See peitus meie harilikes pliiatsites. Kõige tavalisem kirjutusvahend sisaldab ühe aatomi paksusi nanokilekesi, mida joone tõmbamisel jätate ka paberile.

Pliiatsisüdamiku täpsem ehitus selgus ühe nüüdisaja hõlmavama võidujooksu käigus. See on võidujooks üha kiirema ja pisema arvutustehnika nimel. 1965. aastal sõnastas üks Inteli asutajaid Gordon Moore reegli, mida nüüd tuntakse Moore’i seaduse nime all. Selle kohaselt piseneb arvutustehnika iga 18 kuuga kaks korda. Samal ajal muutub see ka kaks korda kiiremaks ja odavamaks. Futuristlik ning spekulatiivne reegel muutuski isetäituvaks prohvetluseks. Ent kui kaua võib nii kesta, kui kaua suudetakse näiteks transistoride mõõt-meid vähendada? Elektroonika pisendamise teele tekib üha enam tõrkeid. Ikka on tundunud, et pisemaks enam minna ei saa.

Aprilli keskel saabus uudis, et teadlased on kasutanud pisima transistori ehitamiseks maailma kõige õhemat materjali, ühe aatomi paksust ja kümne aatomi laiust nanokilet. Selle materjali, millest õhemat enam olla ei saa, nimeks on grafeen.

Grafeeni vabastamine

Kümnest nanomeetrist pisemad materjalijupikesed on tavaliselt üsna ebastabiilsed, mistõttu neist näiteks transistoreid ehitada ei saa. Kõik pooljuhid, sealhulgas räni, selles skaalas oksüdeeruvad, lagunevad või lihtsalt rändavad kontrollimatult mööda pindu nagu veetilgad kuumal pliidil.

Kuid on üks materjal, mis nõnda ei käitu. See on grafeen. Pliiatsisüsi grafiit on puhas süsinik, mille ehitus arvati kindlalt teada olevat. See kujutab endast tasapindseid, üksteise otsa laotud aatomkihte. Grafeeniks hakati kutsuma üht neist kihtidest. Sellist, mis on valmistatud ainult süsiniku aatomitest ja mis moodustavad kuusnurkselt paigutatuna ühe aatomi paksuse kihi.

Aastaid püüti grafeeni valmistada, ent tulutult. Esmalt prooviti grafiidi aatomkihtide vahele toppida eri molekule, et nõnda grafiidikihte üksteisest lahti kangutada. Kuid tulemuseks oli vedelavõitu plöga. Seejärel katsetati hõõruda grafiidi-kristalle mõne teise pinna vastu, et neid nõnda õhemaks saada. Nii saadi umbes saja aatomkihi paksusi plaate. Siis töötati välja meetod, et saada nn nanopliiats, mille teravik on kümmekond aatomkihti paks.

Kuni lõpuks, alles 2004. aastal õnnestus Manchesteri ülikooli teadlastel Andre Keimil ja Kostja Novoselovil ning nende kaastöötajatel saada esimene tükike grafeeni. Nad kleepisid grafiidihelbed kleeplindile ja tõmbasid siis kleepsu helveste küljest lahti. Ja said nõnda üha õhemaid grafiidikilesid. Kuni lõpuks leidsid neid uurides, et sekka on juhtunud ka grafeenitükikesi.

Need olid väga hea kvaliteediga, see tähendab täielikult lisandivabad. Lisandid on need võõrad aatomid, mis tavaliselt kristallide puhul materjaliteadlastele peavalu teevad. Need moonutavad kristalli ja muudavad selle omadusi kehvemaks. Kuid grafeen on ses suhtes imelaps. Ja seetõttu on see väga tugev ja paindumatu. Ning üllataval kombel on grafeen ka väga hea elektrijuht. See juhib elektrone toatemperatuuril paremini kui mis tahes teine siiani tuntud aine.

Pole siis ime, et insenerid on hakanud grafeeni vastu suurt huvi ilmutama, pidades silmas selle kasutamist supertugevates ainetes, nutikates ekraanides, ultrakiiretes transistorides või siis kvantarvutites.

Süsiniku imemaa

Kõigele lisaks on grafeen imeline materjal ka füüsikateoreetikutele. Nimelt saab selle peal otseselt katsetada relativistliku kvantfüüsika ilminguid. Need on looduses kõige eksootilisemad ja siiani on neid nähtud kas siis hirmkallite teleskoopide vahendusel toimumas kaugel universumis või osakeste kiirendite abil mikromaailmas. Nüüd siis võimaldab grafeen tuua need ilmingud laborilauale.

Süsiniku imeline maailm oli teada niigi ja grafeen täiendab seda kenasti. Ühelt poolt moodustab süsinik uhke ja tugeva teemandi, teiselt poolt aga pehme ja määriva grafiidi. Teemant oli inimesele tuntud enne grafiiti. Inglased leidsid grafiidimaardla alles 16. sajandil ega raisanud aega ja nõnda sai pliiats kähku Euroopa intelligentsi tunnusmärgiks.

Alles 1779. aastal näitas Rootsi keemik Carl Scheele, et eks-likult pliimaagiks plumbago kutsutud aine on tegelikult süsinik, ja seejärel pakkus Saksa geoloog Abraham Werner sellele nimeks grafiit, kreekakeelsest sõnast “kirjutama”. Grafiidile leiti kähku ka sõjaline rakendus. See osutus ideaalseks suurtükikuulide valamisvormide vooderdiseks. See grafiidi võime salastati kohe ning Napoleoni sõ-dade ajal keelas Inglise kuningakoda isegi pliiatsite ekspordi Prantsusmaale.

Viimasel ajal ei ole süsiniku maailmast pääsu kellelgi, kes tegeleb nanotehnoloogiaga. Imelised nanotorud on tegelikult grafeeni rullikeeratud vormid.

Grafeeni esinemine looduses, saati siis kõige tavalisemas pliiatsisüdamikus, tuli aga materjaliteadlastele üllatuseks. Grafeen on kõigist võimalikest kõige õhem atomaarne tasapind. Ja grafeeniplaadid, mis kinnituvad üksteise külge van der Waalsi jõududega – mis muuseas vastutavad ka selle eest, et geko või kärbsed laest alla ei kuku –, moodustavadki lõppkokkuvõttes grafiidi.

Nii nagu teaduses ikka – kui miski aine on juba ühes kohas avastatud, leitakse seda igalt poolt. Nii ka grafeeni – seda hõljub teie suvegrilli ümber, seda on teie pliidi all, seda on igas teie pliiatsisirgelduses.