Grafen, czyli cudowny materiał – technologia i zastosowanie

362
Cząsteczka grafenu wyświetlana nad smartfonem

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 jednak koniec węglowych niespodzianek. W 2004 roku zespół rosyjskich i angielskich badaczy z Uniwersytetu Manchesterskiego, kierowany przez Andre Geima, odkrył jego kolejną odmianę – grafen.

Dzięki swoim niezwykłym właściwościom grafen już zdołał zrewolucjonizować sektor nowych technologii, a jego niesamowite możliwości wciąż stanowią prawdziwe pole do popisu dla branży technologicznej w przyszłości. Czym dokładnie jest grafen? Jakie ma właściwości, jak się go pozyskuje oraz jakie są jego zastosowania? Przekonamy się poniżej:

Grafen – co to?

Grafen – płaska struktura złożona z atomów węgla, połączonych w sześciokąty. Materiał Cząsteczki grafenu kształtem przypomina plaster miodu, a ponieważ ma grubość jednego atomu, w przybliżeniu jest strukturą dwuwymiarową. Grafen jest przedmiotem zainteresowania przemysłu ze względu na różne właściwości, w tym elektryczne i mechaniczne.

Odkrycie i pierwsze wytworzenie grafenu

Opis teoretyczny grafenu powstał już w 1947 roku w pracy Philipa Russela Wallace’a. Jednak w tym samym okresie opublikowano szereg innych prac, w których dowodzono, że grafen, jak i inne materiały dwuwymiarowe, nie może istnieć w przyrodzie. Na początku lat osiemdziesiątych pojawiały się artykuły wskazujące, że grafen można jednak wytworzyć. W 2004 roku nastąpił przełom – zespół rosyjskich i angielskich badaczy z Uniwersytetu Manchesterskiego, kierowany przez Andre Geima, pokazał, że wytworzony przez nie grafen ma unikatowe własności, które zostały przewidziane wcześniej. Po tej publikacji nastąpiło przyspieszenie prac nad grafenem – zarówno pod kątem czysto badawczym, jak i w poszukiwaniu coraz lepszych metod wytwarzania tego materiału.

Za badania grafenu wspomniany Andriej Gejm i Konstantin Nowosiołow otrzymali w 2010 Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Właściwości grafenu

Grafen a światło

Grafen cechuje się wysoką przepuszczalnością i czułością na światło. Jest materiałem niemal całkowicie przezroczystym – warstwa grafenu pochłania jedynie bardzo niewielką część światła padającego (2,3%).

Waga i wytrzymałość

Co więcej, grafen jest najlżejszym znanym ludzkości materiałem. 1 metr kwadratowy grafenu waży około 0,77 miligrama. Przy czym cechuje się on bardzo dużą wytrzymałością mechaniczną – jest około 100 razy mocniejszy od stali tej samej grubości. Oznacza to, że gdyby stworzyć płachtę grafenu i przykryć nią kubek, człowiek nie byłby w stanie jej przebić perfekcyjnie zaostrzonym ołówkiem. Co więcej, jednoatomowa warstwa wytrzymałaby ciężar postawionego na ołówku samochodu osobowego.

Elastyczność

Grafen jest także bardzo elastyczny – wytrzymuje rozciąganie nawet do 20-25% w stosunku do pierwotnego rozmiaru. Wartość wytrzymałości grafenu na rozciąganie wynosi 130 GPa, podczas gdy dla stali konstrukcyjnej wynosi około 0,4 GPa.

Przewodnictwo elektryczne

Kolejną cechą tej odmiany węgla jest bardzo dobre przewodnictwo elektryczne, nawet w przypadku zerowej koncentracji ładunku elektrycznego. Elektrony w grafenie cechują się bardzo wysoką ruchliwością w temperaturze pokojowej. Dodatkowo posiada on bardzo niską wartość rezystancji.

Przewodnictwo cieplne

Grafen również doskonale przewodzi ciepło. Jego przewodność cieplna jest około dwukrotnie większa niż przewodność cieplna innej popularnej formy alotropowej węgla – diamentu.

Łatwość modyfikowania

Dodatkowo właściwości fizykochemiczne grafenu można z łatwością modyfikować z wykorzystaniem obróbki chemicznej, choćby poprzez nanoszenie na jego powierzchnię atomów oraz cząsteczek chemicznych, takich jak enzymy, przeciwciała czy fragmenty DNA.

Odporność na gazy i bakterie

Warto też wiedzieć, że warstwa utlenionego grafenu może pełnić rolę membrany selektywnej, nieprzepuszczalnej dla gazów oraz atomów helu i całkowicie przepuszczalnej dla wody. Grafen jest ponadto odporny na działanie wody i rozpuszczalników organicznych oraz posiada właściwości bakteriobójcze.

Otrzymywanie grafenu

Metoda mechaniczna

Grafen wytwarzany jest wieloma technikami, a każda z nich ma inne potencjalne zastosowanie w nauce i przemyśle. Odrywanie mechaniczne przy użyciu taśmy klejącej z wysokiej jakości grafitu służy głównie do zastosowań czysto badawczych. Tak otrzymany grafen ma bardzo wysokie parametry ruchliwości, jednak nie może być wytwarzany na masową skalę ze względu na ogromne koszty. Do niedawna tak otrzymywany grafen był wręcz najdroższym materiałem na świecie. Tego rodzaju grafen można wytwarzać w każdym laboratorium.

CVD

Inną techniką wytwarzania grafenu jest osadzanie z fazy gazowej zwane CVD – czyli z angielskiego “Chemical Vapor Deposition” – na metalach. Proces ten zapoczątkowali koreańscy badacze, a obecnie jest wykorzystywany w wielu laboratoriach na świecie. Dzięki tej metodzie grafen stał się znacznie tańszym materiałem – koszt produkcji grafenu na miedzi jest znacząco niższy niż grafenu otrzymywanego z grafitu. Jednocześnie grafen na miedzi ma znacząco niższą jakość niż grafen otrzymywany z grafitu i nie może być zastosowany do produkcji urządzeń elektronicznych. Można go jednak stosować do budowy ekranów dotykowych, gdzie jakość (liczba defektów, wielkość domen i jednorodność) nie jest tak bardzo istotna.

SiC

Kolejną metodą jest wytwarzanie grafenu na węgliku krzemu. Metoda wytwarzania węgla przez rozkład termiczny SiC pozwala na otrzymywanie dużych powierzchni wysokiej jakości grafenu. Koszt podłoża SiC jest jednak bardzo wysoki. Na grafenie wyhodowanym na SiC powstał pierwszy grafenowy układ scalony.

HSMG

W 2015 roku Politechnika Łódzka zaprezentowała autorskie urządzenie do produkcji grafenu z fazy ciekłej, które pozwala na wytwarzanie wielkopowierzchniowych płatów grafenowych o właściwościach bliskich teoretycznym. Swój produkt nazwała HSMG – z angielskiego High Strength Metallurgical Graphene. W 2016 roku metoda HSMG uzyskała ochronę patentową w UE i USA.

Zastosowanie grafenu

Wysokie technologie

Materiał ten ma szansę w wielu zastosowaniach zastąpić krzem. Naukowcy amerykańskiego Massachusetts Institute of Technology (MIT) zbudowali eksperymentalny grafenowy mnożnik częstotliwości, co oznacza, że jest w stanie odebrać przychodzący sygnał elektryczny pewnej częstotliwości i wyprodukować sygnał wychodzący, stanowiący wielokrotność tej częstotliwości. W tym przypadku układ stworzony przez MIT podwoił częstotliwość sygnału elektromagnetycznego. Testy przeprowadzone przez IBM wykazały, że tranzystor wytworzony w procesie technologicznym 240 nm jest w stanie osiągnąć częstotliwość do 100 GHz.

Wyświetlacze i fotowoltaika

Przezroczystość i znakomite przewodnictwo sprawiają, że grafen nadaje się do wytwarzania przejrzystych, zwijanych w rolkę wyświetlaczy dotykowych oraz do produkcji energii odnawialnej z modułów fotowoltaicznych i magazynowania jej w wysokowydajnych akumulatorach bądź także w superkondensatorach.

Ochrona środowiska

Natomiast czujniki z grafenu potrafią zarejestrować obecność pojedynczej cząsteczki szkodliwej substancji, znajdując zastosowanie choćby w monitoringu i ochronie środowiska.

Biomedycyna

Grafen jest także wykorzystywany w badaniach z dziedziny chemii, biologii oraz medycyny. Stanowi materiał do produkcji czujników chemicznych i biosensorów, elektrochemicznych immunosensorów używanych w diagnostyce medycznej do wykrywania markerów nowotworowych, arkuszy antybakteryjnych oraz opatrunków grafenowych.

Jak zostało wcześniej wspomniane, może być również używany w inżynierii tkankowej. Ta możliwość czyni go odpowiednim kandydatem do wytwarzania struktur nanohybrydowych mających zastosowanie w różnych dziedzinach biomedycznych, takich jak różnicowanie tkanek, regeneracja i leczenie stanów zapalnych. Idea takich nanohybrydowych rusztowań opiera się na synergistycznym działaniu grafenu na regulację stanów zapalnych, a także na jego zdolności regeneracyjnej. Wysoka zdolność antybakteryjna jest głównie związana z fizycznymi uszkodzeniami występującymi podczas bezpośredniego kontaktu z błonami bakteryjnymi ostrych krawędzi arkuszy grafenowych, podczas gdy działanie regeneracyjne opiera się na potencjale rusztowania do promowania adhezji i proliferacji mezenchymalnych komórek macierzystych (MSC).

Przyszłość grafenu

Według danych analitycznych dotyczących światowego rynku grafenu, jego średnioroczna Struktura molekularna grafenu dynamika wzrostu w latach 2021-2027 wyniesie około 40%, a rynek osiągnie i przekroczy wartość 1 miliarda dolarów w 2027 roku. Obecnie jest on wart około 127 milionów USD.

Tempo grafenowej rewolucji nadają obecnie producenci z Azji. Oczekuje się, że wprowadzenie innowacyjnych technologii w produktach elektronicznych wytwarzanych w Japonii i Chinach będzie napędzać rynek elektroniczny. Rząd Chin poczynił duże inwestycje w badania i rozwój nanopłytek grafenowych i znacznie zwiększył ich produkcję. Plany zakładają, że do 2023 roku w Państwie Środka będzie się produkować nawet 5 tysięcy ton grafenu rocznie.

Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments