Grafen, druga młodość polskiego węgla

Nasi uczeni ostatnio skutecznie rywalizują z najlepiej wyposażonymi laboratoriami badawczymi świata. Czy dzięki nowo odkrytej odmianie węgla polska nauka awansuje z trzeciej do pierwszej ligi?

graphene_wikimediacommons

Doktor Mariusz Zdrojek to zupełnie nowy typ badacza. Zamiast jak wielu jego kolegów produkować dziesiątki publikacji na potrzeby unijnych grantów, zajął się kontaktami świata nauki z biznesem. Dotąd polscy naukowcy nie mieli zwyczaju wychodzenia z propozycjami do przemysłu, często nie myśleli również o konkretnych zastosowaniach swoich wynalazków.

– Tymczasem za badaniami ma stać coś więcej niż publikacje, które wylądują później w szufladzie – irytuje się doktor Zdrojek, kierownik Pracowni Nanostruktur na Politechnice Warszawskiej. Jego zespół prowadzi badania nad grafenem, odmianą węgla o niezwykłych właściwościach. To właśnie dzięki grafenowi w polskich naukach ścisłych coś w końcu drgnęło. Kilka lat temu Polakom udało się wyprzedzić inne europejskie instytuty
i opracować sposób jego produkcji. Teraz nasi uczeni wpadli na pomysł, jak zastosować grafen i na nim zarabiać.

Węgiel, który nie istniał

– Powiedzieli nam wprost, że musimy się skupić na detektorach pracujących w podczerwieni, bo tylko tym mamy szansę pokonać rynkowych rywali – tak doktor Jarosław Judek, członek zespołu z Politechniki Warszawskiej, zapamiętał rozmowę z przedstawicielami firmy VIGO System. Ceniony w branży zbrojeniowej producent detektorów utworzył potem z Politechniką konsorcjum, w ramach którego naukowcy mają zaprojektować detektory optoelektroniczne (czujniki reagujące na światło) wykorzystujące materiał, który do niedawna w ogóle nie istniał.

Tak w każdym razie sądzili naukowcy, przekonani, że dwuwymiarowa odmiana węgla grubości jednego atomu po prostu nie występuje w przyrodzie. Przełom nastąpił w 2004 roku, kiedy Andriejowi Gejmowi i Konstantinowi Nowosiołowowi z Uniwersytetu w Manchesterze udało się wytworzyć dwuwymiarowy grafen. Kilka lat później ci dwaj naukowcy dostali za swoje odkrycie Nagrodę Nobla.

Materiał, który uzyskali, jest lekki i elastyczny, doskonale przewodzi ciepło i elektryczność. Okazał się też niezwykle trwały: jego warstwa grubości folii bez kłopotu utrzymałaby słonia. W krótkim czasie świat ogarnęła grafenowa gorączka, mobilizując zespoły badawcze i inwestorów. Polska nauka także nie przegapiła nadarzającej się okazji. Stąd właśnie spotkanie doktora Judka z firmą VIGO System i praca nad detektorami, które mogą podbić przemysł zbrojeniowy i kosmiczny. Dzięki właściwościom supercienkiego kryształu węgla nowe detektory mają działać kilka tysięcy razy szybciej niż inne tego typu przyrządy dostępne obecnie na rynku. Posłużą do namierzania rakiet balistycznych i przesyłania informacji na duże – nawet międzykontynentalne – odległości.

Gra toczy się o dużą stawkę. Firma BCC Research szacuje, że za dwa lata rynek wyrobów z dodatkiem grafenu będzie wart 67 mln dolarów, a w 2020 roku aż 675 mln. Polacy muszą się spieszyć, jeśli chcą uszczknąć choćby kawałek tego tortu. Bardzo podobne prace z grafenem prowadzą inżynierowie z nowojorskiego laboratorium IBM. Ten amerykański koncern jest potężną instytucją badawczą finansowaną przede wszystkim przez przemysł elektroniczny.

– Mają najnowsze i bogato wyposażone laboratoria badawcze, o które my w Polsce dopiero się ubiegamy i powoli je budujemy – przyznaje dr Zdrojek, zwracając także uwagę na wielkie doświadczenie Amerykanów w dziedzinie nanoelektroniki (opartej na strukturach nanometrowych; nanometr to jedna miliardowa metra). – Dlatego jedyne, w czym możemy z nimi konkurować, to innowacyjny pomysł oraz nowe zastosowania grafenu – podkreśla Zdrojek.

Do produkcji fotodetektorów inżynierowie z Pracowni Nanostruktur Politechniki Warszawskiej i firmy VIGO System potrzebują malutkich skrawków grafenu wykorzystywanych później w specjalnych chipach. Pierwszą w Europie metodę przemysłowej produkcji tego materiału opatentował w 2011 roku zespół dr. inż. Włodzimierza Strupińskiego z warszawskiego Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych. Polega ona na osadzaniu wybranego związku węgla na specjalnym podłożu albo odparowaniu substancji zawierającej ten pierwiastek w formie grafenu.

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 grafenu o wymiarach 1 na 2 mikrometry, umieszczony pomiędzy dwiema malutkimi elektrodami wykonanymi ze złota i tytanu. Z powodu znikomej grubości grafenu 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 400×600 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.

Artykuł opublikowany w magazynie Focus
© Tomasz Augustyniak, 2013

Advertisements