Hiljuti ajakirjas Nature Reviews Materials avaldatud teadusartikkel analüüsib grafeeni kasutamise võimalusi tuleviku "asjade interneti maailmas". Euroopa Liidu suurim teadusprojekt, 1 miljardilise eelarvega kümneaastane tehnoloogiapartnerlus Graphene Flagship, on töötamas selle kallal, et 5G sidevõrk saaks reaalsuseks. Mitmed teaduskeskused ja ettevõtted nagu ka Nokia ja Ericsson on töötamas pikka aega imematerjalina kirjeldatud grafeeni kasutusvõimaluste realiseerumise nimel. Ka Tartu Ülikooli teadlased on partnerlusprogrammi raames loomas vähem kui ruutmillimeetri suurust mobiiltelefoni sensorit, mis hoiatab tulevikus reostunud õhuga keskkonnas viibides selle kandjat.

Aastaks 2020 arvatakse maailmas leiduvat enam kui 12 miljardit netiühendusega seadet: autodest kohvimasinateni. Uue põlvkonna andmeedastus toimub suuresti juba fotoonika (senise elektroonika asemel) abil ehk valgusega ning grafeen on siinjuures üheks võtmematerjaliks. Grafeeni abiga on võimalik viia meie seadmed 5G võrgu kasutamiseks vajalike nõudmisteni, võimaldades ülikiiret infoedastust ja vähendades samal ajal energiakulu.

Grafeenisensor. Autor: Lauri Kulpsoo/Tartu ülikool

Tartu teadlaste arendatav grafeeninina

"Grafeen on ühe aatomkihi paksune süsiniku materjal. Teda võib ette kujutada nii, et kui te pliiatsiga tõmbate paberile joone, siis jäävad sinna grafeenilehed," selgitab projektis osalev Raivo Jaaniso, Tartu Ülikooli materjaliteaduse ja rakendusfüüsika vanemteadur.

Süsinik on nimelt ideaalne alusmaterjal erinevate funktsionaalsete molekulide sidumiseks. Need seotud lisamolekulid teevadki tavalisest grafeenikihist tundliku sensori, mis detekteerib õhust mitmesuguseid aineid alates sõidukite heitgaasidest kuni mürgise ammoniaagini välja.

Eestlased edendavad suure 10-aastase rahvusvahelise grafeeniprojekti raames tervise ja keskkonna tööpaketi tegevusi. Kokku osaleb grafeeniprojektis üle saja osapoole ning projekti eesmärgiks ongi uute toodete ja teenuste välja töötamine – grafeen on niivõrd universaalne materjal, et erinevatel kasutusvõimalustel ole piire. Oluliseks eesmärgiks on inimeste elu ja tervist parandada:

"Kõige suurem keskkonnast tingitud terviserisk tuleneb tänapäeval õhu saastatusest. Inimesed oleksid sellest palju teadlikumad ja näeksid õhu kvaliteeti vahetult oma asukohas, kui meie kaasaskantavad nutiseadmed oskaksid õhu kvaliteeti määrata," on Jaaniso elevil.

Grafeeni tulevikuvisioone tutvustav visuaal ajakirja Nature esikaanelt. Autor: Lauren V. Robinson / © Springer Nature Ltd.

5G võrk ja uue põlvkonna nutiseadmed

Paljuräägitud ja kauaoodatud ülikiire 5G mobiilsidestandard võimaldab asustatud aladel andmesidekiirust 100 Mbit/s, mis avab uued võimalused nii kodutarbijale kui tööstusettevõtetele. Mugavalt ja kiirelt kasutatavaks saavad mitmed teenused, mis praegu veel ühenduse kiiruse puudujääkide tõttu üldlevinud ei ole: andmekandjate-vaba kontor (kiire ja hõlpsasti kasutatav pilveteenus), reaalajas töötavad, juhitavad ja jälgitavad koduseadmed ja tööstusautomaatika, isesõitvad autod ja teised tehisintellektide (AI) juhitavad teenused. Smart City ehk nutikas linn on tulevikuvisioon, mille suunas praegu tööd tehakse – ning mille 5G võrgus töötavad üheskoos omavahel suhtlevad ja tehisintellektide poolt juhitavad seadmed.

Sellegipoolest rõhutatakse 5G puhul mitte eeskätt kodukasutaja asjade interneti eeliseid, vaid tööstuse jaoks avanevaid võimalusi: tööstusautomaatika ja jälgimissüsteemid, 360 kraadi videootseülekanded, lennukite kõrgusmõõdikud ja isesõitvad masinad, valvesüsteemid, asukohamääramise seadmed, kõikvõimalikud sensorid jm arendused.

Mis on takistused, mida grafeen lahendab?

"Klassikaliste elektrooniliste seadmete ja vaskkaablite andmeedastuse võime on praeguseks hetkeks ammendatud – füüsikaseadused ei luba enamat. Sellepärast ongi vajadus täiesti uute tehnoloogiate järele," selgitab Wolfgang Templ Nokia Networks arenduskeskusest Saksamaal. "Ja just elektroonikat asendavast fotoonikast ning grafeenist uue pooljuhtmaterjalina oodataksegi läbimurret."

"Meie eesmärk on viia optilised andmesaatjad ja -vastuvõtjad tasemele, mis võimaldab edastada ja vastu võtta ultrakõrgeid andmemahtusid – see tähendab rohkem kui üks terabait sekundis," selgitab Templ eesmärke.

Skaneeriva tunnelmikroskoobiga tehtud pilt näitab, milline näeb välja nanomõõtmetes grafeeniriba. Üksikud süsiniku aatomid on pildil nähtavad kollaste "muhkudena". Kaasaegsetel arvutikiipidel on elektrijuhtideks peened vaskribad, kuid grafeeniriba on veel tohutult väiksemate mõõtmetega ning võimaldab elektronidel infot edasi kanda rohkem kui 100 korda kiiremini. Grafeenijuhtmes liiguvad elektronid ühtlase voona käitudes sarnaselt valguse osakestega - footonitega – justkui neil polekski massi. Autor: US Department of Energy.

Lisaks elektronide juhtimisele, on vaja elektronide voogu näiteks arvutites ka pidevalt sisse-välja lülitada, kiirust muuta jne. Selleks kasutatakse miljoneid transistore, mille juba praegused üliväikesed mõõtmed grafeeni abil pea olematuks muuta saab.

"Mikroelektroonika olulisim element on väljatransistor. Sellel on kolm elektroodi, millest kahe vahel voolab elektrivool ja kolmas reguleerib voolukiirust. See on nagu veekraan või veskitamm, analoogilised on elektroodide nimedki: läte, neel ja pais. Grafeenil ja teistel kahemõõtmelistel materjalidel põhinevad nanomõõtmetes transistorid lubaks suurendada voolu lülituskiirust ja vähendada seadme võimsustarvet," kirjeldab Jaaniso uue materjali eeliseid.

Suur grafeeniuuringute teadusprojekt on praeguseks jõudnud poole peale ning osaliste sõnul on viie aastaga tehtud edusammud märkimisväärsed. Uute tehnoloogiate väljatöötamisel on kümme tööstusliku arendamise etappi, millest esimene tähendab laboritingimustes esimeste materjalide ja teooria välja töötamist ning kümnes valmis toodet – hetkel ollakse viienda-kuuenda etapi juures, mil töö käib grafeeni baasil toodetud komponentide arendamise ja kokkusobitamisega.

Tartu Ülikooli teadlased on gaasisensorite uuringutega jõudnud faasi, kus tegeldakse sensori peenhäälestamisega. Juba praeguseks on saavutatud äärmiselt suur tundlikkus mitmete toksiliste saastegaaside äratundmisel – edasine eesmärk on selektiivsuse suurendamine erinevate gaaside suhtes (et sensor teeks vahet ühel ajal keskkonnas leiduvate sarnaste gaaside vahel) ning sensorite integreerimine nutiseadmetega ühildatavale mikroelektroonsele platvormile. Sealt edasi aga juba meie kõigi telefonidesse.

Lõpetuseks – grafeeni avastamise lugu!

Nii nagu ikka suurte teaduslike avastuste puhul, on ootamatu ja humoorikas ka grafeeni avastamise lugu:

Kahel mehel, Andre Geimil ja Kostya Novoselovil, oli kombeks oma koduülikoolis Manchesteris reede õhtuti läbi viia mängulisi teaduseksperimente – lihtsalt niisama, oma lõbuks ja vaimu värskendamiseks. Ühel sellistest teadusõhtutest 2004. aastal kasutasid nad kleeplinti, et selle abil grafiidipulgalt (sisuliselt hariliku pliiatsi südamikult) õhukesi süsinikukihte kätte saada. Tegevust korrates leidsid nad, et nii on lõpuks võimalik jõuda üha õhema süsinikukihini, kuni see on vaid ühe aatomkihi paksune – grafeen oli leitud! Vähem kui kuue aastaga tõi avastus meestele juba Nobeli preemia.

Praeguseks on grafeeniuuringud jõudnud faasi, millest oodatakse õige varsti realiseeruvat uute tehnoloogiate lainet. Vähem kui viie aasta pärast võivad Tartu Ülikooli teadlaste arendatud sensoritega nutitelefonid mõõta meid ümbritsevas õhus lenduvaid toksilisi gaase. Ülikiire internet hoiab koos tehisintellektiga silma peal meie kodus toimuval ja isepuhastuvad pinnad säästavad igapäevasest koristamisest. Kõik tänu sellele, et kaks füüsikut mängisid reede õhtul kleeplindi ja hariliku pliiatsiga.