Huśtawka emocji – sukcesy i rozczarowania związane z grafenem
Uzyskiwanie grafenu nie jest takie proste
Już w chwili wyizolowania grafenu w 2004 roku przez późniejszych laureatów z nagrody Nobla Andre Geima i Konstantina Novoselowa (teoretycznie jego istnienie przewidział w 1947 roku prof. P. R. Wallace’a, a w 1962 zaobserwował go za pomocą dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego Hanss-Peter Boehm) wiadomo było, że jego produkcja na większą skalę, ze względu na dwuwymiarową strukturę, nie będzie łatwa. Co gorsza, grafen jest materiałem niestabilnym termodynamicznie i sam z siebie będzie pękał, powstawać będą w nim defekty sieci krystalicznej oraz będą się też tworzyły warstwy polikrystaliczne. Oznacza to, że taki materiał będzie miał w znacznym stopniu bardziej właściwości grafitu, a nie grafenu.
Na szczęście, jak okazało się w praktyce struktury grafenowe zawierające powyżej 6 tys. atomów węgla są wystarczająco stabilne pod względem termodynamicznym, samoistnie nie pękają i nie tworzą warstw polikrystalicznych. Struktury grafenowe zawierające powyżej 25 tys. atomów są już uznawane za termodynamicznie stabilne. Dzięki temu możliwe jest otrzymywanie w miarę dużych warstw grafemu, nie jest to jednak wciąż dwuwymiarowa grafenowa folia.
To co udaje się obecnie uzyskać, najlepszym na świecie producentom grafenu, w tym polskim naukowcom z Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, inżynierom z firmy Nano Carbon czy naukowcom z Politechniki Łódzkiej, to tak naprawdę popękane, zdefektowane i polikrystaliczne pojedyncze warstwy grafenu. Taki też wygląda sprzedawany grafen, który osadzony został na sporych płytkach miedzi, szkle, krzemie, folii polietylenowej czy węgliku krzemu – jest to polikrystaliczny materiał złożony z kilkunastu warstw o łącznej grubości nie przekraczającej 10 nm i właściwościach zbliżonych do czystego grafenu. W najlepszych laboratoriach na świecie, w tym w wymienionych polskich, udaje się jak do tej pory wytworzyć monokrystaliczne płatki grafenu o wymiarach nie przekraczających 0,1x0,04 mm.
Mimo tych niedoskonałości materiały grafenowe, którymi dysponujemy pozwalają już na swobodne prowadzenie badań naukowych nad różnorodnymi zastosowaniami. Niestety, ich przeskalowanie i rozpoczęcie seryjnej produkcji nie jest jeszcze możliwe. Dla przykładu, naukowcy świetnie radzą sobie z produkcją grafenowych tranzystorów i układów logicznych na niewielką skalę – np. firma Samsung w 2012 roku wyprodukowała pierwszy wafel grafenowy z układami potrafiącymi przełączać się pomiędzy stanami logicznymi 0 i 1, ale do rozpoczęcia ich seryjnej produkcji potrzebne będą niezdefektowane powierzchnie monokrystalicznego grafenu, a tych nie umiemy jeszcze produkować. Jak się szacuje, wytwarzanie odpowiedniej wielkości grafenowych monowarstw będzie możliwe najwcześniej za około 8-10 lat.
Zawiedzione nadzieje?
Mimo ponad dziesięcioletniej już historii rozwoju technologii otrzymywania grafenu wciąż jest to materiał przyszłości. Przede wszystkim, z niewielkimi wyjątkami, nie udało się rozpocząć procesu komercjalizacji produktów wykorzystujących grafen. Wielu naukowców i inwestorów coraz częściej mówi o rozczarowaniu związanym z tym materiałem – dla wielu z nich grafen przestał być już tak atrakcyjny jak na początku. Zdano też sobie sprawę, że opracowanie komercyjnych technologii wymaga więcej czasu i pieniędzy. Obecnie nakłady finansowe związane z grafenem przynoszą niewielkie zwroty z inwestycji, a notowania giełdowych firmy związanych z grafenem przeszły załamanie.
Jednak nie wszyscy naukowcy, biznesmeni i inwestorzy zwątpili w grafen. Na rozwój technologii grafenowych stawia koreański Samsung, który stał się jednym z największych producentów tego materiału na świecie. Rośnie też liczba chińskich firm produkujących grafen. Jednak firmy z Państwa Środka skupiły się nie na produkcji monowarstwowych folii grafenowych, ale na wytwarzaniu metodami chemicznymi z grafitu płatków grafenu. Materiał ten można wykorzystać do modyfikacji właściwości fizykochemicznych tworzyw sztucznych, smarów, farb a nawet tonerów i atramentów do drukarek.
W Europie, oprócz Polaków do grafenowego wyścigu włączyli się Brytyjczycy. Firma Cambridge Nanosystems otworzyła w Cambridge nowy zakład produkujący grafenowy proszek. Wykorzystuje on nowatorską, opatentowaną metodę produkcji przy zastosowaniu reaktora plazmowego. Na Grafenowy proszek w reaktorze zamieniany jest biogazu zawierający głownie metan. Możliwości ośrodka nowego produkcyjnego pozwalają na wytwarzanie grafenu na skalę przemysłową. Cambridge Nanosystems deklaruje, że może dostarczać rocznie aż pięć ton tego materiału. Nowa brytyjska fabryka nie zaszkodzi jednak interesom polskich producentów grafenu. Nasze firmy wyspecjalizowały się w przemysłowym wytwarzaniu monowarstw grafenu na powierzchni miedzi i krzemu. Większe moce produkcyjne ma tylko koreański Samsung, ale jego grafen nie jest sprzedawany na rynku komercyjnym.
Komentarze (0)