Weronika Kostrzanowska: Grafen nasz nieco dzienny

Zastąpi plastik, pomoże w rehabilitacji i odsoli wodę morską

fot. pixabay.com, seagul

Wynalazek, który kiedyś istniał tylko w głowie zepchniętego na margines naukowca, jest o krok od zrewolucjonizowania każdej dziedziny ludzkiego życia.

Węgiel. Pierwsze skojarzenie? Oczywiście te czarne bryłki, którymi opala się piece. Czasem – grafit w ołówkach. Znacznie rzadziej ten powszechny pierwiastek kojarzy się z bardzo ekskluzywnym kamieniem, czyli diamentem. Istnieje jeszcze co najmniej kilka odmian węgla, przed którymi stoją ogromne perspektywy wykorzystania. Obecnie największe nadzieje pokłada się w grafenie.

Z papieru na taśmę
W nauce nieraz jest tak, że zanim coś zostanie poznane empirycznie, to sam zamysł i przewidywania pojawiają się najpierw w głowach naukowców, potem na kartkach, zaś na samo odkrycie nierzadko trzeba czekać latami. Tak było chociażby z Ogólną Teorią Względności Alberta Einsteina, która przewidywała istnienie fal grawitacyjnych, a które zostały zaobserwowane przez naukowców dopiero w 2015 roku.

Ile osób błędnie myśli, że Einstein otrzymał Nagrodę Nobla za obie teorie względności? Owszem, ten niemiecki uczony był nominowany do Nobla za te i inne dokonania ponad 10 razy, ale komisja stwierdzała, że prace te są zbyt teoretyczne, by można było przyznać mu takie wyróżnienie. Największy geniusz naszej epoki dostał nagrodę za zasługi dla fizyki teoretycznej, szczególnie za odkrycie praw rządzących efektem fotoelektrycznym, gdzie badania nad efektem fotoelektrycznym zapoczątkował Heinrich Hertz.

Z grafenem historia wygląda dosyć podobnie. Bo najpierw zaczął on istnieć wyłącznie na papierze. Pomysł zrodził się w głowie Phillipa Russela Wallace’a już w 1947 roku. Naukowiec został szybko sprowadzony do parteru, bo wszystkie inne prace z tego okresu jednogłośnie zaprzeczały istnieniu struktury grafenu w naturze (grafen jest strukturą 2D, inaczej mówiąc: stanowi warstwę o grubości jednego atomu; atomy węgla są w nim ułożone w charakterystyczne sześciokąty, przypominając strukturę plastra miodu). Jednak jego teorie trafiły na podatny grunt. Owocem była Nagroda Nobla, którą w 2010 roku otrzymali Andriej Gejm i Konstantin Nowosiołow. A dziś mamy do czynienia z początkiem rewolucji grafenowej.

Eufemizmem byłoby stwierdzenie, że badania nad uzyskaniem struktury o grubości jednego atomu były dosyć… prymitywne. Naukowcy posłużyli się w tym celu taśmą klejącą. Dokładnie taką, jaką większość z nas ma na biurku. I tu rodzi się pytanie: jakim cudem za pomocą taśmy klejącej można dokonać odkrycia na miarę Nobla?

Geniusz tkwi w prostocie. Grafen przypomina budową zwykły grafit, z tym, że w graficie płaszczyzny dwuwymiarowe są ułożone dodatkowo w pionie i połączone wiązaniami. Mocno upraszczając, można powiedzieć, że grafit to struktura złożona z wielu, wielu struktur grafenu. Cała sztuczka polega na tym, by uzyskać warstwę jednego atomu.

Przyszli nobliści postanowili, że uzyskają grafen z grafitu. Przyklejali do niego taśmę, badali, co na niej uzyskali, a jeżeli nie byli zadowoleni z efektu, to przyklejali do niej kolejną, i tak aż do uzyskania tej niezwykle cienkiej warstwy. Aż trudno uwierzyć, że można było tego dokonać tak prostą metodą. Oczywiście Gejm i Nowosiołow nie dostali oni Nagrody Nobla za samo uzyskanie grafenu, ale za badania nad nim i przedstawienie całej gamy jego zastosowań.

Materiał dla mas
A są one naprawdę imponujące, zwłaszcza te, które mogą przynieść realną rewolucję technologiczną. Grafen jest niesłychanie dobrym przewodnikiem, zarówno ciepła, jak i elektryczności, stawia małą rezystancję, a elektrony w nim nie są niczym skrępowane, dzięki czemu mogą poruszać się z prędkościami relatywistycznymi. To wszystko stawia go w pozycji następcy tronu w dziedzinie IT – może wyprzeć krzem, powodując duże zamieszanie w branży.

Przy tych właściwościach grafen jest również najmocniejszym i najbardziej wytrzymałym materiałem znanym dotąd ludzkości. Może wytrzymać rozciąganie sięgające ponad 100 GPa (gigapaskali; dla stali konstrukcyjnej ten sam wskaźnik wynosi poniżej 1 GPa). Dla zobrazowania tych liczb posłużę się porównaniem. Gdybyśmy chcieli zrobić grafenowy hamak o wymiarach metr na metr, to byłby on w stanie utrzymać kota ważącego 5 kilogramów, a sam hamak ważyłby tyle, co wąs tegoż kota.

Ale jak to wykorzystać? Taka właściwość grafenu może pomóc w stworzeniu materiałów, które mogłyby zastąpić dzisiaj używane powszechnie metal i plastik. Jako materiał bardzo lekki, mocny i wytrzymały na rozciąganie z pewnością stałby się użyteczny w budownictwie, inżynierii maszyn i wojskowości.

Obecnie bardzo duże nadzieje pokłada się też w medycznych zastosowaniach grafenu. Fiński instytut VTT opracował opaskę z wykorzystaniem tego materiału, mierzącą napięcie skóry oraz monitorującą ruchy kończyn, a następnie wysyłającą te dane do aplikacji mobilnej. Takie rozwiązanie daje szanse na lepszą rehabilitację osób niepełnosprawnych, a także pozwoli sportowcom prowadzić wydajniejsze treningi.

Z kolei uczeni z Teksasu opracowali skórne czujniki grafenowe, które aplikuje się w podobny sposób jak tatuaż, z tą różnicą, że zostaną one w naszej skórze przez pewien ograniczony czas. Czujnik taki jest w stanie monitorować napięcie mięśni czy rytm serca, co w znacznym stopniu przyspieszy reagowanie na pierwsze objawy chorobowe czy zapalne.

Jeśli kogoś nie interesują takie zastosowania, a wolałby mieć pod ręką wynalazki, które uczyniłyby jego życie weselszym, to grafen też zaspokoi te potrzeby. Membrana, jaką można z niego stworzyć, jest absolutnie nieprzepuszczalna dla jednych z najmniejszych atomów, jakimi są atomy helu. Substancją, której nie opiera się grafen, to woda. Tylko ją przepuszcza przez swoje sito atomów węgla. Dałoby to amatorom mocniejszych trunków możliwość zatężania preparatów bez uciążliwej destylacji. Takie membrany sprawdziłyby się też w bardziej szczytnym celu – jako filtry do odsalania wody oceanicznej w celu uzyskania wody pitnej.

Dekada na zmiany
To jedynie wierzchołek góry lodowej, jeśli chodzi o potencjał grafenu (wystarczy wspomnieć choćby o wykorzystaniu go do produkcji wyświetlaczy dotykowych, baterii i akumulatorów). Planuje się, że wejdzie on do naszej codzienności za około 10 lat. Powstaje właśnie międzynarodowy projekt Graphene Flagship, którego zadaniem jest wyprowadzenie grafenu z murów laboratoriów i komercjalizacja go. W skład konsorcjum wchodzi ponad 20 krajów europejskich, a głównymi obszarami prac są zastosowania tego materiału w medycynie, ochronie środowiska, elektronice i energetyce.

Dlaczego trzeba czekać aż tak długo? Związane jest to z długim procesem komercjalizacji wynalazków technologii grafenowej. Bo o ile w warunkach laboratoryjnych można sobie pozwolić na żmudne badania z użyciem taśmy klejącej, o tyle trudno to sobie wyobrazić w skali masowej.

Obecnie na potrzeby technologiczne wytwarza się go metodą płatkową, opracowaną w Instytucie Technologii Materiałów Elektronicznych w Warszawie. Ponieważ niemal w tym samym czasie co nobliści badania nad otrzymaniem grafenu prowadził dr inż. Włodzimierz Strupiński. Jego metoda polega zaś na osadzaniu kolejnych warstw pierwiastka na podłożu krzemowym. Tu akurat wykorzystano płytki z węgliku krzemu – i to już dużo lepsze rozwiązanie do produkcji na dużą skalę.

Czas do następnego artykułu z tego cyklu

Dni
Godzin
Minut
Sekund

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Please enter your comment!
Please enter your name here