Grafen rozzářil nejtenčí žárovku na světě  
Použití vlákna z grafenu vedlo k technologickému průlomu a výrobě první žárovky v historii, kterou lze zabudovat do mikročipu. Edison by měl jistě radost.

 

Grafenová žárovka. Kredit: Young Duck Kim / Columbia Engineering
Grafenová žárovka. Kredit: Young Duck Kim / Columbia Engineering

Zdálo by se, že grafen už toho předvedl tolik, že nás nemůže překvapit. Ale chyba lávky. Nanotechnologové totiž z grafenu vyrobili zdroj viditelného světla – úplně nejtenčí žárovku na světě. Takovou žárovku lze jako zdroj širokopásmového světelného záření zabudovat do mikročipu a vyvinout třeba extrémně tenké, ohebné a průhledné displeje nebo pokročilá optoelektronická zařízení pro optickou komunikaci.

Young Duck Kim vlevo. Kredit: Columbia Engineering.
Young Duck Kim vlevo. Kredit: Columbia Engineering.

Vývoj grafenové mikrožárovky vedl Young Duck Kim z techniky Kolumbijské univerzity a jihokorejské Národní univerzity Soulu. Jeho tým postavil a úspěšně předvedl první žárovku na čipu, jejímž vláknem je proužek grafenu, jako obvykle o tloušťce jediného atomu. Výzkum Kima a spol. před pár dny zveřejnil na svém webu časopis Nature Nanotechnology.

Vytvoření miniaturních zdrojů světla na mikročipech je nezbytným krokem k vývoji integrovaných fotonických obvodů, které by dělaly se světlem to samé, co dnes dělají integrované polovodičové obvody s elektrickým proudem. Vědci se o to snaží už delší dobu, stále ale naráželi na jeden nepříjemný problém. Zatím se nikomu nepovedlo vytvořit ten úplně nejstarší a nejjednodušší umělý zdroj světla, totiž žárovku se žhnoucím vláknem, kterou by bylo možné zabudovat do mikročipu.

Záře grafenové mikrožárovky v měřítku milimetrů (vlevo) a mikrometrů (vpravo). Kredit: Young Duck Kim / Columbia Engineering
Záře grafenové mikrožárovky v měřítku milimetrů (vlevo) a mikrometrů (vpravo). Kredit: Young Duck Kim / Columbia Engineering

Ne že by vědci nebyli dost šikovní, to jistě ne. Jde o to, že žárovky vyzařují viditelné světlo, až když je jejich vlákno rozžhaví na několik tisíc stupňů Celsia. A když se klasické kovové vlákno žárovky zmenší tak, aby se žárovka vešla na mikročip, tak kovové mikrovodiče takové teploty neustojí a roztaví se. A nejde jen o samotné vlákno žárovky. V rozměrech mikročipu je přenos tepla extrémně účinný, takže teplo vydávané mikrožárovkou s kovovým vláknem spolehlivě zdevastuje její okolí. S grafenem je to ale úplně jiné.

Žárovka z makrosvěta TESCO. Kredit: Jakub Kolář / Wikimedia Commons.
Žárovka z makrosvěta TESCO. Kredit: Jakub Kolář / Wikimedia Commons.

Kim a jeho spolupracovníci vytvořili mikroproužky grafenu, které zavěsili mezi kovové elektrody nad substrátem z křemíku a pak do nich pustili elektrický proud. Grafen se rozžhavil na zhruba 2 500 stupňů Celsia a začal vyzařovat viditelné světlo. Vlastně zářil tak úžasně jasně, že navzdory nepatrným rozměrům bylo světlo mikrožárovky zřetelně viditelné pouhým okem, bez jakéhokoliv zvětšení. Aby toho nebylo málo, grafen je průhledný, což umožňuje upravovat spektrum vyzařovaného světla přibližováním či oddalováním grafenového vlákna vzhledem k substrátu. Část záření se totiž odrazí od křemíkového substrátu, projde grafenem a interferuje s přímo vyzařovaným zářením.

Grafen ustojí žár 2 500 °C zcela v pohodě. Mezi obdivuhodné vlastnosti grafenu patří i to, že se při ohřívání dramaticky snižuje jeho ochota vodit teplo. Výsledkem toho je, že žhavení grafenu zůstává omezeno na malou horkou oblast uprostřed grafenového vlákna mikrožárovky. Při svícení této žárovky nedochází ani tavení vlákna, ani k tavení v okolí žárovky na mikročipu. 

Autoři grafenové zárovky trefně poznamenávají, že jejich výtvor vlastně uzavírá kruh ve vývoji žárovek se žhnoucím vláknem. Objevitel žárovky Thomas Alva Edison totiž původně použil vlákna z uhlíku. Teď se uhlík vrací opět na scénu, i když je to v moderní podobě zcela čistého a v jedné vrstvě atomů uspořádaného grafenu.



Bright visible light emission in graphene. Kredit: Columbia Engineering.


Literatura
Columbia University School of Engineering and Applied Science 15. 6. 2015, Nature Nanotechnology online 15. 6. 2015.

Datum: 21.06.2015
Tisk článku

Anatomie 3 - Čihák Radomír
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 1949 Kč
cena: 1657 Kč
Anatomie 3
Čihák Radomír
Související články:

DNA jako šablona pro součástky grafenové elektroniky     Autor: Stanislav Mihulka (08.09.2013)
Fosforen nebezpečným sokem grafenu v elektronice     Autor: Stanislav Mihulka (28.01.2014)
Neprůstřelné brnění z grafenu     Autor: Stanislav Mihulka (01.12.2014)
Nová forma uhlíku se jmenuje penta-grafen     Autor: Stanislav Mihulka (10.02.2015)



Diskuze:

trochu off topic

Libor Kiss,2015-06-22 00:24:00

Mňa by celkom zaujímalo, aké to je dotknúť sa prstom jednoatomovej vrstvy grafénu.... :-) Pocítil by som to, alebo nie? Urezalo by mi to prst, keby som šiel kolmo?

Odpovědět


Re: trochu off topic

Roman Horváth,2015-06-22 07:23:08

Tiež sa zvyknem zamýšľať nad otázkami, ktoré bežne ľudia nezvyknú klásť. (Odpovede na niektoré som prekvapivo nachádzal vo vlogoch svetového formátu ako Vsauce alebo SmarterEveryDay a podobných, i keď niekedy až v čase, keď už som tie odpovede poznal, ale aspoň ma to uistilo, že nie som sám, kto sa na také veci pýta… :-)) ) Ale späť k téme.

Voľné prúdenie myšlienok:

Prvá otázka – Ak by rozmer plochy plátka grafénu bol malý, bolo by to zrejme nepocítiteľné… Ako zrnko prachu… Ale ak by plátok mal rozmery v rádoch cm (ak predpokladáme, že taký plátok je technicky možné vyrobiť), tak by bol dotyk určite zaujímavý. Materiál by sa podľa mňa bránil roztrhnutiu. Jeho pevnosť momentálne neviem vypočítať/určiť, ale zrejme je „vysoká“ (čo to presne znamená, ťažko povedať)… Ale(!) bolo by treba zistiť ako by sa materiál správal v smere atómových väzieb. Bol by flexibilný ako tkanina? Alebo by mal skôr tendenciu udržiavať rovnú plochu ako doštička? Vzhľadom na to, ako je neochotný sa „ohýbať“ diamant a grafit, by to bolo možno to druhé. Ale kto vie? Jedna vrstva atómov je jedna vrstva atómov… Možno by sa to krútilo, možno by sa to lámalo a drolilo. V závislosti od presných informácií o pevnosti a správaní sa materiálu by sa dalo lepšie odhadnúť, či by pocit bol podobný ako pri dotýkaní sa pavučiny alebo skôr nejakej hodvábnej tkaniny alebo krehkého tenkého skla…

Druhá otázka – predpokladám, že by to dokázalo slušne porezať, keby bol materiál (opäť v „gigantických“ rozmeroch v rádoch cm :-)) ) dobre upevnený. Kedysi na škole sme sa učili o tom ako fungujú rezné hrany. Prednášajúci nám vysvetľoval niečo teoretické, kde spomínal akýsi „gradient“, ale už si nepamätám gradient čoho to bol. Viem len, že mi to pred tými 15 rokmi dávalo zmysel. Ak by materiál nebol upevnený, opäť by záležalo od toho, ako by sa správal… Ak by mal tendenciu držať sa v jednej rovine, asi by rezal a zarezával sa aj bez upevnenia (dúfam, že by sa nesprával ako sklená vata – fuj). Ak by sa krútil, asi by bez upevnenia nerezal…

(Kto vie, či by sa tu nenašiel niekto, kto má osobnú skúsenosť s týmto materiálom…)

Vďaka za podnet na zamyslenie sa. :-))

Odpovědět


ohne se to jako tenký papírek

Josef Hrncirik,2015-06-22 08:41:03

Asi se musí vytvořit gradient smykového napětí, aby to řezalo či propichovalo či stříhalo. Musí to tedy být upnuto nakrátko v makroopoře. I diamantový vlas či folie se ohne jako skleněný či ocelový. Je to jen otázka tloušťky.

Odpovědět


Re: trochu off topic

Martin Plec,2015-06-22 11:41:49

V nějaké videu o grafenu říkali, že jeden atom tlustá hamaka (zavěšená síť) by byla schopná unést mimino. Takže i když by byla neviditelná, tlak grafenové tkaniny by byl znatelný. Z toho důvodu lze soudit, že grafenový drát by uřízl ruku jako nic. A grafenová tkanina by se při nerovnoměrném zatížení nebo protržení v některých místech srolovala a chovala jako ten drát.

Odpovědět


Re: Re: trochu off topic

Milan V,2015-06-22 11:57:57

Legrační nápad, co dát 2 vrstvy grafenu pro zlepšení pevnosti... nebo 10...
Ale o grafitovém lůžku jsem nikdy neslyšel :-/

Jak tlustý může být grafit, aby se při ohnutí nezlomil? 1 vrstva, 2, 3?

Odpovědět


Re: Re: trochu off topic

Tomas Habala,2015-06-25 00:47:05

To grafenové vlákno by oddeľovalo urezané časti len o jeden atóm. Je dosť možné, že hneď po prechode vlákna by atómy zas nadväzovali pôvodné spojenia, takže materiál by sa spätne sceľoval.

Odpovědět


Re: trochu off topic

Milan V,2015-06-22 11:52:52

Kontrolujte mě...
1. Pevnost uhlíkových vláken je asi 2GPa, velikost atomu řekněme 0.3nm, dáme pásek široký 1mm.
Pevnost v tahu bude přibližně 2e9 * 0.3e-9 * 1e-3 = 0.6e-3 N, tedy váha asi 0.06 gramu.
To by mělo jít nahmatat celkem snadno.

2. Jak píše kolega, hrana se ohne jako když se chcete říznout kouskem látky. Myslím, že bude pružit tak, že nevyvolá soustředěný tlak. Ale prst za to nedám ;-)

Odpovědět

Do fotonických čipů to asi nebude

Pavel Hudecek,2015-06-21 20:37:34

Od nich se očekává, že budou rychlejší než klasika. Žárovka je z principu pomalá.

Ale jinak je to zajímavý nápad a pokud se vláko po krátké době nerozpráší, třeba se nějaké využití najde.

Odpovědět

nutně to má účinnost vyzařování menší než klasické tepelné koule

Josef Hrncirik,2015-06-21 17:46:24

a vlákno se a)zoxiduje i vlhkostí a dusíkem b)postupně vysublimuje neb je velmi tenké. Jde o pouze dočasně odloženou sublimaci v ideálním uspořádání pro molekulární destilaci. Má to ani ne 10% účinnost LED a je to širokospektrální a nekoherentní. Myslím, že interference i filtr z toho nemůže udělat něco jako laser. Jde vlastně taky o završení obloukovky a pojistky i roznětky.

Odpovědět


Re: nutně to má účinnost vyzařování menší než klasické tepelné koule

Milan V,2015-06-21 19:19:54

Já bych nad tím hůl nelámal.
Jistě to bude ve vakuu nebo argonu apod. Naopak je docela možné, že když už to vydrželo svítit sekundu (vydrželo?), tak to vydrží napořád.

Před pár lety proběhla zpráva o superúčinné žárovce. Na povrchu měla dutinky menší než 800nm, takže uvnitř dutinek nemohlo vznikat záření větších vlnových délek. Infra se tedy generovalo jen na povrchu, zatímco viditelné i uvnitř dutinek a vycházelo ven, bylo ho tedy více než obvykle.
Od té doby se nad tím zavřela voda, možná je to blbost. Ale zřejmě tady se pokoušejí o něco podobného.

Odpovědět


Wiennův posuvový zákon

Josef Hrncirik,2015-06-21 21:50:53

určí spektrální složení světla

Odpovědět

ekonomika

Milan K,2015-06-21 13:31:49

Super zpráva. Teď už jen zbývá vymyslet, jak tomu "optimalizovat" životnost :-D

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni
















Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace