Grafen do zębów, grafen do butów

dr Zygmunt Łuczyński, ITME
dr Zygmunt Łuczyński, ITME Fot. ITME
Grafen to najdroższy materiał świata? Bzdura. - Grafen to taniocha. Gdybyśmy sprzedawali w detalu nasze arkusze z grafenu kosztowałyby 300 tys. zł. Koszt ich wytworzenia to 70 zł - mówi dr Zygmunt Łuczyński, były dyrektor Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych

Katarzyna Zachariasz: Czy gdzieś na świecie produkuje się rzeczy z grafenem?

dr Zygmunt Łuczyński, ITME: Nigdzie.

Przecież co chwilę słychać, że naukowcy wymyślili kolejne jego zastosowanie.

Zwykle bywa tak, że naukowcy pracują wiele lat nad technologią, a publiczność dowiaduje się o niej dopiero w momencie, gdy towar pojawi się w sklepach. Z grafenem było inaczej. Gdy tylko Andriej Gejm i Konstantin Nowosiłow dostali w 2010 Nobla, natychmiast zrobiło się głośno o grafenie. Na świecie zaczęto przeznaczać dużo pieniędzy na badania - w Wielkiej Brytanii za 60-70 mln funtów zbudowano Narodowy Instytut Grafenu. Za 100 mln dolarów własny instytut zbudował Samsung. W Europie też powstał wielki projekt badawczy.

W końcu to nowy materiał.

Wcale nie tak nowy. Pierwsze warstwy grafenu otrzymali nasi przodkowie, gdy rysowali węglem po jaskiniach. Podejrzewam, że gdyby te bizony zbadać aktualnymi metodami pomiarowymi, pewnie znalazłyby się tam płatki grafenu. Grafen jest też w śladzie po ołówku. Zresztą w podobny sposób Gejm i Nowosiłow "produkowali" grafen do badań za które dostali Nobla - taśmą samoprzylepną odrywali fragmenty grafitu. Gdy przyszli nobliści zainteresowali się tym tematem, były już metody, żeby zbadać właściwości mikroskopijnych płatków.

Dziennikarze lubią powtarzać, że grafen to materiał przyszłości. Rzeczywiście tak jest?

Tak się wydaje. Łączy w sobie najbardziej pożądane przez nas własności. Zwykle jeśli materiał ma jedną dobrą cechę, to nie ma innych. Na przykład złoto i srebro dobrze przewodzą prąd, ale są miękkie, marne mechanicznie i nieprzeźroczyste dla światła. A grafen: świetnie przewodzi elektryczność, świetnie przewodzi prąd, jest przeźroczysty, jest bardzo wytrzymały mechanicznie. Gdybyśmy stworzyli warstwę grafenu o grubości kartki papieru, to ta kartka byłaby tak wytrzymała jak 6 centymetrowa stalowa płyta. Do tego jest elastyczny i jest bardzo odporny chemicznie. Gdyby pokryć grafenem kopułę Świątyni Opatrzności, nie zzieleniałaby przez następne 100 lat. No i grafen to taniocha.

Taniocha? Podobno to jeden z najdroższych materiałów świata.

Kiedyś tak było. Nobliści zaraz założyli firmę i sprzedawali płateczki grafenu. Taki płatek miał wymiar około pół mikrometra i kosztował parę funtów. Jeśli pomnożyć te mikrometry, to rzeczywiście wychodzi na to, że metr kwadratowy kosztował miliardy funtów.
Ale grafen to węgiel, a tego jest mnóstwo. W ITME potrafimy produkować większe arkusze grafenu. Obliczyliśmy, że gdybyśmy sprzedawali je w detalu, kosztowałyby 300 tys. zł. Wytworzenie arkusza w instytucie to koszt około 70 zł.

W INN Poland sprawdziliśmy jakie badania nad grafenem prowadzą polscy naukowcy. Wygląda na to, że chcą zastosować go dosłownie wszędzie - od śmigieł w samolotach, po leczenie nowotworów.

Bo właściwości grafenu rzeczywiście można wykorzystać w wielu miejscach. Na przykład razem z Uniwersytetem Medycznym w Warszawie i Uniwersytetem Jagiellońskim pracujemy nad wykorzystaniem grafenu do hodowli komórek macierzystych. Z hodowlą komórek macierzystych jest jak z hodowlą kurczaków - jeśli zalegnie się bakteria, zabija wszystkie. Dlatego z komórkami postępuje się jak z kurczakami, czyli hoduje z dużą dawką antybiotyków, a to powoduje problem z antybiotykoodpornością. Grafen ma właściwości bakteriobójcze. Wydaje się, że dzięki niemu można byłoby hodować komórki bez antybiotyków. To duża szansa dla medycyny regeneracyjnej.
Z drugiej strony grafen może być też w podgrzewanych szybach. W zeszłym tygodniu byliśmy w fabryce pod Bydgoszczą, gdzie produkują okna okrętowe. Ponieważ grafen dobrze przewodzi ciepło i jest przeźroczysty, chcemy umieścić warstewkę grafenu między szybami i mieć podgrzewane okno do samochodu, lokomotywy albo okrętu.
Już to robimy. Na razie na niedużych szybkach. Potrafimy je tak rozgrzać, że można na nich usmażyć jajko.
Oczywiście najbardziej pożądane wdrożenie to elektronika. Wydaje się, że gdyby krzem zastąpić grafenem, można byłoby uzyskać wielokrotnie szybsze urządzenia elektroniczne. Nie mówię tu 10-20 razy szybsze, tylko wielokrotnie.

Tylko dlaczego to wszystko wciąż jest na etapie badań?

Są dwa powody. Po pierwsze płatki grafenu są wciąż za małe. Technologie produkcji, jakie teraz mamy, polegają na tym, że atomy węgla układa się na podłożu i równocześnie w wielu miejscach rosną dwupoziomowe kryształki. Rosną tak długo, aż się nie spotkają. Granica między nimi jest tak wąska, że nie przedostaną się przez nią cząsteczki wody utlenionej, bardzo silnego utleniacza. Ale dla ładunków elektrycznych w tranzystorze nawet ta mała szczelina to poważna przeszkoda. Żebyśmy mogli stosować grafen w przemyśle elektronicznym musimy mieć jednolite warstwy o długości 30 cm. Dojście do takich rozmiarów i jakości zajmie nam pewnie jeszcze kilka lat.

Długo.

Przy krzemie zajęło nam to kilkadziesiąt lat. Tutaj nie minęło nawet pięć. Jest też drugi problem z wdrożeniami. Weźmy przykład okien. Zademonstrowaliśmy, że szybka z warstwą grafenu podgrzewa się. Dopiero po tym, możemy pobrać szkło i inne materiały, takie z jakich robi się prawdziwe okna okrętowe i zobaczyć czy też wszystko działa. Jeśli tak, to zanim wynalazek trafi do sklepów, musi przejść wszystkie możliwe testy - czy wytrzymuje jak jest mróz, jak jest gorąco, jak pada deszcz, co jeśli dziecko weźmie do buzi.

W unijnym programie flagowym jest specjalna grupa zagadnień związana z wpływem grafenu na organizm człowieka. Wiemy, jakie działanie ma azbest, wiemy, że nanorurki mogą być niebezpieczne, bo zachowują się jak małe igiełki, które rozchodzą się po całym organizmie. Grafen też musimy zbadać pod tym kątem. Z jednej strony grafen może pomagać w leczeniu raka, ale z drugiej może okazać się, że też wywołuje nowotwory. To też trzeba zbadać. Nawet jeśli wiemy, że jakaś technologia działa, to do momentu wejścia do produkcji musi minąć wiele czasu.

Kiedy możemy spodziewać się, że na rynku pojawią się pierwsze produkty z grafenem?

Podobno Samsung jest najbliższy zrobienia ekranów z grafenem.

Takich do smartfona?

Do wszystkiego, od komórek po wielkie telebimy. Każdy ekran ma w sobie przeźroczystą warstewkę przewodzącą prąd. Teraz wykonuje się ją z tlenku indowo-cynowego. Ale z nim są dwa kłopoty. Po pierwsze to materiał marny mechanicznie, więc takiego ekranu nie można zgiąć. Po drugie indu jest bardzo mało na świecie. Gdyby ten tlenek zastąpić grafenem, to ekrany robilibyśmy z materiału łatwo dostępnego. Po drugie grafen jest elastyczny, więc moglibyśmy robić ekrany zwijane jak rulonik i nosić je jak bransoletki.

A z polskich technologii?

Jednym z wdrożeń jest pierwsze urządzenie do przemysłowej produkcji grafenu. Razem z Seco Warwick zrobiliśmy prototyp i możemy produkować pół metrowe arkusze. Teraz myślimy o kolejnym prototypie, do ciągłej produkcji. W maszynie będzie rolka i będziemy uzyskiwać po kilka metrów materiału.
To jest tylko produkcja surowca. Już są głosy, że Polska stanie się miejscem taniej produkcji grafenu, ale wdrożenia będą tworzyć inni.

Nad tym też pracujemy. Płatki grafenu można dodawać do tworzyw sztucznych i dzięki temu uzyskać tworzywo, które przewodzi elektryczność, albo ciepło, albo ma lepsze niektóre właściwości mechaniczne. Na świecie nad czymś takim pracuje niemiecki BASF, a w Polsce Grupa Azoty razem z nami. Nasza współpraca jest bardzo zaawansowana.

Rozmawiamy też z Energą w Gdańsku. Energa chciałaby zastosować grafen do fotowoltaniki. Przy elektrodach do ogniw fotowoltaicznych cały czas trzeba szukać kompromisu. Z jednej strony chcemy, żeby elektroda była rozległa i zbierała jak najwięcej ładunków. Z drugiej, żeby była jak najmniejsza i nie zasłaniała słońca. Z grafenem tego problemu nie ma, jest przezroczysty, zbiera ładunki, a do tego zabezpiecza przed korozją. Z Alstomem rozmawiamy nad wykorzystaniem grafenu jako zabezpieczenia przed korozją. Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów pracuje nad czujnikami grafenowymi. Idzie im naprawdę dobrze. Za jakiś czas możemy mieć grafen do butów, grafen do zębów, grafen do wszystkiego.

Kiedy to będzie?

Moim zdaniem jesteśmy bardzo blisko.
Trwa ładowanie komentarzy...