U progu grafenowej rewolucji

Grafen, materiał złożony z pojedynczej warstwy atomów węgla ułożonych w sześciokątną sieć, choć znany w teorii od 1947 roku znalazł się pod lupą środowiska naukowego nieco ponad dekadę temu. Dziś, po prawie pięciu latach od przyznania Nagrody Nobla duetowi Andriej Gejm - Konstantin Nowosiołow, od których prac zaczęło się zainteresowanie grafenem, produkty wykorzystujące ten materiał trafiają na rynek. Czy to początek czy może już szczyt obiecanej przez naukowców grafenowej rewolucji?

Autorem wpisu jest Michał Kubiak.

Na pierwszy rzut oka grafen ma wszystkie cechy przełomowego odkrycia - dzięki niezwykłym właściwościom mechanicznym, elektrycznym i chemicznym możliwości zastosowania tego materiału są niemal nieograniczone. Z drugiej strony za grafenem stoi efektowny „mit założycielski” umiejętnie kreowany nawet przez samych jego odkrywców - oto dwóch naukowców wykorzystując chałupnicze metody (taśmę klejącą i płatki grafitu) trochę przypadkiem wpada na metodę produkcji cudownego materiału ze swojskiego węgla, co przynosi im międzynarodową sławę i najwyższe naukowe honory.

Ten scenariusz, żywcem przeniesiony z czasów Edisona do współczesności, w połączeniu z magicznymi wręcz właściwościami grafenu rozpalił wyobraźnię badaczy, biznesmenów, polityków i entuzjastów nauki na całym świecie. Rozpoczął się wyścig, który przyniósł już pierwsze ciekawe osiągnięcia, ale i ostudził część oczekiwań... na razie.

Czytaj dalej poniżej

Takiego mobilnego potwora jeszcze nie widziałem - czyli ZTE w natarciu Jakub Szczęsny

Technologia haptyczna to nie tylko domena Apple - w tej kwestii coś do powiedzenia chcą mieć także Polacy Jakub Szczęsny

Jasna strona węgla

Jak do tej pory pojawił się już szereg gotowych, grafenowych produktów, zwiastujących coraz bardziej zaawansowaną komercjalizację tego materiału. „Pierwszym grafenowym produktem, który trafił do sprzedaży” media nazwały już rakiety tenisowe, elektroprzewodzące tusze, termoprzewodzące pasty, płyny wiertnicze i termometry dla dzieci. W marcu w sprzedaży pojawił się też grafenowy materiał do druku 3D, a w ubiegłym roku w Chinach wyprodukowano ponoć pierwsze smartphone'y z grafenowymi wyświetlaczami. Jednym z nich miał być obdarowany sam Konstantin Nowosiołow, jednak cała historia nie wydostała się poza kilka chińskich serwisów informacyjnych, stąd można powątpiewać w to, czy telefony z grafenowymi wyświetlaczami faktycznie powstały.

Niemniej, naukowcy pokazali już prototypowe telefony z takimi ekranami, a patenty dotyczące grafenu kolekcjonują najwięksi gracze tacy jak Samsung, Google czy Apple (niewykluczone, że pod kątem wykorzystania go w inteligentnej odzieży).

Smartphone'y z grafenowymi wyświetlaczami to nie jedyne prototypy, które już wkrótce mogą trafić do sprzedaży. W sklepach niedługo mają pojawić się lampy LED (wprost z kolebki grafenu - Uniwersytetu w Manchesterze) czy powerbanki zasilane grafenowymi superkondensatorami, które niedawno były hitem na crowdfundingowej platformie Indiegogo. Pojawiły się nawet pierwsze koncepcyjne samochody (firm Vorbeck Materials oraz Spania GTA), których karoseria i inne elementy są wykonane z grafenu.

I co dalej?

Obietnice entuzjastów grafenu wykraczały jednak poza gadżety w stylu lamp czy termometrów. Grafen był i nadal jest często przedstawiany jako następca krzemu. Słyszeliśmy też doniesienia o potencjalnej rewolucji w dziedzinach takich jak energetyka, sensoryka czy terapia nowotworów. To właśnie te zastosowania miały pokazać prawdziwy potencjał „płaskiego węgla”. Jak wygląda rozwój na tych polach?

Światło na tę sprawę rzuca raport Science and technology roadmap for graphene, related two dimensional crystals, and hybrid systems opublikowany w marcu przez naukowców zaangażowanych w europejski projekt Graphene Flagship, który za kwotę 1 miliarda euro ma usprawniać rozwój badań i komercjalizację grafenu do roku 2023 (w projekt zaangażowane są dwie polskie instytucje: Uniwersytet Warszawski oraz Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych - ITME).W raporcie badacze przyznają, że na drodze do rozwoju bardziej zaawansowanych zastosowań grafenu stoją przede wszystkim problemy z masową produkcją tego materiału o parametrach dostosowanych do konkretnych zadań. Drugim problemem są wciąż niedostateczne badania na temat wpływu grafenu na organizm człowieka i środowisko.

Grafen znad Wisły

Polscy badacze zajmują się głównie pierwszym spośród wymienionych podstawowych problemów i osiągają już na tym polu pewne sukcesy. Pod koniec 2014 roku innowacyjną metodę produkcji grafenu na dużą skalę pokazali naukowcy ze wspomnianego Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych, a w lutym swój pomysł na przemysłową produkcję grafenu pokazali badacze z Politechniki Łódzkiej. Oba zespoły badawcze współpracowały z firmą Seco/Warwick ze Świebodzina, oba liczą też na komercjalizację swoich pomysłów w niedługiej przyszłości.

Polacy pracują też nad zaawansowanymi zastosowaniami grafenu takimi jak: pokrycia szyb w pojazdach wojskowych (ITME), przewody energetyczne (Akademia Górniczo-Hutnicza), detektory podczerwieni (Politechnika Warszawska) czy przepływomierze (Uniwersytet Warszawski). Badania prowadzone w Polsce wyglądają na obiecujące, ale z drugiej strony trzeba pamiętać, że międzynarodowa konkurencja nie śpi.

Również w ubiegłym roku Agencja Rozwoju Przemysłu przy współpracy z Polską Akademią Nauk otworzyła platformę predykcyjną L.E.M. nano – narzędzie wspierające ocenę najbardziej obiecujących ścieżek rozwoju grafenu i innych technologii w Polsce. Jest to portal, na którym internauci mogą korzystając z mechanizmów rynkowych składać predykcje dotyczące przyszłości grafenu i nie tylko. Agregując wiedzę i intuicję uczestników rynku, można przewidywać, kiedy poszczególne technologie wejdą na rynek oraz wykrywać potencjalne nisze technologiczne.

Węgiel wymiata!

Najciekawsze mogą się jednak okazać te zastosowania grafenu... o których jeszcze sami nie mamy pojęcia. We wspomnianym raporcie powstałym w ramach Graphene Flagship naukowcy rozpoznają potencjał grafenu jako tzw. technologii przełomowej, które zwane są też technologiami wymiatającymi (ang. disruptive technologies). Takie technologie, oprócz tego, że oferują skokowy postęp na dotychczas znanych polach, tworzą nowe możliwości i nowe gałęzie przemysłu. Zatem aby dowiedzieć się, w jaki sposób grafen zmieni nasze życie, musimy pewnie poczekać jeszcze kilka, a może nawet kilkanaście lat. Niewątpliwie do tego czasu na pewno nie będziemy się nudzić. Rewolucja już się rozpoczęła.

O autorze:

Michał Kubiak - Młodszy badacz w Centrum Zastosowań Matematyki i Inżynierii Systemów PAN, fizyk. Prywatnie prezes i chórzysta Akademickiego Chóru Politechniki Łódzkiej.

Grafiki i filmy:1,2,3,4,5.