Denník N

Najtenšia žiarovka sveta z grafénu

Vedci vyvinuli materiál na báze grafénu, ktorý predstavuje najtenšiu žiarovku na svete a zároveň riešenie pre mikročipy.

Poobzerajte sa okolo seba. Za ostatných niekoľko rokov sa zmenšili USB kľúče, stenčili notebooky a mobily. Zariadenie, ktoré nám poslúži ako miniatúrny počítač, už môžeme nosiť aj namiesto hodiniek. Žijeme totiž v dobe miniaturizácie.

Technológie umožnili, že väčšinu zariadení dokážeme zmenšiť natoľko, že sa zmestia na malý počítačový čip bez toho, aby utrpela ich funkčnosť. Nebolo to však možné pre žiarovku – na to, aby sa jej vlákno rozsvietilo a vyžarovalo svetlo vo viditeľnej oblasti, sa musí zahriať na 1000 °C. Taká vysoká teplota by roztavila alebo aspoň poškodila nosný čip.

Univerzálny grafén

S riešením dlhoročného problému prišiel tím vedcov na čele s Youngom Duckom Kimom z Columbia Engineering. Pripevnili malé pásy grafénu na kovové elektródy a celý takýto systém zavesili nad kremíkovú podložku (substrát). Keď do systému vyslali elektrický prúd, grafén sa zahrial na na teplotu dostatočnú na to, aby začal emitovať svetlo.

Grafén je planárna (plochá) dvojrozmerná štruktúra, ktorú tvoria atómy uhlíka. Sú usporiadané do šesťuholníkových štruktúr podobných včelím plástom. Grafén je miliónkrát tenší než papier, silnejší než diamant a vodivejší než meď.

„Vlastne sme vytvorili najtenšiu žiarovku na svete,“ vysvetľuje James Hone, jeden z autorov štúdie, v časopise Nature Nanotechnology. „Tento nový typ širokospektrálneho svetelného emitera môže byť integrovaný do čipov a vydláždi cestu k realizácii tenkých, flexibilných a priehľadných displejov.“

Young Duck Kim a Prof. James Hone vo svojom laboratóriu. FOTO - http://engineering.columbia.edu
Young Duck Kim a Prof. James Hone vo svojom laboratóriu. FOTO – http://engineering.columbia.edu
„Vlastne sme vytvorili najtenšiu žiarovku na svete.“ Prof. James Hone

Keď sa takto pripravený grafénový materiál zahrial na 2500 °C, vyžaroval dostatok svetla na to, aby ho bolo možné zachytiť voľným okom. „Viditeľné svetlo z vrstvy grafénu s hrúbkou atómu je natoľko intenzívne, že ho vidieť voľným okom bez akejkoľvek potreby zväčšenia,“ hovorí Young Duck Kim, hlavný autor štúdie, v tlačovej správe.

Spektrum vyžarovaného svetla malo dokonca väčšiu intenzitu pri špecifických vlnových dĺžkach. Vedci zistili, že je to spôsobené odrazom svetla od podložky a prechodom cez transparentný grafén. Tým dochádza ku skladaniu (interferencii) vĺn a ich zosilneniu (alebo zoslabeniu) pri určitých vlnových dĺžkach.

Táto vlastnosť umožňuje vedcom nastaviť a upravovať spektrum vyžarovaného svetla jednoducho pomocou zmeny vzdialenosti grafénových pásikov od podložky.

grafen
Ilustrácia grafénu prichyteného na kovových elekródach, cez ktoré preteká elektrický prúd. Grafén sa zahrieva a vyžaruje svetlo (plná šípka), ktoré sa následne odráža od podkladu z kremíka (prerušovaná šípka) a prechádza aj cez samotný grafén, kde dochádza ku skladaniu (interferencii) s vyžarovaným svetlom (červené body). FOTO – Nature.com

Tajomstvo tepelnej vodivosti

Ako je však možné, že grafén zahriaty na 2500 °C neroztaví čip, zatiaľ čo bežná žiarovka s „iba“ 1000 °C áno? Tajomstvo spočíva v jeho tepelnej vodivosti. Čím je totiž grafén teplejší, tým horšie vedie a odovzdáva teplo svojmu okoliu.

V praxi to znamená, že vysoké teploty zostávajú na grafénovom čipe koncentrované len v jednom bode. To – okrem ochrany pred roztavením – predstavuje aj zvýšenie intenzity vyžarovaného svetla. Časť tepla sa odvádza aj do samotnej kremíkovej podložky, nad ktorou je grafén umiestnený.

„Iba začíname snívať o nových spôsoboch využitia týchto štruktúr. Napríklad vytvorenie mikrohorúcich platní, ktoré by sa zahriali na tisíce stupňov v priebehu zlomkov sekundy a dali by sa použiť na štúdium chemických reakcií,“ vraví Hone.

Technológiu je už teraz možné použiť na výrobu priehľadných svetiel, ktoré možno pripevniť na stenu či sklo. Onedlho by sa mohla použiť na úpravu čipov v smartfónoch a počítačoch. Ak by takto inovované čipy dokázali spracovať informácie prostredníctvom svetla, pracovali by rýchlejšie a potrebovali by menej energie.

Dostupné z doi:10.1038/nnano.2015.118.

🗳️ Ak chcete podporiť našu prácu pred druhým kolom volieb aj nad rámec predplatného, môžete to urobiť aj darom.🗳️

Máte pripomienku alebo ste našli chybu? Prosíme, napíšte na [email protected].

Veda

Teraz najčítanejšie