ΟΜΑΔΑ Β΄

ΠΟΛΥΖΟΥ ΜΑΡΙΑ

ΖΗΣΙΜΟΠΟΥΛΟΣ ΓΙΩΡΓΟΣ

ΛΙΤΣΙΟΣ ΚΥΡΙΑΚΟΣ

ΤΣΕΛΑ ΡΟΝΑΛΝΤΟ

ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ & ΣΤΗΝ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗ

ΠΡΟΛΟΓΟΣΗ Νανοτεχνολογία είναι μια νέα επιστήμη η οποία στα επόμενα χρόνια θα ανατρέψει τα πάντα στην καθημερινότητα μας. Δεν είναι αρκετά γνωστή στους ανθρώπους αλλά με τον καιρό θα γίνει γνωστή αφού όπως αναφέραμε και παραπάνω είναι η επιστήμη του μέλλοντος. Η Νανοτεχνολογία χωρίζεται σε πολλούς κλάδους. Επιλέξαμε το πώς συμβάλλει η νανοτεχνολογία στην ιατρική και στην φαρμακευτική. Βρήκαμε το θέμα ιδιαίτερα ενδιαφέρον και θελήσαμε να το επεξεργαστούμε και να το αναλύσουμε ώστε να μάθουμε περισσότερα για την νανοτεχνολογία και να διδάξουμε στους αναγνώστες κάτι που τους ήταν άγνωστο ως τώρα. Καταφέραμε να μαζέψουμε όλες τις απαραίτητες πληροφορίες ώστε να δημιουργήσουμε μια ολοκληρωμένη έρευνα.

Τα ερευνητικά ερωτήματα που μας απασχόλησαν είναι:1) Ποιες είναι οι εφαρμογές της νανοτεχνολογίας στην ιατρική; 2)Πως χρησιμοποιείται η νανοτεχνολογία στα φαρμακευτικά προϊόντα;3)Ποιες ασθένειες μπορούν να θεραπευτούν;Μπορεί να καταπολεμηθεί και ο καρκίνος που ως σήμερα είναι μία ανίατη ασθένεια;

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ

Η εφαρμογή της νανοτεχνολογίας στη ιατρική έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη μίας νέας γενιάς διαγνωστικών εργαλείων τα οποία παρέχουν ακριβή βιολογικά δεδομένα σύντομα και με απλό τρόπο. Ταυτόχρονα η έρευνα για την ανάπτυξη φορέων με διαφορετικές ιδιότητες και λειτουργίες, αλλά και νέων συσκευών για την ελεγχόμενη αποδέσμευση των φαρμάκων αποτελούν έναν σημαντικό τομέα της νανοϊατρικής. Τέλος η εφαρμογή της νανοτεχνολογίας στην αναγεννητική ιατρική υπόσχεται μια εντελώς διαφορετική προσέγγιση στην αντιμετώπιση των ασθενειών. Η νανοϊατρική ορίζεται ως η εφαρμογή της νανοτεχνολογίας στον τομέα της υγείας. Στηρίζεται στις βελτιωμένες και συχνά νέες φυσικές, χημικές και βιολογικές ιδιότητες των νανοδομημένων υλικών. Το συγκρίσιμο μέγεθος των συνθετικών αυτών δομών με φυσικές λειτουργικές μονάδες επιτρέπει την άμεση αλληλεπίδραση τους με τους ζωντανούς οργανισμούς. Στόχος της νανοϊατρικής είναι η βελτίωση τόσο της διαγνωστικής ιατρικής όσο και της θεραπευτικής ιατρικής (π.χ. βελτιωμένες φαρμακευτικές ουσίες, συστήματα ελεγχόμενης

αποδέσμευσης φαρμάκων) καθώς και η ανάπτυξη μεθόδων για τη συστηματική ιατρική παρακολούθηση.

ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΑ ΠΡΟΪΟΝΤΑ

Για τη φαρμακευτική βιομηχανία οι νέες τεχνολογίες μεταφοράς φαρμάκων αποτελούν στρατηγικό εργαλείο για την ανάπτυξη της αγοράς των φαρμάκων. Η τεχνολογία μπορεί να προσφέρει νέες

λύσεις για ήδη υπάρχοντα φάρμακα, αυξάνοντας την αποτελεσματικότητά τους βελτιώνοντας την ασφάλειά τους και την ανοχή τους από τους ασθενείς. Επιπρόσθετα τα νέα φάρμακα

που αναπτύσσονται με τη βοήθεια της υπολογιστικής χημείας, χρησιμοποιώντας τις γνώσεις από το πρόγραμμα

αποκρυπτογράφησης του ανθρώπινου γονιδώματος, για να είναι αποτελεσματικά χρειάζονται συστήματα χορήγησης και μεταφοράς.

Η νανοτεχνολογία παρέχει τη δυνατότητα χορήγησης φαρμάκων που είναι πρακτικά αδιάλυτα στο νερό ή ασταθή στο βιολογικό

περιβάλλον.

ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΘΕΡΑΠΕΙΑ

ΑΣΘΕΝΕΙΩΝ

Χάρη στις εφαρμογές της νανοτεχνολογίας στην ιατρική, οι καρδιαγγειακές νόσοι, ο διαβήτης, ο καρκίνος και οι

νευροεκφυλιστικές παθήσεις θα μπορούν μελλοντικά να αντιμετωπίζονται με τη χρήση «έξυπνων» νανοϋλικών.

Οι εφαρμογές της νανοτεχνολογίας στην καρδιολογία αναμένεται σε μία 10ετία να οδηγήσουν την κατάργηση των stend και στην

μείωση του μεγέθους ή ακόμη και στην εξάλειψη της αθηρωματικής πλάκας με μία ενδοφλέβια ένεση. «Αντιλαμβανόμαστε ότι ίσως

μετά από μία 10ετία δε θα χρειαζόμαστε καθόλου τα stend και με νανοσωματίδια θα στοχεύουμε την αθηρωματική πλάκα»

Τα stend είναι μεταλλικά πλέγματα τα οποία τοποθετούνται προκειμένου να διατηρηθεί ανοιχτό ένα αγγείο στην περίπτωση της

αθηροσκλήρωσης. Τα τελευταίας γενιάς stend τα οποία εκλύουν φάρμακο προκειμένου να μη δημιουργηθεί επαναστένωση στο

αγγείο, μπορεί μετά από ένα χρόνο να προκαλέσουν θρόμβωση. 

«Η θρόμβωση οφείλεται στα πολυμερή από τα οποία είναι φτιαγμένα τα stend και τα οποία δημιουργούν δεξαμενές για να αποθηκεύεται το φάρμακο. Με τη νανοτεχνολογία μπορούμε να

κατασκευάσουμε επικαλύψεις ατομικές, δηλαδή νανοεπικαλύψεις που να έχουν μέγεθος 100 νανόμετρων, που δεν θα θρομβώνουν και

θα επικαλύψουν την επιφάνεια του stend.

Αντικείμενο τελευταίας έρευνας στο εργαστήριο Νανοτεχνολογίας του ΑΠΘ είναι η δημιουργία βιοαποικοδομήσιμων πολυεπίπεδων πολυμερών τα οποία θα έχουνε φάρμακο και θα το εκλύουν με

ελεγχόμενο τρόπο.Αυτά τα πολυμερή θα έχουν την ιδιότητα να διασπώνται όταν

μπαίνουν στον ανθρώπινο οργανισμό. Επομένως δε θα μένει στο αγγείο το πολυμερές που δημιουργεί τη βλάβη στο τοίχωμα και

προκαλεί τη θρόμβωση και την επαναστένωση»

ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΟΥ ΚΑΡΚΙΝΟΥ

Μαγνητικά νανοσωματίδια με χημειοθεραπευτικά φάρμακα μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη στοχευμένη αντιμετώπιση του καρκίνου, χωρίς να πλήττονται τα υγιή κύτταρα.Ήδη στη Γερμανία έχει φτάσει σε προκλινικό στάδιο έρευνα στο πλαίσιο της οποίας έχει αναπτυχθεί ένα σύστημα με μαγνητικά νανοσωματίδια που πηγαίνουν στον καρκίνο του εγκεφάλου.Στη συνέχεια καταστρέφονται τοπικά τα καρκινικά κύτταρα με υπερθερμία (αύξηση της θερμοκρασίας στους 41-40 βαθμούς Κελσίου). «Υπάρχει μια ποικιλία νανοσωματιδίων πχ ανόργανα μαγνητικά σωματίδια στα οποία μπορούμε να βάλουμε ένα χημειοθεραπευτικό φάρμακο. Για παράδειγμα αν ο ασθενής έχει καρκίνο στον πνεύμονα μπορούμε να χορηγήσουμε ενδοφλέβια μαγνητικά νανοσωματίδια, αφού τοποθετήσουμε έναν εξωτερικό μαγνήτη στην περιοχή του πνεύμονα.Έτσι λόγω της διαφοράς του μαγνητικού πεδίου τα νανοσωματίδια με το φάρμακο οδηγούνται μόνο στη περιοχή του πνεύμονα.

Επομένως δεν χρειάζεται ο καρκινοπαθής να παίρνει τη γενικευμένη χημειοθεραπεία που έχει όλες τις ανεπιθύμητες ενέργειες»

ΕΠΙΛΟΓΟΣΈπειτα από την ενασχόληση μας με το θέμα Νανοτεχνολογία στην ιατρική και στην φαρμακευτική συμπεραίνουμε ότι η επιστήμη του μέλλοντος θα παίξει αρκετά σημαντικό ρόλο. Η επιστήμη αυτή θα διευκολύνει τα πάντα...ίσως και να σώσει αρκετά π.χ. ανθρώπους που πάσχουν από καρκίνο διότι η Νανοτεχνολογία όπως αναφέραμε και παραπάνω μπορεί να καταπολεμήσει μέχρι και ανίατες ασθένειες. Ελπίζουμε στο μέλλον με Νανοτεχνολογία. Ελπίζουμε για πιθανές επιτυχίες. Ευχαριστούμε!!!

ΟΜΑΔΑ Γ΄

ΑΝΤΩΝΟΠΟΥΛΟΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ

ΓΑΛΑΡΙΩΤΗΣ ΑΝΔΡΕΑΣ

ΚΑΤΣΙΓΙΑΝΝΗ ΑΓΓΕΛΙΚΗ

ΚΑΡΑΜΠΕΛΑΣ ΑΝΔΡΕΑΣ

ΤΟΜΑΣΗΣ ΔΗΜΗΤΡΗΣ

ΠΩΣ ΣΥΝΔΕΕΤΑΙ Η ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΜΕ ΤΗΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΤΙΣ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ?

Μία από τις κυριότερες εφαρμογές της Νανοτεχνολογίας είναι η Ενέργεια καθώς καλύπτει ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών που περιλαμβάνει την παραγωγή, την αποθήκευση και την εξοικονόμηση της ενέργειας.

Μία από τις κύριες εφαρμογές της νανοτεχνολογίας είναι η παραγωγή ενέργειας μέσω των φωτοβολταϊκών στοιχείων. Με την ανάπτυξη των κατάλληλων νανό-υλικών έχει επιτευχθεί η παραγωγή ενέργειας με τη μετατροπή της ηλιακής ενέργειας διασφαλίζοντας την οικονομική και φιλική προς το περιβάλλον παραγωγή ενέργειας. Στόχο αποτελεί η ανάπτυξη των κατάλληλων υλικών προκειμένου να επιτευχθεί η παραγωγή εύκαμπτων φωτοβολταϊκών που θα εμφανίζουν ευκαμψία επιτρέποντας την τοποθέτηση τους σε οποιαδήποτε επιφάνεια διασφαλίζοντας παράλληλα την ανακύκλωση τους.

Παραγωγή ενέργειας μπορεί επίσης να επιτευχθεί και με τη χρήση κυψελίδων υδρογόνου με τη χρήση νανο-υλικών ως καταλύτη αλλά και με τη χρήση των κατάλληλων νανο-υλικών (π.χ. ζεόλιθοι, νανοσωλήνες άνθρακα κλπ) για την αποθήκευση του υδρογόνου.

Σχετικά με την αποθήκευση ενέργειας, έχουν αναπτυχθεί μπαταρίες με τη χρήση της νανοτεχνολογίας που εμφανίζουν υψηλότερο χρόνο ζωής ή είναι επαναφορτιζόμενες

Όσον αφορά στην εξοικονόμηση ενέργειας, μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση νανοϋλικών που θα διασφαλίζουν την ανάπτυξη αποδοτικότερων συστημάτων μόνωσης , με τη χρήση αποδοτικότερων συστημάτων φωτισμού με τη χρήση Διόδων Εκπομπής Φωτός (Light Emitting Diodes/LED) και Οργανικών Διόδων Εκπομπής Φωτός (Organic Light Emitting Diodes/OLED) και με τη χρήση ελαφρύτερων και ανθεκτικότερων υλικών στον τομέα των μεταφορών.

Τα πλεονεκτήματα που ήδη έχουν καταγραφεί από το σχεδιασμό προϊόντων

με βάση της νανοτεχνολογία με εφαρμογή στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας περιλαμβάνουν

1. Την αύξηση της απόδοσης του φωτισμού και τις θέρμανσης 2. Την αύξηση της ηλεκτρικής χωρητικότητας αποθήκευσης. 3. Η μείωση των ρύπων

ΤΙ ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΕΠΙΠΤΩΣΗ ΕΧΕΙ Η ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΑ ΕΠΟΜΕΝΑ ΧΡΟΝΙΑ ΣΤΟΝ ΠΛΑΝΗΤΗ? Σήμερα είναι διαθέσιμα στην αγορά υπάρχουν περισσότερα από 2000 καταναλωτικά προϊόντα με βάση τη Νανοτεχνολογία. Η αγορά της Νανοτεχνολογίας αναμένεται να φτάσει στα 2,5 τρισεκατομμύρια δολάρια το 2015 ενώ η παγκόσμια αγορά της νανοτεχνολογίας αναμένεται να αυξάνεται με μέσο ετήσιο ρυθμό αύξησης της τάξης του 19% κατά το διάστημα 2013-2017.

Επιπλέον προβλέπεται ότι η παγκόσμια βιομηχανίας της νανοτεχνολογίας θα συνεχίσει να διαδραματίζει όλο και πιο κεντρικό ρόλο σε άλλους τομείς . Συγκεκριμένα η εφαρμογές της νανοτεχνολογίας στον τομέα των υλικών, της ενέργειας των καλλυντικών , της υγείας, της άμυνας και των ηλεκτρονικών θα τροφοδοτήσει κύρια την ανάπτυξη της αγοράς.

Τέλος, σύμφωνα με προβλέψεις έως το 2015 το 15% των βιομηχανικών προϊόντων παγκοσμίως θα ενσωματώνουν τη Νανοτεχνολογία ενώ το αντίστοιχο ποσοστό όσον αφορά τα προϊόντα προηγμένης τεχνολογίας θα φτάσει το 50%.

ΠΟΣΕΣ ΕΤΑΙΡΕΙΕΣ

ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΕΧΟΥΝ ΔΗΜΙΟΥΡΓΗΘΕΙ ΜΕΧΡΙ ΣΗΜΕΡΑ? Σήμερα υπολογίζεται ότι υπάρχουν περισσότερες από 100.000 εταιρίες που σχετίζονται με τα προϊόντα Νανοτεχνολογίας. Οι κύριοι κλάδοι στους οποίους εμπλέκονται οι εταιρίες αυτές αφορούν τα υλικά, τα ηλεκτρονικά, τα χημικά, την ενέργεια και το περιβάλλον, την πληροφορική, τις τηλεπικοινωνίες, τα φαρμακευτικά και ιατρικά προϊόντα και την αεροδιαστημική

ΕΙΝΑΙ ΑΛΗΘΕΙΑ ΟΤΙ Η ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΕΠΗΡΕΑΖΕΙ ΟΛΟΥΣ ΤΟΥΣ ΤΟΜΕΙΣ ΚΑΙ ΚΛΑΔΟΥΣ ΤΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΙ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑΣ? Η Νανοτεχνολογία είναι η πρώτη παγκόσμια ερευνητική δραστηριότητα του 21 αιώνα. Αφορά όλες τις τεχνολογίες που αποτελούν τη βάση για τη λύση τεχνολογικών προβλημάτων ή το 'συνδετικό κρίκο' για την συνεργασία και αλληλεπίδραση τεχνολογιών όπως της βιοτεχνολογίας, ιατρικής, μηχανικής, πληροφορικής, φυσικής, χημείας, βιολογίας, και τηλεπικοινωνιών [1] με ένα παράδειγμα ότι 'άνοιξε την πόρτα' για την μηχανική σε μοριακό επίπεδο.

Οι εφαρμογές της Νανοτεχνολογίας υπόσχονται μεγαλύτερη και πιο ισότιμη πρόσβαση στη γνώση και στις πληροφοριες, σε νέες θεραπευτικές λύσεις, στη βελτίωση του περιβαλλοντικού ελέγχου, μεγαλύτερη ασφάλεια και προστασία, διευρυμένες ικανότητες επικοινωνίας και πολλές άλλες βιομηχανικές και κοινωνικές επιπτώσεις.

Η Νανοτεχνολογία έχει τη δυνατότητα να ενσωματώνεται όλο και περισσότερο σε υπάρχοντα προϊόντα ή διεργασίες για τη βελτιστοποίηση των διαδικασιών παραγωγής και για τη παραγωγή βελτιωμένων προϊόντων με ενισχυμένα χαρακτηριστικά. Σε εμπορικούς όρους, οι πελάτες και οι χρήστες έχουν μόνο γνώση νανοτεχνολογικών προιόντων μέσω της σημαντικά αυξημένης λειτουργικότητας τους μια και μεμονωμένα τα προιόντα δεν είναι ορατά στο ανθρώπινο μάτι.

Από οικονομικής άποψης, τα προϊόντα που βασίζονται στην Νανοτεχνολογία υπάρχουν στην αγορά, έχουν δημιουργηθεί νεοσύστατες επιχειρήσεις και οι μεγάλες επιχειρήσεις έχουν επενδύσει σε παραγωγικο επίπεδο. Η βασική έρευνα στις Νανοεπιστήμες και Νανοτεχνολογίες προχωραεί με ταχείς ρυθμούς, ο ρυθμός της επιστημονικής ανάπτυξης και παραγωγης μεγαλώνει μέχρι 10 % ετησίως, και τα καινοτόμα προϊόντα αυξάνονται. Αυτοι είναι και οι κύριοι λογοι που η Νανοτεχνολογία αποτελεί αντικείμενο για επικείμενες επενδύσεις. Η αγορά της Νανοτεχνολογίας υπολογίζεται να φτάσει τα 35.5 δις Ευρώ μέχρι το 2017 [2].

Ο όρος χρησιμοποιήθηκε επίσης στις πρώτες περιγραφές των νανοσωλήνων άνθρακα, καθώς και για την κρυσταλλική αύξηση του γραφενίου και τους πολυκυκλικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες. Μεγαλύτερα μόρια ή φύλλα γραφενίου (έτσι ώστε να μπορούν να θεωρηθούν ως πραγματικά απομονωμένοι 2D κρύσταλλοι) δεν μπορούσαν να δημιουργηθούν.Οι στρώσεις γραφίτη προηγουμένως (αρχής γενομένης από τη δεκαετία του 1970) προέρχονταν από κρυσταλλική αύξηση από τα άλλα υλικά. Αυτό το «κρυσταλλικά αυξανόμενο γραφένιο» αποτελείται από ένα μόνοατομικού πάχους εξαγωνικό πλέγμα των sp2 δεσμών των ατόμων άνθρακα, όπως και στο αυτοτελές γραφένιο. Ωστόσο, υπάρχει σημαντική μεταφορά φορτίου από το υπόστρωμα στο κρυσταλλικά αυξανόμενο γραφένιο και σε ορισμένες περιπτώσεις υβριδοποίησης μεταξύ των d τροχιακών των ατόμων υποστρώματος και των τροχιακών π του γραφενίου, η οποία μεταβάλλει σημαντικά την ηλεκτρονιακή δομή του κρυσταλλικά αυξανόμενου γραφενίου.Στρώσεις γραφίτη παρατηρήθηκαν με μικροσκοπία μετάδοσης ηλεκτρονίων (ΤΕΜ) σε ακατέργαστα υλικά, ιδίως σε αιθάλη που λήφθηκε με χημική αποφλοίωση. Υπήρξαν επίσης πολλές προσπάθειες για να κατασκευαστούν πολύ λεπτές ταινίες από γραφίτη με μηχανική αποφλοίωση (από το 1990 και μέχρι μετά

το 2004), αλλά κανένα από αυτά που παρήχθησαν δεν ήταν λεπτότερο των 50 με 100 στρωμάτων.Ένα σημαντικό βήμα προόδου στην επιστήμη του γραφενίου ήρθε όταν ο Andre Geim και ο Kostya Novoselov στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ κατάφεραν να εξάγουν μονοατομικού πάχους κρυσταλλίτες (γραφένιο) από ακατέργαστο γραφίτη το 2004. Οι ερευνητές έβγαλαν στρώματα γραφενίου από γραφίτη και τα μετέφεραν σε λεπτό διοξείδιο του πυριτίου πάνω σε δίσκο πυριτίου σε μια διαδικασία που αποκαλείται μικρομηχανική διάσπαση. Το διοξείδιο του πυριτίου απομονωμένο ηλεκτρικά από το γραφένιο αλληλεπίδρασε ασθενώς με το γραφένιο, παρέχοντας στρώματα ουδέτερα φορτισμένα.Η τεχνική μικρομηχανικής διάσπασης οδήγησε άμεσα στην πρώτη παρατήρηση του ανώμαλου κβαντικού φαινομένου του Hall στο γραφένιο, το οποίο παρείχε άμεση απόδειξη της θεωρητικά προβλεπόμενης π φάσης του Berry των χωρίς μάζα φερμιονίων του Dirac στο γραφένιο. Το ανώμαλο κβαντικό φαινόμενο Hall στο γραφένιο αναφέρθηκε μέσω προσομοίωσης από τους Geim και Novoselov καθώς και τους Philip Kim και Yuanbo Zhang από το Πανεπιστήμιο Κολούμπια.Η θεωρία του γραφενίου διερευνήθηκε για πρώτη φορά από τον Φίλιπ Ρ. Γουάλας το 1947 ως αφετηρία για την κατανόηση των ηλεκτρονιακών ιδιοτήτων του πιο περίπλοκου 3D γραφίτη. Η αναπτυσσόμενη χωρίς μάζα εξίσωση Dirac τονίστηκε πρώτα από τους Gordon W. Semenoff και David P. DeVincenzo και Eugene J. Mele. Ο Semenoff υπογράμμισε την εμφάνιση του ηλεκτρονιακού επιπέδου Landau σε ένα μαγνητικό πεδίο ακριβώς στο σημείο Dirac. Αυτό το επίπεδο είναι υπεύθυνο για το ανώμαλο κβαντικό φαινόμενο Hall. Αργότερα, ενιαίες στρώσεις γραφενίου παρατηρήθηκαν άμεσα με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο.Πιο πρόσφατα, δείγματα γραφενίου παρασκευασμένα σε ταινίες του νικελίου, καθώς και σε πυριτίο αλλά και σε ανθρακικό καρβιδίο του πυριτίου, ανέδειξαν την ανώμαλο κβαντικό φαινόμενο Hall απευθείας σε ηλεκτρικές μετρήσεις. Γραφιτικά στρώματα σε μορφή άνθρακα καρβιδίου του πυριτίου δείχνουν το φάσμα Dirac σε υπό γωνία φωτοεκπομπή, και το ανώμαλο κβαντικό φαινόμενο Hall παρατηρείται με συντονισμό κυκλοτρόνιου και πειράματα σήραγγας.

Το γραφένιο προσφέρει επίσης μια εξαιρετική αναλογία συμπυκνωμένης ύλης. Από την άλλη πλευρά, αν και είναι αναπόσπαστο μέρος των 3D υλικών, το γραφένιο θεωρήθηκε ότι δεν μπορεί να υπάρξει σε ελεύθερη κατάσταση και ότι είναι ασταθές στο σχηματισμό κυρτών δομών όπως η αιθάλη, τα φουλερένια και οι νανοσωλήνες. Ξαφνικά, το μοντέλο έγινε πραγματικότητα, όταν βρέθηκε μόνιμα ελεύθερο γραφένιο τρία χρόνια μετά και ιδίως όταν η πειραματική παρακολούθηση επιβεβαίωσε ότι η μεταφορά φορτίου του ήταν πράγματι φερμιόνια Dirac χωρίς μάζα.[1]

Ένας απλός μη τεχνικός προσδιορισμός έχει δοθεί στο γραφένιο:Το γραφένιο είναι ουσιαστικά ένα απομονωμένο ατομικό επίπεδο του γραφίτη. Τα γραφενικά επίπεδα έχουν χωριστεί ακόμη καλύτερα σε παρεμβαλλόμενες ενώσεις γραφίτη. Το 2004 οι φυσικοί από το Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ και Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής Τεχνολογίας στην Chernogolovka της Ρωσίας μέτρησαν τις ηλεκτρονικές ιδιότητες των νιφάδων που λαμβάνονται και τους έδειξε φανταστική ποιότητα.

Το 2004, οι Ρώσοι ερευνητές πήραν γραφένιο από μηχανική αποφλοίωση του γραφίτη. Χρησιμοποίησαν συνεκτική ταινία για να χωρίσουν επανειλημμένα κρύσταλλους γραφίτη σε όλο και περισσότερο λεπτύτερα κομμάτια. Η ταινία με τις επικολλημένες οπτικά διαφανείς νιφάδες διαλύθηκε σε ακετόνη και μετά από μερικά περαιτέρω βήματα, οι νιφάδες συμπεριλαμβανομένων των μονοστρωμάτων είχαν κατακαθίσει σε ένα πλακίδιο πυριτίου. Τα μεμονωμένα ατομικά στρώματα απομονώθηκαν σε ένα οπτικό μικροσκόπιο.Ένα χρόνο αργότερα, οι ερευνητές απλοποίησαν την τεχνική και άρχισαν την ξηρά απόθεση, αποφεύγοντας το στάδιο που το γραφένιο επιπλέει σε ένα υγρό. Οι σχετικά μεγάλοι κρυσταλλίτες (πρώτα, μόνο μερικά μικρόμετρα σε μέγεθος αλλά, τελικά, μεγαλύτεροι από 1 χιλιοστό και ορατοί με γυμνό μάτι) λήφθηκαν από αυτή την τεχνική. Αναφέρεται συχνά ως μέθοδος κολλητικών ταινιών ή σχεδιαστική μέθοδος. Το τελευταίο όνομα εμφανίστηκε επειδή η ξηρά απόθεση μοιάζει με σχέδιο ενός κομματιού γραφίτη.Το κλειδί για την επιτυχία ήταν πιθανώς η χρήση της υψηλής ρυθμοαπόδοσης οπτικής αναγνώρισης του γραφενίου σε κατάλληλα

επιλεγμένο υπόστρωμα, το οποίο παρέχει μια μικρή αλλά αξιοπρόσεχτη οπτική αντίθεση.Ηλεκτρονικές ιδιότητεςΤο γραφένιο είναι εντελώς διαφορετικό από τα περισσότερα συμβατικά τρισδιάστατα υλικά. Το φυσικό γραφένιο είναι ένα ημι-μέταλλο ή μηδενικού κενού ημιαγωγός. Η κατανόηση της ηλεκτρονικής δομής του γραφένιου είναι το σημείο εκκίνησης για την εξεύρεση της δομής των ζωνών του γραφίτη. Συνειδητοποιήθηκε νωρίς ότι η σχέση E-k είναι γραμμική για χαμηλές ενέργειες κοντά στις έξι γωνίες των δισδιάστατων εξαγωνικών ζώνεων Brillouin, που οδηγεί σε μηδενική ενεργή μάζα για τα ηλεκτρόνια και τις οπές. Λόγω αυτής της γραμμικής (ή " κωνικής ") διασποράς, η σχέση σε χαμηλές ενέργειες, τα ηλεκτρόνια και τις οπές κοντά σε αυτά τα έξι σημεία, δύο εκ των οποίων είναι μη ισοδύναμα, συμπεριφέρονται σαν σχετικιστικά σωματίδια, περιγράφεται από την εξίσωση Dirac για σωματίδια με spin 1 / 2. Ως εκ τούτου, τα ηλεκτρόνια και οι οπές ονομάζονται φερμιόνια Dirac, και οι έξι γωνιές της ζώνης Brillouin ονομάζονται σημεία Dirac. Η εξίσωση που περιγράφει τη σχέση E-k είναι E=ħvF(kx2 +ky2)1/2 όπου η ταχύτητα Fermi είναι VF ~ 106 m / s.Οπτικές ιδιότητεςΟι μοναδικές ηλεκτρονικές ιδιότητες του γραφενίου παράγουν μια απροσδόκητα μεγάλη αδιαφάνεια για μία ατομική μονή στρώση, με εκπληκτικά απλή τιμή: απορροφά πα ≈ 2,3% του λευκού φωτός, όπου α είναι η σταθερά της τέλειας δομής. Αυτό είναι συνέπεια της ασυνήθιστα χαμηλής ενέργειας της ηλεκτρονικής δομής του μονοστρωματικού γραφενίου το οποίο αναδυκνείει ηλεκτρόνια και οπές κωνικής ζώνης που συναντιούνται μεταξύ τους στο σημείο Dirac που είναι ποιοτικά διαφορετικό από τις πιο κοινές τετραγωνικές συμπαγείς ζώνες.Αυτό έχει επιβεβαιωθεί πειραματικά, αλλά η μέτρηση δεν είναι αρκετά ακριβής ώστε να αποδειχθεί με άλλες τεχνικές για τον καθορισμό της σταθεράς της τέλειας δομής.Πρόσφατα έχει καταδειχθεί ότι το κενό ζωνών του γραφενίου μπορεί να συντονιστεί από 0 έως 0.25 eV (περίπου 5 μικρόμετρα μήκος κύματος) με εφαρμογή της τάσης σε τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (FET) διπλής πύλης διπλοστρωματικού γραφενίου σε θερμοκρασία δωματίου. Η οπτική απόκριση των νανοκορδέλων

γραφενίου έχει αποδειχθεί να είναι συντονίσιμη σε περιβάλλον τεραχερτζ (terahertz) μέσω ενός εφαρμοσμένου μαγνητικού πεδίου.Μαγνητικές ιδιότητεςΗ μαγνητική διάταξη στον άνθρακα μπορεί να αποδοθεί σε ατομικές ατέλειες που έχουν μαγνητική ροπή. Για παράδειγμα στην εικόνα 3 μπορεί να υπάρχουν adatoms στην επιφάνεια του φύλου (Α), είτε κενό άνθρακα (Β), είτε άκρο που τελειώνει με σχήμα ζιγκ-ζάγκ (C). Η περιοχή μέσα στην εστιγμένη γραμμή περικλείει τη μοναδιαία κυψελίδα μιας μαγνητικής ταινίας σε γραφένιο, που έχει σπιν 1/2, και οι προεξοχές παριστάνουν άτομα υδρογόνου. καθεμιά από αυτές τις ατέλειες πιστεύεται ότι μπορεί να επάγει μια μαγνητική ροπή, αλλά δεν είναι ακόμη γνωστό πως αυτές οι ροπές αλληλεπιδρούν για να παράγουν μια μαγνητική μακροσκοπική διάταξη. [8]

Γραφένιο: η τεχνολογική επανάσταση του μέλλοντος – Οι εφαρμογές

Τα τελευταία χρόνια η έρευνα έχει στραφεί στο καινοτόμο υλικόγραφένιο, γεγονός που υποδεικνύει έναν διαρκώς εντεινόμενο ανταγωνισμό για την ηγεσία μιας πιθανής τεχνολογικήςεπανάστασης.Επιχειρήσεις κυρίως από χώρες της Ασίας, κατοχυρώνουν από το 2007 ακόμα δικαιώματα ευρεσιτεχνίας πάνω σε διάφορες εφαρμογές του γραφενίου, ενώ το 2012 το ενδιαφέρον εντάθηκε.Το γραφένιο ανακαλύφθηκε το 2004 και αποτελείται από ένα μοναδικό στρώμα από άτομα άνθρακαγεγονός που το καθιστά το λεπτότερο υλικό που κατασκευάστηκε ποτέ,με τεράστιες προοπτικές, από εφαρμογή στους ηλεκτρονικούς υπολογιστές και τα φωτοβολταϊκά μέχρι την ιατρική.Ωστόσο, ο αριθμός των πατεντών -το πρώτο βήμα για τη μετατροπή μιας ουσίας που βρίσκεται ακόμα στο εργαστήριο σε κέρδος- δείχνει έναν πολύ έντονο παγκόσμιο ανταγωνισμό.

Σύμφωνα με το CambridgeIP έχουν κατατεθεί 7.351 πατέντες με επίκεντρο το γραφένιο τα τελευταία χρόνια.Σε εταιρικό επίπεδο, στην κούρσα αυτή πρωταγωνιστεί η Samsung από τη Νότια Κορέα με 407 πατέντες, ενώ η αμερικανική IBM ακολουθεί με 134.Σε εθνικό επίπεδο ηγείται η Κίνα με 2.200 πατέντες και ακολουθούν οι ΗΠΑ με 1754.Μικρή ιστορία του γραφενίουΟ όρος γραφένιο πρωτοεμφανίστηκε το 1987, προκειμένου να περιγράψει μονά φύλλα γραφίτη ως ένα από τα συστατικά των ενώσεων παρεμβολής γραφίτη (GICs).Ο όρος χρησιμοποιήθηκε επίσης στις πρώτες περιγραφές των νανοσωλήνων άνθρακα, καθώς και για την κρυσταλλική αύξηση του γραφενίου και τους πολυκυκλικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες. Μεγαλύτερα μόρια ή φύλλα γραφενίου (έτσι ώστε να μπορούν να θεωρηθούν ως πραγματικά απομονωμένοι 2D κρύσταλλοι) δεν μπορούσαν να δημιουργηθούν.Ένα σημαντικό βήμα προόδου στην επιστήμη του γραφενίου ήρθε όταν ο Andre Geim και ο Kostya Novoselov στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ κατάφεραν να εξάγουν μονοατομικού πάχους κρυσταλλίτες (γραφένιο) από ακατέργαστο γραφίτη το 2004.ΕφαρμογέςΠολυμερή σύνθετα με ενίσχυση γραφενίου: Απλώνοντας ένα μικρό ποσό γραφενίου σε κάποιο πολυμερές, οι ερευνητές έφτιαξαν σκληρά και ελαφρά υλικά. Η ηλεκτρική συμπεριφορά στα σύνθετα μπορεί να αντέξει πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες από ότι τα πολυμερή μόνα τους.Τα πολυμερή μπορούν να εγχυθούν με νανοσωλήνες άνθρακα για να φτιάξουν υλικά με παρεμφερείς ιδιότητες.Επίσης το γραφένιο ενδέχεται να έχει μικρότερη τοξικότητα από νανοσωλήνες άνθρακα.Μια δημοσίευση στο περιοδικό Nature Nanotechnology διαπίστωσε ότι μεγάλοι νανοσωλήνες άνθρακα προκαλούν τις ίδιες τοξικές αντιδράσεις σε ποντίκια, όπως αυτές του αμίαντου. Η ανησυχία είναι ότι οι νανοσωλήνες άνθρακα μπορούν να μιμούνται τις ίνες αμιάντου, οι οποίες είναι αρκετά λεπτές για να διεισδύσουν στους πνεύμονες και να προκαλούν καρκίνο.Το γραφένιο, από την άλλη πλευρά, το οποίο είναι ένα νανόμετρο μόνο σε πάχος, είναι αρκετά μεγάλο στις δύο άλλες διαστάσεις. και δεν θα είναι σε θέση να περάσει από τα εμπόδια του αίματος στον εγκέφαλο ή στα κύτταρα, αναφέρει ο Lawrence Drzal, διευθυντής του Κέντρου Σύνθετων Υλικών και Δομών στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν.—Δοχεία και συσκευασίες, ανεμογεννήτριες και φωτοβολταϊκάΤα πολυμερή σύνθετα με ενίσχυση γραφενίου είναι ιδανικά για ελαφριές δεξαμενές βενζίνης και πλαστικά δοχεία που διατηρούν τη φρεσκάδα των τροφίμων για εβδομάδες.

Θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν για να φτιάξουν ελαφρύτερα και με μικρότερη κατανάλωση καυσίμων αεροσκάφη και εξαρτήματα αυτοκινήτων, καθώς και ισχυρότερες ανεμογεννήτριες, ιατρικά εμφυτεύματα, και αθλητικό εξοπλισμό.Επιπλέον, είναι καλοί αγωγοί του ηλεκτρισμού και θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να φτιαχτούν διαφανής αγώγιμες επιστρώσεις για ηλιακές κυψελίδες και οθόνες.—Εύκαμπτες οθόνες και κυκλώματαTo γραφένιο είναι εύκαμπτο και εξαιρετικά καλός αγωγός του ηλεκτρισμού. Επίσης, είναι ένα υλικό πιο σκληρό κι από το διαμάντι. Θα μπορούσε λοιπόν να βρει χρήση σε εύκαμπτες οθόνες του υπολογιστή, σε μοριακά ηλεκτρονικά και σε νέες ασύρματες επικοινωνίες.—ΎφανσηΔημιουργήθηκε ένα νέο υλικό, το οξείδιο του γραφενίου, που μπορεί να διπλωθεί, να ζαρωθεί και — μέχρι ενός σημείου — να τεντωθεί. Αλλά παρόλο ότι έχει το ίδιο πάχος με το συνηθισμένο χαρτί (μόλις ένα χιλιοστό του χιλιοστού) είναι πολύ δύσκαμπτο και εξαιρετικά ανθεκτικό, ισχυρίζονται οι εφευρέτες του.Το γραφένιο, αρχικά είχε απομονωθεί το 2004, είναι ένα φύλο γραφίτη πάχους ενός μόνου ατόμου που, εκτός των μοναδικών ηλεκτρονικών ιδιοτήτων που έχει, είναι πολύ ισχυρό. Το υλικό αυτό είναι πιο σκληρό κι από το διαμάντι, αποτελείται από άτομα άνθρακα διατεταγμένα σε ένα επίπεδο, αντί σε τρεις διαστάσεις όπως συμβαίνει με το ατομικό πλέγμα του γραφίτη. Αν αφεθούν ελεύθερα, αυτά τα επίπεδαφύλλα άνθρακα «τσαλακώνονται» και σχηματίζουν άμορφες μάζες.Ομάδα από το Βορειοδυτικό Πανεπιστήμιο στο Σικάγο έχει ανακαλύψει ότι μεγάλες ποσότητες οξειδωμένου γραφενίου μπορούν να ‘υφανθούν’ μαζί και να δημιουργήσουν έναν νέο τύπο “χαρτιού” που είναι πιο δύσκαμπτο και ισχυρότερο από άλλα λεπτά υλικά.Συγκεκριμένα δημιούργησαν το νέο υλικό από επικαλυπτόμενα φύλλα οξειδίου του γραφενίου, ενωμένα όπως τα κεραμίδια μιας στέγης χάρη σε δεσμούς υδρογόνου. Επίσης, διπλώνεται σχετικά εύκολα αλλά σκίζεται πολύ δύσκολα.—Το γραφένιο στην αποθήκευση του υδρογόνουΜια ομάδα Ελλήνων ερευνητών σχεδίασε ένα νέο υλικό από φύλλα γραφένιου, με στόχο την αποθήκευση υδρογόνου, ανακάλυψη που μπορεί να επιταχύνει την ανάπτυξη οχημάτων, τα οποία χρησιμοποιούν το υδρογόνο ως εναλλακτική πηγή ενέργειας. Το νέο υλικό σχεδόν πληροί τις προδιαγραφές του υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, σχετικά με την αποθήκευση του υδρογόνου, που είναι εκρηκτικό αέριο.Οι Κρητικοί ερευνητές Γιώργος Δημητρακάκης, Εμμανουήλ Τυλλιανάκης και Γιώργος Φρουδάκης, σε εργασία τους που έχει δημοσιευτεί στο περιοδικό «Nano Letters» της Αμερικανικής Χημικής Εταιρίας, αναφέρουν ότι οι επιστήμονες, εδώ και καιρό,

αναζητούν τρόπους για να χρησιμοποιήσουν νανοσωλήνες άνθρακα με στόχο την αποθήκευση υδρογόνου στις κυψέλες καυσίμων των αυτοκινήτων. Οι νανοσωλήνες είναι μικροσκοπικοί κύλινδροι άνθρακα, περίπου 50.000 φορές λεπτότεροι από το πλάτος μιας ανθρώπινης τρίχας. Στόχος των ερευνών είναι η χρήση αυτών των νανοσωλήνων, ως αποθηκευτικών χώρων στην επόμενη γενιά κυψελών καυσίμων.Οι Έλληνες ερευνητές χρησιμοποίησαν ηλεκτρονικούς υπολογιστές για να σχεδιάσουν μια μοναδική δομή αποθήκευσης υδρογόνου, που αποτελείται από παράλληλα φύλλα γραφένιου (στρώματα άνθρακα με πάχος μόλις ενός ατόμου), τα οποία στη συνέχεια σταθεροποιούνται από κάθετες στήλες νανοσωλήνων άνθρακα.Επίσης, πρόσθεσαν ιόντα λιθίου στο σχεδιασμό του νέου υλικού για να βελτιώσουν την αποθηκευτική του δυνατότητα.Σύμφωνα με τις εκτιμήσεις των τριών επιστημόνων, το νέο υλικό (pillared graphene) μπορεί θεωρητικά να αποθηκεύσει μέχρι 41 γραμμάρια υδρογόνου ανά λίτρο, σχεδόν καλύπτοντας τις αντίστοιχες προδιαγραφές του αμερικανικού υπουργείου Ενέργειας (45 γρ. ανά λίτρο) για εφαρμογές στις μεταφορές.Το επόμενο βήμα, κατά τους ερευνητές, θα είναι η κατασκευή του νέου υλικού και η δοκιμασία του στην πράξη.—Το λεπτότερο μπαλόνι του κόσμουΧρησιμοποιώντας το γραφένιο, ερευνητές του Πανεπιστημίου Cornell στις ΗΠΑ δημιούργησαν μια μεμβράνη σαν μπαλόνι που έχει πάχος μόνο ένα άτομο, αλλά είναι αρκετά δυνατή ώστε να αντέχει σε εσωτερικές πιέσεις αρκετών ατμοσφαιρών.Σε αντίθεση με τα λαστιχένια μπαλόνια, τα οποία ο αέρας διαρρέει, έστω και με μικρή ταχύτητα, το μπαλόνι από γραφένιο είναι τόσο αδιαπέραστο ώστε συγκρατεί ακόμα και τα πολύ μικρά άτομα του αέριου ήλιου.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ