Świat stoi u progu wielkich zmian. Tym razem ich motorem nie będą politycy, a naukowcy, którzy dzięki nowemu, rewolucyjnemu materiałowi pozwolą ludzkości wykonać kolejny, cywilizacyjny skok. Polacy mają wielką szansę być nie tylko architektami nowego porządku, ale również jego beneficjentami.
Już w 1947 roku powstał pierwszy teoretyczny opis materiału o jedynie dwóch wymiarach. Jego autorem był Kanadyjczyk, P.R. Wallace, z którego tezą bardzo mocno polemizowali inni badacze. W latach 80. pojawiły się pierwsze artykuły próbujące dowieść, że grafen istnieje nie tylko w teorii, ale jest także możliwy do wytworzenia. Przełomem był rok 2004. kiedy to Andriej Gejm i Konstantin Nowosiołow z uniwersytetu w Manchesterze uzyskali próbki materiału posiadające właściwości charakterystyczne dla grafenu. Za to odkrycie naukowcy otrzymali w 2010 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Od tego czasu prace badawcze nad nowym materiałem nabrały tempa, dzięki czemu rozumiemy dziś potęgę grafenu.
Jednak czym tak naprawdę jest ten rewolucyjny surowiec? To wyjątkowa forma węgla: sto razy mocniejsza niż stal, elastyczna, przezroczysta, przewodząca ciepło szybciej niż robi to srebro, a prąd - szybciej niż krzem. Ta materia o grubości zaledwie jednego atomu uchodzi za jedyną w przyrodzie, która posiada tylko dwa wymiary: długość i szerokość. Substancja ta może stać się cudownym materiałem XXI w., podobnie jak było w przypadku tworzyw sztucznych w wieku XX. Między innymi dzięki polskim naukowcom jesteśmy dziś znacznie bliżej możliwości jego produkcji na skalę przemysłową. Badania nad grafenem stają się inspiracją dla nowych rozwiązań technicznych w różnych dziedzinach życia i gospodarki. Oczekiwane są rozliczne zastosowania, zwłaszcza w przemyśle elektronicznym oraz medycynie.
Po co nam grafen?
Świat z komercyjnie dostępnym, względnie tanim grafenem będzie wyglądał zupełnie inaczej niż dziś. Wyobraźmy sobie powszechnie stosowane procesory kilkaset razy szybsze niż te, które obecnie pracują w naszych komputerach. Przezroczyste tablety i smartfony, które można zwijać i rozciągać przestałyby być tylko wizją z filmów science-fiction. Samochody można by wyposażyć w zbiorniki, pozwalające na napędzanie ich wodorem. Nowy materiał pozwoliłby na udoskonalenie wykorzystania i magazynowania energii z baterii słonecznych. Dzięki jego rozciągliwości i wytrzymałości można by za jego pomocą wytwarzać implanty ścięgien, które zastąpiłyby uszkodzone ścięgna w stawach. Jego niezwykłe właściwości sprawiają, że wyprodukowane z jego pomocą czujniki potrafiłyby wychwycić obecność nawet pojedynczej cząsteczki szkodliwej substancji. To tylko niektóre ze znanych zastosowań grafenu. Mnóstwo innych cały czas czeka na odkrycie.
Koszty produkcji
Jedyne, co powstrzymuje świat przed wejściem do kolejnej epoki komputeryzacji, to koszt wytworzenia rewolucyjnego materiału. W laboratoriach i instytutach technologicznych w różnych miejscach globu trwa właśnie wielki wyścig. Jego zwycięzcy, którzy wymyślą najlepszą i najtańszą metodę pozyskiwania grafenu, zgarną sporą część rynku, a także sprowadzą do swojego kraju duży, zagraniczny kapitał. Polacy wydają się być bardzo blisko tego celu.
Metody pozyskiwania
Najprostszą metodą pozyskiwania grafenu jest mechaniczne odrywanie go przy pomocy taśmy klejącej z wysokiej jakości grafitu (jest on zbudowany z warstw grafenowych). Jednak sposób ten, z powodu niewielkiej efektywności, służy tylko pozyskiwaniu materiału do badań.
Inna metoda to osadzanie grafenu z fazy gazowej na metalach. Tę technikę zapoczątkowali Koreańczycy i jest dziś dość powszechna. Ma ona jednak co najmniej dwie poważne wady: jest tańsza, ale nadal zbyt droga do masowego użytku, a grafen uzyskany w ten sposób jest dużo gorszej jakości, przez co nie nadaje się do produkcji urządzeń elektronicznych (wyjątkiem są ekrany dotykowe, które nie wymagają materiału o wysokich parametrach).
Pierwszy grafenowy układ scalony powstał dzięki metodzie wytwarzania grafenu na węgliku krzemu. Pozwala ona na wytwarzanie wysokiej jakości materiału, jednak jego koszty są bardzo duże.
W 201. roku warszawski Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych zgłosił polską technologię pozyskiwania grafenu do opatentowania na całym świecie. Udało się tego dokonać dzięki współpracy z naukowcami z Politechniki Łódzkiej, a także z wytwarzającą piece do obróbki metalu firmą Seco/Warwick ze Świebodzina. Opierająca się na osadzaniu chemicznym metoda ma niezaprzeczalne atuty w walce o udziały w rynku: za jej pomocą uzyskuje się grafen wysokiej jakości, a koszt operacji jest wyjątkowo niski (mniej niż 300 dolarów za uzyskany centymetr kwadratowy).
Polska produkuje
W grudniu 2013 r. ruszyła produkcja i sprzedaż internetowa polskiego grafenu. - _ Po raz pierwszy tak szybko potrafiliśmy spiąć potęgę wynalazku, energię finansistów oraz pomoc państwa _ - mówił podczas uroczystości w Agencji Rozwoju Przemysłu premier Donald Tusk. - _ To znakomity przykład dobrej i skutecznej współpracy nauki i gospodarki _ - podkreślała minister nauki prof. Lena Kolarska-Bobińska.
Zygmunt Łuczyński, dyrektor ITME, dołączył do pełnego optymizmu przekazu, mówiąc o wydarzeniu "bez precedensu" - komercjalizacji rozwiązania w tak krótkim czasie od samego odkrycia. Poinformował również, iż Instytut zainteresował się grafenem już w roku 200. (kiedy potencjał badań nie był jeszcze znany) i dzięki temu jest teraz w pierwszej dwudziestce placówek naukowych na świecie zajmujących się tym materiałem.
Ocenia się, że w przyszłości Polska może posiadać nawet 30-4. proc. światowego rynku grafenu. Jeśli wszystkie plany się powiodą, już w tym roku będziemy jego największym europejskim producentem.
Zastosowanie w wojsku
Także polski sektor obronny interesuje się nową technologią. Nic dziwnego - łatka superwytrzymałego, twardszego od stali materiału musiała rozbudzić wyobraźnię producentów rozwiązań militarnych. Badają oni nowy materiał m.in. pod względem możliwości pokrywania nim szkła, które dzięki temu zyska niezwykłą trwałość. Takie szkło doskonale nadawałoby się do stosowania w goglach czy maskach, które łatwo ulegają uszkodzeniu w trudnych warunkach. Być może w ramach programu Tytan (projekt mający na celu zmodernizowanie wyposażenia polskiego żołnierza i dostosowanie go do najnowocześniejszych standardów) uda się zastosować grafen również w produkcji hełmów bojowych, które o wiele lepiej chroniłyby głowy żołnierzy. Kolejnym badanym rozwiązaniem jest wykorzystanie materiału do wytwarzania np. uszczelek czy innych awaryjnych elementów gumowych w wozach bojowych.
Jacek Górski
Źródło: Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego / PAP / JG, WP.PL
Zobacz inne materiały z cyklu Polska25:
Polskie firmy wyruszają na podbój świata »
Najbardziej obiecujące polskie startupy »
