Grafen, druga młodość polskiego węgla

To właśnie dzięki grafemowi w polskich naukach ścisłych coś w końcu drgnęło. Kilka lat temu Polakom udało się wyprzedzić inne europejskie instytuty i opracować sposób jego produkcji.

Plaster miodu z taśmy

Tego materiału nie można zobaczyć gołym okiem. Dopiero zastosowanie mikroskopu sił atomowych, który wyświetla obraz o rozdzielczości umożliwiającej dostrzeżenie poszczególnych atomów, ujawnia maleńki prostokąt grabenu o wymiarach 1 na 2 mikrometry, umieszczony pomiędzy dwiema malutkimi elektrodami wykonanymi ze złota i tytanu. Z powodu znikomej grubości grabenu nie można wziąć do ręki. Jest zbyt cienki, by sam stanowił powierzchnię, więc zawsze nakłada się go na jakieś podłoże.

Mówi się, że Grafen ma tylko dwa wymiary: długość i szerokość. W rzeczywistości jest to dwuwymiarowość nie do końca prawdziwa, istnieje bowiem trzeci wymiar grafenu, choć ze względu na grubość – zaledwie jednego atomu – łatwo go przeoczyć. W wielkim powiększeniu struktura grafenu przypomina plaster miodu. To elastyczny i bardzo lekki plaster, w dodatku ponad sto razy bardziej wytrzymały niż stal i świetnie przewodzący elektryczność – elektrony mogą się w nim poruszać nawet
100 tys. razy szybciej niż w krzemie. Badacze nie znają też substancji, która przewodziłaby ciepło lepiej niż grafen.

Materiał ten łączy więc w sobie wiele cech wymarzonych przez inżynierów, którzy zakasali rękawy i zabrali się do wymyślania, jak go wykorzystać. To, do czego doszli, wygląda bardzo obiecująco, bo detektory stanowią dopiero początek zastosowań grafenu.

Tablet, który można zwinąć w rulonik, wkrótce może przestać być tylko fantazją. Koreańczycy chcą produkować giętkie dotykowe wyświetlacze, w których grafen ma zastąpić wykorzystywany dziś tlenek cynowo-indowy. Amerykanie próbowali wzmacniać nowym materiałem rakiety tenisowe, a jeden z tamtejszych koncernów chce go wykorzystać przy produkcji filtrów do odsalania wody. Ponieważ dzięki grafenowi można wykrywać nawet pojedyncze molekuły, planuje się wykorzystanie go w detektorach gazów, zaś membrany z tlenku grafenu znacznie ułatwiłyby... destylację wódki.

Zastosowania plasterka węgla można mnożyć: grafenu da się użyć w przemyśle spożywczym, budowlanym, medycznym, maszynowym, motoryzacyjnym, lotniczym, kosmicznym, wojskowym i elektronicznym. Jednak zanim zacznie zmieniać świat, musimy wymyślić lepsze metody jego wytwarzania. I właśnie w tej dziedzinie polscy naukowcy, którzy opracowali metodę hodowli tej odmiany węgla, odnieśli pierwsze sukcesy.

Ugniatanie ciasta

Dr Włodzimierz Strupiński przyznaje jednak, że mimo wielu możliwości zastosowań, z grafenem są na razie same kłopoty. – Potrafimy tworzyć pojedynczą warstwę węgla nawet na dużej płytce, ale jego jakość nie jest taka jak płatka oderwanego od bryłki grafitu – wyjaśnia. – Taki płatek jest w istocie oddzielnym płaskim kryształkiem. Większa ilość grafenu nie tworzy już jednak dużego płaskiego kryształu, ma więc gorsze właściwości. Ciągle dążymy do niedościgłego wzoru, który matka natura dała w postaci płatka wyrwanego z grafitu – mówi Strupiński.

Doktorowi Judkowi z Politechniki Warszawskiej walka z grafenem przypomina pieczenie ciasta. – Mamy bardzo długi przepis i listę precyzyjnych czynności, które trzeba wykonać w odpowiedniej kolejności – wyjaśnia fizyk. – Jeśli się pomylimy, może z tego nie wyjść nawet zakalec – uśmiecha się.

Kiedy po zmaganiach z budulcem materiał uda się wyprodukować, sprawdza się jego jakość: powinien być idealnie czysty i równy. Jeśli np. do uzyskanego polikryształu przyczepi się cząsteczka wody, może on zyskać zupełnie nieprzewidziane i niepożądane właściwości. Być może to z powodu takich trudności, oprócz ekranów dotykowych i stosowanego do zapisu bardzo zagęszczonych informacji atramentu grafenowego, nie ma jeszcze spektakularnych produktów wykorzystujących grafen. Jeszcze niedawno zapowiadano, że grafen zastąpi w układach scalonych krzem, ale już wiadomo, że tak się nie stanie.

– Pomimo unikatowych własności grafen posiada też poważne ograniczenia. W elektronice cyfrowej podstawą jest tranzystor mogący pozostawać w stanie włączonym i wyłączonym. Uzyskanie tego efektu w tranzystorze grafenowym okazało się bardzo trudne – tłumaczy dr Zdrojek. – Bardziej prawdopodobna wydaje się więc rewolucja w elektronice analogowej, gdzie głównym parametrem urządzenia jest jego szybkość – dodaje.

Z tego zboża może być chleb

Współpraca VIGO System z Politechniką Warszawską nie stanowi wyjątku. Naukowo-przemysłowe konsorcja pracujące nad zastosowaniem grafenu powstawały ostatnio jak grzyby po deszczu. W zeszłym roku Narodowe Centrum Badań i Rozwoju przeznaczyło dla nich w sumie prawie 650 milionów złotych. Wymogiem uzyskania grantu była współpraca z przemysłem.

Zdaniem doktora Strupińskiego z ITME Polacy powinni znaleźć odpowiednie dla siebie nisze. Po pierwsze warto wytwarzać sam materiał, a więc wysokiej jakości grafen. – Będziemy wtedy sprzedawać zboże, z którego dopiero później ktoś inny zrobi chleb – wyjaśnia. To zboże bardzo by się przydało już teraz, na przykład ekipie doktora Zdrojka, która połowę potrzebnych materiałów musi ściągać ze Stanów Zjednoczonych.

Chce to zmienić firma Seco/Warwick, która razem z ITME i Politechniką Łódzką pracuje nad specjalnymi piecami do przemysłowej produkcji grafenu. Jak zapowiada Wojciech Modrzyk, wiceprezes firmy, Politechnika dostarczy prototyp już w listopadzie, a urządzenia do wytwarzania płytek wielkości 400x600 mm będą dostępne na rynku w przyszłym roku. Cena takiego cacka może się wahać od kilku do kilkunastu milionów złotych.

Oprócz płytek opłaca się także produkować tani proszek grafenowy, który można wykorzystać do specjalnych past i atramentów, a także produkty finalne niewymagające bardzo zaawansowanej technologii. – Mogą to być przede wszystkim różnego rodzaju czujniki i detektory – mówi doktor Strupiński.

Nawet jeśli niektóre z pomysłów na wykorzystanie grafenu nie sprawdzą się, to bardzo prawdopodobne, że i tak będzie on masowo stosowany, podobnie jak dziś tworzywa sztuczne – również w Polsce. Nie jest wykluczone, że grafenowych gadżetów nie będziemy musieli sprowadzać z Chin.

Warto wiedzieć:

  • 1 cm3 superlekkiego aerożelu z grafenu waży 0,16mg
  • Grafenowa płytka o powierzchni centymetra kwadratowego warta jest dziś 60 euro
  • Tablet zwijany w rulon to już nie fantazja. Grafen pozwoli na produkcję giętkich wyświetlaczy
  • Zespół dr. Włodzimierza Strupińskiego z warszawskiego Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych opatentował pierwszą w Europie metodę przemysłowej produkcji grafenu.

Jak zrobić sobie grafen w domu

Uzbrojony w gogle, rękawice, ochraniacze na buty i czepek dokładnie oczyść warsztat pracy z kurzu i włosów. Zaopatrz się w wafel utlenionego na powierzchni krzemu – posłuży za podłoże, na którym będzie lepiej widać pod mikroskopem wyprodukowany przez ciebie grafen. Oczyść powierzchnię wafla mieszaniną kwasu solnego i nadtlenku wodoru. Na taśmie klejącej długości około 15 cm umieść płatek grafitu. Złóż taśmę, tak aby grafit znajdował się między jej warstwami.

Następnie powtórz sklejanie i rozklejanie taśmy – nawet dziesięć razy, aż otrzymasz na miejscu grafitu wzór przypominający plamę atramentu. Do †aśmy z grafitem przyłóż wafel. Plastikowymi szczypcami przytrzymaj wafel i ostrożnie odrywaj taśmę. Nie powinno to zająć ci więcej niż 60 sekund.

Na koniec umieść wafel pod mikroskopem z obiektywem o powiększeniu 100x. Wśród drobin grafitu powinieneś – jeśli będziesz miał szczęście – dostrzec przezroczysty, ułożony warstwami grafen. (Źródło: Scientific American).

Jak wytwarza się grafen przemysłowo

Grafen przypomina plaster miodu. Elastyczny i bardzo lekki plaster, w dodatku ponad sto razy bardziej wytrzymały niż stal i świetnie przewodzący prąd. Jak go wyprodukować? Jako pierwsi w Europie metodę produkcji grafenu na potrzeby przemysłu wymyślili Polacy. Sposób przypomina hodowlę – polega na osadzaniu wybranego związku węgla na specjalnym podłożu albo odparowaniu substancji zawierającej węgiel. Powstały tak grafen bywa zanieczyszczony (wodą lub innymi związkami chemicznymi), może też mieć niewłaściwą strukturę, a w rezultacie – nieodpowiednie właściwości.

Istnieje też inny sposób jego produkcji: eksfoliacja, czyli odrywanie (chemiczne, przy użyciu taśmy lub ultradźwięków) warstw węgla od kawałka grafitu. Tak powstaje grafen świetnej jakości, ale metodę tę da się stosować niemal wyłącznie w laboratorium.

Po co nam grafen?

Komputery - nobliści Gejm i Nowosiołow pracują nad zastosowaniem grafenu w układach scalonych.
Protezy - grafen jest lekki i świetnie przewodzi elektryczność, dlatego posłuży do unowocześnienia protez ludzkich kończyn.
Panele słoneczne - właściwości grafenu umożliwią produkcję tańszych, lżejszych i wytrzymalszych baterii.
Telefony komórkowe - Nokia pracuje nad przezroczystymi urządzeniami mobilnymi na baterie słoneczne.
Samoloty - dzięki grafenowi komponenty samolotów mogą być lżejsze i wytrzymalsze, a zużycie paliwa niższe.

Autor: Tomasz Augustyniak

Źródło: www.focus.pl

Dodaj komentarz

CAPTCHA
Przepisz kod z obrazka.