פרס נובל לפיסיקה לשנת 2010 – הגרפן והרקע לזכייה.

גרפן – הסריג האטומי המושלם מכולם

שכבה דקיקה של פחמן רגיל, בעובי אטום יחיד, עומדת בבסיס פרס הנובל לפיסיקה לשנה זו. שני החוקרים Andre Geim ו- Konstantin Novoselov הראו כי לפחמן בעל צורה שטוחה שכזו ישנן תכונות יוצאות מגדר הרגיל שמקורן בעולם המדהים של פיסיקה קוונטית.

גרפן הוא אחת מהצורות של פחמן. כחומר הוא חדש לחלוטין – לא רק שהוא הדקיק ביותר, הוא גם החזק ביותר. כחומר מוליך חשמל ביצועיו דומים לאלו של המתכת נחושת. כחומר מוליך חום הוא עדיף על כל החומרים הידועים האחרים. הוא כמעט שקוף לחלוטין, אך בד בבד הוא כה דחוס שאפילו הליום, אטום הגז הקטן ביותר, לא מסוגל לעבור דרכו.

כתוצאה מכך, המאמר על אודות הגרפן, שפורסם בכתב-העת היוקרתי Science בחודש אוקטובר 2004, חולל רעש גדול בכל רחבי הקהילייה המדעית בעולם. מצד אחד, התכונות הייחודיות של הגרפן מאפשרות למדענים לבחון את היסודות התיאורטיים של הפיסיקה. מצד שני, צצות עתה מגוון אפשרויות ליישומים מעשיים של החומר, בכללן ההכנה של חומרים חדשים והפיתוח של רכיבי-אלקטרוניקה חדשניים. פחמן, הבסיס לכל צורות החיים על-פני כדור-הארץ, הפתיע אותנו שוב.

עיפרון, נייר ודבק

לא היה אמור להיות דבר קל יותר מאשר לקבל גרפן, החומר הפלאי שמקורו בגרפיט הרגיל המצוי בחודי עפרונות. אולם, הדברים הברורים והפשוטים ביותר לעיתים נסתרים מהעין.

גרפן מורכב מאטומי פחמן המחוברים יחדיו בתבנית של רשת שטוחה – בדומה למבנה חלת-דבש אולם בעלת עובי של אטום יחיד. למעשה, מילימטר אחד של גרפיט מכיל שלושה מיליוני שכבות של גרפן המוערמות אחת ע”ג השנייה. השכבות מחוברות יחדיו באופן רופף ועל-כן ניתן בקלות להפרידן ולשוברן. כל מי שאי-פעם התנסה בכתיבה בעיפרון מכיר את החוויה הזו, וייתכן כי בפעולה זו נותרה על הנייר, למעשה, חד-שכבה של אטומים – גרפן.

זה מה שקרה כאשר שני החוקרים השתמשו בסרט הדבקה בכדי להסיר שכבות דקיקות מגוש גדול יותר של גרפיט באופן שיטתי-מדעי יותר. בתחילה הם קיבלו פתיתי חומר שהכילו שכבות רבות של גרפן, אולם כאשר הם הפעילו את שיטת ההדבקה-קריעה שלהם עשר או עשרים פעמים הפתיתים הלכו ונעשו דקיקים יותר ויותר. השלב הבא של החוקרים היה למצוא את המקטעים הקטנים ביותר של הגרפן מבין השכבות הדקיקות של הגרפיט וצורות פחמן אחרות. כאן צץ במוחם הרעיון המבריק השני: על-מנת שיהיו מסוגלים לראות את הממצאים של עבודתם הקפדנית, החוקרים ממנצ’סטר החליטו לעגן את השכבות שהתקבלו למשטח של תחמוצת צורן – החומר הרגיל המשמש בתעשיית המוליכים למחצה.

כאשר המשטח מונח תחת מיקרוסקופ רגיל ניתן לראות קשת צבעים, בדומה למראה המתקבל כאשר שופכים שמן לתוך מים, ובכך הם הצליחו לקבוע את מספר שכבות הגרפן שבחומר. עובי משטח תחמוצת הצורן, הסתבר בהמשך, היה קריטי לגילוי הגרפן. תחת המיקרוסקופ התגלה כעת מבנהו הברור של הגרפן – חומר גבישי דו-מימדי אמיתי המתקיים בטמפרטורת החדר. גרפן מהווה רשת סדורה מושלמת של אטומי פחמן בעלת שני מימדים בלבד, אורך ורוחב. היחידה הבסיסית של דפוס זה מורכבת משישה אטומי פחמן המחוברים יחדיו באופן כימי. גרפן, כמו צורות ידועות אחרות של פחמן (פולרן וננו-צינורות) מכיל מיליארדי אטומי פחמן הקשורים יחדיו בתבנית של משושה.

ממתין לגילוי

מובן מאליו כי גרפן היה קיים מאז ומתמיד; הגורם המגביל היה היכולת להבחין בו. באופן דומה, צורות טבעיות אחרות של פחמן הופיעו לפני שמדענים צפו בהם בצורה הברורה: קודם ננו-צינורות ולאחר-מכן כדורים חלולים של פחמן – פולרנים (עבורם הוענק פרס הנובל לכימיה לשנת 1996). הגרפן, בהיותו לכוד וחבוי בתוככי הגרפיט, המתין לגילויו (תמונה 2). אף-אחד לא באמת האמין שהדבר אפשרי.

מדענים רבים סברו כי לא ניתן יהיה לבודד חומרים זערוריים שכאלה: הם יימעכו או ייהרסו בטמפרטורת החדר, או אפילו פשוט ייעלמו לחלוטין. למרות קולות אלו, מספר מדענים המשיכו לנסות, חרף העובדה כי ניסיונות קודמים לקבל גרפן טהור נכשלו. בנקודת זמן זו היה ניתן לקבל שכבות בעלות עובי של פחות ממאה אטומים – ואכן, חלק מהם היו כה דקיקים עד כי הם נראו שקופים.

אחת מהדרכים לקבלת גרפן מגרפיט הינה להחדיר חומרים כימיים בינות לשכבות האטומים על-מנת להחליש את הקשר שביניהם לבין השכבות שסביבם. שיטה אחרת היא פשוט לשרוט ולקלף קלות את השכבות של הגרפיט. כמו-כן, ניסו, ובהצלחה, “לשרוף” ולאדות החוצה את הצורן מתוך גבישים של צורן קרבידי. בטמפרטורות גבוהות נותרות שכבות דקיקות של פחמן. שיטות שונות של הצמחה אפיטקסיאלית (epitaxial growth), המשמשות לייצור מגוון חומרים מוליכים-למחצה, הינן השיטות המבטיחות ביותר בייצור גרפן לשימוש בתעשיית האלקטרוניקה. משטחי גרפן ברוחב של 70 ס”מ הינם חומרי הגרפן הגדולים ביותר שנוצרו עד היום.

בעולם של פרדוקסים

החוקרים הצליחו לקבל רק מיקרו-פתיתים של החומר החדש. למרות הגודל הכה קטן שלהם, הם יכלו עכשיו להתחיל ולבחון את שתי התכונות הייחודיות של גרפן, ששתיהן משפיעות על מאפייניו האלקטרוניים.

התכונה הראשונה הינה ההרכב הטהור של הגרפן. הסידור המושלם מקורו בקשר החזק שבין אטומי הפחמן. בה בעת, הקשרים גמישים דיים בכדי לאפשר מתיחה של הרשת עד כדי 20% מגודלה המקורי. הסריג המסודר גם מאפשר לאלקטרונים לנוע לאורכו מרחקים גדולים ללא הפרעות כלשהן (ללא התנגדות חשמלית). במוליכים רגילים, אלקטרונים לרוב “מנתרים” ממקום למקום וצורת העברה זו מחלישה את ביצועיו של החומר כמוליך.

תכונה ייחודית נוספת של גרפן טמונה בעובדה כי האלקטרונים שבו מתנהגים כחלקיקי אור, פוטונים חסרי-מסה, אשר נעים בריק במהירות של 300 מיליוני מטרים בשנייה. באופן דומה למדי, אלקטרונים הנעים בתוככי הגרפן מתנהגים כאילו אין להם כל מסה ונעים קדימה במהירות קבועה של מיליון מטרים לשנייה. תכונות אלו מקדמות את האפשרות לבחון תופעות מסוימות ביתר קלות בקנה-מידה קטן יותר, כלומר – ללא הצורך במאיץ חלקיקים מורכב.

גרפן מאפשר למדענים גם לבחון חלק מהתופעות הקוונטיות היותר מפתיעות שנדונו עד היום רק במונחים תיאורטיים. אחת מהתופעות הללו הינה צורה של Klein tunneling (מנהור קליין) שנוסחה ע”י הפיסיקאי השוודי אוסקר קליין בשנת 1929. תוצא המנהור בפיסיקה קוונטית מתאר כיצד חלקיקים מסוגלים לעיתים לעבור דרך מחסומים שבאופן רגיל לא יצליחו בכך. ככל שהמחסום גדול יותר, הסיכוי שיעברו דרכו חלקיקים קוונטיים הולך וקטן. אולם, כלל זה אינו חל על האלקטרונים הנעים בתוככי גרפן – בנסיבות מסוימות הם נעים קדימה כאילו המחסום כלל לא קיים.

עולמות חלומיים

היישומים המעשיים האפשריים עבור גרפן זכו לתשומת-לב רבה. עד עכשיו, רובם קיימים רק בחזון שלנו, אולם רבים מתוכם נבדקים כבר עתה, גם ע”י שני חתני פרס הנובל בעצמם.

יכולת המוליכות של הגרפן אחראית לעניין רב בחומר זה. המדענים צופים כי טרנזיסטורים מבוססי-גרפן יהיו מהירים יותר באופן משמעותי מאלו המיוצרים כיום ע”י צורן. על-מנת ששבבי מחשב יהפכו למהירים ויעילים אנרגטית יותר, הם חייבים להפוך לזעירים יותר. רעיון השימוש בצורן מגיע כבר עתה לגבולות הגודל שלו, כאשר החומר מפסיק לתפקד כנדרש. סף הגבול עבור גרפן נמוך עוד יותר, כך שרכיבים מבוססי-גרפן יוכלו להיערם בשבב בצורה צפופה ויעילה יותר.

המדענים הגיעו לאבן דרך אחת לפני שנים אחדות כאשר פותח מרכיב מפתח, טרנזיסטור גרפן, שהינו מהיר כמקבילו מבוסס הצורן. ייתכן כי אנו עומדים עכשיו על ספו של מזעור נוסף של רכיבי-האלקטרוניקה שיוביל ליעילות מוגברת במחשבי העתיד. כיום, מחשבי גרפן הם לא יותר מאשר חלום נכסף, למרות שצגי מחשב שקופים, דקיקים כנייר הניתנים לקיפול, מפותחים כבר עכשיו עבור מכשירי-אלקטרוניקה בעתיד הקרוב.

בינתיים אנו יכולים רק לשער מה יהיו חלק מאותם יישומים, מעשיים יותר או פחות, שכולם יחייבו מחקרים נוספים.

מאחר וגרפן הוא שקוף למעשה (עד כמעט 98%) ומסוגל גם להוליך חשמל, הוא אמור להיות מתאים לייצורם של צגי-מגע שקופים, לוחות תאורה ואולי אפילו תאים סולאריים. כמו-כן, ניתן יהיה להשתמש בפלסטיק כרכיבי-אלקטרוניקה אם נוסיף להם אחוז אחד בלבד של גרפן. בדומה לכך, הוספת שיעור קטן של גרפן לפלסטיק מגבירה את העמידות שלו לחום בכ- 30 מעלות צלסיוס תוך הפיכתו גם לקשיח יותר. תכונה זו תוכל להיות מנוצלת עבור הפיתוח של חומרים חדשניים חזקים במיוחד, שיהיו גם דקיקים, גמישים וקלי-משקל. בעתיד, מחומרים חדשניים אלו ניתן יהיה לייצר לוויינים, מטוסים ומכוניות.

המבנה המושלם של הגרפן הופך אותו גם למתאים עבור הייצור של חיישנים רגישים במיוחד שיוכלו לאתר את הרמות הנמוכות ביותר של מזהמים. ניתן יהיה למדוד את הספיחה אפילו של פרודה יחידה.

משחק רציני

רשימת היישומים האפשריים של גרפן ארוכה. הפעילות הקדחתנית שהחלה בעקבות גילויו של החומר גרפן תניב בסופו של דבר תוצאות. אף אחד לא מסוגל לחזות מה יביא עימו העתיד, אפילו לא חתני הפרס לשנה זו. הם הרשו לעצמם להלך אנה ואנה בתוככי מבוך של אפשרויות והיו להם המזל והידע לאחוז בהזדמנויות שצצו לפניהם – כפי שאנו יודעים הזדמנויות מופיעות רק בפני אלו המוכנים לקראתן.

שני חתני הפרס מאמינים כי המחקר אמור להיות כיף. הם עבדו יחדיו במשך תקופה ארוכה. קונסטנטין נובוסלוב (Konstantin Novoselov), בן 36, החל לעבוד בקבוצתו של אנדרה גיים (Andre Geim), בן 51, כתלמיד מחקר בהולנד. לאחר-מכן הוא עבר בעקבות המנחה שלו לבריטניה. שניהם החלו בלימודיהם ובקריירת המחקר שלהם ברוסיה. היום משמשים שניהם כפרופסורים באוניברסיטת מנצ’סטר.

קישורים ומידע נוסף

Websites
A. K. Geim’s Condensed Matter Physics Group, University of Manchester
Kim Group, Columbia University
Scientific American, www.scientificamerican.com, search for “graphene”

Lectures (video)
Geim, A. K. Graphene, Magic of Flat Carbon, Lancaster University, June 2010

Popular scientific articles
Geim, A. K. and Kim, P. (2008) Carbon Wonderland, Scientific American 298(4): 90–97.
Chodos, A. (Ed.) (2009) October 22, 2004: Discovery of Graphene, APS News 18(9):2

Original publication
Novoselov, K. S., Geim, A. K., Morozov, S. V., Jiang, D., Zhang, Y., Dubonos, S.V, Grigorieva, I. V. and Firsov, A. A. (2004) Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films, Science 306(5696): 666–669.