צוות מחקר בראשותם של כימאים מאוניברסיטת בופאלו הצליח לצפות ב"ענני" האלקטרונים המצויים ע"ג פני-שטח החומר גרפן
| ענני אלקטרונים מעל גרפן |
צוות מחקר בראשותם של כימאים מאוניברסיטת בופאלו הצליח לצפות ב"ענני" האלקטרונים המצויים ע"ג פני-שטח החומר גרפן, תוך קבלת תמונות המראות כיצד קפלים המצויים בו עלולים לפגום במוליכות החשמלית שלו.
גרפן, החומר הדקיק והחזק ביותר הידוע לאדם, מורכב משכבה יחידה של אטומי פחמן המאורגנים במבנים משושים כעין חלת-דבש. מבנהו הייחודי של הגרפן הופך אותו לחומר מוליך יוצא דופן: בתנאים מיטביים, כאשר הגרפן שטוח לחלוטין, מטען חשמלי עובר דרכו מבלי להיתקל בכל מכשול (כלומר בעל התנגדות חשמלית אפס), אמר אחד מכותבי המאמר על אודות המחקר שפורסם בכתב-העת המדעי Nature Communications. אולם, לא תמיד התנאים מיטביים.
התמונות החדשות שהתקבלו מראות כי כאשר הגרפן מקופל או מכופף, גם ענן האלקטרונים האופף את פני-השטח שלו הופך למעוקם ומקשה על המטען החשמלי לנוע דרכו באופן יעיל. "כאשר הגרפן שטוח לחלוטין, המטען פשוט "שט" לאורך הענן והוא לא צריך לדלג מעל שום דבר, בדומה לנסיעה באוטוסטראדה," מסביר החוקר. "אולם, אם אתה מכופף את הגרפן, כעת יש בו מכשולים אחדים; דמיינו לעצמכם את ההבדל שבין כביש מהיר שנסלל לאחרונה לבין כביש שבו מבוצעות עבודות תחזוקה המחייבות אותך לנוע בנתיבים עוקפים. "ניתן לדמיין את ענן האלקטרונים כעין כרית פלומתית גדולה כאשר הכרית כפופה במספר נקודות," מסביר החוקר.
לשם קבלת התמונות החוקרים השתמשו בשתי שיטות מדידה מתקדמות המערבות שימוש במיקרוסקופים מיוחדים, ובסיוע של הדמיות מחשב. "באמצעות ההדמיות אנו מסוגלים להבין טוב יותר את המדידות שערכו העמיתים שלנו באמצעות אלומות קרני-רנטגן, ולבצע חיזויים טובים יותר בנוגע להשפעות של שינויים קטנים במבנה הגרפן על התכונות האלקטרוניות שלו," אמר החוקר הראשי. "ראינו כי ישנם אזורים מסוימים בגרפן עם שיפועים בעלי זוויות שונות, כמו להסתכל מטה לעבר גגות משופעים של בתים רבים הצמודים יחדיו."
מעבר לתיעוד כי קפלים בגרפן הורסים את אחידות ענן האלקטרונים שלו, צוות המחקר גילה כי זיהומים הנצמדים לגרפן במהלך העיבוד שלו נותרים בגומחות המצויות באזורים הבלתי-אחידים של החומר. זיהומים אלו מעוותים את ענן האלקטרונים ובכך הם משנים את עוצמת קשירתו לאטומי הפחמן.
התכונות יוצאות הדופן של הגרפן הולידו התרגשות עצומה במגוון תעשיות, כגון מחשבים, אנרגיה וביטחון. מדענים טוענים כי המוליכות החשמלית של גרפן שווה לזו של נחושת, וכי מוליכות החום של הגרפן היא הטובה ביותר הידועה כיום. אולם, המחקר החדש מציע לחברות המקוות להטמיע את הגרפן לתוככי מוצרים כגון דיו מוליך, טרנזיסטורים מהירים במיוחד ולוחות סולאריים כי תהיה תועלת ממחקר בסיסי באשר לננו-החומר.
תהליכים משופרים להפיכת יריעות שטוחות של גרפן למוצרים מסחריים יוכלו להגביר משמעותית את יעילות המוצר הזו. "מדענים רבים יודעם כיום כיצד לייצר גרפן, אולם עדיין לא ברור באופן מלא כיצד להמירו למוצר אחר מבלי לקפל אותו על עצמו," מסביר החוקר. שמירת היריעה ישרה ושטוחה מהווה אתגר רציני, והמחקר שלנו מתחיל להסביר מדוע התכונה הזו כה חשובה."
