Artykuł nr 1 - Polska Doliną Grafenową!
Część 1 - Zbawienie dla elektroniki

Zanim zagłębimy się w tajniki działania i budowy procesora oraz właściwości fizycznych krzemu i grafenu, przedstawię wam kilka danych:
Piszę ten artykuł z wydajnego komputera, bazującego na krzemowym procesorze o bazowym taktowaniu 2,9 GHz. Grafenowe procesory będą już za kilka lat bez problemu osiągały 1 THz czyli 1000 GHz - będą ponad 300 razy szybsze niż dzisiejsze konstrukcje! (dla przykładu: różnica w wydajności najdroższych procesorów firmy Intel z 2011 roku a ich odpowiednikami z roku 2012 wynosi zaledwie 5 do 10%). Czy słynne Prawo Moore'a, obowiązujące niemal pół wieku, nagle przestanie obowiązywać?

Jednakże większy wpływ na nasze życie będzie miała "rewolucja energetyczna". Mam smartfona, który może robić praktycznie wszystko to, co PC... Tylko co z tego, jeśli często w pełni naładowany akumulator (co trwa nawet 4 godziny) nie wystarcza mi na 7 szkolnych lekcji. Bateria, wykorzystująca niezwykłe właściwości grafenu, będzie działać 10 razy dłużej, a czas ładowania będzie wynosił 15 sekund! W jaki sposób działa taka bateria?
Dzięki temu "super-materiałowi" rzeczywistością staną się także giętkie, półprzezroczyste telefony o prawie zerowej grubości, które po użyciu zwiniemy i schowamy do kieszeni. Dzięki jakim właściwościom grafenu będzie to możliwe?

Powyższe dane robią wrażenie, tym bardziej że dotyczą one najbliższej przyszłości. Najlepsze jest jednak to, że w badaniach nad grafenem przodują Polacy! Do roku 2010, grafen był najdroższym materiałem na Ziemii. 1 cm3 kosztował 100 000 000 $ (ponad 300 milionów zł). Jednakże polscy badacze z warszawskiego Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych (ITME) opracowali swój własny sposób wytwarzania tego materiału. Przy wykorzystaniu polskiego procesu technologicznego cena za 1cm3 grafenu wynosi niecałe 100 $, czyli milion razy mniej niż ten sam materiał, uzyskany przez zagranicznych naukowców z całego świata! Co więcej Polacy opatentowali tą metodę, co pozwoli nam (na jakiś czas) na wyłączność wytwarzania grafenu w tej technologii. Biorąc pod uwagę, że mikroprocesory znajdują zastosowanie w prawie każdej dziedzinie naszego życia, nietrudno sobie wyobrazić ile byśmy na tym zarobili. Polska początkiem ogólnoświatowej rewolucji, nowej ery w dziedzinie elektroniki i komputerów? Gdyby tylko polski rząd chciał finansować te badania...

Artykuł pochodzi z portalu www.komorkomania.pl dla którego swojego czasu pisałem. CDN

Polska Doliną Grafenową
Część 2 - Ograniczenia krzemu vs Prawo Moore'a

Procesor jest najważniejszym elementem zarówno komputerów jak i smartfonów. Nie będę dokładnie tłumaczył zasady jego działania, bo będzie identyczna, niezależnie od materiału. Ważna jest jego budowa. Składa się on z milionów tranzystorów. Tranzystor został wynaleziony w 1947 roku i rozpoczął erę cyfrową. W bardzo dużym uproszczeniu, jest to malutki wyłącznik, umożliwiający przetwarzanie informacji w komputerze. Jego działanie nie różni się zasadniczo od wyłącznika światła. Tranzystor włącza lub wyłącza przepływ prądu. Pozycja "włączona" jest oznaczana cyfrą 1, a "wyłączona" cyfrą 0. Miliony takich tranzystorów generują ciągi jedynek i zer, co procesor w odpowiedni sposób odczytuje i interpretuje. Szybkość procesora zależy więc w dużej mierze od ilości "zamontowanych" tranzystorów. W pierwszym mikroprocesorze - Intel 4004, wyprodukowanym w 1971 roku było ich 2300, w chipie i486 z 1989 roku - 1 200 000, a w procesorze Pentium z 2000 roku - 42 miliony. W 2011 roku Intel zaprezentował układ, wykorzystujący 2 600 000 000 tranzystorów. Jak widać liczba tranzystorów zwiększa sie bardzo szybko. Dokładnie proces ten opisuje Prawo Moore'a, które mówi, że liczba tranzystorów (w konsekwencji wydajność mikroprocesora) rośnie wykładniczo (podwaja się w równych odcinkach czasu). Gordon Moore był jednym z założycieli firmy Intel i już w 1965 roku zaobserwował podwajanie się liczby tranzystorów co ok. 12 miesięcy, formułując wspomniane prawo. Okres ten ulega zmianom - przez wiele lat było to 24 miesiące, a w ostatnich latach mówi się o 18 miesiącach. Liczba tych malutkich włączników powiększa się, co pociąga za sobą wzrost wydajności, powodując, że Prawo Moore'a obowiązuje do dnia dzisiejszego. W czym więc tkwi problem?

Głównym powodem, dzięki któremu wzrost wykładniczy jest możliwy, jest produkcja coraz mniejszych tranzystorów. Dzięki temu na tej samej powierzchni mikroprocesora może zmieścić się ich więcej. Zarówno pierwsze procesory, zawierające ich 2300, jak i najdroższe współczesne konstrukcje z 2 miliardami tranzystorów mają praktycznie takie same wymiary (ta sama skala wielkości). Właściwość ta nosi nazwę procesu technologicznego. Jego oznaczenie to po prostu wielkość pojedynczego tranzystora. Im ta wartość jest mniejsza, tym więcej micro wyłączników zmieści się w mikroprocesorze. Im mniejszy jest proces technologiczny, tym procesor jest bardziej energooszczędny, a co za tym idzie, tym mniej ciepła wydziela. Pierwsze procesory były wykonane w 10000 nm procesie technologicznym. Oznacza to, że pojedynczy tranzystor miał rozmiar 0,01mm.
W latach dziewięćdziesiątych był to 500 nm proces technologiczny. W 2008 tranzystor miał 45 nm, w 2010 - 32nm, a w 2012 - 22nm. Niestety, rozmiary te nie mogą zmniejszać się w nieskończoność - naturalną granicą jest wielkość pojedynczego atomu - tranzystor nie może być od niego mniejszy. Intel pod koniec tego roku rozpocznie produkcję procesorów w 14 nm procesie technologicznym, co wg naukowców będzie granicą miniaturyzacji - ścieżki w takim tranzystorze w niektórych miejscach miałyby grubość jednego atomu. Optymiści przesuwają tą granicę do 7 nm, sądząc, że poprzez drobne zmiany w konstrukcji tranzystora, da się odsunąć ten problem. Nie zmienia to faktu, że z krzemu nie da się "wycisnąć" dużo więcej, a właściwie dużo mniej. Jednakże co nowego wniesie grafen? Przecież dalej będzie nas ograniczała wielkość pojedynczego atomu.

Artykuł napisany dla gazetki Staszic Kurier. Zdobył tytuł "artykuł miesiąca" portalu www.komorkomania.pl.

Polska Doliną Grafenową
Część 3 - Z naukowego punktu widzenia...

Grafen, grafit, diament, fullereny to rodzaje węgla, różniące się między sobą rozmieszczeniem atomów w sieci krystalicznej. W każdej z powyższych odmian, atomy węgla są ze sobą inaczej połączone. Odmiany takie nazywamy alotropowymi. Dzięki temu, każdy z wymienionych materiałów charakteryzuje się jedynymi w swoim rodzaju właściwościami fizycznymi i chemicznymi.
Grafen jest bardzo rzadką, praktycznie nie występującą naturalnie w przyrodzie, odmianą węgla. Jest on zbudowany z pojedynczej warstwy atomów węgla, połączonych w pierścienie sześcioczłonowe. Takie ułożenie atomów tego pierwiastka powoduje, że jest on określany jako struktura dwuwymiarowa. W praktyce struktura tej odmiany alotropowej przypomina plaster miodu. Co daje nam takie ułożenie?

- Grafen jest ponad 100 razy mocniejszy od stali o tej samej grubości, ale równocześnie na tyle elastyczny, że można go rozciągnąć o 25 % pierwotnej wielkości.
- Jest bardzo dobrym przewodnikiem ciepła. 30 - krotnie lepszym od krzemu i 10 - krotnie od srebra.
- Ma bardzo małą rezystencję, czyli opór elektryczny.
- Ruchliwość elektronów znajdujących się na grafenie jest ponad 130 razy większa niż będących na krzemie.
- Jest praktycznie przezroczysty (przepuszcza 98% światła).
- Gigantyczna prędkość przepływu elektronów przez ośrodek grafenowy (wynosi 1/300 prędkości światła - umożliwi to badanie efektów relatywistycznych dla elektronu poruszającym się w przewodniku, co w pewnym stopniu zastąpi współcześnie stosowane akceleratory cząsteczek).
- Grafenowa membrana (utleniona) nie przepuszcza żadnych gazów, a przepuszcza wodę!