Lepsza połowa węgla

8d lepsz polowa

Począwszy od 2004 roku, kiedy to nobliści Andre Geim i Konstantin Novoselov przy pomocy kawałka grafitu i taśmy samoprzylepnej rozpoczęli być może epokę postkrzemową, światem nauki i biznesu owładnęła nowa gorączka złota. Na szczęście jednak, wyizolowany przez naukowców z Manchester University grafen różni się od złota między innymi tym, że nie jest dobrem deficytowym: spore jego pokłady znajdują się choćby w każdym ołówku. Problem polega na tym, jak go z stamtąd wydobyć.

Od ośmiu lat grafen pozostaje głównym kandydatem na „materiał przyszłości”. Czemu zawdzięcza ten szumny tytuł?

– Jest niezwykle wytrzymały i lekki. Ma grubość atomową – mówi profesor Jacek Baranowski z Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych Wydziału Fizyki UW w wywiadzie udzielonym programowi pierwszemu Polskiego Radia – Poza tym przepuszcza światło i przewodzi prąd. Ale to nie wszystkie jego właściwości. – dodaje.

8f lepsz polowaGrafen jest pierwszym uzyskanym materiałem „dwuwymiarowym”. Jest jedną z alotropowych form węgla, tak samo jak na przykład diament i grafit. Wszystkie trzy, choć zbudowane z tego samego pierwiastka, różnią się od siebie sposobem organizacji jego atomów, co przekłada się na ogromne różnice we właściwościach fizycznych i chemicznych. Grafen znany był fizykom od dawna, ale pierwszy raz udało się wyodrębnić go i poddać badaniom w 2004. Dokonali tego dwaj badacze rosyjskiego pochodzenia, Andre Geim i Konstantin Novoselov. Naukowcy pracujący na University of Manchester wpadli na pomysł, by dwuwymiarową substancję uzyskać poprzez powtarzane wielokrotnie zrywanie kolejnych warstw grafitu, a narzędziami, którymi się posłużyli, była zwykła taśma biurowa i kawałek grafitu. Zarówno taśmę, jak i fragment grafitu, z którego wyodrębniono pierwszy w historii grafen, można dziś oglądać w Muzem Nobla. Odkrywcy darowali je Muzeum w roku 2010, kiedy zostali nagrodzeni prestiżową nagrodą za „przełomowe badania w zakresie dwuwymiarowej substancji – grafenu”.

Choć wciąż tak naprawdę nie wiadomo, czym grafen jest i czym, z praktycznego punktu widzenia, będzie mógł się stać, media i naukowcy nie przestają snuć przed konsumentami cudownych wizji zastosowań substancji. Według optymistycznych deklaracji z grafenu będzie można w przyszłości wytwarzać praktycznie wszystko. Inteligentne garnki, potrafiące wykryć obecność pałeczek okrężnicy w żywności, telefony komórkowe cienkie jak papier i wytrzymalsze od stali, przeźroczyste i giętkie ogniwa fotowoltaiczne pokrywający okna, pojazdy i odzież, a także różnego rodzaju implanty wszczepiane bezpośrednio do ludzkiego ciała. Gdzie jeszcze znajdzie zastosowanie grafen?

– Przede wszystkim w komputerach – mówi doktor Andrzej Wysmołek z Wydziału Fizyki UW – z grafenu można zrobić szybsze i bardziej wydajne procesory, bo technologia oparta na krzemie już doszła do granicy technologicznej. Być może dzięki grafenowi zostanie dokonany skok technologiczny. Ponieważ grafen jest bardzo wytrzymały, więc świetnie się nadaje np. na ekrany dotykowe, które będą odporne na zarysowania. I będzie je można zwijać w rulon, bez obawy o zniszczenie. To również materiał, który doskonale nadaje się na sensory i biosensory – dodaje.

Ile czasu trzeba będzie poczekać na pierwsze urządzenia grafenowe? W opublikowanym w tym roku w magazynie Nature artykule Mapa drogowa dla grafenu (ang. A roadmap for graphene) jeden z odkrywców grafenu, Konstantin Novoselov, wraz z kilkoma innymi naukowcami próbuje przewidzieć kolejność pojawiania się kolejnych urządzeń zbudowanych w oparciu o supermateriał. Według autorów artykułu najszybciej trafią do nas ekrany dotykowe, nad produkcją których trwają już intensywne prace. Dotychczasowe ekrany dotykowe, zbudowane głównie z deficytowych tlenków indu i cyny są nie tylko drogie, ale i nieodporne na uszkodzenia. Według autorów artykułu superwytrzymały i powszechnie dostępny, bo będący formą wszechobecnego węgla grafen mógłby je z powodzeniem zastąpić już w przeciągu dwóch – trzech lat. Pierwszy grafenowy prototyp ekranu dotykowego został zbudowany w zeszłym roku na uniwersytecie Sungkyunkwan w Korei, będącym własnością Samsunga.

8b lepsz polowaPo ekranach dotykowych przyjdzie kolej na zwijalny e-papier. Dzięki unikalnemu połączeniu wytrzymałości z elastycznością, z grafenu będzie można robić „prawdziwe” e-gazety: da się je zwinąć w rulon, a jeśli wytrzymałość materiału nie okaże się mitem, także zabić nimi muchę. Zwijalny ekran można będzie nawinąć na rolkę i zminimalizować tym samym rozmiary takich urządzeń jak czytniki e-booków. Od zwijalnych e-booków już tylko krok do zwijalnych wyświetlaczy, które pojawią się na rynku między 2016 a 2020 rokiem. Towarzyszyć im będą grafenowe żarówki, oszczędne i trudne do stłuczenia, oraz grafenowe farby chroniące przed korozją i umożliwiające drukowanie obwodów elektrycznych na papierze i innych materiałach. W dalszej kolejności przyjdzie czas na grafenowe baterie (pojemne i dające się szybko ładować) i ogniwa fotowoltaiczne, a około roku 2030 grafen wspomoże walkę z nowotworami i wyprze, podstawowy dziś dla budowy komputerów, krzem. Jednak prawdzie oblicze grafen pokaże dopiero po roku 2030.

– Grafen jest wyjątkowym kryształem, przede wszystkim w tym sensie, że przypisuje się mu połączenie kilku wyjątkowych właściwości: od mechanicznych aż po elektroniczne – podkreśla Konstantin Novoselov. – To sugeruje, że jego prawdziwa moc da o sobie znać dopiero w zupełnie nowych zastosowaniach, zaprojektowanych z myślą o tym właśnie materiale jako o nim samym, a nie jako o substytucie innych materiałów w istniejących już urządzeniach.

Gra o grafen

Nie dziwi zatem fakt, że grafenem interesują się wielkie koncerny, takie jak Samsung, IBM czy Nokia. Część z nich prowadzi swoje własne badania nad sposobami wytwarzania i wykorzystywania grafenu. Również Unia Europejska zdaje sobie sprawę z doniosłości badań nad supermateriałem. W maju 2011 roku badania nad grafenem uzyskały, wraz z pięcioma innymi zagadnieniami, status programu pilotażowego inicjatywy Nowe Technologie i Technologie Przyszłości (w skrócie FET: Future and emerging technologies). W ramach programu konkuruje ze sobą sześć konsorcjów zrzeszających jednostki badawcze i przedsiębiorców. Każde z konsorcjów skupia się wokół innego problemu naukowego: od badań na ludzkim mózgiem, poprzez grafen aż do „robotów do towarzystwa”. Na przełomie roku 2012/2013 wybrane zostaną dwa z nich, i przez kolejne dziesięć lat, już jako Projekty Flagowe UE (EU Flagship Projects), będą dofinansowane łączną kwotą miliarda euro każdy. W skład konsorcjum GRAPHENE FLAGSHIP wchodzi kilka czołowych uniwersytetów europejskich oraz firm, między innymi fińska Nokia. Wśród 74 partnerów programu znajduje się jeden podmiot z polski – jest to Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych z Warszawy.

– Jeśli Komisja Europejska uruchomi projekt, Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych weźmie czynny udział w zadaniu Materials, czyli w badaniach nad technologiami wytwarzania grafenu, nie tylko naszą metodą. – mówi dr Włodzimierz Strupiński, autor „polskiej” metody produkcji materiału.

W badaniach nad grafenem ITME wyróżnia się na tle innych jednostek naukowych w kraju, i to nie tylko dlatego, że to właśnie w Instytucie odkryto nowy sposób jego produkcji. W rozstrzygniętym 22 października konkursie Graf-Tech, zorganizowanym przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju Instytut wchodził w skład aż ośmiu z dwunastu zwycięskich konsorcjów, skorzysta zatem z pokaźnej części kwoty rozdysponowanej pomiędzy zwycięzców.

– W ramach badań finansowanych przez program Graf-Tech poszukiwane będą zastosowania z zakresu wykorzystania grafenu w nowych nano-kompozytach, elementach maszyn, czujnikach magnetycznych i przepływu, pokryciach ochronnych, absorberach laserów femtosekundowych, drukowanych ścieżkach przewodzących – wylicza dr Strupiński. – Niestety nie będą finansowane zastosowania w postaci elektrod w organicznych ogniwach słonecznych i w tzw. superkondensatorach, co jest ważną tematyką na świecie – dodaje.

8 lepsz polowaChoć konkurs przyczynił się do powstania kilkunastu podmiotów łączących przedsiębiorców i naukowców, to konsorcja przed wprowadzeniem produktów opartych o grafen na rynek pokonać muszą długą i trudną drogę.

– Nie da się ukryć, że biznes wiąże się tu z ryzykiem – tłumaczy Włodzimierz Strupiński w wywiadzie udzielonym magazynowi Elektronika B2B. – Mimo wielu badań, w 100% nie wiemy, czy nie napotkamy poważnych trudności ograniczających możliwość powszechnej komercjalizacji. Dlatego na całym świecie biznes z grafenem ma status ryzykownego. Jest to trochę nie na rękę krajowym biznesmenom, którzy chcieliby mieć szybki i pewny zwrot z takiej inwestycji. Niestety są to długofalowe projekty, które wymagają cierpliwości od inwestorów, z czym nasi mają trochę problemów, co widać po tym, jak często poruszają w rozmowach problem gwarancji sukcesu – dodaje.

Program Graf-Tech doprowadził wprawdzie do nawiązania współpracy między przedsiębiorcami a naukowcami, wynika to jednak nie tyle ze zmiany nastawienia polskiego biznesu, co raczej ze wsparcia finansowego przyznanego zwycięskim konsorcjom.

– W programie Graf-Tech przedsiębiorcy nie ponoszą zbyt dużego ryzyka finansowego – tłumaczy Strupiński. – Otrzymują wsparcie od 50 do 75%. Uczestnictwo ITME czy innych jednostek naukowych nie jest zatem wyznacznikiem zmiany nastawienia polskiego przemysłu – dodaje.

Jaka wygląda sytuacja Polski w porównaniu do innych krajów badających nowy materiał? – W porównaniu do państw, gdzie nie ma finansowania badań nad grafenem – dobrze, bo mamy program Graf-Tech za 50 mln zł. W stosunku do Wielkiej Brytanii, Niemiec, Włoch, Francji, Szwecji, Irlandii, Szwajcarii, Hiszpanii jesteśmy dość mocno w tyle. Mam nadzieję, że choć spóźniony, Graf-Tech to zmieni – dodaje.

W skład zwycięskich konsorcjów programu Graf Tech wchodzą firmy z różnych sektorów, od energetyki poprzez produkcję czujników i wodomierzy, aż do sektora medycznego. Firmy Tauron i Siemens współtworzą projekt GRAMCOM, którego celem będzie badanie kompozytów zawierających grafen, zbudowanych na bazie miedzi i srebra, a przeznaczonych dla przemysłu energetycznego i elektrycznego. Polska Wytwórnia Papierów Wartościowych, wraz z ITME i Politechniką Warszawską rozpocznie badania nad grafenem jako składnikiem past i atramentów do drukowania ścieżek i warstw przewodzących, które miałyby w przyszłości służyć zabezpieczaniu dokumentów. Spółki Bumar Żołnierz i Nano Carbon wchodzą w skład projektu OPTIGRAF i przy wsparciu ITME zajmą się zabezpieczaniem elementów optycznych za pomocą przezroczystych, grafenowych warstw ochronnych. Wśród pozostałych firm współtworzących poszczególne projekty znajduje się m.in. firma MB Market Ltd, zajmująca się materiałami obuwniczymi i poliuretanami, Niepubliczny
Zakład Opieki Zdrowotnej „Meditest”, Lumel S.A., producent m.in. mierników i rejestratorów czy SECO/WARWICK. Każdy z dwunastu projektów zostanie dofinansowany kwotą ok. 5 mln zł, a owoce pracy konsorcjów powinny pojawić się na rynku nie później niż w ciągu 3 lat od zakończenia projektu.

Co zamiast taśmy?

Zanim jednak grafen zawita pod strzechy pod postacią zwijanych w rulon telewizorów czy nieśmiertelnych żarówek, naukowcy muszą uporać się z podstawowym problemem: jak na skalę przemysłową zamieniać grafit, lub inne substancję zawierające węgiel, w cenny grafen.

– Jest kilka metod wytwarzania tego materiału – tłumaczy dr Strupiński w wywiadzie udzielonym magazynowi Elektronika B2B. – Poza laboratoryjnym sposobem wymyślonym przez Geima i Novoselova odrywania mikroskopijnych płatków od bloku grafitu, dla przemysłu elektronicznego, a więc do zastosowań najbardziej wymagających pod względem jakości, dostępne są dwie metody produkcji. Obie wykorzystują jako bazę klasyczną płytkę podłożową z węglika krzemu (SiC). W pierwszej metodzie grafen uzyskuje się przez sublimację krzemu z płytki SiC. Po podgrzaniu jej do ponad 1600° krzem odparowuje i na powierzchni zostaje warstwa węgla. Gdy to odparowanie wykona się umiejętnie i w kontrolowanych warunkach, węgiel ten przyjmie postać grafenu, a nie inną odmianę alotropową. Sposób ten jest powszechnie stosowany na świecie, a technologia i patenty z nią związane należą do Amerykanów. Odparowywanie krzemu niestety wymaga specjalnego sprzętu technologicznego takiego, który raczej znajduje się na wyposażeniu laboratoriów niż zakładów produkcyjnych. Dlatego na skalę przemysłową jest to sposób produkcji dość kłopotliwy. Odparowywanie jest też procesem trudnym od strony technologii, bo sublimujące atomy krzemu niszczą gładką powierzchnię podłoża i potem są problemy z jakością uzyskiwanego grafenu – dodaje dr Strupiński.

– Istnieje też metoda wytwarzania grafenu na podłożach metalicznych m.in. miedzi lub niklu, która pozwala uzyskać materiał o dużej powierzchni, ale kosztem spadku jakości. Folia miedziana nie jest bardzo gładka, a dodatkowo grafen wyrasta na niej w postaci tzw. domen, czyli wysepek, które się finalnie zrastają ze sobą. Zatem nie występuje jako jednorodny materiał w jednolitej ciągłej warstwie. Niemniej nadaje się na ścieżki, kontakty, pokrycia wyświetlaczy. Wdrażaniem produkcji grafenu taką metodą zajmują się właśnie w Samsungu. Są jeszcze metody chemiczne, które pozwalają na produkcję proszku grafenowego, a więc małych kawałeczków w formie płatków. Do nakładania na powierzchnię ekranu ten sposób się nie nadaje, ale duża wydajność tej metody powoduje, że proszek grafenowy można produkować przemysłowo i dodawać go do na przykład tworzyw sztucznych jako modyfikator. Może on pełnić podobną rolę jak włókno szklane, tworząc materiały kompozytowe. Można w ten sposób wytwarzać tworzywa wytrzymałe mechaniczne, przewodzące ciepło lub prąd – dodaje.

Oprócz wyżej wymienionych sposobów istnieje jeszcze jedna, „polska” metoda wytwarzania grafenu. Wiadomość o jej odkryciu zelektryzowała rok temu media w Polsce, które wieszczyły rychłe powstanie „doliny grafenowej” nad Wisłą.

– Technologia produkcji grafenu, którą dysponuje ITME, jest jedną z kilku dostępnych na rynku, ale w porównaniu do konkurencyjnych metod ma wiele zalet i najlepiej nadaje się do wytwarzania podzespołów elektronicznych, a więc ukierunkowana jest na obszar, na którym nam najbardziej zależy – mówi o „polskiej metodzie” dr Strupiński. – W ITME staraliśmy się zastosować do produkcji grafenu technologię epitaksjalną (czyli nakładanie warstw monokrystalicznych na monokrystaliczne podłoże – przyp. aut.), znaną od lat i powszechną na całym świecie, w której mamy wiele lat doświadczeń i wiedzę. Podobne starania czyniło wiele innych ośrodków na całym świecie, bo wykorzystanie sprzętu do wytwarzania warstw epitaksjalnych na powierzchni półprzewodnika wszystkim wydawało się naturalne. Skoro w ten sposób wykonuje się praktycznie wszystkie podzespoły półprzewodnikowe i na rynku jest wielu dostawców gotowych urządzeń do produkcji, to ma to też sens ekonomiczny. Dlatego ostatnie trzy lata spędziłem w ITME nad opracowaniem takiej technologii. Problem polegał na tym, że proces osadzania (epitaksji) węgla przebiega w warunkach, w których krzem chętnie odparowuje z powierzchni SiC, co jest w tym wypadku zjawiskiem niepożądanym. Gdy całkowicie zablokujemy parowanie krzemu, np. poprzez zwiększenie ciśnienia gazu nośnego, nic nie osadzimy na podłożu. Ten problem napotkali wszyscy badacze i jak na razie tylko mnie udało się go rozwiązać, a Instytut zgłosił patent na to opracowanie – dodaje dr Strupiński.

Sam patent nie przesądza jednak jeszcze o ewentualnym sukcesie polskiej metody wytwarzania materiału. – Inne metody były i przed i po zgłoszeniu naszej metody. Grafen ma różne formy i wytwarza się go różnymi metodami. Dopiero uruchomienie produkcji przemysłowej grafenowych produktów pozwoli na „dobór naturalny” stosowanych obecnie metod wytwarzania na skalę laboratoryjną – tłumaczy Włodzimierz Strupiński.

Wiele dróg do celu

Grafenowa rewolucja już się rozpoczęła, a jej rezultaty powinny być dostępne na rynku w ciągu kilku lat – przekonamy się wtedy na własne oczy, na ile dorównają snutym dziś wizjom. Polska metoda odegra zapewne swoją rolę w tej rewolucji, jednak ze względu na istnienie kilku konkurencyjnych metod, i na wciąż trwające prace nad nowymi sposobami produkcji materiału, nie można liczyć na zmonopolizowanie rynku przez „polski” grafen.

– Dostępność trzech podstawowych metod, przekonujących, że nie ma jednej najlepszej drogi otrzymywania grafenu i cały świat ścigający się, aby te metody dopracować do wydajności umożliwiającej produkcję wielkoseryjną przekonują mnie, że miejsca na rynku starczy dla wszystkich, bo po prostu jest to uniwersalny materiał o potencjalnie masowym zastosowaniu – podsumowuje dr Strupiński.

Piotr Pawlik

admin

Komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *