Zaslon iz ogljika

Mobilni telefoni postajajo čedalje pametnejši in so eden izmed najbolj zapletenih tehničnih izdelkov na svetu, pomemben del pa ostaja konceptualno enak, kot so bile rimske čaše. Steklo, kljub neštetim izboljšavam in patentnim skrivnostim, ostaja načeloma enak material. Prozoren, amorfen, krhek. Alternativo obljublja eden najpogostejših elementov na Zemlji – ogljik.

Posnetek štampiljke za prenos grafena na srebrne nanožice in nastali material.

Moderni pametni telefoni imajo večinoma steklene zaslone, ker je Steve Jobs leta 2007 svoje inženirje nadrl, ker je imel njegov prototip iPhona popraskan zaslon. Odločil se je, da bodo imeli iPhoni steklene zaslone, zato razvijalcem ni preostalo drugega, kakor da poiščejo partnerje in ustvarijo proti praskam odporno (torej: trdo) steklo. Deset let zatem so zasloni še vedno na vrhu stekleni, internet pa poln fotografij značilnih vzorcev pajkove mreže, ki jo vidimo na telefonih, ko se razbijejo.

A ne zato, ker ne bi bilo alternativ. Namesto stekla lahko uporabimo plastiko ali safirni kristal. Plastika je poceni in odporna proti udarcem in zvijanju, tako da je pri normalni rabi telefona skorajda ni mogoče zlomiti. Za povrhu je še lahka, kar je ena izmed glavnih pomanjkljivosti stekla. Ni problem izdelati neprebojnega in nezlomljivega stekla, a potem dobimo ameriško predsedniško limuzino, ki tehta šest ton. Predebelo in pretežko je za mobilne telefone.

Plastike na mobilnih telefonih ne najdemo, ker je grda. Kdor da več sto evrov za telefon, hoče zaslon, ki ne bo imel prask, četudi ga nosimo v žepu s ključi, kovanci in zrnci peska. Plastika pa ni le manj uglajenega videza kakor steklo, tudi slika na zaslonu bi bila drugačna. To so razlogi, da plastiko najdemo na najcenejših ali najrobustnejših telefonih, a širšega razmaha ni več doživela.

Če bodo zasloni iz grafena resnično zaživeli, si lahko obetamo lažje, odpornejše in cenejše telefone. In to hočemo.

Druga alternativa, od katere smo veliko pričakovali, je bil safir (Monitor 12/2014, Steklo ali kristal). Safir je oblika kristala korunda (α-Al2O3), torej ima popolnoma drugačno zgradbo kakor steklo. Medtem ko je slednje amorfno (neurejena struktura), mora imeti kristal safira urejeno, periodično strukturo. Defekti v materialu so tam posledica zgradbe, ne pa kemijsko drugačne sestave.

Edina pametna prednost safira, ki jo lahko izkoristimo v mobilnih telefonih, je zelo visoka trdota, zaradi česar je tak zaslon nemogoče opraskati, ker safira ne razi skoraj noben drug material razen diamanta. Ima tudi širše okno prepustnih valovnih dolžin svetlobe (150–5000 nm) in boljšo toplotno odpornost, a to ni tako pomembno. Glavni problem pa je, da je safir še krhkejši od stekla, torej bi se nam tak zaslon prav lahko zdrobil ob padcu. Poleg tega je še gostejši (težji zaslon), slabše prepušča svetlobo (višja poraba baterija zaradi močnejše osvetlitve) in je seveda dražji.

Ni presenetljivo, da na pametnih telefonih safira nismo videli kaj dosti. Applov iPhone 5S je imel bralnik prstnih odtisov, ki je bil prevlečen z njim, videli smo nekaj eksotičnih telefonov s safirnimi zasloni. A safirne revolucije ne bo. Apple si jo je svoj čas želel, pa je njihov dogovor s podjetjem GT Advanced Technologies padel v vodo, podjetje pa zašlo v stečaj.

Corning, ki izdeluje Gorilla Glass, si je ob tem seveda mel roke. Gorilla Glass najdemo na petih milijardah naprav, njegova peta različica, ki so jo izdali avgusta lani, pa je še trša in trdnejša. Da je to prihodnost, je maja letos priznal Apple, ko je napovedal naložbo 200 milijonov dolarjev v Corningov razvoj in raziskave. Navsezadnje je Corning dobavljal steklo za čisto vse iPhone, od prve različice pred desetimi leti. Danes ni več pametnega telefona višjega razreda, ki ne bi imel Gorilla Glassa.

Čudežni material iz Manchestra

Leta 2004 so v Manchestru odkrili nov material, ki so ga poimenovali grafen in je kmalu postal uspešnica v znanstvenih in tehnoloških krogih. Kmalu so se začele vrstiti objave, češ kako da ima grafen čudežne lastnosti na najrazličnejših področjih. Je nadvse prožen, toplotno, električno in optično prevoden, trden, odporen proti deformacijam itn. Zdelo se je, da smo le nekaj let oddaljeni od revolucije, primerljive z odkritjem plastičnih mas.

Najbrž bi malokdo pričakoval, da bo eden izmed najpogostejših in najbolj vsakdanjih elementov na svetu nastopal v tako različnih oblikah, kot sta grafit in diamant. Pri pouku kemije slišimo, da sta grafit in diamant le dve obliki istega elementa, v katerih so atomi zgolj povezani drugače. V diamantu ima vsak ogljik štiri sosede v tetraedrični orientaciji, zato je to eden najtrših znanih materialov. V grafitu ima vsak ogljik tri sosede, zato ima plastovito strukturo. Plasti so med seboj le šibko povezane, zato zlahka drsijo druga prek druge. Grafit je zato mazav.

Magični grafen

Grafen so odkrili leta 2004 na Univerzi v Manchestru. Andre Geim in Konstantin Novoselov sta za odkritje leta 2010 prejela Nobelovo nagrado za fiziko. V zadnjem desetletju so se raziskave tega obetavnega materiala zelo povečale. Veliko obljubljajo njegove lastnosti, kot so električna prevodnost, gibkost, trdnost in odpornost.

Evropska unija v okviru programa Obzorje 2020 financira raziskovalne pobude FET Flagship (Future and Emerging Tecnhology), s čimer podpira najobetavnejša področja raziskovanja. Prvi FET Flagship je bil leta 2013 ustanovljen prav za grafen in ga koordinirajo v švedskem Göteborgu. Na voljo je samo še en FET Flagship, in sicer projekt človeški možgani. Prihodnje leto naj bi zagnali še tretjega, kvantne tehnologije. Vsaka pobuda je vredna milijardo evrov.

Ogljik sestavlja še druge strukture (pravimo jim alotropske modifikacije). Lonsdaleit je heksagonalna oblika diamanta, karbin je enodimenzionalna veriga ogljikovih atomov, fulereni so značilne žogaste strukture (C60 ima 60 atomov v obliki nogometne žoge), ogljikove nanocevke pa so cevaste strukture s periodičnostjo v eni razsežnosti.

Grafen sestavljajo v šesterokotnike povezani ogljikovi atomi v eni ravnini. Gre za dvorazsežni analog grafita.

In na koncu pridemo do grafena. Za zvenečim imenom se skriva izpeljanka iz grafita, ki jo dobimo, če pripravimo eno samo plast debel grafit. V grafenu so atomi ogljika povezani s tremi sosedi, vsi pa so razvrščeni v enem sloju. Zato ni odveč poudarjati, da je zanesljiva izdelava in obdelava grafena velik izziv. Manjše količine pa si lahko naredimo doma, tako da papir pobarvamo s svinčnikom in potem z lepilnim trakom večkrat zapovrstjo odnesemo zgornjo plast.

Stara znanca indij in kositer

Pametni telefoni imajo dandanes zaslon, občutljiv za dotik. Steklo Gorilla Glass to seveda ni, rabi le kot opora in zaščita. Občutljivost za dotik zagotavlja plast iz indijevega kositrovega oksida (ITO), ki nima kaj dosti konkurence. Je eden redkih oksidov, ki je prepusten za svetlobo in električno prevoden, zaradi česar ima mnogotero rabo. Najdemo ga v sončnih celicah, v merilnikih natezne sile, zaslonih iz tekočih kristalov, ogrevanem steklu, svetlečih diodah (LED), zaščiti pred elektromagnetnim sevanjem, laserjih, detektorjih plinov in še bi lahko naštevali. Na mobilnih telefonih ga najdemo v zaslonu pod steklom, da so občutljivi za dotik.

Indij je redka kovina, ki je počasi zmanjkuje. Seveda ga ne bo zmanjkalo v klasičnem pomenu besede, saj nima kam iti, bo pa njegovo pridobivanje čedalje dražje. Zadnjih pet let poslušamo, da ga bo v naslednjih petih letih zmanjkalo, pa je še vedno tu. Ko ekonomisti govorijo, da bo kakšnega materiala zmanjkalo in da moramo najti zamenjavo zanj, to pomeni, da se bo pridobivanje podražilo do stopnje, ko bo smiselneje uporabiti alternative. Sicer pa so surovine kakor voda. Ne izginejo, jih pa lahko razpršimo in umažemo do te mere, da jih je res drago pridobivati.

Do okolja neprijazno pridobivanje indija je še ena pomanjkljivost. Druga je krhkost ITO, zaradi česar mora biti zaščiten z debelim steklom, kar prinese svoje težave.

Vstopi grafen

In grafen je ena izmed obetavnih alternativ. Grafen je prav tako prevoden, saj ima ogljik štirivalenčne elektrone, a le tri kovalentne vezi s sosedi. Podobno kakor v grafitu je četrti elektron delokaliziran, zato lahko material prevaja elektriko. Gibljivost elektronov (nosilcev negativnega naboja) je v grafenu celo večja kot v večini kovin, za povrh so enako gibljive tudi vrzeli (nosilci pozitivnega naboja), saj je čisti grafen polprevodnik brez prepovedanega pasu (zero band gap). Če k temu dodamo še visoko upogljivost in trdnost, postane jasno, zakaj od grafena veliko pričakujejo.

Zasloni iz grafena bodo upogljivi.

Britanski raziskovalci z Univerze v Sussexu so letos dosegli pomemben preboj, saj so ugotovili, kako učinkovito kombinirati grafen s srebrovimi nanožicami (nanowire). Srebrne nanožice so v zaslonih že uporabljali, prav tako zamisel o povezavi z grafenom ni nova. So pa prvi dosegli uporabne rezultate. Razlika med znanostjo in inženirstvom je namreč prav to – kako v praksi z zadostno zanesljivostjo udejanjiti eksperimentalne zamisli.

Nanožice so strukture, ki imajo zelo majhen premer (nekaj nanometrov), v dolžino pa so tisoč in večkrat daljše. Posebno ime imajo zato, ker so pri tako majhnih razsežnostih kvantni učinki pomembni in se ne obnašajo več enako, kakor se na primer polkilogramski kos srebra. V nanožicah so namreč elektroni omejeni na energijske stopnje, ki niso enake kakor v večjih kosih kovine, zato so slabše prevodne.

V Sussexu so ugotovili, kako nanesti grafen na srebrne nanožice. Grafen se danes že pripravlja rutinsko. Na vodi plava, ker je lažji. Ta grafen so potem zgrabili z nekakšno gumijasto štampiljko, ki je bila narejena iz polidimetil siloksana, in ga posadili na srebrne nanožice. Rezultat so nanožice, ki so desettisočkrat prevodnejše kakor brez grafena. Obenem grafen varuje srebro in preprečuje, da bi na zraku potemnelo.

Zaslon s takimi elektrodami naj bi bil cenejši, varčnejši, upogljivejši in odpornejši proti šokom, zato ne bi več potreboval steklene zaščite in ne bi pokal. Pa je to res? Kaj še čakamo?

Iz laboratorija

Kup prebojnih izumov se izgubi nekje na poti iz laboratorija v komercialne izdelke. Za nekatere se izkaže, da niso tako revolucionarni v primerjavi z že uveljavljenimi materiali, kakor se je zdelo. Pri drugih nastanejo nepredvidene težave, nekateri se preprosto ne izplačajo, četrti pa komercialno niso zanimivi, ker ni povpraševanja. Grafen je posebej znan po tem visokem odstotku zamrlih zamisli.

Ali bomo grafen našli v modernih zaslonih in na kakšen način, je nemogoče napovedati. V Sussexu so predstavili eno možnost. Južnokorejci so že aprila razvili drugo: izdelali so zaslon OLED z elektrodami iz grafena namesto iz ITO.