Polski cud technologii. O co chodzi z tym grafenem?

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.

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.

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.