Polscy naukowcy wciąż walczą o to, żeby znaleźć tańsze metody produkcji grafenu. Badacze z dwóch warszawskich instytutów poczynili na tym polu duże postępy.
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.
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.
– 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.
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.
