Nowe materiały - grafen i zastosowanie grafenu

W porównaniu ze stalą jest 2-krotnie twardszy, 6-krotnie lżejszy, 10-krotnie bardziej wytrzymały na rozciąganie i aż 13-krotnie bardziej elastyczny. Co to jest za materiał? Grafen, czyli nowy materiał zbudowany z pojedynczej warstwy specyficznie ułożonych atomów węgla.

Grafen, odkryty w 2004 roku, już w roku 2010 przyniósł badającym go naukowcom nagrodę Nobla z fizyki. Czy Andriej Gejm i Konstantin Nowosiołow tworząc grafen - alotropową formę węgla, składającą się z pojedynczej warstwy atomów tego pierwiastka, mogli przewidzieć w jak wielu dziedzinach ten niezwykły nowy materiał znajdzie zastosowanie?

Dzięki grafenowi mogą powstać lżejsze i bardziej wytrzymałe materiały stosowane w kosmonautyce, przemyśle lotniczym, samochodowym i budowlanym. Ale na pierwszym miejscu jest elektronika. Dzięki bardzo dobremu i szybkiemu przewodnictwu prądu już niedługo zastąpi on krzem. W elektronice może wyprzeć mikroprocesory produkowane w technologii krzemowej, a w telekomunikacji może usprawnić proces dostarczania energii. Pozwoli też zmniejszyć jej straty. Już prowadzone są zawansowane badania na temat grafenu w zastosowaniach medycznych a także w ochronie środowiska. Według najnowszych doniesień, tlenek grafenu w formie unoszących się w wodzie płatków potrafi z łatwością pochłaniać radionuklidy, dzięki czemu już wkrótce można będzie dużo łatwiej usuwać skażenia promieniotwórcze.

Jakie właściwości ma grafen?

• Jest 100 razy mocniejszy niż stal a jednocześnie niezwykle elastyczny.
• Jest prawie przezroczysty (pochłania ok. 2,3% światła).
• Ma grubość tylko jednego atomu i niezwykłą budowę – pojedyncze atomy tworzą siatkę typu plaster miodu.
• Przewodzi prąd lepiej niż miedź.
• Jest także świetnym przewodnikiem ciepła.
• Ma właściwości bakteriobójcze.
• Nie przepuszcza gazów.
• Potrafi usuwać skażenia promieniotwórcze. 

I co równie ważne, składa się z pierwiastka, którego na Ziemi nie brakuje. Co stoi więc na przeszkodzie, by grafen już od razu znalazł zastosowanie w wielu dziedzinach? Problemem są sposób oraz koszty produkcji. Na razie wytwarza się niewielkie ilości grafenu. Pracują nad tym naukowcy w wielu regionach świata (w tym także w Polsce).

Prace nad przemysłowym wytwarzaniem grafenu

Na razie najbardziej zaawansowani są Koreańczycy. Grafen można bowiem wykorzystać do produkcji nowego typu ekranów (dotykowych lub ciekłokrystalicznych), paneli baterii słonecznych, komputerów. Dotychczas wszystkie nowoczesne urządzenia opierają się na półprzewodnikach z krzemu. Naukowcy przewidują jednak, że już niedługo przemysł dojdzie do końca możliwości miniaturyzacji układów krzemowych. Wtedy niezbędny stanie się grafen.

W Polsce również trwają zaawansowane prace nad grafenem. Promuje je Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. Dr Włodzimierz Strupiński z ITME (Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych) powiedział, że choć w wielu sferach zastosowań grafenu nie dogonimy już innych krajów (dotyczy to np. wykorzystania grafenu w ekranach dotykowych w Korei Płd., która prowadzi nad tym bardzo zaawansowane prace) to nasza polska technologia pozyskiwania grafenu jest bardzo obiecująca i Polska może dla siebie znaleźć pewne nisze. Polskim naukowcom (z ITME oraz Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego) udało się bowiem pójść dalej niż Koreańczykom i opracowali sposób produkowania dużych płacht grafenu wysokiej jakości. Polska mogłaby produkować taki supernowoczesny materiał i eksportować go na zasadzie półfabrykatu czy surowca.

Zastosowanie grafenu i nowe wynalazki z udziałem grafenu

Inny potencjalny obszar zastosowań grafenu to inżynieria materiałowa, z tym że jakość produkowanego grafenu musiałaby być bardzo wysoka. Grafen można bowiem łączyć z innymi materiałami, np. kauczukiem czy tworzywami sztucznymi. Przez to materiałom tym nadaje się zupełnie inne w własności. Dzięki dodaniu grafenu do gumy mogłaby ona na przykład przewodzić ciepło.

Badania nad grafenem i jego zastosowaniem prowadzą do wielu, czasem zaskakujących wynalazków. I co więcej coraz to dochodzą nowe innowacyjne zastosowania i wynalazki.

• Niezwykle wytrzymały papier… przewodzący prąd. Profesor Guoxiu Wang i jego zespół z UTS opracowali technologię wytwarzania grafenowego papieru ze zmielonego grafitu, poddanego procesom oczyszczania i filtrowania. Dzięki temu powstał nanomateriał o nowych właściwościach. Składa się on z pojedynczej warstwy sześcioatomowego węgla, a dzięki odpowiednio dobranej strukturze papieru osiągnięto świetne właściwości termiczne, elektryczne i mechaniczne.
• Niezawodne elastyczne uszczelki. Dodanie grafenu miałoby duże znaczenie przy produkcji uszczelek i uszczelnień wszelkiego rodzaju. W USA prowadzone są zaawansowane badania nad stuprocentowo pewnymi uszczelnieniami w kosmonautyce. Katastrofa wahadłowca Challenger w 1986 r. była spowodowana wyciekiem paliwa przez uszczelkę, która w straciła elastyczność w wyniku mrozu.
• Sieci przesyłowe w energetyce. Jeden z polskich instytutów współpracuje już z operatorem sieci energetycznych. Być może połączenie grafenu z aluminium pomoże usprawnić proces dostarczania energii elektrycznej oraz zmniejszy straty energii podczas jej przesyłania.
• Mikroprocesory. Dzięki swoim "cudownym" właściwościom, takim jak np. bardzo dobre przewodnictwo prądu, grafen zastąpi prawdopodobnie krzem w elektronice. A także przyśpieszy działanie mikroprocesorów, nawet do 500 razy, ponieważ przewodzi on prąd ok. 30 razy szybciej.
• Ochrona środowiska. Naukowcy z Uniwersytetu Rice'a oraz z Uniwersytetu Moskiewskiego przeprowadzili eksperymenty, które wykazały, że tlenek grafenu potrafi pochłaniać radionuklidy (zarówno naturalne jak i stworzone przez człowieka) tworząc bryły, które z łatwością można potem usunąć. Dzieje się tak, ponieważ płatki grafenu mają ogromną powierzchnię. Naukowców zadziwiła jednak prędkość reakcji - płatki tlenku grafenu były w stanie oczyścić radioaktywną wodę w ciągu zaledwie kilku minut, a ich praca nie była zaburzana nawet przez obecność w wodzie wapnia czy sodu.
• Nowe super lekkie samoloty. W porównaniu ze stalą nowy materiał jest sześciokrotnie lżejszy, ma pięć do sześciu razy mniejszą gęstość, jest dwukrotnie twardszy, znacznie bardziej elastyczny i 10-krotnie bardziej wytrzymały na rozciąganie. Dzięki temu mogą powstać lżejsze i bardziej wytrzymałe samoloty albo nawet samochody, które będą zużywały mniej paliwa i wydzielały o wiele mniej spalin.
• Półprzewodniki. Jednowarstwowy grafen można wykorzystywać jako tzw. barierę tunelową. Berry Jonker wraz z innymi badaczami z US Naval Research Laboratory (NRL) wykazali, że grafen może służyć jako doskonała bariera tunelowa, gdy prąd jest skierowany prostopadle do płaszczyzny atomów węgla. Dodatkowo jest to materiał odporny na uszkodzenia, chemicznie obojętny i trwały. Ważne odkrycie, które może być istotne dla spintroniki (nowej technologii, która wykorzystuje ładunek elektronu i tzw. spin elektronu) polega także na tym, że zachowana jest polaryzacja spinowa prądu. Właściwości te mogą być wykorzystywane do stworzenia z grafenu kontaktów spinowych o słabej wytrzymałości, takich które są kompatybilne z metalem ferromagnetycznym i półprzewodnikiem. Wyniki tych badań są kluczowe dla półprzewodnikowych urządzeń spintronicznych, w tym tranzystorów bazujących na spinach, logice i pamięci. Poprawi się zatem wydajność półprzewodnikowych urządzeń spinotronicznych zapewniając wyższy stosunek sygnału do szumu i lepszą prędkość operacyjną.
• Powłoki antykorozyjne. Naukowcy z amerykańskiego Uniwersytetu Vanderbilt przeprowadzili badanie, podczas którego metodą osadzania z fazy gazowej nanieśli grafenową powłokę na powierzchnię miedzi i niklu. Po wystawieniu próbek na czynniki korozjotwórcze okazało się, że zabezpieczona miedź korodowała 7 razy wolniej od odsłoniętej, a nikiel - 20 razy wolniej. Takie powłoki mogą znaleźć zastosowanie w urządzeniach elektrycznych i elektronicznych.