, w przeciwieństwie do grafenu. (źródło: nature.com)

Struktura czarnego fosforu

Struktura czarnego fosforu (źródło: Wikipedia)

Czyli wiemy, że nasza ulubiona, czarna odmiana fosforu jest płaska (jak grafen) i przewodzi prąd (jak grafen). Ale najlepsze dopiero przed nami – w niektórych miejscach struktury jest bardziej izolatorem niż przewodnikiem (zupełnie nie jak grafen!).

„Grafen miał doprowadzić do rewolucji, bo elektrony mogą się po jego powierzchni przemieszczać z ogromną prędkością, jednak jest z nim pewien problem, bo nie posiada on tzw. pasma wzbronionego. Pasmo wzbronione (oddziela pasmo walencyjne od pasma przewodnictwa) jest to zakres energii elektronów, w których materiał zmienia się z izolatora w przewodnik – a właśnie to zjawisko przełączania między obydwoma stanami jest podstawą działania tranzystora – musi on być na przemian włączany i wyłączany.”

geekweek.pl

Czyli, mówiąc prościej, jeśli chcemy zbudować prosty tranzystor (por. Bramka logiczna) potrzebujemy trzy ścieżki – jedną wejścia i dwie wyjścia, a żeby to działało musi dać się sterować przewodnictwem elektrycznym wyjść tak, żeby np. raz sygnał mógł iść na lewo, a w innym przypadku – w prawo. W grafenie to niemożliwe, bo całość struktury przewodzi elektrony jak-ta-lala, za to w czarnym fosforze odpowiednie użycie pasma wzbronionego daje ogromne możliwości.

Czarny fosfor. Wygląda niepozornie, ale nie dajcie się nabrać - w tej probówce może czaić się przyszłość naszego gatunku!

Czarny fosfor. Wygląda niepozornie, ale nie dajcie się nabrać – w tej probówce może czaić się przyszłość naszego gatunku! (źródło: Wikipedia)

Który izotop wygra? Grafen, czarny fosfor, czy może coś jeszcze innego? Odpowiedź jest prosta – ten, który zaoferuje najlepszy stosunek ceny do możliwości. Od paru lat dopiero są jako takie możliwości tworzenia większych powierzchni grafenu, a ekonomiczne wytwarzanie czarnego fosforu to dziecko poprzedniego roku. Silicen, o którym tu tylko wspominam też jest dość młody, a to są zaledwie trzy z wielu dwuwymiarowych izotopów, które mogą być wytworzone, ale wciąż stoją poza możliwościami dzisiejszych naukowców. Nie wiem jak wy, ale ja już nie mogę się doczekać!

 

Źródła: nt.interia.pl, technologyreview.com, tylkonauka.pl, geekweek.pl, naukowiec.org, extremetech.com
Obrazek ze strony głównej pochodzi z: periodictable.com

PS. Z góry przepraszam za tytuł jak z Onetu, ale czasem zwyczajnie nie można się powstrzymać.

Bookmark the permalink.