Συνηθίζουμε να λέμε ότι η διάδοση του πολιτισμού βασίστηκε πρώτιστα στο θαυματουργό υλικό που λέγεται χαρτί, αλλά λίγοι σκεφτόμαστε πόσα οφείλουμε στο ταπεινό μας μολύβι. Η μαγευτική ιδιότητα της μύτης του – του γραφίτη – ξεδιπλωνόταν μπροστά στα παιδικά μας μάτια, κυρίως όταν πλαγιάζαμε το μολύβι και γεμίζαμε τις ζωγραφιές μας με στρώματα γκρίζου. Το κατόρθωνε αυτό ο γραφίτης γιατί αυτή η ιδιόμορφη δομή του ταπεινού άνθρακα ξεφλουδίζεται σαν… βρασμένο κρεμμύδι.
Λίγοι το θυμόμαστε πια, αλλά δεν το ξέχασαν όλοι: από το 2001 ο καθηγητής Φυσικής του αμερικανικού Πανεπιστημίου Georgia Tech Βαλτ ντε Χέερ (Walt de Heer) ξεκίνησε να ψάχνει τη δυνατότητα χρήσης του γραφίτη σε ηλεκτρονικά κυκλώματα. Συγκεκριμένα πειραματίστηκε με τις πολύ λεπτές «φλούδες» που απαρτίζουν τον γραφίτη, που αργότερα ονομάστηκαν «γραφίνες» (graphene: γραφίνη ή γραφένιο). Υποψιαζόταν ότι η λεπτότατη γραφίνη θα μπορούσε να υποκαταστήσει το πυρίτιο σε νανο-κυκλώματα που θα χειρίζονταν τα ηλεκτρόνια ως κύματα – κάτι ανάλογο με τη χρήση του φωτός στα φωτονικά κυκλώματα. Ο λόγος που τον ώθησε σε αυτό ήταν ότι η γραφίνη έχει τη δομή του φημισμένου νανο-σωλήνα από άνθρακα: μοιάζει με συρματόπλεγμα. «Οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι απλά γραφίνη σε κυλινδρική μορφή» δήλωσε σε συνέντευξή του ο Ντε Χέερ. «Χρησιμοποιώντας λεπτές λωρίδες γραφίνης μπορούμε να έχουμε όλες τις ιδιότητες των νανοσωλήνων, γιατί αυτές οφείλονται στη γραφίνη και στη διάταξη των ηλεκτρονίων και όχι στη δομή του νανοσωλήνα καθαυτή».
Λίγο προτού η έρευνα του Ντε Χέερ αποδώσει καρπούς, ένας Ρώσος έκλεψε τη δόξα: ο Κόστια Νοβοσέλοβ παρουσίασε την πλήρη δομή της γραφίνης και τη βάφτισε επίσημα, στις 22 Οκτωβρίου 2004, μέσω των σελίδων του επιστημονικού περιοδικού «Science» (τ. 306, σελ. 666). Οι φλούδες του γραφίτη είναι ένα υλικό δύο διαστάσεων, που δεν απαντάται σε ελεύθερη μορφή στη φύση. Στην πραγματικότητα δεν είναι ένα μόνο υλικό, αλλά οικογένεια ολόκληρη από κρυστάλλους δύο διαστάσεων. Η πιο εκπληκτική τους ιδιότητα είναι ότι τα ηλεκτρόνιά τους κινούνται σε «τεράστιες» αποστάσεις (αποστάσεις υπομικρών) χωρίς περισπασμούς, σαν να αδιαφορούν πλήρως για το περιβάλλον τους (που απέχει μόλις μερικά άνγκστρομ – το ένα δεκάκις χιλιοστό του μικρού – μακριά). Ακόμη και στη μεταφορά του φορτίου των ηλεκτρονίων η γραφίνη διαφέρει: κυβερνιέται από τους νόμους της «εξίσωσης Dirac», μιμούμενη τα σωματίδια με μηδενική αδρανειακή μάζα. Είναι δηλαδή το σκαλοπάτι μας για την εξιχνίαση της κβαντικής δυναμικής.
Τα αμέσως επόμενα δύο χρόνια ο Χέερ και άλλες τρεις ομάδες ερευνητών (από τις ΗΠΑ, την Αγγλία και τη Γερμανία) παρουσίασαν τρανζίστορ κατασκευασμένα με την επεξεργασμένη νέα νανο-μορφή αυτού του τόσο αρχαίου υλικού. Τα κυκλώματα από γραφίνη παρουσίαζαν υψηλή κινητικότητα των ηλεκτρονίων – ως 25.000 τετραγωνικά εκατοστά ανά βολτ ανά δευτερόλεπτο. Αν κατόρθωναν να φτιάξουν δομές ελάχιστης διάστασης, η ταχύτητά τους θα εκτοξευόταν σε απίστευτα ύψη. Το ενδιαφέρον όλων, φυσικών και βιομηχανίας μικροκυκλωμάτων, αυξήθηκε κατακόρυφα και όλοι άρχισαν να αναζητούν τρόπους χειρισμού των φλουδών του γραφίτη. Οι εξαγγελίες για «στροφηλεκτρονική» (spintronics) και «μοριακή ηλεκτρονική» έμοιαζαν να έχουν βρει επιτέλους το τέλειο υλικό για το χτίσιμό τους. Σύντομα όμως οι προσπάθειες έδειχναν να πέφτουν σε αδιέξοδο καθώς κανένας δεν μπορούσε να χειριστεί τη γραφίνη με ακρίβεια. Η ουσία αυτή δεν μπορούσε να λειτουργήσει αυτόνομα και για να μεταβληθεί σε χειρίσιμο υλικό έπρεπε να επικολληθεί σε ένα υπόστρωμα. Η κυψελοειδής διάταξη των ατόμων της (επίπεδα εξάγωνα, όπως στο συρματόπλεγμα) δεν είχε την αντοχή να παραμείνει συνεκτική στη μεταβολή της θερμοκρασίας ή της πίεσης.
Τα τύμπανα της ανακάλυψης
Στις 27 Ιανουαρίου του τρέχοντος έτους, μια εξαιρετική πρόοδος σημειώθηκε: η ομάδα του καθηγητή Πολ Μακ Γιούεν (Paul McEuen), από το αμερικανικό πανεπιστήμιο Cornell, ανακοίνωσε στο περιοδικό «Science» ότι κατασκεύασε μεμβράνη γραφίνης πάχους ενός ατόμου, που συντονίζεται όπως… το τσιτωμένο δέρμα ενός τυμπάνου. Οχι βέβαια χτυπώντας την με ραβδιά, αλλά υποβάλλοντάς την σε τάση ρεύματος ή ρίχνοντάς της ακτίνες λέιζερ. Επιπλέον, ο Μακ Γιούεν διαπίστωσε ότι είχε στα χέρια του έναν ιδιαίτερα ευαίσθητο μετρητή μάζας: ακόμη και μονοατομικό στρώμα μορίων αερίου που περνούσε μέσω της μεμβράνης γραφίνης διπλασίαζε τη μάζα της, άρα και τη συχνότητα ταλάντωσής της.
Ο Μακ Γιούεν δημιούργησε τη μεμβράνη του με τον απλούστερο τρόπο: άπλωσε γραφίτη σε ένα υπόστρωμα, όπως ακριβώς ένα παιδί γραμμοσκιάζει το τετράδιό του. Το ερώτημα λοιπόν παρέμενε: Πώς ελέγχεις με ακρίβεια τις διαστάσεις της μεμβράνης;
Η απάντηση ήλθε την Πέμπτη 1η Μαρτίου, από την ανακοίνωση των Νοβοσέλοβ και Γκέιμ (Andre Geim), του βρετανικού πανεπιστημίου του Μάντσεστερ, στο περιοδικό «Nature». Με τη συνεργασία ερευνητών του γερμανικού ινστιτούτου Max Planck κατόρθωσαν να επικολλήσουν γραφίνη σε δύο ταινίες και να δημιουργήσουν με αυτές ένα απόλυτα λειτουργικό και αξιοποιήσιμο από τη βιομηχανία τρανζίστορ. Το θεαματικό ήταν ότι το κατασκεύασμά τους άντεξε σε όλες τις δοκιμές, χωρίς να διαλυθεί… ως όφειλε. Πώς τα κατάφεραν; Το μυστικό βρισκόταν στο ότι οι ταινίες που έφτιαξαν είχαν ελαφρά κυματοειδή επιφάνεια και όχι απόλυτα επίπεδη, οπότε οι δυνάμεις συγκράτησης των ατόμων ήταν πολύ ισχυρότερες.
Η ουσία είναι ότι έχουμε πλέον το «υφάδι» που ψάχναμε, το λεπτότερο υφάδι που υπάρχει στον πλανήτη (200 στρώματα γραφίνης χρειάζονται για να φτάσουν το πάχος ανθρώπινης τρίχας) και το μόνο που επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να κινούνται αστραπιαία και ανεμπόδιστα, σαν σφαίρες. Η προοπτική για τους υπολογιστές και τις «έξυπνες μικροσυσκευές» είναι προφανής: θα έχουμε μια εντελώς νέα γενιά κυκλωμάτων, με εκπληκτικές ταχύτητες επεξεργασίας δεδομένων και επικοινωνίας. Πότε; Οι ερευνητές του Μάντσεστερ μας πήραν «την μπουκιά απ’ το στόμα»: Γύρω στο 2025, λένε! Αλλά εμείς δεν τους πιστεύουμε. Τώρα που μάθαμε να απλώνουμε το κοτετσόσυρμα θα μείνουμε χωρίς κοτέτσι;
