מזה מספר שנים, גרפן הוא אחד הנושאים ה"חמים" בתחומים מדעיים רבים, ורבים תולים בו תקוות להיות הבסיס לדור חדש של טכנולוגיות. אנו ננסה להסביר מעט על חומר מופלא זה, ועל הייחודיות הרבה שלו.

בפשטות, גרפן [1] הוא שכבה דו מימדית של אטומי פחמן, כלומר שכבה בעובי של אטום בודד (מעין דף מאוד דק), של אטומי פחמן.

מה הופך גרפן לכל כך מיוחד?
כפי שנסביר מיד, חומרים מוצקים דו ממדיים, וגרפן בפרט, כלל לא אמורים להתקיים בטבע. ההוכחה לכך, שהפכה לאחד המשפטים היסודיים בפיזיקה של מצב מוצק, נוסחה על ידי דיוויד מרמין והרברט וגנר [2], שהצליחו להוכיח שלא ניתן ליצור סדר ארוך טווח באטומים, בממד קטן מ-3. במילים פשוטות, מבנים אטומיים בממד אחד או שניים הם לא מסודרים. בלי סדר אין גביש (מבנה מחזורי מסודר) - ואין חומרים מוצקים יציבים. לכן, לא אמורים להתקיים בכלל חומרים דו ממדיים.

אז איך בכל זאת יש גרפן?
הטריק הוא "לרמות" את הטבע (טוב, לא באמת). פחמן הוא חומר טטרה-וולנטי, או במילים פשוטות, יש לו אפשרות ליצור 4 קשרים כימיים עם אטומים אחרים. בטבע, פחמן מתקיים לרוב כגרפיט, שהוא שכבות חזקות, המחוברות ביניהן בקשרים חלשים. שלושה מארבעת הקשרים הם במישור אחד, והם מאוד חזקים, והרביעי ניצב אליהם, והוא חלש יותר. לכן, אם היינו יכולים פשוט למשוך בעדינות שכבות דו מימדיות של פחמן ממבנה זה, היינו יכולים לייצר גרפן. למעשה, חלקכם כבר עשו את זה בעבר, ורק לא משכו שכבה אחת בלבד. כל מי שאי פעם השתמש בעפרון השתמש בתכונה הזאת של גרפיט: תהליך הכתיבה עם העיפרון הוא פשוט חיכוך של הגרפיט בדף וכתוצאה מכך הפרדה של שכבות גרפיט מהגוש הגדול שהוא הליבה של העיפרון. לייצר גושי גרפיט קטנים מגוש גרפיט גדול זה קל, אבל אנחנו רוצים שכבה אחת בלבד - אנחנו רוצים גרפן.
זה לקח המון זמן, עד שבסוף שנות התשעים [3] שני פיזיקאים סובייטים בשם אנדרה גיים וקונסטנטין נובוסלב, הצליחו לעשות זאת בעזרת נייר דבק: כל שהם עשו היה להניח גוש של גרפיט בין שני ניירות דבק, והפרידו ביניהם. הם חזרו על התהליך עד שקיבלו שכבות בעובי של אטום בודד. הם זכו בפרס נובל על התגלית המדהימה והפשוטה הזו.

נחזור לגרפן: מה הופך אותו לכל כך מעניין?
היחס ה"רגיל" בין תנע לאנרגיה קינטית [4] הוא E=m*V^2/2=p^2/2m כלומר, האנרגיה הקינטית שווה למסה כפול המהירות בריבוע חלקי 2, או לתנע בריבוע חלקי פעמיים המסה.
בגרפן, בגלל התכונות הכימיות המעניינות שלו, לאלקטרונים יש תכונה יוצאת דופן [5]: באנרגיות נמוכות הם מתנהגים כאילו הם חסרי מסה, והאנרגיה שלהם עולה ביחס ישר למהירות E= C*p, במקום להיות ביחס ישר למהירות בריבוע (C הוא קבוע כלשהו). התנהגות זו מתאימה דווקא לחלקיקים בעלי אנרגיות מאוד מאוד גבוהות, עד כדי כך שאפקטים יחסותיים אמורים להיות משמעותיים עבורם. זאת, למרות שהם בעצם נעים במהירות נמוכה בהשוואה לחלקיקים יחסותיים "רגילים" שנעים קרוב למהירות האור. זה לא דבר של מה בכך. מעבר לזה שזו תוצאה ממש (אבל ממש) מעניינת, זה מאפשר לנו לחקור אלקטרונים יחסותיים שנעים במהירות נמוכה.

לתוצאה זו, יש בנוסף השלכות רבות על כל התכונות של גרפן. למשל, אם שמים מתח סופי על גרפן, נפלטת ממנו כמות אור אדירה [6]. לגרפן יש גם תכונות בליעת אור מיוחדות, ובין השאר, הוא כמעט שקוף.
בלי קשר (האמת היא שיש קשר, אבל הוא מסובך) גרפן הוא מאוד חזק, מוליך בצורה מאוד יוצאת דופן, ומאוד גמיש [7]. חוקרים רבים מאמינים שתכונות אלו יאפשרו לגרפן להיות הבסיס של טכנולוגיות העתיד: מסכי מגע, מסכים אחרים ורכיבים אלקטרונים יעילים יותר מכל מה שהכרנו בעבר.
התכונות המיוחדות של גרפן הביאו גם לכמה תוצאות מאוד אקזוטיות. עליהן נרחיב במאמרים עתידיים. למשל, אפשר לייצר בגרפן ערורים (ערור הוא הרחבה של מושג החלקיק) יוצאי דופן בעלי מטען לא שלם, בניגוד לאלקטרונים (מינוס 1) או פרוטונים (פלוס 1), ואפשר להפוך גרפן למבודד טופולוגי [8] (פרס הנובל האחרון בפיזיקה).
תוצאות אלו, ועוד רבות אחרות, הופכות את הגרפן לבסיס לחזון העתידי של טכנולוגיות רבות, ומסעירות את דמיונם של מדענים רבים.

מקורות

1. Graphene - What Is It?
2. Wikipedia - Mermin–Wagner theorem
3. Graphene – the perfect atomic lattice
4. Kinetic Energy
5. Band structure of graphene, massless Dirac fermions as low-energy quasiparticles, Berry phase, and all that
6. Efficient plasmonic emission by the quantum Čerenkov effect from hot carriers in graphene
7. Graphene
8. פרס נובל לפיזיקה לשנת 2016