Grafen – zmarnowana szansa czy ciągła nadzieja?

© seagul - Pixabay

Udostępnij:

Oczekiwania związane z przemysłowym wykorzystaniem grafenu i wiodącą rolą naszego kraju w jego produkcji były olbrzymie, jednak do dziś się nie spełniły i wciąż możemy mówić jedynie o dużym potencjalne tego materiału przyszłości. I choć w wyścigu o miano światowego lidera w wykorzystaniu grafenu Polska nie liczy się wcale, to wciąż to nie powiedzieliśmy ostatniego słowa.

Najbliższa przyszłość powinna pokazać, czy grafen faktycznie zrewolucjonizuje niektóre branże przemysłowe i czy nasz kraj będzie czerpał z tego jakiekolwiek korzyści. Przypomnijmy, że grafen jest jedną z alotropowych odmian węgla o dwuwymiarowej strukturze, która została odkryta w 2004 r. przez zespół fizyków pod wodzą Andrieja Gejma i Konstantina Nowosiołowa (za to odkrycie otrzymali w 2010 r. Nagrodę Nobla z fizyki).


Rewolucyjne połączenie właściwości

Idealny kryształ grafenu zbudowany jest z heksagonalnych pierścieni węglowych, które tworzą nieskończoną warstwę o grubości jednego atomu. Najważniejszą jego cechą jest doskonałe przewodnictwo prądu elektrycznego – nawet przy zerowej koncentracji ładunku elektrycznego. Specyficzny ruch elektronów sprawia, że straty energii w grafenie w porównaniu np. do krzemu są znacznie mniejsze. W dodatku grafen jest doskonałym przewodnikiem cieplnym.

Kolejna istotna cecha to duża wytrzymałość tego materiału. Jego odporność na naprężenia okazała się prawie 200 razy większa od stali. Grafen jest przy tym bardzo elastyczny – wytrzymuje rozciągnięcie o 20% w stosunku do pierwotnego rozmiaru. Ponadto jest przezroczysty – odbija zaledwie 2,3% docierającego do niego światła, a całą resztę przepuszcza. Istotną cechą grafenu jest również możliwość łatwego modyfikowania jego właściwości fizykochemicznych za pomocą obróbki chemicznej.


TOP w kategorii




Niezliczone potencjalne zastosowania

Od momentu pojawienia się pierwszych opracowań na temat grafenu naukowcy z całego niemal świata rozpoczęli szczegółowe badania nad tym materiałem. Bardzo szybko się okazało, przynajmniej w teorii, że potencjalne jego zastosowania są olbrzymie. Przede wszystkim wieszczono rewolucję w elektronice. Wykorzystanie grafenu w budowie procesorów miało znacząco zwiększyć częstotliwość taktowania. Grafenowe układy scalone miały być nawet 30-krotnie szybsze od ich krzemowych odpowiedników, a tranzystory wykonane z tego materiału miały pozwolić na działanie przy znacznie wyższych prądach i napięciach.

Przewidywano również, że wysoka przezroczystość grafenu umożliwi stworzenie bardziej wydajnych diod luminescencyjnych i ogniw fotowoltaicznych, a jego duża wytrzymałość przełoży się na skonstruowanie mocniejszych kompozytów. Dodanie grafenu sprawia bowiem, że materiał staje się lżejszy, mocniejszy, a przy tym bardziej sztywny.

Miejsce dla tej rewolucyjnej odmiany węgla widziano też m.in. w produkcji ekranów dotykowych (również zwijanych), układów LCD, różnego rodzaju czujników, baterii o znacznie dłuższej żywotności, nieparujących szyb, a także w wielorakich zastosowaniach w chemii, medycynie czy biologii.

Polski epizod

Szybko zaczął się wyścig o opracowanie technologii pozwalającej pozyskiwać grafen na skalę przemysłową. Kiedy w 2011 r. udało się to polskim naukowcom z Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych (ITME) oraz Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (opracowali oni metodę uzyskiwania dużych płacht grafenu o wysokiej jakości), wydawało się, że Polska ma szansę stać się znaczącym graczem w tym nowym obszarze. Komercyjny potencjał polskiej technologii był olbrzymi, dlatego już w tym samym roku powstała finansowana z budżetu państwa spółka Nano Carbon.

Szybko jednak się okazało, że prawdziwe zyski zapewni produkcja nie tyle grafenu, ile gotowych wyrobów, które wykorzystują właściwości tego materiału. Niestety Polska w tym wyścigu się zatrzymała, podczas gdy Chiny i Korea inwestowały grube miliony, zgłaszając rocznie ponad połowę wszystkich patentów wykorzystujących rozwiązania oparte na grafenie.

Nad zastosowaniem tego materiału pracują już niemal wszystkie branże – jest on niezwykle atrakcyjny ze względu na wyjątkową wytrzymałość mechaniczną i doskonałe właściwości przewodzenia prądu. Pierwsze produkty oparte na grafenie są już wykorzystywane w świecie urządzeń elektronicznych, np. smartfonów, urządzeń do noszenia na ciele, baterii, superkondensatorów i supersamochodów.

Szansą niższe koszty produkcji grafenu

Europa praktycznie od samego początku w tym wyścigu się nie liczyła, a Polska wręcz do niego nie przystąpiła. Gwoździem do trumny wydawała się decyzja firmy Nano Carbon, która na początku br. wystawiła na sprzedaż swoje urządzenia, w tym reaktor służący do produkcji grafenu. Jak się jednak okazuje, przed naszym krajem otwiera się jeszcze jedna furtka do globalnego rynku grafenu. Naukowcy z ITME, którzy mają już przecież spore doświadczenie w pracach nad tym materiałem, chcą jeszcze w tym roku uruchomić nową linię produkcyjną grafenu i wytwarzać go po znacznie niższych kosztach. Ponieważ dodanie nawet niewielkiej jego ilości (do 1%) do produktów istotnie wpływa na ich cenę końcową, nie są one konkurencyjne. Gdyby więc udało się obniżyć koszty produkcji grafenu, pojawiłaby się szansa na jego wykorzystanie w nowych obszarach.

Polscy naukowcy na razie nie zdradzają, jak zaawansowane są działania, o jakich oszczędnościach mowa i na czym polegałaby nowa technologia produkcji grafenu. Wiadomo jedynie, że ITME pracuje jednocześnie nad nowymi zastosowaniami dla tego materiału. Jednym z przykładów może być stworzony w Instytucie hallotron, jednak prace obejmują też m.in. narzędzia skrawające, gumowe uszczelki, smary grafenowe, ciecze chłodzące do profesjonalnej elektroniki i materiały budowlane.

A może to nie grafen jest przyszłością?

Spore zaskoczenie i poruszenie przyniosły ostatnie wyniki badań chińskich naukowców, którzy pracują nad borofenem, siostrzanym materiałem grafenu. Ma on również strukturę dwuwymiarową, ale odznacza się lepszymi właściwościami niż grafen. Borofen np. jest równie dobrym przewodnikiem elektryczności i ciepła, a przy tym jest bardziej wytrzymały i elastyczny. Chińczycy odkryli także, że jest on mocno reaktywny, dzięki czemu jego potencjalne zastosowania są znacznie szersze niż w przypadku grafenu. Borofen będzie można wykorzystywać np. do zwiększenia mocy litowo-jonowych baterii, co nabiera dużego znaczenia w dobie dynamicznego rozwoju samochodów napędzanych silnikami elektrycznymi.

Jeszcze bardziej rewolucyjne zastosowania pojawiają się w przypadku połączenia tego materiału z wodorem. Pierwiastek ten bardzo łatwo przyczepia się do warstwy borofenu, który może służyć jako magazyn wodoru. Z kolei właściwości katalityczne pozwalają na rozkład wodoru, a także wody, na jony wodoru, skąd już dość blisko do pozyskiwania energii z wody.

Bajka o cudownej przemianie wszystkich niemal dziedzin naszego życia – niczym za dotknięciem czarodziejskiej różdżki – pod wpływem zastosowania grafenu nie miała prawa się ziścić. To proces, który musi potrwać. Jednak wyjątkowe właściwości tego materiału i wynikające z nich korzyści nie pozwolą o nim zapomnieć, czego dowodem są nowoczesne technologie, w których grafen zaczyna odgrywać coraz większą rolę.

Udostępnij:

Drukuj





Wojciech Traczyk



Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również