Struktura grafenu.

Mocniejszy, niż tarcza Kapitana Ameryki – grafen

Czas czytania w minutach: 6

Szał na tematykę grafenu już nieco zmalał, ale jeszcze kilka lat temu miałem wrażenie, że gdziekolwiek zajrzysz – do gazet, Internetu, telewizji  – usłyszysz coś o grafenie i jego magicznych właściwościach. Pozwólcie, że wyjaśnię, co to jest, i dlaczego w ogóle grafen był do niedawna tak popularnym i modnym tematem.

Grafen – czyli co?

Zacznijmy może od wytłumaczenia, o czym w ogóle mówimy. Grafen – to węgiel1A węgiel – to koks, to antracyt!, a konkretniej jedna z jego odmian alotropowych. Być może pamiętacie, że w szkole mówiło się o graficie i diamencie, które też są odmianami alotropowymi węgla. Czasem wspomina się również o fullerenech i nanorurkach. Grafen jest kolejną taką odmianą. Mogłoby się zdawać – nic wielkiego, ot, po prostu pojedyncza warstwa grafitu. Atomy węgla ułożone w sześciokąty – i tak w nieskończoność. Więc o co tyle halo?

Przede wszystkim, warto wspomnieć, że pierwsze teoretyczne opracowania na temat grafenu pojawiły się w latach czterdziestych ubiegłego wieku. Żeby było ciekawiej – naukowcy szybko doszli do wniosku, że taki materiał nie ma prawa istnieć. Grafen jednak o tym nie wiedział, więc gdy już na początku XXI wieku został przez naukowców uzyskany, spokojnie istniał sobie w najlepsze.

Ale jak go uzyskano?

W sposób bajecznie wręcz prosty. Wprawdzie pierwsze prace wykorzystywały rozkład termiczny węgliku krzemu, szybko jednak okazało się, że do uzyskania przyzwoitego grafenu nie potrzeba skomplikowanej aparatury. Wystarczy… blok wysokiej jakości grafitu oraz taśma klejąca. Jak to działa? Po prostu: przyklejasz taśmę do grafitu, odrywasz, i na taśmie zostaje cienka warstwa węgla. W razie potrzeby do tej warstwy można ponownie przykleić kawałek taśmy i znów oderwać, uzyskując w ten sposób jeszcze cieńszą warstwę… Aż po kilku powtórzeniach dostaje się grafen. Wprawdzie uzyskiwane kawałki grafenu są bardzo małe, ale do badań naukowych, czy do niektórych zastosowań w elektronice spokojnie wystarczą.

Struktura grafenu.
Struktura grafenu.

Co z tymi zastosowaniami?

No właśnie, po co nam właściwie potrzebny grafen? Potencjalnie do wielu różnych zastosowań, a to ze względu na jego zadziwiające właściwości. Przede wszystkim, grafen jest najmocniejszym jak dotąd odkrytym materiałem. Jest ponad dwustukrotnie wytrzymalszy od stali2Oczywiście, tak samo jak zawsze – take dane podawane są w przeliczeniu na masę. Innymi słowy, jeśli weźmiemy kawałki stali i grafenu o ten samej masie, ten drugi będzie miał dwustukrotnie większą wytrzymałość. Jednocześnie jest niezwykle elastyczny. Można go wygiąć w niemal dowolny kształt. Do tego świetnie przewodzi ciepło. Ale to jeszcze nie koniec!

Każdy atom węgla w grafenie jest związany z trzema innymi atomami. Część tych wiązań leży w płaszczyźnie, na której położone są atomy, ale część jest również ponad i pod nią. Co ważne, elektrony w tych wiązaniach zachowują się dość nietypowo. Nie trzymają się w pobliżu “swojego” atomu węgla, tylko swobodnie poruszają się  wzdłuż i w poprzek całej płaszczyzny. Dzięki temu grafen świetnie przewodzi prąd, a elektrony mają w nim bardzo wysoką ruchliwość.

I wreszcie – nasz materiał ma też świetne właściwości optyczne. Jako supercieńka warstwa przepuszcza dużo więcej światła (ok. 98%) niż przeciętna szyba (ok. 80%). Jednocześnie atomy w tej warstwie są upakowane na tyle gęsto, że grafen jest nieprzepuszczalny dla wszystkich gazów. Nawet hel, wyjątkowo trudny do zatrzymania jako gaz o najmniejszych – jednoatomowych – cząsteczkach, nie jest w stanie przecisnąć się pomiędzy atomami węgla w grafenie.

I co z tego wynika?

Lista właściwości grafenu jest, jak chyba przyznacie, całkiem imponująca. Ale jak można je wykorzystać w praktyce? Tych już przewidziano sporo, a przypuszczam, że z czasem naukowcy i inżynierowie wpadną na więcej pomysłów.

Przede wszystkim, dzięki wyjątkowym właściwościom elektrycznym, grafen świetnie nadaje się do produkcji tranzystorów. Dzisiejsza technologia pozwala na tworzenie tranzystorów silikonowych rozmiaru ok. 10 nm. Przy dużo mniejszych rozmiarach efekty kwantowomechaniczne niemal uniemożliwiają precyzyjną kontrolę tranzystora. Naukowcom udało się zademonstrować działanie tranzystora grafenowego wielkości zaledwie 1 nm… Co więcej, taki tranzystor jest znacząco szybszy niż te stosowane dziś, co powinno pozwolić jeszcze przez jakiś czas gonić rozwój elektroniki przewidziany prawem Moore’s3Głosi ono, że co dwa lata moc obliczeniowa komputerów ulega podwojeniu. A z zastosowań pokrewnych – elastyczność grafenu ułatwi implementację elektroniki – ubrania. Wyobraźcie sobie na przykład smartfon, którego nie trzymacie w kieszeni, ale bezpośrednio na nadgarstku. Będzie to tym łatwiejsze, że…

Grafen ułatwi również gromadzenie i przechowywanie energii. Jeśli chodzi o przechowywanie – baterie bazujące na grafenie mogą przechowywać kilkakrotnie więcej energii, niż stosowane aktualnie baterie litowo-jonowe. Co więcej, podobnie jak smartfon, o którym pisałem w poprzednim akapicie, taka bateria będzie na tyle elastyczna, że będzie się ją dało nosić wszytą w ubranie. Albo przyczepioną do skóry. Ta druga opcja daje dodatkowe, ciekawe możliwości. Otóż ttaka bateria mogłaby potencjalnie ładować się od ciepła naszego ciała… Brzmi trochę jak science-fiction, prawda?

Grafit, taśma klejąca i tranzystor grafenowy.
Grafit, taśma klejąca i tranzystor grafenowy.

Grafen w medycynie

A to wciąż nie są najważniejsze zastosowania! Powiedzmy sobie szczerze: smartfon na nadgarstku to gadżet. Ale już systemy uwalniania leków, które dzięki odpowiedniemu ułożeniu i odpowiedniemu kształtowi kolejnych warstw grafenu będa uwalniały lek w dokładnie zaplanowanym tempie przez cały czas trwania kuracji? To będzie duży postęp w leczeniu wielu chorób.

Będzie to również postęp w protetyce i innych działań medycyny. Dlaczego? Ponieważ do powierzchni grafenu możemy przyłączyć niemal wszystko. Białka, fragmenty DNA, komórki… No więc wyobraźcie sobie, że materiały, z których normalnie produkuje się rozmaite protezy, można pokryć warstwą grafenu, do którego następnie przyłączy się komórki pacjenta. Dzięki temu jest dużo wyższa szansa na przyjęcie takiej protezy przez organizm. Z drugiej strony, są miejsca, gdzie ryzykiem nie jest układ odpornościowy pacjenta, lecz atak bakterii. Można wtedy do grafenu przyłączyć odpowiednie leki, lub w ogóle skorzystać z pochodnej grafenu o silniejszych właściwościach bakteriobójczych. Grafenowe “rusztowanie” do odbudowy ubytków w kościach? Proszę bardzo…

Co nas otacza

Od pewnego czasu dużo się mówi o smogu i szerzej – o zanieczyszczeniu powietrza. Domorośli hobbyści-elektronicy instalują amatorskie czujniki do wykrywania różnego rodzaju gazów i innych zanieczyszczeń. Również tutaj grafen może przyjść nam z pomocą. Tak jak już pisałem, w grafenie elektrony przemieszczają się swobodnie po całej powierzchni, co przekłada się na jego wysokie przewodnictwo elektryczne. Każde przyłączenie się choćby jednej obcej cząsteczki zaburza tę swobodę elektronów i powoduje mierzalny spadek przewodnictwa. Możliwe stają się więc sensory wykrywające pojedyncze cząsteczki gazów.

Nasz bohater sprawdza się również w innych zastosowaniach sensorycznych. Jeli sparować jego ogólnie właściwości sensoryczne z opisaną tu już łatwością modyfikacji, okaze sie, ze jestesmy w stanie bardzo łatwo przygotować go tak, zeby byl czuly na konkretne warunki. Na przykład na markery nowotworów w oddechu. Albo na komórki komórki nowotworowe. Ba, mozna go nawet zmodyfikować tak, aby po wykryciu komorki nowotworowej od razu aplikowal jej stosowne lekarstwo.

Inżynieria i grafen

A co na większą skalę? Widzieliście kiedyś, jak wygląda statek wyciągnięty z wody? Najczęściej jego dno jest mocno zardzewiałe. Farby domieszkowane grafenem mogą temu zapobiec. A jakie to ma znaczenie, poza estetycznym? Rdza, jak i inne nieregularności kształtu, potrafi mocno wpłynąć na opływowość kadłuba, a co za tym idzie – podwyższyć zużycie paliwa.

Zużycie paliwa jest również kluczowe dla opłacalności i ekologiczności podróży lotniczych. W tym wypadku wykorzystanie kombinacji lekkości i wytrzymałości grafenu może pozwolić na konstruowanie lżejszych, bardziej wydajnych samolotów, które zużywają znacznie mniej paliwa.

A coś bliżej nas? Opakowania. Szczelne pakowanie jedzenia w plastik przedłuża jego przydatność, ponieważ chroni je przed dostępem tlenu. Niestety, tlen potrafi przez plastik przenikać. Zastosowanie powłoki grafenowej pozwoliłoby zminimalizować ten problem, tym samym przyczyniając się do zmniejszenia marnotrawstwa żywności. Nabiera to tym większego znaczenia, że w krajach rozwiniętych wyrzuca się do śmieci kilkadziesiąt procent żywności!

Co niesie przyszłość?

Zapewne – same niespodzianki. Można jednak przypuszczać, że kreatywnych zastosowań grafenu będzie w niej coraz więcej, zwłaszcza, że co chwilę pojawiają się coraz tańsze metody jego produkcji. Już nie musimy siedzieć z taśmą klejącą i pracowicie odrywać po kawałku grafitu. Nieco tańsza metoda osadzanie węgla z gorącego metanu na powierzchni – koszt to wciąż kilkadziesiąt do kilkuset tysięcy dolarów za tonę. Tymczasem pojawiła się metoda pozwalająca na uzyskiwanie grafenu przez przepuszczanie krótkich impulsów elektrycznych o wysokim natężeniu przez niemal dowolny materiał zawierający węgiel. Materiał rozgrzewa się do kilku tysięcy stopni, z węgla powstaje grafen, reszta się ulatnia. Co istotne, materiałem źródłowym mogą być różnego rodzaju odpady, co znacząco obniża koszty.

Warto tutaj też wspomnieć o polskim grafenie. O co chodzi? Otóż kilka lat temu polskiemu zespołowi pod kierownictwem prof. Strupińskiego z Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych udało się opracować w miarę tanią metodę przemysłowych ilości grafenu o wysokiej czystości. Były plany komercjalizacji tego rozwiązania, powstała nawet spółka… I co dalej? No cóż, zabrakło pieniędzy na inwestycje, dofinansowania państwowego nie udało się dostać4Podobno dlatego, że grafen przestał być “modnym”, interesującym polityków, tematem., firma padła. Z “naszej” technologii korzystać będą Chińczycy – kto wie, być może również lokując swoje zakłady u nas?

Patrząc jednak na szerszy obraz, najciekawsze jest to, że badania nad grafenem zainspirowały naukowców do poszukiwania innych materiałów dwuwymiarowych. Bazują one na borze, fosforze czy innych pierwiastkach, i każdy z nich ma unikalne właściwości. O samym grafenie zrobiło się już trochę ciszej, prawdopodobnie dlatego, że teraz przeszliśmy z etapu zachwytu możliwościami na etap wyzwań technicznych stojących przed wdrożeniami. Ale kto wie, być może przyszłość jest dwuwymiarowa?

Źródła:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jp040650f

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038109808001178?via%3Dihub

https://www.technologyreview.com/2008/04/14/221065/how-to-make-graphene/

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jchemed.9b00331

https://www.nanowerk.com/what_is_graphene.php

https://science.sciencemag.org/content/320/5874/356

https://nanografi.com/blog/graphene-transistors/

https://link.springer.com/article/10.1007/s40097-018-0265-6

https://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=5465

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/nr/c8nr08405j#!divAbstract

https://knowablemagazine.org/article/technology/2019/graphene-2d-materials

https://newatlas.com/materials/high-value-flash-graphene-cheap-trash/

https://www.techinstro.com/what-is-so-special-about-graphene/

https://www.androidauthority.com/graphene-batteries-explained-1070096/

https://swiatoze.pl/rynkowa-porazka-polskiego-grafenu/

https://spidersweb.pl/bizblog/polski-grafen-porazka/




0 0 votes
Oceń artykuł
Powiadom mnie!
Powiadom o
guest
2 komentarzy
Oldest
Newest Most Voted
Inline Feedbacks
View all comments
Mateusz

Tranzystory grafenowe!

[…] fascynujące jest pytanie – co przyniesie jutro? Jeśli czytaliście nasz artykuł o grafenie, to wiecie, że jest on uważany za materiał przyszłości. Ciekawe, czy dożyjemy budynków, w […]