Nanotechnologia

Grafen to alotropowa odmiana węgla, charakteryzująca się płaską strukturą atomów ułożonych w siatkę heksagonalną przypominającą plaster miodu.

Jego twardość osiąga około 200 razy wartość twardości stali. Grafen jest także niezwykle dobrym przewodnikiem ciepła i elektryczności. Dzięki niewielkiemu oporowi czynnemu, jest konkurentem dla miedzi i krzemu. Te, jak i inne niezwykłe właściwości grafenu sprawiły, że od początku XXI wieku zainteresowanie tym materiałem jest dość wysokie i wiele naukowców, jak i przedsiębiorców, szuka coraz to nowszych zastosowań dla grafenu. Obecnie znajduje on zastosowanie w produkcji polimerów, filamentów do druku 3D, olejów technicznych, kompozytów czy pokryć antykorozyjnych.

A to nie wszystko, bo trwają badania nad wykorzystaniem grafenu w takich dziedzinach jak nanorobotyka, optoelektronika czy spintronika, a także technologiach związanych z odnawialnymi źródłami energii i ich magazynowaniem, czego przykładem są prace nad bezkrzemowymi, elastycznymi ogniwami fotowoltaicznymi czy pomysły zastąpienia tradycyjnych litowych baterii tymi wykonanymi z grafenu. Wiele nadziei co do tej odmiany węgla wiąże też medycyna, bowiem bada się grafen jako potencjalny marker komórek rakowych a nanorurki wykonane z grafenu wykazują potencjał w odbudowie komórek nerwowych. 

Przykładami istniejących już produktów wykonanych z wykorzystaniem grafenu są: 

• Filament do druku 3D z dodatkiem grafenu – zastosowanie w prototypowaniu, krótkoseryjnej produkcji, serwisie; mają znacznie lepszą wytrzymałość mechaniczną i parametry druku, bez pogorszenia pozostałych właściwości; 
• Powerbank – potrafi naładować do trzech urządzeń z prędkością pięć razy większą niż standardowe ładowarki tego typu; 
• Żarówki – ponieważ grafen jest najbardziej przewodzącym materiałem na świecie, umożliwia to żarówkom wzbogaconym grafenem szybsze rozprowadzanie ciepła, co przekłada się na więcej światła przy mniejszym zużyciu energii; 
• Sprzęt audio – dzięki wykorzystaniu grafenu pozyskuje się mniejsze urządzenia o wysokiej jakości dźwięku i lepszej głośności.  

Jednak pomimo tylu wspaniałych właściwości, zapowiadana „rewolucja grafenowa” wciąż nie nadchodzi. Dzieje się tak, ponieważ problem nie leży we właściwościach grafenu, ale w tym, że jego produkcja na skalę komercyjną jest nadal niezwykle trudna i kosztowna. Trudność ta wynika z silnych sił molekularnych, które trzymają razem arkusze grafenu w materiale. Problem z rozdzieleniem arkuszy sprawia, że grafen produkowany za pomocą metod odgórnych często posiada wiele warstw, wykazuje dziury lub odkształcenia, oraz może zawierać zanieczyszczenia. W rezultacie fabryki są w stanie wyprodukować kilka ton grafenu rocznie poprzez mechaniczne lub chemiczne złuszczanie.

Tak wyprodukowany grafen znajduje oczywiście zastosowanie w wielu dziedzinach, ale charakteryzuje się niższą jakością, co w np. medycynie jest wysoce niepożądane. Pojawiają się jednak coraz to nowsze badania nad nowymi metodami pozyskiwania grafenu. Dla przykładu, w 2020 roku została odkryta obiecująca technika znana jako błyskawiczne ogrzewanie dżulowe. Naukowcy udowodnili, że przepuszczanie znacznych ilości energii elektrycznej przez dowolne źródło węgla powoduje restrukturyzację wiązań węgiel-węgiel, tworząc strukturę grafenu. Za pomocą tego procesu można efektywnie wyprodukować znaczną ilość wysokiej jakości grafenu przy relatywnie niskich kosztach z dowolnego materiału zawierającego węgiel, łącznie z odpadami. 

Polska branża nanotechnologiczna związana z wykorzystywaniem grafenu od początku lat dwutysięcznych rozwijała się bardzo dynamicznie, lecz na przestrzeni lat napotykała wiele trudności. Obecnie jest jednym z liderów pod względem syntezy i aplikacji grafenu, a także widać perspektywy rozwoju tej części branży. Żeby jednak mogło do tego dojść, potrzeba odpowiednich nakładów finansowych, które w pełni pozwolą wykorzystać potencjał intelektualny naukowców zajmujących się tą dziedziną.

Główną barierą wejścia na rynek produktów opartych na strukturach węglowych jest kłopot w kontroli jakości wytwarzanych układów, powtarzalności struktury, defektów oraz ich czystości. Zanieczyszczenie już na poziomie ułamka procenta może diametralnie zmieniać właściwości materiału, np. stopnia magazynowania wodoru, pojemności baterii, właściwości katalitycznych itd. Aby można było spodziewać się realnej „grafenowej rewolucji” trzeba przede wszystkim wyposażyć jednostki naukowe w najnowocześniejszy sprzęt laboratoryjny. Należy jednak optymistycznie śledzić postępy w rozwoju tej części branży nanotechnologicznej i mieć nadzieję, że będziemy świadkami kolejnej rewolucji przemysłowej, dzięki grafenowi właśnie.