Već desetak godina grafen i novi 2D materijali privlače pažnju istraživača fascinantnim elektronskim, optičkim i mehaničkim svojstvima koja obećavaju širok spektar mogućih primjena. Ultimativno su tanki pa grafen ima samo jedan atomski sloj, stoga imaju ogroman potencijal za elektroniku i optoelektroničke primjene, uključujući ultrabrzu i ultraosjetljivu detekciju širokog raspona energija.

'Područje atomski tankih materijala, kakav je grafen, privlači pažnju znanstvenika već više od desetljeća', objašnjava Marko Kralj, ravnatelj Instituta za fiziku koji je u ta istraživanja uključen deset godina. I on je, baš kao i mnogi fizičari širom svijeta, fasciniran svojstvima materijala i upotrebom nečeg vrlo tankog, do razine atomskog sloja.

Ma koliko čudesna bila njegova svojstva, grafen je zapravo izolirana ravnina iz grafita. Onaj iz obične olovke ljušti se zato što se ljušte ravnine u grafitu, a ona najmanja i najtanja je grafen.

'Od početka su fascinirala njegova svojstva provođenja elektrona, mehanička svojstva, savitljivost, optička transparentnost... puno ključnih riječi koje imaju veze s različitim primjenama u elektronici, optoelektronici, pa i medicini, vezano uz translokaciju DNK kroz rupice u takvim atomski tankim materijalima', prisjeća se Kralj bure u znanstvenim redovima unazad nekoliko godina.

Uz atomski tanak grafen, postoji niz drugih materijala koji se mogu dobiti u tako stanjenom obliku, a koji cijelu priču obogaćuju dodatnim svojstvima. Grafen je polumetal koji dobro vodi elektrone, ali nije poluvodič. Zato se na njega vežu drugi atomski tanki materijali kojima se može manipulirati i od kojih se može napraviti uređaj što za elektroniku može biti puno bolji od grafena.

Zašto je to važno u kontekstu elektronike? Kralj se poziva na Mooreov zakon i očekivanja da sve postaje jeftinije, brže i manje.

'Baratanje atomski tankim ravninama nudi rješenje u tom smjeru. Zato su ti materijali i postali toliko popularni u elektronici', kaže Kralj. No grafen i drugi atomski tanki materijali mogli bi biti i dobri kemijski senzori ili detektori svjetlosti. Ta se priča širi. 'Istražujemo različite aspekte senzorskih svojstava, pokušavamo ih razumjeti i u konačnici napraviti uređaj koji će biti senzor.'

I taman kad se mislilo da se saznalo sve što se moglo, došlo je do još jednog fundamentalnog otkrića - supravodljivosti atomski tankih materijala. Ona nastaje kad se dvije ravnine grafena, koji u biti nije supravodič, precizno zarotiraju jedna prema drugoj. A to vrijedi i za mnoge druge atomski tanke ravnine.

'To se događa na niskim temperaturama, a cilj je postići supravodljivost na što višim temperaturama', otkriva Kralj.

Za razliku od drugih materijala, poput bakrenih žica, kojima je volumen veći od površine, atomski tanki materijali poput grafena imaju samo površinu po kojoj se može raditi i eksperimentirati te mijenjati njihova svojstva.

'Naučili smo manipulirati tim atomski tankim materijalima, da ih s površina na koje su 'narašteni' prenosimo na drugu površinu po želji, da ih slažemo jedne na druge i stvaramo hibridne strukture s novim svojstvima', objašnjava Kralj koncept koji podsjeća na slaganje lego kockica.

'Ako možemo kontrolirati način na koji slojeve slažemo jedan na drugi, dobivamo mogućnost beskonačnog niza krojenja novih svojstava i novih materijala', objašnjava Kralj čime se, između ostalog, bave u Institutu za fiziku.

Malo je na svijetu uređaja u kojima su atomski tanki materijali doista iskorišteni. Oni se za sada češće pojavljuju u kompozitima, poput izdržljivih grafenskih tenisica u kojima možete istrčati stotine kilometara više no u onim običnim.

Ove su tenisice proizvedene zahvaljujući startup inicijativi istraživačke grupe iz Manchestera, kolijevke istraživanja 2D materijala. Naime Andre Geim i Konstantin Novoselov, ruski znanstvenici sa Sveučilišta u Manchesteru, dobili su i Nobelovu nagradu za otkriće grafena. Grafenski kompoziti nalaze se i u teniskim reketima i skijama, no riječ je o tako malim omjerima da je pitanje koliko se radi o stvarno poboljšanim materijalima, a koliko o reklamnom hypeu.

Ozbiljnije se radi na razvoju baterija kod kojih je važno da elektrode imaju što veću površinu, a grafen i slični materijali ništa drugo ni nemaju. Oni su idealan materijal za razvoj superkapacitora.

Puno se govorilo i o tehnologiji sekvencioniranja DNK. Jedan od pionira je i Slaven Garaj, naš znanstvenik koji djeluje u Singapuru. On je u časopisu Nature predložio koncept propuštanja DNK molekula kroz vrlo tanke rupice u atomski tankom materijalu. Kasnije je startup Oxford Nanopore Tehnology počeo kupovati sve patente vezene uz ovaj koncept. Došli su do prototipa USB sticka na koji se kapne kapljica krvi i translocira DNK. No stvar još nije spremna za masovnu proizvodnju.

'Razvoj ovakve tehnologije donio bi revoluciju u razvoju personalizirane medicine i preventivnom prepoznavanju sklonosti određenim bolestima', kaže Kralj. 'No deset godina kasnije još nemamo tu tehnologiju.'

Grafen se još nije tržišno etablirano, no zato se Institut za fiziku nalazi na povijesnoj prekretnici. Formalno osnovan prije 60 godina, danas živi najveće projekte u svojoj povijesti.

'Strukturni i europski investicijski fondovi prepoznali su dva naša projekta', otkriva Kralj. Riječ je o Centru za napredne laserske tehnike CALT i Kriogenom centru KaCIF.

Projekt Centra za napredne laserske tehnike težak je 16 milijuna eura, a obuhvaća rekonstrukciju jedne od tri zgrade Instituta i pretvara je u moderni laboratorij. CALT objedinjuje četiri domene koje ciljaju specifične teme istraživanja: kvantne i plazmene tehnologije, nano i biosustave te ultrabrzu dinamiku. Maštu pobuđuju i nazivi laboratorija koji će se dogodine smjestiti u renoviranoj zgradi: od nacionalnog laboratorija za vrijeme i frekvenciju, preko laboratorija za ekstremne izvore svjetlosti, do onog za femtofiziku površina.

Kvantna tehnologija nova je velika ključna riječ u istraživanjima. U Institutu će se pozabaviti razvojem novog kvantnog sata i novog standarda vremena, kojim se želi prijeći na puno precizniju definiciju sekunde. To će poboljšati preciznosti GPS tehnologije i geolociranja.

Laserima će pak pokušati požeti Sunčevo svjetlo u cijelom njegovu spektru, ne samo u vidljivom, nego i u infracrvenom i ultraljubičastom.

Mogućnost pobude pomoću svjetlosti elektrona iz šupljina u atomski tankim materijalima dobra je podloga za razvoj novih solarnih ćelija, nabraja koristi koje će donijeti nova zgrada sa svojim laboratorijima. Proučavat će se i magnetizam, vrlo važno svojstvo u kontekstu memorije računala, pohrane podataka s ogromnim protokom brzine.

'CALT je naš financijski najznačajniji projekt. Na razini države proglašen je strateškim projektom u području znanstvene infrastrukture', otkriva Kralj. No to ne znači da je KaCIF manje važan.

'Institut za fiziku jedino je mjesto u Hrvatskoj na kojem se ikad ukapljivao helij', pojašnjava Kralj. 'Helij je jako rijedak resurs, u plinskom stanju dolazi uglavnom kroz naftne bušotine i ako ga se ne zarobi, on će otići u svemir jer je lagan.'

Zalihe helija su konačne i jedini način održivog razvoja tehnologije je recikliranje. Na Institutu se već tri desetljeća nalazi ukapljivač helija, s Fizičkim odsjekom PMF-a kroz zemlju povezan u zatvoreni sustav recikliranja. Došlo je vrijeme da se napokon nabavi novi.

Europski fond za regionalni razvoj dao je 39.663.665 kuna za istraživanja u području fizike kondenzirane materije i znanosti o materijalima, vezana uz tehnologiju postizanja vrlo niskih temperatura. U Institut će tako napokon stići novi, moderni ukapljivač helija, obnovit će se postojeća infrastruktura za recikliranje i ukapljivanje helija te opremiti prototipska radionica za primjenu tehnologije cryogen-free.

No ni tu nije priči kraj. Znanstvenici s Instituta uključeni su i u EUROfusion, europski projekt prvo eksperimentalnog, a jednom možda i komercijalnog fuzijskog reaktora.

A da bi se to postiglo, treba savladati niz tehnoloških problema i razviti stabilne materijale otporne u uvjetima visokih temperatura ili ogromnih razina radijacije. Valja im stoga, između ostalog, proučiti temeljna svojstva, poput magnetizacije u materijalima pri određenim količinama zračenja i temperaturama.

'To fundamentalno istraživanje imat će primjenu u tehnologiji kojom Europa pokušava razviti novi izvor energije - fuzijske elektrane', zaključuje Kralj.