Γραφένιο: Ούτε με σφαίρες δεν πτοείται

Δεν σταματά να εντυπωσιάζει αυτό το υλικό που ανακαλύφθηκε πριν από μια δεκαετία, φύλλα άνθρακα με πάχος ενός μόλις ατόμου. Οι τελευταίες ιδέες για την αξιοποίηση του γραφενίου είναι κυψέλες καυσίμου που απορροφούν υδρογόνο από τον αέρα, καθώς και αλεξίσφαιρες πανοπλίες που υπερβαίνουν την αντοχή του Kevlar.

H πρώτη από τις δύο νέες μελέτες δημοσιεύεται στο Science και δείχνει ότι το γραφένιο ξεπερνά τις επιδόσεις του ατσαλιού και του Kevlar σε βαλλιστικά τεστ.


Προηγούμενες μελέτες είχαν δείξει ότι το γραφένιο, μια μορφή του άνθρακα στην οποία όλα τα άτομα διατάσσονται στο ίδιο επίπεδο, είναι το πιο ανθεκτικό υλικό που γνωρίζουμε -κάτι που μπορεί να μετρηθεί με τεστ στα οποία το υλικό δέχεται πίεση από ένα διαμαντένιο αμόνι.

Αυτή τη φορά, οι ερευνητές εκτόξευσαν μικροσκοπικά σφαιρίδια από πυρίτιο σε στρώματα γραφενίου, και διαπίστωσαν ότι το υλικό είναι δέκα φορές πιο ανθεκτικό στη διάτρηση σε σχέση με τον χάλυβα.

Το μυστικό είναι ότι η ενέργεια της πρόσκρουσης εξαπλώνεται ακτινωτά στο υλικό με εξαιρετικά μεγάλη ταχύτητα, εμποδίζοντας τη συγκέντρωσή της σε ένα σημείο. Η ενέργεια εξαπλώνεται με την ταχύτητα του ήχου, η οποία φτάνει τα 22 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο σε ένα στερεό υλικό όπως το γραφένιο. Συγκριτικά, η ταχύτητα του ήχου στον αέρα είναι μόλις 322 μέτρα ανά δευτερόλεπτο.

Ο συνδυασμός του γραφενίου με άλλα ελαφρά και ανθεκτικά υλικά θα ήταν «ένα πολύ υποσχόμενο σύστημα θωράκισης» σχολίασε ο Έντουιν Τόμας του Πανεπιστημίου Rice στο Τέξας, μέλος της ερευνητικής ομάδας.

Παραμένει ωστόσο ασαφές αν το γραφένιο μπορεί να παραχθεί σε αρκετά μεγάλες ποσότητες και σε λογικό κόστος. Είναι το βασικό εμπόδιο για πολλές από τις προτεινόμενες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της χρήσης του σε κυψέλες καυσίμου.

Η δεύτερη νέα μελέτη, η οποία δημοσιεύεται στο Nature, δείχνει ότι το γραφένιο είναι περιέργως διαπερατό από τα πρωτόνια, δηλαδή τους πυρήνες ατόμων υδρογόνου.

Οι κυψέλες καυσίμου μετατρέπουν σε ηλεκτρικό ρεύμα τη χημική ενέργεια του υδρογόνου ή άλλων καυσίμων αφαιρώντας τους ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια αυτά ταξιδεύουν ως ρεύμα σε ένα εξωτερικό κύκλωμα, ενώ τα θετικά ιόντα περνούν μέσα από μια μεμβράνη για να φτάσουν στο αρνητικό ηλεκτρόδιο.

Το πρόβλημα με τις σημερινές κυψέλες είναι ότι οι μεμβράνες έχουν μεγάλο πάχος και περιορίζουν τη ροή των θετικών ιόντων, τα οποία είναι πρωτόνια στην περίπτωση του υδρογόνου. Παρά το πάχος τους, όμως, δεν εμποδίζουν απόλυτα τη διαρροή υδρογόνου στο περιβάλλον.

Το γραφένιο θα μπορούσε να λύσει και τα δύο προβλήματα. Προηγούμενες μελέτες είχαν δείξει ότι το υλικό είναι αδιαπέραστο για οποιοδήποτε υγρό και αέριο, ακόμα και για τα μικρά άτομα υδρογόνου. Η νέα μελέτη διαπιστώνει όμως ότι το γραφένιο παραδόξως επιτρέπει τη διέλευση πυρήνων υδρογόνου και μάλιστα μπορεί να φιλτράρει πρωτόνια από το νερό.

Εφόσον η χρήση του γραφενίου αποδειχθεί αποτελεσματική και συμφέρουσα, οι ερευνητές οραματίζονται κυψέλες υδρογόνου που αποσπούν υδρογόνο από τα μόρια του αέρα. Παραδέχονται πάντως ότι αυτό μένει να αποδειχθεί πειραματικά.

Έχουμε πάντως κάθε λόγο να συμμεριζόμαστε την αισιοδοξία τους: επικεφαλής της μελέτης ήταν ο Αντρέ Γκέιμ του Πανεπιστημίου του Μάντσεστερ, ο οποίος μοιράστηκε το Νόμπελ Φυσικής του 2010 για την ανακάλυψη του γραφενίου μαζί με τον συνάδελφό του Κονσταντίν Νοβοσέλοφ.

Επιμέλεια: Βαγγέλης Πρατικάκης
www.in.gr