Grafen, czyli kolejna rewolucja technologiczna
Polska to jeden z najmniej innowacyjnych krajów w Unie Europejskiej – zajmujemy 4. miejsce od końca. Przyczyn tego należy szukać zwłaszcza w niewystarczających nakładach na badania naukowe. Mimo tego co pewien czas polscy naukowcy zaskakują świat nieszablonowym podejściem do problemu. Ostatnio furorę robi grafen uzyskiwany według polskiego pomysłu.
Czym jest grafen?
Grafen to bardzo specyficzny materiał. Jest on odmianą alotropową węgla (podobnie jak diament, grafit, fuleren). Jego struktura przypomina plaster miodu – atomy węgla połączone są w sześciokątne strukturę. Mówi się, że grafen jest materiałem dwuwymiarowym. Jest w tym dużo racji, bo o ile teoretycznie długość oraz szerokość może przyjmować dowolnie duże rozmiary, o tyle grubość jest zawsze taka sama i wynosi tyle ile średnica atomu węgla.
Struktura grafenu
Rozważania na temat występowania w przyrodzie materiałów dwuwymiarowych prowadzono już w latach 50. oraz 60. XX wieku. Prace potwierdzające ich istnienie przeplatały się twierdzeniami, że taka struktura nie może występować. Po kilkudziesięciu latach sporów wątpliwości rozwiali naukowcy z Manchesteru oraz Georgii, którzy w 2004 roku wytworzyli w warunkach laboratoryjnych pierwszy materiał dwuwymiarowy - grafen. Notabene Konstantin Nowosiołow oraz Andriej Gejm, czyli naukowcy, którzy mieli największy wkład w ten sukces, otrzymali w 2010 roku Nagrodę Nobla za to osiągnięcie.
Jak dotychczas produkowano grafen?
Jak już wspomniano wyżej – od 2004 roku potrafimy wytwarzać grafen, głównie poprzez odrywanie plastrów grafenu z grafitu za pomocą taśmy klejącej. Jednak tak pozyskany materiał mógł mieć tylko zastosowanie czysto badawcze. Dlaczego? Przede wszystkim koszty jego wytworzenia były zdecydowanie wyższe niż potencjalne korzyści z jego zastosowania - jeszcze nie tak dawno wyprodukowanie jednego cm² kosztowało miliony dolarów! Po drugie wykorzystywany dotychczas proces produkcyjny nie dawał możliwości produkcji materiału o dostatecznie dużej powierzchni.
Cena grafenu znacząco uległa obniżeniu w 2009 roku, kiedy to koreańscy naukowcy opracowali nową metodę jego pozyskiwania, tzw. CVD (ang. chemical vapor deposition), czyli chemiczne osadzanie z fazy gazowej (tutaj na miedzi). Grafen taki jest jednak w dużym stopniu zanieczyszczony i raczej nie jest możliwe wykorzystywanie go do produkcji chociażby urządzeń elektronicznych. Może on być jednak z powodzeniem stosowany w laboratoriach lub w produkcji ekranów dotykowych.
Gdzie w tym wszystkim są Polacy?
Prawdziwy przełom w produkcji grafenu miał jednak miejsce w 2011 roku kiedy to Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego wraz z Instytutem Technologii Materiałów Elektronicznych opracował unikatową w skali świata metodę pozyskiwania czystego oraz taniego grafenu o stosunkowo dużych powierzchniach na węgliku krzemu.
W grudniu 2013 Polska jako pierwsza na świecie rozpoczęła przemysłową produkcję grafenu. 1 cm² tego materiału kosztuje 300 dolarów. Praktycznym wykorzystaniem naszego rodzimego grafenu zajmuje się polska spółka Nanocarbon, której właścicielami są: KGHM TFI S.A (49%) oraz ARP S.A. (51%).
Obecnie grafen sprzedawany jest głównie do zagranicznych ośrodków badawczych. Nie jest jednak tajemnicą, że prawdziwy sukces może przynieść dopiero komercyjne wykorzystanie tego innowacyjnego materiału. Dlatego też uruchomiono specjalną stronę: www.lem-nano.pl, na której każdy użytkownik może typować jego zdaniem najbardziej odpowiednie obszary, w których można wykorzystać polski grafen
Ale dlaczego grafen jest taki istotny?
Otóż wszystko dzięki ekstremalnym właściwością:
- Fenomenalna przewodność ciepła: od 4840 do 5300 W/mK (dla przykładu miedź – do 400 W/mK)
- Bardzo dobra przewodność elektryczna
- Niska rezystywność: 10-8 Ω x m
- Duża ruchliwość elektronów: μ = 200 000 cm²/Vs (dla przykładu w krzemie – 1500 cm²/Vs)
- Szybki przepływ elektronów: 1/300 c
- Prawie przezroczysty optycznie: pochłania zaledwie 2,3% przechodzącego światła
- Bardzo duża wytrzymałość na rozciąganie: 130 Gpa (dla przykładu stal konstrukcyjna 0.2-0.7 Gpa)
- Membrana grafenowa przepuszcza wodę, ale nie przepuszcza gazów i to nawet helu
- Jest 100 razy twardszy od stali: dla porównywalnej grubości
Gdzie możemy wykorzystać grafen?
Grafen na skalę przemysłowa produkowany jest dopiero od kilku miesięcy. Dlatego bardzo trudno wskazać konkretne zastosowania. Jedno jednak nie ulega wątpliwości – materiał ten zrewolucjonizuje nasze życie. Z pewnością skorzysta na nim: automatyka, medycyna oraz elektronika. Dlatego ilość potencjalnych zastosowań jest ogromna. Aby się o tym przekonać warto przytoczyć prognozy, z których wynika, iż do 2020 roku światowy rynek grafenu będzie wart bagatela … 675 mld dolarów! Dla porównania całe polskie PKB w 2013 roku wynosiło 516,1 mld.
Wiele jednak wskazuje na to, że materiał ten zostanie wykorzystany m.in. w:
| Dziedzina | Zastosowania | Zdjęcia | ||
|---|---|---|---|---|
| Automatyka |
|  | ||
| Elektronika |
|  | ||
| Medycyna |
|  | ||
| Wojsko |
|  | ||
| Inne |
|  |
To oczywiście tylko przykłady zastosowań. Z pewnością w przyszłości pojawią się zupełnie inne niemniej spektakularne pomysły, bo grafen można wykorzystać wszędzie tam, gdzie potrzebny jest super wytrzymały, rozciągliwy oraz przezroczysty materiał o bardzo dobrej przewodności elektrycznej. Dlatego powyższa lista nie jest zamknięta.
Poniżej krótki film, w którym dr inż. Włodzimierz Strupiński tłumaczy czym jest grafen oraz gdzie można go wykorzystać.