Grafen to w praktyce węgiel – ten sam pierwiastek, który w postaci brył wydobywany jest w kopalniach czy znany w postaci grafitu. Został odkryty w 2003 roku, a rok później w pełni scharakteryzowany. Za badania na jego temat Andriej Gejm i Konstantin Nowosiołow otrzymali w 2010 Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Co sprawia, że ta struktura jest tak wyjątkowa?

Przede wszystkim to, że mamy do czynienia z materiałem o grubości jednego atomu węgla o strukturze podobnej do plastra miodu. Jego cechy fizyczne – wyjątkowe przewodnictwo cieplne (ok. 5000 W/mK), elektryczne, bardzo duża wytrzymałość mechaniczna (setki razy bardziej rozciągliwy od stali czy kevlaru), przy tym niewielka, wręcz pomijalna waga – przy ogłoszeniu nagrody Nobla zilustrowano ten fakt podając za przykład, że 1 metr kwadratowy grafenu byłby w stanie utrzymać czterokilogramowego kota, ważąc około 0.27 mg, czyli tyle, ile pojedynczy koci wąs.

Jakie są zatem potencjalne korzyści płynące z zastosowania grafenu?

Ze względu na wspomniane już świetne przewodnictwo elektryczne ma szanse zastąpić krzem. W dobie postępującej miniaturyzacji pierwiastki takie jak krzem, w pewnym momencie, zaczynają tracić swoje właściwości. Grafen, jako struktura płaska o grubości jednego atomu wydaje się więc jego idealnym substytutem. W dodatku, grafen po odpowiedniej modyfikacji, polegającej na poddaniu go na działanie wodoru w określonych warunkach, staje się świetnym izolatorem. W ten sposób staje się on idealnym materiałem do produkcji układów elektronicznych, potencjalnie rewolucjonizując produkcję i wydajność komputerów w przyszłości.

- Istnieje bardzo wysokie prawdopodobieństwo, że może być stosowany w zaawansowanej elektronice. Wstępne szacunki wyraźnie pokazują, że komputery oparte na procesorach grafenowych mogą być sto razy szybsze od obecnie najwydajniejszych komputerów – mówi dr hab. inż. Łukasz Kaczmarek, profesor nadzw., członek zespołu Politechniki Łódzkiej prowadzonego przez prof. dr. hab. inż. Piotra Kulę, zajmującego się badaniami nad otrzymywaniem grafenu.

Ale nie tylko układy scalone mogą skorzystać na grafenie i jego pochodnych. Elastyczność, wytrzymałość oraz świetne przewodnictwo elektryczne sprawia, że materiał ten może znaleźć zastosowanie w bateriach słonecznych, akumulatorach czy zwijanych w rolkę wyświetlaczach dotykowych. Z drugiej strony, grubość oraz łatwość modyfikacji sprawia, że mógłby być świetnym biosensorem, transporterem leków czy filtrem. Zastosowanie membran na bazie grafenu pozwoli podnieść komfort życia ludzi w regionach ubogich w wodę.

Diabeł tkwi w szczegółach

Dlaczego więc grafen nie jest powszechny, będąc przecież – na pierwszy rzut oka – znacznie lepszym pod względem właściwości fizycznych lepszym od wielu innych, używanych powszechnie, materiałów? Wyjątkowo wysokie koszty produkcji, która wymaga optymalizacji oraz otrzymywanie wielkopowierzchniowych płatów grafenu, co obecnie jest bardzo drogie.

Metod otrzymywania grafenu jest wiele. Część bazuje na procesach czysto chemicznych, inne natomiast na fizycznych, jednak wszystkie cechują albo wysokie koszty produkcji, albo słabsza jakość produktu. Najbliżej teoretycznym właściwościom, przy korzystnym stosunku jakość/cena być może jest, opatentowana przez zespół Instytutu Inżynierii Materiałowej Politechniki Łódzkiej technika HSMG (High-Strength Metallurgical Graphene) , dzięki której otrzymywany jest, na podłożu metalicznej fazy ciekłej, grafen polikrystaliczny.

- Metoda polegająca na otrzymywaniu grafenu na ciekłym nośniku, opracowana przez prof. Kulę, daje Grafen o bardzo powtarzalnych właściwościach mechanicznych, zbliżonych do idealnych. Struktura grafenu otrzymywanego metodą opracowaną na Politechnice Łódzkiej jest wyjątkowo jednorodna, czego nie można powiedziec o grafenie otrzymywanym na podłożu stałym. Inna metoda – polegająca na sublimacji krzemu – jest bardzo droga, dedykowana dla zastosowań w elektronice, natomiast nasza – metalurgiczna – daje wielkopowierzchniowy grafen, o bardzo dobrych właściowiściach mechanicznych, przy zachowaniu jednorodności struktury. Grafen ten ma bardzo wysoki wskaźnik jakości do ceny, co umożliwi wytwarzanie materiałów dla przemysłu kosmicznego, lotniczego czy zbrojeniowego przy relatywnie niskich kosztach produkcji. Grafen daje nam zupełnie inne możliwości niż te, które oferuje nam krzem. To całkowicie nowy, nieudoskonalany wcześniej produkt, dający nam inne, nowe możliwości. Jestem przekonany, że czeka nas rewolucja. To widać po nakładach, jakie świat przeznacza na badanie i aplikowanie grafenu. Produkcja grafenu na skalę wielkoprzemysłową – wstęgi, płaty – powinna ruszyć w najbliższych dwóch latach ­– mówi prof. Kaczmarek.

Czy stoimy zatem u progu rewolucji technologicznej?

Rafał Madaj