Grafen. Węglowa rewolucja

Przeczytaj także: Energetyka w ogniu cyberataków

Grafen to płaska struktura złożona z atomów węgla. Idealna struktura grafenowa, to płaski "dywan" złożony z pojedynczej warstwy atomów węgla, ułożonych w sześcioboczną siatkę, przypominającą plaster miodu. Ze względu na to, że jest to materiał praktycznie jednowarstwowy, opisuje się go jako dwuwymiarowy (co oznacza, że w przybliżeniu nie ma grubości), z czego wynika szereg unikalnych i niesłychanie ciekawych własności tego materiału - elektrycznych, mechanicznych czy cieplnych. To właśnie te specyficzne właściwości czynią z grafenu materiał, który może przyczynić się do rewolucji w elektronice, optoelektronice, technice medycznej i kilku innych gałęziach nauki i techniki.

Grafen, ze względu na wyjątkowo szerokie pola jego zastosowań, może wydatnie przysłużyć się do opracowania technologii ziszczających tzw. trzecie Prawo Clarke'a, mówiące że każda wystarczająco zaawansowana technologia jest nieodróżnialna od magii. Co zatem może stworzyć grafenowa magia?

Unikatowość grafenu polega na tym, że w jednym materiale łączy on bardzo wiele właściwości, niesłychanie ważnych w potencjalnych zastosowaniach technicznych. Jakie to właściwości? Bardzo ważną z punktu widzenia elektroniki cechą jest wysoka ruchliwość elektronów w grafenie (czyli prędkość elektronów w materiale pod wpływem przyłożonego napięcia) i wysoka przewodność elektryczna. Cechy te czynią z grafenu materiał idealny do tworzenia elektroniki bardzo wysokiej częstotliwości, spintroniki (czyli w pewnym sensie elektroniki na wyższym poziomie, pozwalającej na tworzenie m.in. komputerów kwantowych), pamięci półprzewodnikowych o niemal wiecznej trwałości czy ultraszybkich układów scalonych.

Bardzo wysoka wytrzymałość mechaniczna grafenu czyni z niego cenny składnik materiałów kompozytowych (do zastosowań w lotnictwie, ale także w medycynie) oraz pozwala na budowanie z niego nanosensorów ciśnienia. Ponieważ grafen jest materiałem ultra-płaskim, to stanowi idealny materiał do tworzenia tzw. superkondensatorów, czyli kondensatorów zdolnych magazynować duże ilości energii (być może superkondensatory zastąpią akumulatory samochodowe), z grafenu można również wysokowydajne ogniwa. Ze względu na znaczną przezroczystość, praktycznie w całym widmie promieniowania elektromagnetycznego, materiał ten znajdzie również zastosowanie optoelektronice (w wytwarzaniu laserów półprzewodnikowych) oraz fotowoltaice (do budowy wydajnych ogniw słonecznych). Z grafenu można również budować różnego rodzaju czujniki biologiczne i chemiczne czy materiały opatrunkowe (jest bowiem bakteriobójczy).

Z grafenu będzie można budować ultra cienkie i giętkie ekrany, nawet na tyle niewielkie, by można było umieszczać je na powierzchni soczewek kontaktowych.

W grafenowej rewolucji swój udział już ma Polska, jesteśmy bowiem jednym z liderów badań nad grafenem. Wypracowaliśmy jedną z najnowocześniejszych metod jego wytwarzania na świecie, pozwalającą na uzyskiwanie niemal jednorodnych warstw grafenu o bardzo dobrych parametrach. Koncepcję produkcji grafenu opracował Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, co pozwoliło na uruchomienie produkcji tego materiału. Teraz warstwy grafenu Made in Poland może nabyć każda instytucja czy firma zainteresowana badaniami nad materiałem, a możliwe że polska technologia zostanie sprzedana jako licencja za granicę.

Oczywiście polskie ośrodki naukowe nie skupiają się jedynie na wytwarzaniu i badaniu właściwości grafenu. We współpracy z sektorem i komercyjnym i po wsparciu grantami badawczymi pracują nad zastosowaniami grafenu w konkretnych, użytecznych aplikacjach. W badaniach uczestniczą między innymi Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, Politechnika Warszawska, Politechnika Wrocławska, Politechnika Łódzka, Uniwersytet Warszawski, Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów, czy Uniwersytet Łódzki, ale również firmy komercyjne (m.in. Tauron Wytwarzanie S.A., Siemens Sp. z o. o., Apator PoWoGaz S.A., Polska Wytwórnia Papierów Wartościowych, Seco/Warwick, Zakład Mechaniki Maszyn, LUMEL S.A., Bumar Żołnierz S.A.). Prace obejmują takie zastosowania jak zawierające grafen kompozyty na bazie miedzi i srebra przeznaczone dla przemysłu energetycznego i elektronicznego, grafenowe czujniki przepływu, grafenowe pasty i atramenty do zabezpieczania dokumentów, grafenowe pokrycia specjalnych kół zębatych i łożysk ślizgowych, grafenowe czujniki pola magnetycznego do zastosowań przemysłowych, przezroczyste grafenowe warstwy ochronne i grzewcze na elementach optycznych czy ultraszybkie lasery światłowodowe na bazie grafenu.