Grafenowa rewolucja u naszych drzwi
Grafen, płaska struktura złożona z atomów węgla, ma niezwykłe właściwości, które już zrewolucjonizowały sektor nowoczesnych technologii.
Superszybkie komputery, hiperwytrzymałe akumulatory, elastyczne niczym kartka smartfony – to tylko niektóre przykłady zastosowań tej niezwykłej struktury złożonej z atomów węgla. Na całym świecie trwają intensywne badania nad możliwościami zastosowania grafenu w życiu codziennym.
Elektronika i nowoczesne technologie
Jego cechy, m.in. wyjątkowa rozciągliwość i przewodność elektryczna, sprawiają, że jest uznawany za materiał przyszłości. Dziedziny, w których stosuje się grafen, bazują przede wszystkim na jego znakomitym przewodnictwie. Ale wachlarz możliwości zastosowania jest przeogromny.
Grafen jest półprzewodnikiem posiadającym wysoki współczynnik przewodności. Zastosowany wraz z molibdenitem przekracza granicę wytyczoną przez obecne chipy krzemowe i tranzystory. Dwuwymiarowa struktura chemiczna – fakt, że składa się z warstwy o grubości pojedynczego atomu – daje mu ogromny potencjał miniaturyzacji i elastyczności mechanicznej. Przekłada się na o wiele mniejsze zużycie energii elektrycznej oraz znaczne zwiększenie wydajności przechowywania danych.
Można z niego wytwarzać procesory – pierwszy tranzystor, który zbudowano z grafenu, pracuje z częstotliwością 40 GHz. To dwuipółkrotnie więcej niż najszybsze obecne układy bazujące na krzemie. Według szacunków naukowców procesory grafenowe mogą być nawet 1000 razy wydajniejsze od krzemowych i pracować z częstotliwością 1 THz. Dzięki doskonałemu przewodzeniu elektryczności, mogą znaleźć zastosowanie m.in. w budowie sieci Internetu bezprzewodowego i telefonii komórkowych, wzmacniając sygnał radiowy oraz zasięg.
Od kilku lat znana jest metoda polegająca na używaniu grafenu przy produkcji elastycznych wyświetlaczy dotykowych. Giętkie, przypominające folię, wyświetlacze, można dowolnie zwijać, nie martwiąc się jednocześnie o ich wytrzymałość. Dzięki temu, smartfon możemy owinąć wokół nadgarstka niczym pasek z zegarkiem lub kartkę.
Ale bawiąc się w ten sposób musimy pamiętać, że nieodłącznym elementem rozwoju współczesnej elektroniki jest zastosowanie coraz bardziej prądożernych podzespołów. Chociażby po to aby sprostać oczekiwaniom klientów w zakresie wysokiej rozdzielczości obrazu. Wychodząc naprzeciw tym wyzwaniom naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles (UCLA) opracowali akumulator, która bije na głowę obecne ogniwa w kwestii wydajności, efektywności, a także kosztów budowy.
iPhone’y zasilane grafenowym superkondensatorem można naładować w zaledwie 5 sekund? Naładowanie MacBooka wystarczyłoby 30 sekund? Ładowanie samochodu elektrycznego trwałoby tyle, co zalewanie baku benzyną?
Twierdzące odpowiedzi na te pytania zdawały się być na wyciągnięcie ręki. Jeszcze kilka lat temu podobne informacje rozpalały wyobraźnie użytkowników i powodowały szybsze bicie serc producentów elektroniki użytkowej. Póki co nie weszły do masowego użytku, podobno jest to kwestią czasu.
Czytaj także: Udany eksperyment brytyjskich naukowców
Fotowoltaika
Grafen może stać się przełomem w fotowoltaice. Zdaniem badaczy z Instytutu Technicznego Massachusetts (MIT), panele słoneczne z grafenu mogą wyprodukować około tysiąc razy więcej energii niż krzemowe, w przeliczeniu na ich masę. Choć sprawność paneli grafenowych jest mniejsza niż tradycyjnych, dużo lepiej przewodzą one elektryczność. Inną zaletą grafenu jest to, że jest znacznie cieńszy od krzemu – nawet 50 razy (przypomnijmy ma grubość atomu). Przeźroczystość grafenu może w przyszłości pozwolić na montowanie takich cienkich paneli grafenowych nawet na szybach w oknach lub na elewacjach budynków.
Antykorozja
Duże nadzieje na rynku przemysłowym wzbudziły pierwsze doniesienia o postępach w tworzeniu nanofarb i nanopowłok antykorozyjnych. Korozja jest bowiem problemem, z którym prędzej czy później musi się zmierzyć każda branża. Od użytkowników maszyn, przez budownictwo, po sektor petrochemiczny i przemysł morski. Pierwsze próby użycia nanocząsteczek jako dodatku do farb i powłok antykorozyjnych przyniosły nadspodziewanie dobre efekty. Okazało się, że już niewielka ilość grafenu nawet o 95% zmniejsza przepuszczalność powłoki, skutecznie chroniąc ją przed oddziaływaniem wody. Chińska firma Jiangsu Toppen Technology opracowała pierwszą farbę cynkowo-grafenową. Dodatek grafenu umożliwił uzyskanie bardzo dobrych właściwości antykorozyjnych powłoki przy znacznej redukcji ilości stosowanego cynku. Farba może być z powodzeniem stosowana nawet w strefach o najwyższej korozyjności, takich jak morskie platformy wiertnicze czy morskie farmy wiatrowe. Jednak nie wszystko w praktyce okazało się tak różowe.
Rozgrzana powierzchnia powoduje samoistny rozpad cząsteczek gazu i uwolnienie atomów węgla, które spontanicznie tworzą sieć heksagonalną -charakterystyczną strukturę grafenowej siatki. W warunkach przemysłowych warstwy grafenu są niejednorodne, a otrzymywane na jego bazie powłoki – niedoskonałe. Aby zoptymalizować ich właściwości, trzeba więc zmodyfikować proces wytwórczy. A to zajmie zapewne kilka lat. Warto jednak czekać, bo ze względu na swoje właściwości przeciwtarciowe grafen uznawany jest już dziś za materiał, który ma szansę zrewolucjonizować nie tylko rynek farb i powłok, ale też olejów i smarów dla przemysłu.
Grafen – sposób na brak wody
Skoro już jesteśmy przy cieczach i substancjach płynnych to zwróćmy uwagę, że za pomocą grafenu da się również odsalać wodę. Taka metoda może być zbawieniem. Szczególnie w najbiedniejszych regionach świata, w których mieszkańcy cierpią z powodu braku dostępu do wody pitnej. Grafen jest hydrofobowy – oznacza to, że przez jego strukturę nie przenikają cząsteczki wody. Po zwinięciu go w tzw. kapilarę, czyli bardzo wąską rurkę, będzie działał jak filtr – zatrzyma sól, a przepuści cząsteczki wody.
Dwuwymiarowy materiał zbudowany z atomów węgla testowano już wcześniej testowany do oczyszczania wody, ale nowa metoda wygląda bardzo obiecująco. Wszystko sprowadza się do wykorzystania maleńkich przestrzeni, które pojawiają się pomiędzy dwuwymiarowymi nanomateriałami, gdy są one ułożone jeden na drugim. Przy użyciu grafenu, badacze z Uniwersytetu w Manchesterze zamierzają opracować urządzenie, dzięki któremu szklankę wody pitnej będzie można uzyskać w ciągu kilku minut ręcznego pompowania. Jak ten wynalazek wpłynie na poprawę warunków życia w najbiedniejszych obszarach świata jest oczywiste.
Medycyna
Okazuje się, że grafen może być używany także w medycynie. O ile fakt jego użycia w szczepionkach i substancjach wykorzystywanych do prowadzenia eksperymentów medycznych jest dyskusyjny, to z racji posiadanych właściwości bakteriobójczych i antyseptycznych, nie ulega wątpliwości, że mogą być z niego wytwarzane materiały opatrunkowe. Kilka lat temu rozpoczęły się prace nad wykorzystaniem tlenku grafenu w leczeniu raka mózgu. Pierwsze wyniki były obiecujące, otoczone grafenem komórki nowotworu umierają i nie pozostawiają żadnych szkodliwych fragmentów.,
Naukowcy prowadzą zaawansowane badania nad zastosowaniem płatków grafenu w terapii glejaka i medycynie regeneracyjnej oraz materiałach chroniących przed promieniowaniem elektromagnetycznym.
Zagrożenia
Prowadzone badania pozwalają nie tylko na odkrywanie unikalnych właściwości struktury grafenu. Także na poznanie potencjalnego ryzyka jakie może się wiązać z jego zastosowaniem. Zdaniem naukowców z Uniwersytetu Browna w Stanach Zjednoczonych grafen może być niebezpieczny zarówno dla ludzi, jak i dla środowiska. Cienkie i mocne nanocząsteczki grafenu, które stanowią jedną z największych zalet wytrzymałego materiału, mogą przenikać do organizmu. Następnie z łatwością przebijać błony komórkowe. Wyniki badań wykazały, że gdy w wodach gruntowych znajduje się niewielka ilość materiału organicznego, do którego należy grafen, rośnie stopień twardości wody. Wtedy jego nanocząsteczki mogą się osadzać na brzegach zbiorników. W przypadku wód powierzchniowych, grafen przemieszcza się pod powierzchnię, gdzie może stanowić zagrożenie dla roślin i zwierząt.
Grafen nad Wisłą
Początkowy entuzjazm i energiczny optymizm, które zagościły nad Wisłą wygasły nieco, ustępując miejsca rozczarowaniu i gorzkiemu smakowi niespełnionych nadziei.
Nano Carbon, spółka, której udziałowcami zostali Polska Grupa Zbrojeniowa i KGHM Towarzystwo Funduszy Inwestycyjnych powołana specjalnie do tego, by produkować i sprzedawać polski grafen wystawiła na sprzedaż swoje największe skarby, czyli specjalistyczne urządzenia
Na szczęście wydaje się, że jest nadzieja na dalszy rozwój badań. 1 października 2020 roku w wyniku połączenia dwóch instytutów utworzono Łukasiewicz – Instytut Mikroelektroniki i Fotoniki (Łukasiewicz-IMiF). Instytut prowadzi prace nad materiałami nowej generacji.
Obecnie Instytut prowadzi pięć krajowych i międzynarodowych projektów poświęconych rozwojowi technologii grafenowych oraz jest uczestnikiem europejskiego projektu flagowego Graphene Flagship. W przypadku badań, których poziom gotowości technologicznej pozwala na prace o charakterze przemysłowym, możemy mówić o innowacyjnych zastosowaniach. Jednym z nich jest grafenowy czujnik pola magnetycznego rozwijany ze środków projektu NCBR LIDER. Czujnik pracuje w ekstremalnie szerokim zakresie temperatur, dochodzących nawet do +500 °C. W połączeniu z odpornością na radiację neutronową rozwiązanie przyrządowe Łukasiewicz – IMiF może znaleźć zastosowanie w tzw. tokamakach. Są to nowoczesne reaktory wykorzystujące bezpieczny proces fuzji jądrowej do produkcji energii elektrycznej.
Także Politechnika Warszawska należy do ścisłej europejskiej czołówki ośrodków naukowych, które mogą pochwalić się nie tylko prowadzeniem badań nad grafenem i nowymi materiałami dwuwymiarowymi, ale również konkretnymi wdrożeniami w tym zakresie. Uczelnia współpracuje z partnerami naukowymi i przemysłowymi ze Szwecji, Wielkiej Brytanii, Austrii oraz Chin. Prace obejmują dalszy rozwój technologii grafenu epitaksjalnego na węgliku krzemu dla zastosowań m.in. w technologiach 5G. Doktoranci PW prowadzą wspólne badania w instytucjach naukowych Europy, m.in. w Cambridge oraz Madrycie.
Transformacja energetyczna, która prędzej czy później obejmie nasz kraj, budowanie bezemisyjnej gospodarki wodorowej będą wymagały zastosowania nowych, innowacyjnych materiałów np. kompozytów do budowy lekkich wytrzymałych zbiorników na wodór, nowych katalizatorów do wydajnych elektrolizerów i ogniw wodorowych. Kompozyty na bazie grafenu są odpowiedzią na te wyzwania.
Czytaj także: Psy – roboty patrolują południową granicę USA
