Kiedy Andriej Gejm i Konstantin Nowosiołow otrzymali w 2010 r. Nagrodę Nobla za przełom w badaniach nad grafenem, świat nie krył entuzjazmu. Materiał posiadał tyle cudownych właściwości, że wydawało się, iż stoimy u progu kolejnej rewolucji technologicznej. Jest twardy jak diament, wytrzymały na rozciąganie, elastyczny i praktycznie przezroczysty. Doskonale przewodzi prąd i ciepło. A do tego jest formą węgla, czyli potencjalnie jest go w bród (czytaj: będzie tani i go nie zabraknie).

Cechy grafenu predestynują go do wywrócenia wielu branż do góry nogami: począwszy od chemicznej, przez elektroniczną, energetyczną, hutnictwo, a na medycynie skończywszy. Pomimo wieloletnich badań rewolucja jednak nie nadchodzi, bo stanęły jej na drodze dwie przeszkody. Po pierwsze, naukowcy wciąż mają trudności z udoskonaleniem metod produkcji grafenu na masową skalę – a także robienia tego za relatywnie nieduże pieniądze. Z tym z kolei wiąże się druga przeszkoda: ślimacze tempo prac nad technologiami aplikacyjnymi. Bez odpowiedniej ilości dobrego jakościowo grafenu badacze nie mogą ruszyć z kopyta z wdrożeniami.

źródło: Dziennik Gazeta Prawna

Teraz jednak naukowcom z warszawskich ośrodków badawczych – Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych (ITME) oraz Instytutu Ceramiki i Materiałów Budowlanych (ICiMB) – udało się zbliżyć do rozwiązania pierwszego problemu. – Dzięki zastosowaniu nowatorskiej metody udało nam się uzyskać najczystszą postać grafenu płatkowego – cieszy się dr Ludwika Lipińska z ITME. „Płatkowego”, czyli składającego się z miliardów mikroskopijnych, dwuwymiarowych struktur (o grubości 1 atomu) niezwiązanych z podłożem, w odróżnieniu od całych płacht jednowarstwowego grafenu hodowanego na podłożach metalicznych.

Podstawowy problem z grafenem jest taki, że nie występuje w naturze – a już na pewno nie w potrzebnych nam ilościach. Dlatego „produkcja” grafenu oznacza, że węgiel trzeba zmusić do przyjęcia charakterystycznej struktury plastra miodu o grubości jednego atomu. Robi się to za pomocą dwóch metod: epitaksjalnej i chemicznej (z obu korzysta ITME). Ta pierwsza polega na tym, że naukowcy starają się w odpowiednich warunkach „zachęcić” atomy węgla do utworzenia grafenu na specjalnym podłożu (w ten sposób często produkuje się kryształy). Za pomocą tej drugiej pozyskuje się grafen, „odrywając” go od surowca wyjściowego. – Jest nim znany z ołówków grafit, którego wewnętrzna struktura to nic innego jak warstwy grafenu ułożone jedna na drugiej. Profesjonalnie nazywamy je galeriami – tłumaczy mgr inż. Zbigniew Wiliński z ITME.

>>> Czytaj też: Grafenowy cios w raka. Polscy naukowcy mają przełomowy pomysł

– Obróbka chemiczna zaczyna się od utlenienia przypominających brokat płatków grafitowych. Dzięki tej reakcji do poszczególnych galerii przyłączają się różne grupy związków chemicznych zawierające tlen, odrywając je jedna po drugiej – tłumaczy dr inż. Magdalena Winkowska z ITME. Najczęściej wykorzystywana przy utlenianiu grafitu jest metoda Hummersa, opracowana pod koniec lat 50. przez Williama Hummersa i Richarda Offemana, pracowników trudniącej się produkcją ołowiu National Lead Company (dzisiaj NL Industries). Płatki grafitu poddaje się w niej działaniu stężonego kwasu siarkowego, azotanu sodu i nadmanganianu potasu w podwyższonej temperaturze.

W ten sposób naukowcy otrzymują zawiesinę tlenku grafenu – czyli poodrywanych z grafitu galerii węglowych, do których w różnych miejscach przyłączone są grupy tlenowe. Problem polega na tym, że pożądany materiał znajduje się w wodzie, której trzeba się pozbyć – co samo w sobie stanowi wyzwanie. – Zwykłe odparowanie nie wchodzi w grę, bo pod wpływem temperatury płatki tlenku grafenu zmieniają swoje właściwości i zlepiają się ze sobą. Wody trzeba się więc pozbyć w taki sposób, aby warstwy tlenku grafenu nie były ze sobą związane, tylko tworzyły luźny proszek – tłumaczy mgr Joanna Jagiełło z ITME.

Po pozbyciu się wody naukowcy zostają z tlenkiem grafenu. Ten jednak jest izolatorem – chociaż czysty grafen charakteryzują doskonałe właściwości przewodnictwa prądu. Odpowiadają za to grupy tlenowe – te same, które były wcześniej potrzebne do poodrywania grafenowych warstw z grafitu. Dodatkowo ich obecność wprowadza w strukturę materiału pewne niedoskonałości, które pogarszają jego właściwości. Teraz, kiedy spełniły swoją funkcję, trzeba się ich pozbyć. Dzieje się to za pomocą reakcji zwanej redukcją.

>>> Polecamy: Polski grafen trafił do sprzedaży. To początek rewolucji

Redukcję można przeprowadzić za pomocą wielu metod: chemicznej, elektrochemicznej, termicznej, z zastosowaniem promieniowania ultrafioletowego lub mikrofal. – Nam zależało jednak na uzyskaniu tzw. papieru grafenowego, cienkiego materiału, który pod mikroskopem w przekroju przypomina ciasto francuskie i jest bardzo elastyczny. W ITME pozyskiwaliśmy taki papier, ale był on niezwykle kruchy. Wiedzieliśmy, że musimy sięgnąć po inną metodę redukcji – tłumaczy dr Lipińska.

Tą metodą okazało się poddanie tlenku grafenu jednoczesnemu działaniu wysokiej temperatury i ciśnienia w urządzeniu zwanym prasą izostatyczną do prasowania na gorąco. Tak się złożyło, że taka prasa znajdowała się na drugim końcu Warszawy – w Instytucie Ceramiki i Materiałów Budowlanych. Efekty jej zastosowania były zdumiewające. – Otrzymany papier był gładki i elastyczny, a także cechował się wysokim przewodnictwem elektrycznym. W urządzeniu udało się również dokonać redukcji proszku tlenku grafenu, a pomimo wysokich ciśnień, rzędu 3 tys. atmosfer ziemskich, grafen zachował strukturę płatków – cieszy się dr inż. Krzysztof Perkowski z ICiMB.

– Wreszcie otrzymujemy grafen o właściwościach zbliżonych do tych teoretycznych, które niosą nadzieję na rewolucję – podkreśla dr Lipińska. Naukowcy mają nadzieję, że papier grafenowy, przez wzgląd na elastyczność, przewodnictwo i niewielką wagę, znajdzie zastosowanie w elektrodach stanowiących elementy baterii. To na razie jednak pieśń przyszłości.

Teraz naukowcy chcą się skupić na obniżeniu kosztów wytwarzanego w ten sposób grafenu. Na razie cena wynosi kilkaset złotych za gram, co zniechęca partnerów przemysłowych do angażowania się w badania nad potencjalnymi zastosowaniami. Tymczasem grafen płatkowy doskonale nadaje się jako domieszka do już istniejących materiałów; domieszkowanie grafenem może poprawić ich właściwości, czyniąc je bardziej konkurencyjnymi. W poprzedniej edycji konkursu „Eureka! DGP” opisywaliśmy taki właśnie przykład – naukowcy ze stołecznego Instytutu Mechaniki Precyzyjnej dodali grafen do proszku miedziowego, w efekcie czego uzyskano substancję o przewodnictwie lepszym niż sama miedź. W ten sposób niewielkimi krokami zbliżamy się do momentu, w którym grafenowy entuzjazm będzie w końcu uzasadniony. ⒸⓅ

Eureka! DGP

Trwa czwarta edycja konkursu „Eureka! DGP – odkrywamy polskie wynalazki”, do którego zaprosiliśmy polskie uczelnie, instytuty badawcze i jednostki naukowe PAN. Do 16 czerwca w Magazynie DGP będziemy opisywać wynalazki nominowane przez naszą redakcję do nagrody głównej, wybrane spośród 68 nadesłanych przez uczelnie i instytuty.

Rozstrzygnięcie konkursu nastąpi pod koniec czerwca. Nagrodą jest 30 tys. zł dla zespołu, który pracował nad zwycięskim wynalazkiem, ufundowane przez Mecenasa Polskiej Nauki – firmę Polpharma oraz kampania promocyjna dla uczelni lub instytutu o wartości 50 tys. zł w mediach INFOR Biznes (wydawcy Dziennika Gazety Prawnej) ufundowana przez organizatora.