Grafen na rozdrożach

Są historie analogiczne. Pod koniec lat 60. ubiegłego wieku reklamowany podobnie jak grafen był arsenek galu. Nigdy nie zastąpił krzemu, pozostając niszą branży półprzewodnikowej. Przypomnijmy też, że węglowe fulereny zostały odkryte w 1985 roku, Croto, Kurl i Smalley otrzymali Nagrodę Nobla za ich syntezę w 1996 roku. I też wciąż brak rewolucyjnych zastosowań. Nanorurki węglowe zostały odkryte w 1991 roku. Tu jest trochę lepiej, ale to wciąż niewiele w stosunku do rozdmuchanych oczekiwań. Czy grafen czeka podobny los?

Grafen to dwuwymiarowy alotrop węgla o prostej strukturze - atomy układają się w nim w płaski wzór plastra miodu, a w narożnikach każdej sześciokątnej jednostki znajduje się po jednym atomie węgla. Jedną z interesujących konsekwencji struktury monowarstwowej jest niezwykle wysoka mobilność elektronów w materiale, który wykazuje ponadto najwyższą gęstość prądu. To oznacza, że może przenosić więcej energii elektrycznej, bardziej wydajnie, szybciej i z większą precyzją niż jakikolwiek inny materiał. Grafen też jest niezwykle rozciągliwy, do 20% długości. A jednocześnie jest to najsztywniejszy znany materiał, sztywniejszy nawet od diamentu. Grafen bije na głowę również diament pod względem przewodności cieplnej. Jest też rekordowo nieprzepuszczalnym materiałem nawet dla atomów helu.

Te i wiele innych fascynujących właściwości materiału sprawiły, że kilkanaście lat temu zaczęło się coś, co nazywano nawet „grafenową gorączką złota”. Jednak jej temperatura znacznie ostatnio spadła. Niestety pomimo wszystkich pierwotnych zachwytów do dziś właściwie nie ma komercyjnych zastosowań dla grafenu na dużą skalę. Jego produkcja jest wciąż bardzo kosztowna i czasochłonna. Doskonałe właściwości grafenu są pochodnymi doskonałości sieci i cienkiej warstwy. I te rzeczy są właśnie trudne do osiągnięcia w znanych metodach wytwarzania, co hamuje masową produkcję. Jeśli w tej siatce znajdują się jakiekolwiek niedoskonałości, puste miejsca, inkluzje lub błędy, wytrzymałość struktury znacznie spada. Im większy jest arkusz grafenu, tym wykładniczo większe jest prawdopodobieństwo wystąpienia takich defektów.

Jest jeszcze jeden problem, który w stopniu istotnym hamuje grafen. To brak wiedzy o tym, jak go wykorzystać i do czego mógłby się przydać. W rzeczywistości istnieje wiele różnych rodzajów grafenu, z których każdy nadaje się do różnych rzeczy, ale mało kto o tym wie i dla mało kogo jest jasne, co właściwie można by na wykorzystaniu grafenu osiągnąć.

Po 2004 roku główne nadzieje dotyczyły wykorzystania grafenu jako idealnego tworzywa dla przemysłu komputerowego i zazwyczaj wymieniany był w kontekście zastąpienia krzemu w wytwarzaniu procesorów. Jednym z parametrów procesora jest wielkość elementów, z których jest zbudowany - im są one mniejsze tym mniej energii zużywają. Wszystko ma jednak swoje ograniczenia i dotarliśmy do tego etapu, że procesorów krzemowych nie można już pomniejszyć, bo są one tak malutkie, że widać w nich pojedyncze atomy. Era krzemu chyli się powoli ku upadkowi, a jednym z głównych faworytów do jego zastąpienia wydaje się być grafen.

Komponenty elektroniczne, które są elastyczne i rozciągliwe są bardziej uniwersalne niż te sztywne, dlatego są poszukiwane do optoelektronicznych urządzeń (takich jak wyświetlacze czy ogniwa słoneczne), w których przezroczyste elektrody są kluczowymi elementami. Niezwykłe właściwości grafenu sprawiają, że znacznie lepiej niż kruchy krzem nadaje się do wytwarzania giętkich, przejrzystych, a przy tym bardzo wytrzymałych wyświetlaczy dotykowych czy folii, przybierających dowolne kształty.

Grafen wychodzi również naprzeciw medycynie. Badania nad biologicznym zastosowaniem grafenu koncentrują się na zagadnieniach mikrobiologii, medycyny regeneracyjnej i onkologii. Grafen jest antybakteryjny: mechanicznie niszczy błony komórkowe bakterii poprzez ostre krawędzie swoich płatków.

Wojsko również zainteresowane jest wykorzystaniem grafenu i bada nowy materiał w celu ulepszenia masek gazowych, kamizelek kuloodpornych czy hełmów. Okazuje się bowiem, że może on zastąpić nie tylko krzem, ale również Kevlar! Według badań grafen wykazuje lepszą efektywność w zatrzymywaniu kul - jest w stanie zaabsorbować 10-krotnie więcej energii niż stal.

Superszybkie procesory, ultracienkie ekrany, kamizelki kuloodporne, bakteriobójcze opatrunki, ogniwa słoneczne – wszystkie te nowoczesne technologie mogą powstać dzięki zastosowaniu grafenu. A kto wie, jakie niespotykane pomysły naukowców przyniesie kolejny dzień ery grafenu?

za: Zofia Jelińska, Wydział Chemii, Uniwersytet Gdański; Mirosław Usidus, mlodytechnik.pl