Grafen — co to jest i jakie ma właściwości?

Od czasu do czasu ludzkość wynajduje materiał, który potrafi zmienić cały świat nie do poznania. W XX wieku tym materiałem był plastik produkowany na masową skalę od 1907 roku. Dzisiaj gdziekolwiek się nie obejrzymy, widzimy przedmioty wykonane z plastiku. Czy to obudowa elektroniki, czy wszelakiej maści zabawki i akcesoria, czy nawet butelki napojów! Plastik jest wszędzie dookoła nas.

Od kilku lat, wiele osób ze świata nauki uważa, że to właśnie grafen będzie nowym rewolucyjnym materiałem. Takim plastikiem na miarę XXI wieku. W tym artykule opowiemy, co to w ogóle jest grafen, jak się go otrzymuje, jakie są jego wyjątkowe właściwości i co ludzie osiągnęli lub mogą osiągnąć dzięki temu nowemu materiałowi.

Co to jest grafen i kto go wynalazł?

Grafenem nazywamy płaską strukturę złożoną z atomów węgla połączonych ze sobą w idealne sześciokąty. Oznacza to, że sam materiał po odpowiednim przybliżeniu wygląda trochę jak plaster miodu. Grafen jest materiałem wyjątkowym, przede wszystkim przez to, że posiada grubość dokładnie jednego atomu. Z tego powodu, grafen został sklasyfikowany, jako pierwszy na świecie materiał dwuwymiarowy. Dla wyobrażenia sobie samej skali, warto nadmienić, że grubość grafenu jest milion razy mniejsza niż zwykłego ludzkiego włosa. Dwuwymiarowość grafenu daje mu wyjątkowe właściwości, przez które stał się on oczkiem w głowie dla wielu obszarów przemysłu.

O teoretycznej możliwość stworzenia dwuwymiarowej, regularnej struktury węgla rozważał już w latach 40 XX wieku kanadyjski fizyk P.R. Wallace. W tamtych czasach większość uczonych z tego fachu uważała taki pomysł jedynie za mrzonki i prawie jednogłośnie stwierdzali, że wytworzenie takiego materiału jest praktycznie niemożliwe. Na początku lat 80 pojawiły się artykuły sugerujące, że grafen można jednak wytworzyć. Prawdziwy przełom miał miejsce 30 lat później, kiedy to w 2004 grupy naukowców z Georgii i Manchesteru pokazały światu pierwszy wytworzony grafen, który posiadał przewidywane wcześniej właściwości.

Uznaje się, że twórcami grafenu są Konstantin Novoselov oraz Andre Geim. Obaj panowie otrzymali za swoje badania nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2010 roku.

Najważniejsze właściwości grafenu

Grafen zafascynował cały świat głównie przez wzgląd na swoje wyjątkowe właściwości. Jedną z najważniejszych z nich jest sama wytrzymałość omawianego materiału. Pomimo posiadania bardzo cienkiej struktury, grafen jest ponad 100 razy bardziej wytrzymały niż stal o podobnej grubości. Jednocześnie zachowuje on wysoką elastyczność, bo jego strukturę można rozciągnąć nawet o 20%. Oprócz tego grafen jest też niezwykle dobrym przewodnikiem ciepła i elektryczności. W obu tych zastosowaniach radzi on sobie sporo lepiej niż miedź.

Grafen pochłania jedynie 2,3% światła, co sprawia, że jest on prawie całkowicie przeźroczysty. Membrana wytworzona z grafenu nie przepuszcza gazów żadnych gazów (nawet helu), ale bez problemu przepuszcza ciecze. Dodatkowo wykazuje on pewne właściwości bakteriobójcze. Może on więc być stosowany w celach filtracyjnych i w medycynie.

Grafen wykazuje też bardzo dużą ruchliwość elektronów. W temperaturze pokojowej jest ona ponad 100 razy większa niż w przypadku krzemu. Prędkość przepływu elektronów w strukturze grafenu osiąga nawet 1/300 prędkości światła. Ze względu na te właściwości wiele osób widzi przyszłość elektroniki, technologii i półprzewodników właśnie w grafenie.

Jak można wytworzyć grafen?

Na samym początku przygody z grafenem większość osób starała się go wytworzyć z grafitu. Grafit to pospolity i ogólnie dostępny minerał, który (tak samo, jak diament i fuleryt) klasyfikuje się jako alotropową odmianę węgla.

Dzisiaj grafen może być wytwarzany na kilka różnych sposobów. Pierwszym sposobem (użytym w 2004 przez Novoselova oraz Geima) jest mechaniczne oderwanie grafenu z wysokiej jakości grafitu przy pomocy… taśmy klejącej. Tak uzyskany grafen sprawdza się bardzo dobrze we wszelkiego rodzaju badaniach laboratoryjnych, ale przez wzgląd na ogromne koszty pozyskiwania nie może być stosowany na masową skalę. Jeszcze do niedawna Grafen otrzymywany przy pomocy taśmy klejącej był jednym z najdroższych materiałów na całym świecie.

Inną metodą otrzymywania grafenu jest zapoczątkowany przez Koreańczyków proces osadzenia z fazy gazowej na metalach. Dzięki tej metodzie grafen stał się o wiele tańszym materiałem, bo produkcja grafenu na miedzi jest bardziej efektywna niż produkcja grafenu z grafitu. Trzeba jednak zaznaczyć, że grafen pozyskiwany opisywaną metodą ma niższą jakość niż grafen z grafitu. Obecnie metoda opracowana przez Koreańczyków jest wykorzystywana w większości laboratoriów na całym świecie.

Innym sposobem na produkowanie grafen jest wykorzystanie węgliku krzemu. Poprzez rozkład termiczny tego materiału można otrzymać dużą powierzchnię, wysokiej jakości grafenu. Niestety koszta podłoża wykonanego z węgliku krzemu są bardzo wysokie, dlatego ta metoda jest rzadko używana.

Na podbój rynku grafenu ruszyli także w 2011 roku Polacy. Wtedy to Instytut Technologii Materiałów Ekonomicznych oraz Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego poinformowały, że wspólnymi siłami opracowały metodę pozyskiwania dużych fragmentów grafenu o czołowej jakości.

Kilka lat później w 2015 roku Politechnika Łódzka pokazała światu urządzenie do produkcji grafenu z fazy ciekłej. Materiał miał zachowywać właściwości bliskie tym teoretycznym. Swój produkt uczelnia nazwała HSMG (ang. High Strength Metallurgical Graphene) i w 2016 roku uzyskał on ochronę patentową od Unii Europejskiej oraz Stanów zjednoczonych.

Obecnie trwają pracę nad kilkoma innymi metodami produkcji grafenu, które pozwoliłby uzyskać dużą ilość wysokiej jakości materiału, przy zachowaniu stosunkowo niskiej ceny produkcji.

Zastosowania grafenu w elektronice i innych dziedzinach

Naukowcy i inżynierowie pragną wykorzystać grafen w wielu dziedzinach przemysłu. Nic dziwnego, w końcu gwarantuje on cechy, które są praktycznie niespotykane lub bardzo rzadkie w innych materiałach. Najważniejsze gałęzie przemysłu zainteresowane grafenem to:

• Przemysł elektroniczny i telekomunikacyjny — Przemysł ten wykorzystuje grafen m.in. do opracowywania nowych paneli dotykowych zwijanych w rolkę, dłużej pracujących i szybciej ładujących się akumulatorów, czy energooszczędnych źródeł światła. Niektóre korporacje pracują też nad grafenowymi tranzystorami, które w przyszłości mogłyby zastąpić te wykonywane dzisiaj z krzemu.
• Przemysł energetyczny — Grafen może być tutaj użyty do tworzenia nowoczesnych sieci energetycznych, czy produkcji wydajnych ogniw fotowoltaicznych.
• Przemysł materiałowy i chemiczny — Grafen jest lekki, elastyczny, wytrzymały. Dodatkowo przewodzi wyśmienicie prąd oraz ciepło. Po zmieszaniu z innymi materiałami (np. z plastikiem) może on znacznie zwiększyć ich przewodnictwo cieplne, elektryczne, a nawet odporność. Właśnie w ten sposób stworzono m.in. super odporną kamizelkę kuloodporną.
• Przemysł sensoryczny — Sensory wykonane przy pomocy grafenu są bardzo wrażliwe oraz dokładne. Często mogą one wykryć nawet pojedyncze cząsteczki niebezpiecznych substancji. Grafenowe sensory mogłyby więc ułatwić monitorowanie środowiska naturalnego i zmian w składzie wdychanego powietrza.
• Przemysł medyczny i farmaceutyczny — Dzięki wysokim właściwościom filtracyjnym oraz działaniu przeciwbakteryjnym nowe wynalazki z grafenu mogą przyczynić się do leczenia i zapobiegania chorobom/urazom. Głośnym wynalazkiem medycznym korzystającym z grafenu jest na przykład grafenowy bandaż.
• Przemysł lotniczy i kosmiczny — Super trwałe i lekkie materiały są niezbędne przy projektowaniu samolotów, rakiet i wahadłowców. W przyszłości niektóre elementy tych zaawansowanych pojazdów mogą być wytwarzane przy użyciu materiałów zmieszanych z grafenem.
• Przemysł motoryzacyjny i transportowy — Firmy pracujące w tym sektorze mogą wykorzystać grafen do produkcji wysokiej jakości części dla samochodów, statków, czy pociągów o niskiej masie. Ponadto materiały pokryte grafenem wykazują wysokie właściwości antykorozyjne, więc świetnie sprawdziłby się on jako zewnętrzna powłoka zabezpieczająca przed rdzą.
• Przemysł budowlany — Już niedługo grafen potencjalnie zrewolucjonizuje także obszar budowlany. Stosunkowo niedawno wytworzono specjalny rodzaj cementu oraz asfaltu wymieszanego z grafenem. Oba materiały miały większą ogólną wytrzymałość, odporność na działania wody oraz temperatury.

Dlaczego grafen (jeszcze) nie zawładnął światem?

Mimo że grafen został wynaleziony niemal 20 lat temu, to wciąż nie doczekaliśmy się grafenowej rewolucji, która zmieniłaby nasz świat. Prawdopodobnie żaden z czytających nie ma przecież jeszcze rozwijanego smartfona, ekspresowo ładującej się baterii w laptopie czy grafenowego bandaża na rany. Co zatem jest powodem tak powolnej adopcji grafenu? Przede wszystkim jedna rzecz: koszt produkcji wysokiej jakości grafenu na masową skalę.

Tak, jak opisywaliśmy już nieco wyżej; istnieje wiele metod wytwarzania metod. Niestety każda z nich ma spore wady. Przykładowo popularny proces osadzania grafenu na metalach daje dobre wyniki pod względem ilości zdobywanego materiału, ale jego jakość pozostawia wtedy wiele do życzenia. Dla zastosowań wymagających jak najwyższej jakości surowca to po prostu nie jest opcja. Z drugiej strony metody na pozyskiwanie wysokiej jakości grafenu (mechaniczne odrywanie, podłoże węglikowe) dają, albo bardzo niewielkie próbki, albo/i są niezwykle drogie w produkcji. Dopóki naukowcy nie opracują techniki pozwalającej produkować wysokiej jakości grafen na masową skalę, dopóty w naszych domach nie znajdziemy grafenowej technologii z przyszłości.

Podsumowanie

Teraz już wiecie, czym jest grafen i jakie są jego najważniejsze właściwości. Koniecznie dajcie nam znać co wy myślicie o tym względnie nowym “cudownym materiale”. Będzie to rewolucja na miarę plastiku, czy za kilkanaście lat wszyscy o nim zapomnimy? Jesteśmy bardzo ciekawi waszego zdania!