Polski cud technologii. O co chodzi z tym grafenem?

Struktura grafenu

Struktura grafenu

Grafen to nadzieja i przyszłość branży technologicznej. Jest również szansą dla Polski — rodzimi naukowcy opracowali tanią technologię produkcji tego materiału. Kto, kiedy i w jaki sposób wyrwie dla siebie kawałek grafenowego tortu?

Węgiel niejedno ma imię

Słysząc słowo "węgiel", mamy zazwyczaj przed oczami hałdy czarnych brył, wydobywane spod ziemi przez umorusanych górników. Przez lata znano go również w postaci diamentu i grafitu, jednak ten bardzo powszechny we wszechświecie pierwiastek krył jeszcze wiele tajemnic.

Część z nich udało się ujawnić pod koniec XX wieku wraz z odkryciem fulerenów, w których atomy węgla łączą się w specyficzny sposób, tworząc regularną, pustą w środku bryłę, przypominającą piłkę. Nie był to koniec węglowych niespodzianek. W 2004 roku zespół rosyjskich i angielskich badaczy z Uniwersytetu w Manchester, kierowany przez Andre Geima, odkrył kolejną odmianę alotropową węgla, co w 2010 roku nagrodzono nagrodą Nobla.

Była to struktura nazywana często dwuwumiarową. Dlaczego? Grafen, bo tak nazwano tę formę węgla, to siatka przypominająca plaster miodu o grubości zaledwie jednego atomu. Samo odkrycie takiej struktury byłoby zapewne ekscytujące jedynie dla naukowców, gdyby nie właściwości grafenu, które sprawiają, że ten materiał może znacząco zmienić współczesny świat.

Dlaczego grafen jest wyjątkowy?

Grafen jest m.in. bardzo dobrym przewodnikiem ciepła. Co to oznacza w praktyce, można przekonać się, oglądając krojenie, czy raczej roztapianie kostki lodu trzymanym w ręce kawałkiem grafenu.

Przewodzenie ciepła to nie wszystko. Jeszcze w 2008 roku Jeffrey Kysar i James Hone z Uniwersytetu Columbia przeprowadzili testy wytrzymałości grafenu, usiłując rozerwać jego wiązania atomowe diamentową sondą. Próby te spełzły na niczym, a wnioski z przeprowadzonego eksperymentu naukowcy przedstawili w obrazowy sposób.

Ich zdaniem gdyby stworzyć płachtę grafenu i przykryć nią kubek, człowiek nie byłby w stanie jej przebić zaostrzonym ołówkiem. Co więcej, jednoatomowa warstwa wytrzymałaby ciężar postawionego na ołówku samochodu osobowego.

Wielkie możliwości, wielkie nadzieje

Byłaby przy tym elastyczna i, co warte odnotowania, niewidoczna — grafen pochłania zaledwie 2,3 proc. światła (dla porównania, standardowe okno zespolone pochłania ponad 20 proc.). Kolejną właściwością grafenu jest bardzo dobre przewodnictwo elektryczne – w roli przewodnika sprawdza się kilkadziesiąt razy lepiej od krzemu.

Zobacz również: ASIMO - robot gra w piłkę

Wielkie nadzieje budzą również akumulatory zbudowane z wykorzystaniem grafenu. Według badaczy z Uniwersytetu w Kalifornii, którzy niedawno przedstawili efekty swoich prac,  pełne naładowanie baterii smartfona będzie trwało zaledwie 5 sekund! Co więcej, przełom może nastąpić również w przypadku generowania dźwięku — zespół z Uniwersytetu w Teksasie bada kolejną niezwykłą właściwość grafenu, czyli generowanie fali dźwiękowej bez użycia, jak w tradycyjnych głośnikach, ruchomych membran.

Grafen wydaje się również świetnym podłożem pod różne podzespoły elektroniczne — w jednej chwili rozkłada temperaturę na dużą powierzchnię. Wielkie nadzieje budzi również wizja procesorów zbudowanych z grafenu, które – dzięki lepszemu przewodnictwu – byłyby wielokrotnie szybsze od rozwiązań opartych na krzemie. Przeprowadzony przez IBM eksperyment wykazał, że grafenowy tranzystor wytworzony w procesie technologicznym 240 nm jest w stanie osiągnąć częstotliwość do 100 GHz.

Era grafenu dopiero się rozpoczyna

Problem w tym, że o rewolucji, którą wprowadzi do naszego świata grafen, ciągle mówi się w czasie przyszłym. Dlaczego – skoro ten materiał jest tak cudowny — wciąż korzystamy ze starych rozwiązań, a epoka krzemu wydaje się nie mieć końca?

Problemów jest kilka. Pierwszym z nich jest otrzymywanie dużych struktur grafenowych, które zaczeły powstawać dopiero kilka miesięcy temu. Kolejnym problemem jest cena. Do niedawna był to najdroższy materiał na Ziemi – centymetr kwadratowy kosztował około 100 mln dolarów. Wynikało to z bardzo pracochłonnej technologii produkcji, polegającej na mechanicznym złuszczaniu kolejnych warstw.

Samsung chce wykorzystać grafen do budowy giętkich wyświetlaczy

To już przeszłość — coraz więcej firm opracowuje własne technologie tworzenia grafenu, a Sony poinformowało, że dysponuje urządzeniem, zdolnym do wytworzenia grafenowych elementów o długości 100 metrów! Postęp, jaki dokonał się w tej kwestii w ciągu ostatnich kilku miesięcy sprawia, że grafenowa rewolucja zaczyna nabierać rozpędu i np. Samsung, który zainwestował w ostatnich latach w badania nad grafenem ogromne kwoty, chce wykorzystać go do produkcji elastycznych wyświetlaczy.

Grafen i polskie technologie

W tym miejscu pojawia się dobra okazja do wyjaśnienia, dlaczego tak wiele mówi się o grafenie w Polsce. W ostatnich latach firmy z kilku krajów opracowały technologię umożliwiającą produkowanie tańszego grafenu (m.in. za pomocą nagrywarek DVD z LightScribe), więc pod tym względem osiągnięcie Polaków, do niedawna unikatowe, nie jest już  niczym niezwykłym i mieści się w światowej normie.

Zespół pod kierownictwem dr. inż. Włodzimierza Strupińskiego z Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych (ITME) osiągnął jednak coś więcej. Stworzył technologię, która pozwala nie tylko na produkowanie taniego grafenu, ale też – co nie udało się konkurentom – na otrzymywanie materiału o najwyższej jakości.

Choć Polacy zabezpieczyli swój wynalazek patentem, to jego praktyczne wykorzystanie wciąż wymaga dalszych badań. Co prawda ich finansowanie wspiera m.in. Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach programu GRAF-TECH, jednak Polska — mimo posiadania przełomowej technologii — wydaje się zostawać coraz bardziej z tyłu za światową konkurencją pod względem prowadzonych prac badawczych i przekształcania wynalazku w oferowane klientom produkty.

Przykładem może być niedawny konkurs ogłoszony przez Komisję Europejską, która uznała badania nad grafenem za jeden z dwóch strategicznych programów Unii i przeznaczyła na nie miliard euro. Choć udział polskiego Instytutu przedstawiany jest przez minister Barbarę Kudrycką jako wielki sukces, to warto spojrzeć chłodnym okiem na statystyki: wśród 74 uczestników z 17 państw Polskę reprezentuje jedynie ITME.

Podziel się:

Przeczytaj także:

Także w kategorii Nauka:

Tragedie w przestworzach - ataki na samoloty cywilne. Znacznie więcej niż podają media! 9 najgroźniejszych epidemii w historii ludzkości. Ebola i zika wypadają przy nich niewinnie Jak parzy meduza? Ten film wyjaśnia, dlaczego spotkanie z parzydełkami tak bardzo boli Wynalazki Leonarda da Vinci. Nad czym pracował renesansowy geniusz? Zobacz świat tak, jak widzi twój pupil. Spójrz okiem kota, psa i... ptaka Układ QWERTY i szybkie pisanie. Długa historia technologicznego mitu Gigantyczne bombardy, moździerze i armaty. 9 największych dział, jakie kiedykolwiek zbudowano 23 pechowców, których zabiły ich własne wynalazki Najbardziej niedoceniane czołgi II wojny światowej 10 niesamowitych faktów na temat piersi Technologiczne mity. Bracia Wright wcale nie byli pierwszymi lotnikami. Kto ich ubiegł? 10 okrętów, które wygrały wojnę na morzu. Najciekawsze lotniskowce II wojny światowej Stalowe monstra. Najdziwniejsze czołgi z pionierskiego okresu rozwoju broni pancernej 9 najkrwawszych dyktatorów XX wieku. Nie tylko Hitler i Stalin! Największe bombowce strategiczne II wojny światowej Ludzkie oko może zobaczyć niewidzialną podczerwień. Jak to możliwe? Pas Van Allena: odkryto niewidzialną tarczę, która chroni Ziemię przed promieniowaniem Szalone wynalazki przyszłości. Wybieramy najlepiej zapowiadającą się innowację Obiekt 2014-28E. Tajemniczy, rosyjski satelita to nowa broń orbitalna? Biologiczny twardy dysk: DNA bakterii jako zapisywalny nośnik danych Adamed SmartUp: w Polsce nie brakuje młodych, utalentowanych ludzi! Słodkich snów, Philae! Koniec misji lądownika. Posłuchajcie, jak śpiewa mu kometa Nieudane lądowanie zmieniło misję Rosetty w wyścig z czasem. Co się tam stało? Nastoletni naukowcy, którzy zmienili świat