Grafen – cudowny materiał przyszłości

Świat oszalał na punkcie grafenu. Ta dwuwymiarowa alotropowa odmiana węgla już niebawem może zrewolucjonizować elektronikę i wyprzeć krzem z mikroprocesorów. Co takiego niezwykłego jest w grafenie? Czy faktycznie materiał ten wprowadzi nas w nową erę technologiczną?

Grafen to jedna z alotropowych form węgla. Został odkryty w 2004 r. przez rosyjsko-brytyjską parę naukowców: Konstantina Novoselova i Andre Geima, za co 6 lat później zostali oni uhonorowani nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki. Ojcowie projektu przyznają, że seria zbiegów okoliczności sprawiła, że odkryto grafen. Udało się go wyizolować bezpośrednio z grafitu, a jako podłoża użyto… zwykłej taśmy samoprzylepnej. Novoselov i Geim przyklejali do taśmy kawałki grafitowego rysika z ołówka, a następnie je analizowali. Za którymś razem udało się otrzymać dwuwymiarową formę węgla, która jest bardzo wytrzymała, a ponadto świetnie przewodzi ciepło i elektryczność. Do tego momentu naukowcy z całego świata nie wierzyli, że jednoatomowa warstwa jakiegokolwiek materiału może być stabilna.

Szósty odcień alotropii

Aby zrozumieć, co niezwykłego jest w grafenie, warto przyjrzeć się pozostałym alotropowym odmianom węgla. Najbardziej znaną i jednocześnie najbardziej powszechną odmianą węgla jest grafit. Dzięki swoim właściwościom fizycznym (dobry przewodnik ciepła, prądu i odporny na wysoką temperaturę) powszechnie wykorzystuje się go do produkcji elektrod, materiałów kompozytowych czy wkładów do ołówków.

Drugą szeroko wykorzystywaną formą węgla jest diament. Z powodu wysokiej ceny jest przede wszystkim kojarzony z jubilerstwem. Ponieważ jest to najtwardszy materiał występujący w przyrodzie, dobrze przewodzi ciepło, jest izolatorem elektrycznym i trudno go stopić, stosuje się go do produkcji materiałów ściernych, past termoprzewodzących, narzędzi tnących czy igieł fonograficznych.

Ponad 30 lat temu odkryto kolejną alotropową formę węgla – fulereny. Do tej pory jednak nie udało się opracować wydajnych i opłacalnych metod wytwarzania fulerenów, a ponadto nie znaleziono odpowiedniego dla nich zastosowania. Fulereny to struktury niezwykłe, bo tworzą zamkniętą, pustą w środku bryłę o kształcie przypominającym piłkę do futbolu amerykańskiego. Liczba obecna przy nazwie fulerenu (50, 70 czy 540) określa liczbę atomów węgla, z których się struktura składa.

Jeszcze inaczej wyglądają nanorurki węglowe. Jak sama nazwa wskazuje, mają postać pustych w środku walców, chociaż są bardzo wytrzymałe. Wiąże się z nimi ogromne nadzieje na przyszłość, choć – podobnie jak w przypadku fulerenów – nie ma obecnie opłacalnych metod wytwarzania nanorurek.

Przeprowadzone symulacje komputerowe wykazały, że może istnieć alotropowa forma węgla jeszcze twardsza od diamentu – lonsdaleit. Uczeni nie mogą jednak potwierdzić tych informacji, gdyż lonsdaleit do tej pory odnaleziono w śladowych ilościach w meteorytach, i to na dodatek nie wszystkich. Nie wiadomo ile lonsdaleitu jest we Wszechświecie, ale naukowcy są przekonani, że to najmniej rozpowszechniona odmiana węgla w przyrodzie.

Grafen to natomiast klucz do przyszłości, nie tylko elektroniki. Materiał ten ma szereg unikatowych cech, których łącznie nie da się znaleźć w żadnym innym materiale, co najwyżej osobno. Grafen jest aż 100 razy twardszy od stali, a przy tym wyjątkowo elastyczny – można go rozciągnąć o 20%. Jest superlekki, a przy tym niemal całkowicie przezroczysty – zatrzymuje 2% padającego światła. Co najważniejsze – jest najlepszym znanym fizyce przewodnikiem ciepła i prądu. Wszystko to jest konsekwencją jego budowy. Grafen składa się z pojedynczej warstwy atomów węgla, tworzących połączone pierścienie sześcioczłonowe. Pomiędzy atomami węgla występują wiązania o długości 0,0142 nm. Mimo iż to Geim i Novoselov w 2004 r. pierwsi wyizolowali grafen, to w 1962 r. właściwości takiej hipotetycznej odmiany węgla opisał Hanns-Peter Boehm.

Czempion wśród materiałów

Kiedy przeprowadzono szczegółowe badania nad grafenem okazało się, że ma niezwykłe właściwości. Oto te najważniejsze:

• Wytrzymałość i elastyczność. Grafen jest bardzo cienki, a jednocześnie niezwykle wytrzymały. Można go bez przeszkód rozciągać nawet o 20%, bez jakiejkolwiek utraty wytrzymałości. Fizycy określili granicę sprężystości grafenu w zakresie 1 TPa, a moduł Younga na 0,5 TPa. Te cechy najbardziej interesują przemysł wojskowy, bo z grafenu można by wykonać całkiem solidną kamizelkę kuloodporną lub nawet cały kombinezon. Samochody, samoloty i okręty wykonane z grafenu mogą stać się lżejsze, bardziej energooszczędne i odporne na warunki środowiskowe.

• Świetne przewodnictwo elektryczne. Jedna z ważniejszych cech grafenu, która może zaprowadzić go do ery nowej elektroniki. Fizycy ustalili, że elektrony w grafenie poruszają się aż 200 razy szybciej niż w krzemie stosowanym na co dzień. Firma IBM wykonała grafenowy tranzystor (w procesie technologicznym 240nm), który jest w stanie pracować z częstotliwością do 100 GHz. Uczeni z UCLA poszli krok dalej i w 129-nanometrowym procesie technologicznym opracowali tranzystor z częstotliwością 300 GHz. To jednak nie koniec, bo podobno jest możliwe opracowanie grafenowego tranzystora z zegarem 1 THz.

• Świetne przewodnictwo cieplne. Pomiary przewodnictwa cieplnego wykazały, że ten parametr w grafenie wynosi 4840+/-440 do 5300+/-480 W/mK, czyli dwa razy więcej niż diament!

• Wysoka przepuszczalność i czułość na światło. Grafen jest niemal całkowicie przezroczysty – pochłania tylko 2,3% światła – a mimo tego przez jego pojedynczą warstwę nie przedostaną się nawet atomy helu. Dzięki temu, grafen nadaje się do produkcji przezroczystych, zwijanych wyświetlaczy dotykowych czy wydajnych ogniw słonecznych. Może także przydać się w fotografii, szczególnie tej amatorskiej, w przypadkach, w których zdjęcia nie wychodzą w warunkach słabego oświetlenia. Uczeni z NTU w Singapurze stworzyli grafenowy przetwornik obrazy, 1000 razy bardziej czuły na światło niż cokolwiek innego.

• Zdolność do magazynowania energii. Opracowanie grafenowych akumulatorów może okazać się prawdziwym strzałem w dziesiątkę. Zasad działania ogniw w bateriach nie zmienimy – i tak będziemy musieli je ładować. Sęk w tym, jak często będziemy musieli to robić oraz ile cały ten proces zajmie czasu. Naukowcy z UCLA stworzyli prototyp grafenowych baterii, które gwarantują większą wydajność i żywotność niż standardowo stosowane ogniwa. Naładowanie dzisiejszych baterii w smartfonach, przy założeniu, że byłyby grafenowe, zajęłoby 5 sekund, a laptopów nie więcej niż 30 sekund. Apple, Samsung – co Wy na to?

• Antyseptyczny charakter. Grafen ma właściwości bakteriobójcze i antyseptyczne. Skutecznie zabija m.in. bakterie E.coli, dzięki czemu można go zastosować do produkcji sterylnych pojemników, a w przyszłości, być może także i bandaży, które będą także oczyszczały i goiły ranę, a nie tylko tamowały krwotok.

• Możliwość modyfikacji i łączenia. Grafen jest materiałem, który bez większych problemów można połączyć z innymi substancjami, nawet o pochodzeniu biologicznym. Może być także dodatkiem do stopów metali czy tworzyw sztucznych, zmieniając tym samym ich właściwości.

• Pozytywny wpływ na przyrodę i odporność na korozję. Uczeni z Uniwersytetu Vanderbilt wykazali, że po dodaniu powłoki z grafenu do niklu i miedzi, metale te korodują znacznie wolniej – miedź 7 razy, a nikiel aż 20 razy. To wszystko przy pozostaniu substancją przyjazną dla środowiska naturalnego. Tlenek grafenu może pochłaniać radionuklidy i tym samym być wykorzystywany choćby do oczyszczania skażonej wody. Proces trwa zaledwie kilka minut i można się spodziewać, że będzie jeszcze usprawniany.

Możliwości zastosowania grafenu są praktycznie nieograniczone. Elektronika, lotnictwo, budownictwo, medycyna, wojsko, energetyka to tylko niektóre dziedziny życia, z których specjaliści stale pracują nad implementacją grafenu.

Grafenowe Eldorado

Odkrycie grafenu przez Novoselova i Geima było iskrą zapalną do zainteresowania się tym materiałem nie tylko w skali czysto naukowej, ale i przemysłowej. Średnio raz w tygodniu jest rejestrowany nowy patent związany z grafenem. Szacuje się, że do 2020 r. sprzedaż produktów opartych na grafenie osiągnie wartość blisko 680 mld $. Udział w „grafenowym wyścigu” opłaca się, bo każdy uczestnik zdaje sobie sprawę, że profity w przyszłości będą jeszcze większe. Dotyczy to także polskich laboratoriów, które nie odstają od światowej czołówki. Największe szanse na dominację mają jednak firmy takie jak IBM czy Samsung, które w ostatnich latach wydały na badania nad grafenem grube miliony dolarów. Nikt nie oczekuje natychmiastowych efektów, ale już wkrótce mogą pojawić się pierwsze owoce tych prac.

Zastosowany przez Novoselova i Geima sposób wytwarzania grafenu w żadnym stopniu nie nadawał się do przeniesienia go do skali przemysłowej. Naukowcy udostępnili wszelkie informacje dotyczące otrzymywania cząsteczek konkurencyjnym zespołom badawczym, dzięki czemu w ostatnich latach zaobserwowano prawdziwy boom w tej kwestii. Do niedawna jednak grafen był uznawany za najdroższy materiał na naszej planecie – centymetr kw. kosztował ok. 100 mln $. Powód był prosty – proces produkcji polegający na mechanicznym złuszczaniu kolejnych warstw był bardzo pracochłonny, a przy tym wcale nie odznaczał się nadzwyczajną wydajnością. Innym problemem jest fakt, że bardzo trudno wytworzyć duże płachty grafenu. W przyrodzie materiał ten występuje zazwyczaj w drobnych kompleksach.

Dzięki rozwinięciu różnych metod otrzymywania grafenu, znacznie spadła jego cena rynkowa. Teraz za centymetr kw. grafenu trzeba zapłacić ok. 100 $, zatem progres w stosunku do pierwotnej ceny jest znaczący. Warto zadać sobie pytanie: co dalej? Zainteresowanie grafenem na świecie wciąż nie maleje, a to dlatego, że materiał ten jest tak wszechstronny. Na grafenowej rewolucji mogą skorzystać przedmioty z praktycznie każdej sfery życia codziennego. Potomkowie technologicznych dzieci Novoselova i Geima prędzej czy później zawitają w naszych domach. Pytanie tylko: gdzie i kiedy powstanie Dolina Grafenowa?