Grafen to materiał, z którym naukowcy wiążą ogromne nadzieje. Dzięki jego dwuwymiarowej strukturze wykazuje on właściwości pozwalające w teorii ominąć w wielu dziedzinach bariery narzucone przez dotychczas stosowane tam materiały. Niestety, grafen ma też swoje wady, w znaczący sposób utrudniające jego masowe wykorzystanie.

Grafen

Jeszcze kilka lat temu wydawało się, że grafen będzie wspaniałym materiałem przyszłości, który pozwoli rozwiązać szereg bolączek współczesnej technologii. Największe nadzieje z szybkim upowszechnieniem grafenu wiązał przemysł półprzewodnikowy. Grafen może bowiem zastąpić dotychczas powszechnie wykorzystywany krzem. Jego właściwości pozwalają na zbudowanie znacznie szybszych i bardziej energooszczędnych procesorów do naszych komputerów i smartfonów.
Duże nadzieje wiąże się również z możliwością wykorzystania grafenu do produkcji elastycznych ekranów dotykowych przeznaczonych do kolejnej generacji urządzeń mobilnych oraz elektroniki  ubieralnej. Elastyczny, grafenowy ekran bez problemu mógłby być np. wmontowany bezpośrednio w ubranie sportowca.

Antyseptyczne właściwości grafenu pozwalają z kolei myśleć o jego zastosowaniach w medycynie, np. przy tworzeniu elastycznych i wytrzymałych materiałów opatrunkowych, a zdolność grafenowych membran do mikrofiltracji można wykorzystać do usuwania niekorzystnych substancji z organizmu. Wykorzystując grafenowe membrany da się również oczyszczać wodę, w tym uzdatniać do picia wodę morską, tanio i ekologicznie destylować mocne alkohole czy pozbywać się bakterii z mleka w procesach jego przeróbki. Wszystko to dzięki odpowiednim, chemicznym modyfikacjom grafenu. Do jego powierzchni bez przeszkód można doczepić dowolną grupę organiczną lub organiczny związek chemiczny. Co ciekawe, duże nadzieje dotyczące filtracji wiąże się z tlenkiem grafenu, który jest całkowicie nieprzepuszczalny dla wielu substancji, nawet dla atomów helu, przy czym sam doskonale przepuszcza parę wodną.

Właściwości mechaniczne grafenu, związane z jego płaską, heksagonalną, przypominającą plaster miodu strukturą, dają nadzieję na budowę lżejszych i bardziej wytrzymałych konstrukcji. Na przykład przemysł zbrojeniowy planuje wykorzystać go w produkcji lekkich i bardzo mocnych pancerzy czołgów czy wytrzymałych kuloodpornych kamizelek dla żołnierzy. Materiałem tym zainteresowany jest też przemysł samochodowy, lotniczy i kosmiczny.

 

Twardszy od stali, lekki niczym piórko, przezroczysty jak szkło

Właściwości grafenu są naprawdę niezwykłe. Doskonale przewodzi on prąd elektryczny i ciepło – jest jednym z najlepszych znanych na świecie przewodników ciepła i prądu. Jego rezystywność to ok. 10-8 Ω⋅m, jest więc ona lepsza od najlepszych przewodników wśród metali, takich jak np. srebro (1,59×10−8 Ω⋅m) czy miedź (1,72×10−8 Ω⋅m). Wystarczy jednak prosta obróbka chemiczna, aby z idealnego przewodnika stał się on idealnym izolatorem  – np. dołączając do niego atomy wodoru (powstaje wówczas tzw. grafan) lub poddając grafen działaniu fluoru. W reakcji tej powstaje fluorografen. Co więcej, kontrolując procesy uwodornienia czy fluorowania można uzyskać stany pośrednie przewodzenia prądu, niezbędne do zastosowania grafenu w roli półprzewodnika zastępującego krzem. Grafan jest też punktem wyjścia do otrzymywania nadprzewodników.

Warto też wspomnieć o tym, że prędkość przepływu elektronów w grafenie jest gigantyczna i wynosi 1/300 prędkości światła (1000 km/s), a zmierzona ruchliwość elektronów w temperaturze pokojowej to około 200 000 cm2/Vs, podczas gdy dla krzemu jest to „zaledwie” 1500 cm2/Vs. Z kolei przewodność cieplna grafenu to ok. 5000 W/mK. Dla porównania srebro może się pochwalić przewodnością cieplną na poziomie „jedynie” 429 W/mK.

Grafen jest też wyjątkowo wytrzymały mechanicznie – ponad dwieście razy wytrzymalszy od stali i jednocześnie bardzo lekki. Można go bez problemu rozciągnąć o ponad 20%. Jego wytrzymałość na rozciąganie wynosi 130 GPa, w porównaniu do ok. 0,4 GPa dla stali konstrukcyjnej, czy 0,37 dla aramidu (kevlaru). Mimo tego, że grubość grafenowej foli to zaledwie grubość pojedynczej warstwy atomów węgla (0,345 nm), która jest milion razy cieńsza od kartki papieru, to bardzo trudno jest ją przebić. Jednym z najlepiej przemawiających do wyobraźni przykładów, jest ten w którym naukowcy mówią o tym, że gdybyśmy grafenową płachtę naciągnęli na szklankę, nie bylibyśmy w stanie jej przebić nawet zaostrzonym ołówkiem, na którym postawilibyśmy… słonia (sic!). Sam grafen jest też wyjątkowo lekki, a jego gęstość (masa właściwa) to około 1,8 g/cm3 (2,2 g/cm3 dla grafitu). Jeden kilometr kwadratowy grafenowej foli waży zaledwie 757 gramów, a więc mniej więcej tyle ile ultrabooki.
Pojedyncza warstwa grafenu zatrzymuje zaledwie 2,3% padającego na niego światła. Materiał ten, jak już wspomnieliśmy, może więc stanowić doskonałe tworzywo służące do budowy giętkich wyświetlaczy. Jak się szacuje, 20 kg tego materiału wystarczyłoby, aby pokryć wszystkie wyprodukowane do tej pory ekrany urządzeń dotykowych ochronna warstwą. Co więcej, grafen wykazuje tendencje do samoistnego usuwania uszkodzeń (tzw. samoleczenia) swojej heksagonalnej struktury. Wystarczy wystawić uszkodzoną, grafenową folię na działanie węglowodorów lub poddać bombardowaniu atomami węgla.

 

Uzyskiwanie grafenu nie jest takie proste

Już w chwili wyizolowania grafenu w 2004 roku przez późniejszych laureatów z nagrody Nobla Andre Geima i Konstantina Novoselowa (teoretycznie jego istnienie przewidział w 1947 roku prof. P. R. Wallace’a, a w 1962 zaobserwował go za pomocą dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego Hanss-Peter Boehm) wiadomo było, że jego produkcja na większą skalę, ze względu na dwuwymiarową strukturę, nie będzie łatwa. Co gorsza, grafen jest materiałem niestabilnym termodynamicznie i sam z siebie będzie pękał, powstawać będą w nim defekty sieci krystalicznej oraz będą się też tworzyły warstwy polikrystaliczne. Oznacza to, że taki materiał będzie miał w znacznym stopniu bardziej właściwości grafitu, a nie grafenu.

Na szczęście, jak okazało się w praktyce struktury grafenowe zawierające powyżej 6 tys. atomów węgla są wystarczająco stabilne pod względem termodynamicznym, samoistnie nie pękają i nie tworzą warstw polikrystalicznych. Struktury grafenowe zawierające powyżej 25 tys. atomów są już uznawane za termodynamicznie stabilne. Dzięki temu możliwe jest otrzymywanie w miarę dużych warstw grafemu, nie jest to jednak wciąż dwuwymiarowa grafenowa folia.

To co udaje się obecnie uzyskać, najlepszym na świecie producentom grafenu, w tym polskim naukowcom z Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, inżynierom z firmy Nano Carbon czy  naukowcom z Politechniki Łódzkiej, to tak naprawdę popękane, zdefektowane i polikrystaliczne pojedyncze warstwy grafenu. Taki też wygląda sprzedawany grafen, który osadzony został na sporych płytkach miedzi, szkle, krzemie, folii polietylenowej czy węgliku krzemu – jest to polikrystaliczny materiał złożony z kilkunastu warstw o łącznej grubości nie przekraczającej 10 nm i właściwościach zbliżonych do czystego grafenu. W najlepszych laboratoriach na świecie, w tym w wymienionych polskich, udaje się jak do tej pory wytworzyć monokrystaliczne płatki grafenu o wymiarach nie przekraczających 0,1×0,04 mm.

Mimo tych niedoskonałości materiały grafenowe, którymi dysponujemy pozwalają już na swobodne prowadzenie badań naukowych nad różnorodnymi zastosowaniami. Niestety, ich przeskalowanie i rozpoczęcie seryjnej produkcji nie jest jeszcze możliwe. Dla przykładu, naukowcy świetnie radzą sobie z produkcją grafenowych tranzystorów i układów logicznych na niewielką skalę – np. firma Samsung w 2012 roku wyprodukowała pierwszy wafel grafenowy z układami potrafiącymi przełączać się pomiędzy stanami logicznymi 0 i 1, ale do rozpoczęcia ich seryjnej produkcji potrzebne będą niezdefektowane powierzchnie monokrystalicznego grafenu, a tych nie umiemy jeszcze produkować. Jak się szacuje, wytwarzanie odpowiedniej wielkości grafenowych monowarstw będzie możliwe najwcześniej za około 8-10 lat.

 

Zawiedzione nadzieje?

Mimo ponad dziesięcioletniej już historii rozwoju technologii otrzymywania grafenu wciąż jest to materiał przyszłości. Przede wszystkim, z niewielkimi wyjątkami, nie udało się rozpocząć procesu komercjalizacji produktów wykorzystujących grafen. Wielu naukowców i inwestorów coraz częściej mówi o rozczarowaniu związanym z tym materiałem – dla wielu z nich grafen przestał być już tak atrakcyjny jak na początku. Zdano też sobie sprawę, że opracowanie komercyjnych technologii wymaga więcej czasu i pieniędzy. Obecnie nakłady finansowe związane z grafenem przynoszą niewielkie zwroty z inwestycji, a notowania giełdowych firmy związanych z grafenem przeszły załamanie.

Jednak nie wszyscy naukowcy, biznesmeni i inwestorzy zwątpili w grafen. Na rozwój technologii grafenowych stawia koreański Samsung, który stał się jednym z największych producentów tego materiału na świecie. Rośnie też liczba chińskich firm produkujących grafen. Jednak firmy z Państwa Środka skupiły się nie na produkcji monowarstwowych folii grafenowych, ale na wytwarzaniu metodami chemicznymi z grafitu płatków grafenu. Materiał ten można wykorzystać do modyfikacji właściwości fizykochemicznych tworzyw sztucznych, smarów, farb a nawet tonerów i atramentów do drukarek.

W Europie, oprócz Polaków do grafenowego wyścigu włączyli się Brytyjczycy. Firma Cambridge Nanosystems otworzyła w Cambridge nowy zakład produkujący grafenowy proszek. Wykorzystuje on  nowatorską, opatentowaną metodę produkcji przy zastosowaniu reaktora plazmowego. Na Grafenowy proszek w reaktorze zamieniany jest biogazu zawierający głownie metan. Możliwości ośrodka nowego produkcyjnego pozwalają na wytwarzanie grafenu na skalę przemysłową. Cambridge Nanosystems deklaruje, że może dostarczać rocznie aż pięć ton tego materiału. Nowa brytyjska fabryka nie zaszkodzi jednak interesom polskich producentów grafenu. Nasze firmy wyspecjalizowały się w przemysłowym wytwarzaniu monowarstw grafenu na powierzchni miedzi i krzemu. Większe moce produkcyjne ma tylko koreański Samsung, ale jego grafen nie jest sprzedawany na rynku komercyjnym.

 

Żarówka uratuje grafen

Pierwszym produkowanym na większą skalę komercyjnym produktem wykorzystującym grafen są… rakiety tenisowe firmy HEAD. Do jej produkcji wykorzystano proszek grafenowy, którego zadaniem jest wzmocnienie konstrukcji rakiety przy jednoczesnym obniżeniu masy – grafen osadzony został w matrycy z żywicy epoksydowej. Pierwszymi użytkownikami nowych rakiet byli min. Novak Djokovic i Maria Szarapowa, których zaproszono do testów i promocji nowych rakiet. Najlżejsza rakieta z serii GRAPHENE waży zaledwie 255 gramów. Co ciekawe, firma HEAD postanowiła chronić patentem nie tylko rakiety z dodatkiem grafenu, ale także narty, deski snowboardowe, kije golfowe, odzież, kaski i obuwie.

Rakiety tenisowe nie są jednak sprzętem, który może uratować komercyjną przyszłość grafenu. Tym produktem może się okazać żarówka LED. Tuż przed świętami świat obiegła wieść o wyprodukowaniu przez naukowców z uniwersytetu w Manchesterze, tym samym na którym w 2004 roku wyizolowano pierwsze próbki grafenu, grafenowej żarówki LED. Co więcej, grafenowa żarówka ma kosztować zaledwie 15 funtów i będzie dostępna w sklepach jeszcze w tym roku!

Jak zapewniają jej twórcy, nowa żarówka ma zużywać o ok. 10 proc. mniej energii elektrycznej w porównaniu z żarówkami LED o tej samej mocy świetlnej. Ma być też znacznie bardziej trwała. Wspomniana żarówka to pierwszy komercyjny grafenowy produkt, pochodzący z nowo utworzonego w Manchesterze narodowego instytutu NGI (National Graphene Institute). Instytut zasilony został dotacją w wysokości 61 milionów funtów. Anglicy mają więc nadzieję, że grafen to rzeczywiście materiał przyszłości, choć na razie nie, aż tak obiecujący w zastosowaniach komercyjnych, jak myślano o nim jeszcze kilka lat temu.

Polecane: