Čakajoč na grafenski čudež

Letos mineva deset let od odkritja grafena, čudežnega materiala iz ogljika. Napovedi so iz leta v leto smelejše, rezultati pa capljajo daleč zadaj. Kdaj bo grafen vendarle nadomestil silicij?

Ko sem med brskanjem po spletu naletel na nov znanstveni članek o grafenu, me je prešinilo, da ta material letos praznuje deseto obletnico odkritja. Odkrili so ga na manchestrski univerzi in zaradi navadne zgradbe in nenavadnih lastnosti velja za čudežnega. Zelo na kratko: grafen sestavlja ena plast ogljikovih atomov v heksagonalni rešetki. V grafitnem svinčniku je takih plasti več, tu pa le ena. Naredili pa so ga iz grafita kar z lepilnim trakom.

Seznam lastnosti se bere kot pravljica: ima najvišjo električno in toplotno prevodnost, največjo natezno trdnost, je prozoren, zelo lahek in upogljiv, nestrupen in biorazgradljiv. Kaj bi sploh še želeli? Sodeč po napovedih bo uporaben za telesne vsadke, lažja letala, fotovoltaiko, neuničljive kondome, upogljive zaslone in seveda najhitrejše procesorje.

Kaj sploh lahko gre narobe? Nič, toda pravilno vprašanje je, kam sploh lahko gre grafen. Gre za obetaven material, ki je bil v svojem desetletju deležen velikanske pozornosti; bojim se, da neupravičeno. Tudi grafen očitno sledi Gartnerjevemu ciklu razcveta s tremi fazami. Trenutno smo globoko v prvi fazi, za katero je značilno napihovanje pomena tehnologije prek vseh meja in investiranje velikanskih količin denarja. Sledi ji faza razočaranja, ko se izkaže, da tehnologija ni vsemogočna, da je treba pred komercializacijo rešiti številne probleme, zato zanimanje uplahne na najnižjo raven po odkritju. V tretji, zreli fazi začno na trg prihajati izdelki, ki novo tehnologijo dejansko izkoriščajo.

Trdim, da smo pri grafenu v prvi fazi. Lani je Evropska unija v raziskave grafena vložila dobro milijardo evrov sredstev. V finančni industriji najdete celo vzajemne sklade, ki investirajo zgolj v grafen, britanski regulatorji trga pa so lani posvarili pred takimi prevarami. Znanstveni kolegi poznajo slabšalen pojem »grafenska mafija«, kakor označujejo nekatere raziskovalce, ki si branost in financiranje raziskav o grafenu dvigujejo z vzajemnim citiranjem in napihovanjem rezultatov.

Potencialna raba grafena se omenja v vseh vejah tehnike in industrije, čeprav iz zgodovine dobro vemo, da novosti navadno niso takoj uporabne v zelo raznovrstnih panogah. Grafen ima namreč nekaj resnih pomanjkljivosti, o katerih slišimo precej redkeje. Ena izmed glavnih je  prevodnost. Prav ste prebrali, grafen je preveč prevoden. Silicij je polprevodnik in ga dopiramo z elementi skupin III in V periodnega sistema, s čimer ustvarimo plasti p in n, potrebne za njegovo delovanje. Preprostega načina dopiranja grafena še ni. Grafenske tranzistorje so v laboratorijih mukoma že sestavili, a imajo precej drugačne tokovno-napetostne značilnosti od silicijevih, grafenski čipi pa so še znanstvena fantastika. Prebrali boste, da je IBM letos ustvaril čip iz grafena – to je povem običajen silicijev čip z zelo omejenim delovanjem, ki ima nekaj grafena.

To nas vrne v zgodovino. Silicijev tranzistor je neverjetno preizkušen del elektronike, ki je z nami vse od izuma leta 1947 v Bellovih laboratorijih. O njem vemo že vse, premalo pa se  zavedamo, da današnji MOSFETi (kovinsko-oksidni tranzistorji na poljski učinek) s prvimi tranzistorji nimajo skoraj nič skupnega. Še material ni več germanij, temveč silicij! Četudi bo grafenu na koncu uspelo, bodo končni izdelki zelo verjetno povsem drugačni od današnjih.

Silicijev tranzistor je tehnologija, ki je uspešna in je povzročila revolucijo, a imamo tudi vrsto antipodov. Najočitnejši primer je hladna fuzija, ki sicer ni povezana z računalništvom, a jo intenzivno preučujejo že trideset let, pa še vedno niso niti blizu uporabnim rezultatom (tudi z nadzorovano vročo fuzijo ne kaže dosti bolje). Drugi, manj ekstremen primer je gotovo 3D tisk, ki se je lani končno prebil iz znanstvenih člankov na prodajne police za množice. Začetki so sramežljivi in precej manj odločni od pompoznih napovedi še pred štirimi leti, kaj vse bo mogoče natisniti, a se premika. Trenutno je 3D tisk v vmesni točki, ko ne moremo reči, ali bo postal revolucionarna tehnologija ali zgolj zgrešen strel. Iz zgodovine pa ne pozabimo na Teslov sistem za brezžični prenos električne energije, ki je po vzpodbudnem začetku tako spektakularno pogorel, da je Tesla bankrotiral.

Nazaj h grafenu. Nedvomno gre za izjemen material s potencialom, a to še zdaleč ne pomeni, da ga je mogoče enostavno uporabiti za vse navedene namene. Resnično upam, da dočakamo za več velikostnih razredov hitrejše čipe, a pot do tja je dolga in zelo negotova. Znanost o materialih je danes med najpočasneje napredujočimi, čas med odkritjem in komercialno rabo pa se podaljšuje. Tudi po pristanku na Mesecu se je zdelo, da je osvojitev Marsa oddaljena nekaj deset let.

Upam si trditi, da grafen še vsaj deset let ne bo imel pomembnejše vloge. Če nič drugega, se bomo lahko tej napovedi tedaj skupaj smejali.