הוא דק עד כדי כך שהוא נחשב דו-ממדי – בעובי של אטום אחד. הוא חזק להפליא. ויש לו תכונות חשמליות וקוונטיות ייחודיות. כל אלה הופכים את הגרפן לאחד החומרים המבטיחים ביותר כיום. אין פלא שמפתחיו זכו על כך בפרס נובל
אחת לכמה שבועות נפגשו אנדרה גיים (Geim) וקונסטנטין נובוסלוב (Novoselov) במעבדתם במחלקה לפיזיקה של מצב מוצק באוניברסיטת מנצ'סטר, ל"ניסויי יום שישי" שלא היו קשורים באופן ישיר לעבודתם היומיומית. ערב שבת אחד לקחו השניים חתיכה של גרפיט – החומר שמרכיב את המילוי של עיפרון פשוט, והדביקו עליה רצועה של נייר דבק. אחרי שפתחו וסגרו את נייר הדבק כמה פעמים נותרה עליו שכבה דו-ממדית של גרפיט בעובי של אטום אחד בלבד, הידועה בשם "גרפן".
בשנת 2010, שש שנים בלבד לאחר שבישרו על ההישג בכתב העת Science, זכו השניים בפרס נובל לפיזיקה על התגלית, שכן זו הייתה הפעם הראשונה שמדענים הצליחו ליצור חומר בעל שני ממדים בלבד. איך קרה שניסוי פשוט שנעשה עם עיפרון וסלוטייפ הוביל שני מדענים צעירים לזכייה סנסציונית בפרס נובל? מהו אותו גרפן שהם הצליחו לבודד ואיזה שימושים יכולים להיות לו?
מפגשי יום שישי שהולידו תגלית מפתיעה ופרס נובל. נובוסלוב (מימין) וגיים | צילומים: אתר פרס נובל
תחילתה של מהפכה
גרפן הוא שכבה דו-ממדית של אטומי פחמן – אחד האטומים הנפוצים והחשובים בטבע. בלי הפחמן לא היו לנו דלק, שמן, סוכר, עצים, חלבונים ו-DNA. הסיבה שהוא כל כך משמעותי בטבע היא סידור האלקטרונים שלו, שמאפשר לו להיקשר לאטומים רבים.
לאטום פחמן יש ארבעה אלקטרונים שפנויים ליצור קשרים עם אטומים אחרים. קשר כימי יחיד בין שני אטומים נוצר כשכל אטום תורם אלקטרון אחד ליצירת הקשר. לדוגמה, כאשר פחמן קושר ארבעה אטומי מימן מתקבל הגז מתאן (CH4). אם כל אטום תורם לקשר שני אלקטרונים, נוצר קשר כפול. לדוגמה, פחמן יכול לקשור שני אטומי חמצן בקשרים כפולים ומתקבל פחמן דו-חמצני (CO2).
באופן דומה, אטום פחמן יכול להיקשר גם לאטומים אחרים של פחמן, בדרכים שונות. אם אטומי פחמן יוצרים ביניהם מערך של קשרים יחידים, כך שכל אטום קושר אליו ארבעה אטומי פחמן אחרים, מתקבל יהלום. המבנה התלת-ממדי הייחודי של מערך הקשרים בין אטומי הפחמן שלו הופך את היהלום לאחד החומרים הקשים בעולם.
אטומי פחמן יכולים להיקשר זה לזה גם במערך של קשרים כמעט כפולים שבו כל אטום קושר אליו שלושה אטומי פחמן נוספים, כולם באותו מישור. בצורה הזאת אטומי הפחמן יוצרים יריעה סימטרית המורכבת ממשושים, בדומה ליערת דבש, ומתקבל גרפן. אם לוקחים יריעת גרפן ויוצרים ממנה גליל, מתקבלת צינורית פחמן זערורית (Carbon Nano Tube , או CNT), חומר שזוכה למחקר רב מאוד בעשורים האחרונים בזכות המוליכות החשמלית הטובה, החוזק והשקיפות שלו.
כשעורמים כמה שכבות של גרפן זו על גבי זו מתקבל גרפיט. הקשר בין שכבות הגרפן המרכיבות את הגרפיט חלש מאוד, ועל כן הוא חומר פריך במיוחד. בכך הוא שונה לחלוטין מהיהלום, אף על פי ששני החומרים מורכבים מאותם אטומי פחמן.
בשונה מיהלום וגרפיט, המוכרים לאנושות כבר אלפי שנים, ההיסטוריה של הגרפן קצרה מאוד. מחקרים תיאורטיים ראשונים עליו ראו אור בשנת 1947, אך רק בתור בסיס להבנת חומרים המבוססים עליו, כמו גרפיט וצינוריות פחמן זערוריות. ארבעים שנה מאוחר יותר החלו להצטבר רמזים לכך שהתכונות האלקטרומגנטיות של הגרפן מצייתות לחוקי מכניקת הקוונטים, אך באותן שנים היה מקובל לחשוב שגרפן הוא חומר "אקדמי" בלבד. יתר על כן, מדענים מסוימים (בהם הפיזיקאי היהודי לייב לנדאו) טענו שגבישים דו-ממדיים פשוט אינם יציבים מספיק. על כן, כאשר גיים ונובוסלוב הצליחו לבודד לראשונה גרפן בשנת 2004, זו הייתה תחילתה של מהפכה.
החומר נחשב תחילה רק בסיס למבנים אחרים כמו צינוריות פחמן זעירות. הגליל בתמונה מכיל מיליוני צינוריות כאלה | צילום: Science Photo Library
תכונות ייחודיות
תהילת העולם שלה זכו גיים ונובוסלוב, והמפץ האדיר בכמות המחקרים שעוסקים בגרפן, לא נבעו מעצם היכולת לבודד גרפן, אלא מהתכונות הפיזיקליות הייחודיות שלו. למשל, בתנאים רגילים הגרפן מוליך חשמל לא פחות טוב מנחושת או מזהב, אך שינוי מבני קל של הגרפן גורם לכך שכאשר משנים את המתח החשמלי שמפעילים עליו הוא יכול לשמש כמעין מוליך למחצה, כלומר במתחים מסויימים הוא יכול להפוך ממוליך לחומר מבודד. התכונה הזו שימושית במיוחד בתעשיית האלקטרוניקה המודרנית, המתבססת על מוליכים למחצה לצורך שמירת זיכרון וביצוע פעולות חישוביות.
מה שמפתיע עוד יותר הוא קיומן של תופעות קוונטיות ייחודיות בגרפן, שבדרך כלל קיימות בעיקר בחלקיקים תת-אטומיים. למשל אחת המשוואות הבסיסיות במכניקת הקוונטים היא משוואת שרדינגר, שמסבירה את תנועת האלקטרונים סביב גרעין האטום. אולם כדי להסביר את התנהגות האלקטרונים בגרפן משוואת שרדינגר לא עוזרת, אלא צריך להשתמש בתיקון היחסותי שלה- משוואת דיראק, בגרסה המניחה שלאלקטרונים אין מסה. כך נוצרת הקבלה מפתיעה בין התכונות הפיזיקליות של חלקיקים תת-אטומיים זעירים לבין גרפן, למרות הבדלי הגודל האדירים ביניהם.
בנוסף, גרפן הוא חומר חזק במיוחד יחסית לעוביו, כמעט פי מאה מיריעת פלדה בעובי דומה, אילו הייתה כזו. לשם המחשה, אם ניצור ערסל מיריעה דו-ממדית של גרפן, הוא יוכל להחזיק חתול במשקל של ארבעה ק"ג, אף על פי שמשקלה היריעה יהיה מיליגרם אחד בלבד. ערסל דומה מפלדה יהיה כבד יותר ויקרוס ממשקל החתול.
לתכונות הללו יש להוסיף את העובדה שהגרפן שקוף כמעט לחלוטין. השילוב הזה של חוזק יוצא דופן עם מוליכות מעולה ושקיפות פותח צוהר לשלל יישומים אפשריים, כיד הדמיון הטובה.
שלל יישומים אפשריים, בין השאר בזכות מוליכות חשמלית ותכונות קוונטיות. טרנזיסטור על בסיס גרפן | צילום: Science Photo Library
ייצור יעיל
אחד האתגרים העומדים בפני הפיכת גרפן לחומר נגיש לתעשייה, הוא ייצור מסחרי שלו בניצולת גבוהה. הגישה המרכזית לייצור גרפן מתבססת על פירוק גרפיט לשכבות בשיטות שונות, תהליך ארוך שהניצולת שלו נמוכה. קבוצת חוקרים מהמחלקה להנדסה כימית באוניברסיטת בן גוריון בראשות אורן רגב, דיווחה בעת האחרונה כי הצליחה לבודד גרפן מגרפיט ביעילות של למעלה מ-90 אחוזים תוך פחות משעתיים. כדי להגיע ליעילות זו, החוקרים הכניסו פתיתי גרפיט למטחנת מבוססת כדורים (ball mill), בנוכחות חומרים אחרים כמו מלח. המלח מנע היווצרות של יריעות פחמן לא מסודרות, ואיפשר לחוקרים בהמשך התהליך לבודד יריעות גרפן משאר החומרים בניצולת גבוהה ביותר.
ממסכים גמישים ועד מטוסים ורכבות
אחד השימושים של גרפן שהודגמו לאחרונה הוא יצירת מסך מגע גמיש המבוסס על גרפן. בזכות המוליכות הטובה שלו, השקיפות והגמישות הצליחה חברה סינית לייצר טלפון חכם שאפשר פשוט ללבוש על היד. המכשיר אינו מוצע עדיין למכירה, אך הוצג בשנה שעברה בתערוכה מסחרית, ולדברי חוקרים מסוימים עלויות הייצור של מסכי מגע מבוססי גרפן אמורות להיות נמוכות באופן משמעותי ממסכי המגע הקיימים.
את החוזק, הגמישות והמשקל הקל של הגרפן אפשר לנצל לייצור חומרים שמשלבים אותו עם מתכות וחומרים נוספים די ליצור מרכיבים קלים וחזקים לתעשיית החלל ותעופה למשל. ביולי 2016 נחתם חוזה בין אוניברסיטת מנצ'סטר למכון לחומרים אווירונאוטיים בבייג'ינג, בהשקעה כוללת של שלושה מיליון אירו, לפיתוח כלי תעופה ורכבות ה על בסיס גרפן.
זה רק קצה הקרחון של היישומים האפשריים של הגרפן. עליהם אפשר להוסיף פיתוח של חיישני גז רגישים במיוחד לזיהוי ריכוזים נמוכים של מזהמים באטמוספרה, כלי מדויק וזול לריצוף DNA, חולצות חכמות, מערכות לטיהור והתפלה של מים, סוללות ועוד.
נכון להיום מעטים היישומים שכבר הגיעו למכירה בשוק. אולם, מדענים רבים וחברות מסחריות משקיעים כסף רב כדי להבין טוב יותר את תכונות הגרפן, במטרה ולמצוא לו שימושים מול האתגרים הרבים שעומדים בפני האנושות.
הגרפן הוליד גם יצירה ספרותית מקורית, בדמות השיר "העולם מתעורר" שכתב לם סיסאי (Sissay) לכבוד תערוכת גרפן שהתקיימה במוזיאון למדע ותעשייה במנצ'סטר. השיר מסכם יפה את האפשריות הבלתי נדלות שנולדו עקב גילוי החומר הייחודי:
Make cities float. Ride solo in the sky.
Click the browser from a lens in the eye.
The future is as wide as dreams are high.
March an elephant through a needle’s eye.
ובתרגום לעברית:
לגרום לערים לרחף, לטוס סולו בשמיים.
ללחוץ על הדפדפן מעדשה בתוך העין.
העתיד רחב כחלומות מרקיעים אפיים.
להצעיד בקוף של מחט פיל-פיליִים.
