Koncepcja błony o monomolekularnej grubości, zbudowanej z ułożonych w ośmiokątne komórki atomów krzemu nazywanej współcześnie grafenem pojawiła się już w latach 40. XX w., długo jednak uznawaną ją za strukturę czysto teoretyczną, nie występującą w przyrodzie i fizycznie niewykonalną.
Plaster miodu w nanoskali
Sytuacja ta zmieniła się dopiero na początku obecnego stulecia, kiedy ów „mityczny” materiał faktycznie stworzono i przebadano w laboratoriach, potwierdzając przewidywania odnośnie jego niezwykłych właściwości, co przyniosło jego odkrywcom nagrodę Nobla.
Jednocześnie przekonano się, że drobne płatki grafenu występują w naszym otoczeniu stosunkowo powszechnie, po sklejeniu wielu warstw składając się w dobrze znany grafit, zaś jego mikropróbki można pozyskać za pomocą zwykłej taśmy klejącej. Jednak wyprodukowanie większych płatów grafenu, zwłaszcza na skalę przemysłową pozostaje nadal bardzo trudne, lokując go pośród najdroższych substancji na świecie.
Nawet najbardziej egzotyczne tworzywo pozostałoby jednak jedynie akademicką ciekawostką, gdyby nie splot dwóch istotnych okoliczności: zbliżania się przez współczesną elektronikę i inżynierię materiałową do ich technologicznych limitów oraz najdosłowniej oszałamiającej charakterystyki nowego materiału pozwalającej myśleć nie tylko o znaczącej poprawie dotychczasowych osiągów, ale wręcz o zdeklasowaniu ich o wiele rzędów wielkości.
Śmierć prawa Moora
Ponad pół wieku temu Gordon Moore zaprezentował swoje spostrzeżenie, iż liczba tranzystorów w kolejnych generacjach procesorów podwaja się co 18 miesięcy. Prawo to uogólniono następnie na inne parametry komputerów, jak pojemność pamięci czy szybkość procesora. Przez dziesiątki lat zasada ta sprawdzała się doskonale, sama w sobie nie jest ona jednak prawem fizyki, a jedynie opisem empirycznych obserwacji dokonywanych w określonym przedziale czasu i określonym kontekście technicznym, zakres jego stosowalności okazał się być zatem ograniczony.
Ilość zużywanej przez układy elektroniczne energii oraz wytwarzanego ciepła rośnie proporcjonalnie do kwadratu częstotliwości ich zegara. O ile dla układów taktowanych poniżej 50 MHz efekt ten pozostawał pomijalny, o tyle procesory klasy Pentium z 1993 r. wymagały już aktywnego chłodzenia, zaś gigahercowe układy z pierwszych lat XXI w. dosłownie rozbiły się o „barierę termiczną”. Oznaczało to koniec „wyścigu zegarów” i wymusiło zasadniczą rewizję dotychczasowego modelu rozwoju komputerów.
Najwyższe taktowanie dostępnych obecnie na rynku konsumenckim procesorów wynosi 6.2 GHz, natomiast rekordowe osiągnięcie overlockingu uzyskane dzięki chłodzeniu ciekłym azotem to 9.12 GHz i wartości te niewiele odbiegają od tych, które uzyskiwano już ponad dwadzieścia lat temu. Zmiana architektury i przetwarzanie równoległe pozwoliły, co prawda na dalszy wzrost wydajności, jego tempo nie przypomina już jednak tego z lat 1990–2000, gdy kolejne przełomowe modele pojawiały się dosłownie w odstępie miesięcy.
Make the digital revolution great again!
Od ponad dekady badane są jednak eksperymentalne tranzystory terahercowe budowane na podłożu grafenowym, 200-krotnie szybsze od wspomnianych wcześniej. Kilka lat temu na Uniwersytecie w Arizonie odkryto zaś, nieco przypadkowo, że możliwe do zbudowania są nawet tranzystory petahercowe wykorzystujące zjawisko tunelowania kwantowego elektronów w grafenie i zdolne do pracy w temperaturze pokojowej. Te ostatnie byłyby aż 200 tysięcy razy szybsze od powszechnych dzisiaj układów, mogąc przynieść ze sobą kolejną epokę gwałtownego wzrostu prędkości i przyrostu mocy obliczeniowej.
Grafen stanowi materiał niemal wyjęty z kart powieści SF. Jest on wspaniałym przewodnikiem elektrycznym, ale też cieplnym, ułatwiając chłodzenie wykonanych z niego układów. Ze względu na elektronikę, jego przewodnictwo okazało się być jednak, aż nazbyt doskonałe, paradoksalnie stając się tu jego wadą. Tworzenie elektronicznych systemów sterowania zasadza się bowiem na półprzewodnikach, materiałach mających tzw. przerwę energetyczną pozwalającą na przełączanie ich pomiędzy stanem przewodnictwa oraz jego braku. Grafen nie ma jednak takiej przerwy, sprawiając, iż wykonany z niego tranzystor nigdy nie będzie znajdował się w stanie w pełni wyłączonym, co przez wiele lat nie pozwalało myśleć o zastosowaniu ich do praktycznych celów. W 2024 r. odkryto jednak, że osadzenie grafenu na podłożu z węglika krzemu pozwala przekształcić go w pełni funkcjonalny półprzewodnik, otwierając drogę dla faktycznych wdrożeń nowej technologii.
Przedwczesne obietnice i koszty rewolucji
Siatki grafenowe są obecnie tworzywem w pewnym sensie legendarnym. Stworzone w praktyce w 2004 r. szybko wzbudziły zachwyt i ogromne nadzieje na szybką i ogromną rewolucję technologiczną, w wielu różnych dziedzinach zapowiadaną już na połowę ubiegłej dekady. W praktyce okazały się być jednak trudne w masowej produkcji i niełatwe do inżynieryjnego ujarzmienia.
Nawet jednak pokonanie wszelkich znanych problemów technicznych nie sprawi, że grafen przejmie automatycznie rolę wszechobecnego dzisiaj krzemu. Masowy przemysł rządzi się logiką ekonomii, rynkowych barier wejścia i bezwładnością logistyki. Wykorzystywane obecnie linie produkcyjne stanowią szczytowe osiągnięcie technologii rozwijanej i doskonalonej przez całe dekady. Zastąpienie ich radykalnie odmienną technologią wymagać będzie czasu, ogromnych nakładów i nastąpi dopiero wtedy, kiedy będzie ona nie tylko górować możliwościami nad tą obecnie stosowaną, ale też gdy przejście na nią stanie się biznesowo opłacalne dla producentów mikroelektroniki.
Mira Żmijewska