Grafen: odkryty dwadzieścia lat temu, wciąż nie ujawnił swojego pełnego potencjału
Grafen zobrazowany przez mikroskop SPM. fot. U.S. Army Materiel Command - https://www.flickr.com/photos/armymaterielcommand/6795812766, CC BY 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=37863884 Dwadzieścia lat po odkryciu grafenu – materiału stworzonego przez warstwy atomów węgla o grubości jednego atomu w strukturze plastra miodu – przeszliśmy drogę od badań laboratoryjnych do produkcji na dużą skalę i zastosowań komercyjnych. Grafen jest znany ze swoich egzotycznych właściwości, w tym przewodnictwa elektrycznego do 70% wyższego niż miedź, przewodności cieplnej w temperaturze pokojowej ponad dwukrotnie większej niż grafit pirolityczny i wytrzymałości 200 razy większej niż stal (przy jednej szóstej wagi). Te cechy sprawiają, że grafen i jego pochodne idealnie nadają się do niezliczonych zastosowań jak chociażby w elektronice czy medycynie, jednak użytkowanie grafenu na naprawdę szeroką skalę ciągle jeszcze przed nami.
Początki grafenu
Grafen został opisany po raz pierwszy w pionierskiej pracy Novoselova i in. z 2004 roku. Autorzy tych badań odkryli intrygujące właściwości nowego materiału: silny dwubiegunowy efekt pola elektrycznego, czyli zdolność do przełączania ładunków dodatnich i ujemnych po przyłożonym napięciu bramki, a także bardzo dobre przewodnictwo elektryczne, które jest powiązane z szybkością przemieszczania się elektronu lub dziury w materiale. Te właściwości sprawiają, że grafen jest obiecującym materiałem do zastosowań w elektronice.
Jednocześnie istniała kwestia uzyskania odpowiedniej ilości nowego materiału, bo w wyniku pierwszych syntez powstawały jedynie małe płatki o rozmiarach od kilkudziesięciu do setek mikrometrów. Dlatego wczesne badania nad grafenem koncentrowały się na syntezie wysokiej jakości jednowarstwowej lub wielowarstwowej powłoki grafenu w postaci ciągłej, głównie poprzez chemiczne osadzanie z fazy gazowej na podłożach metalowych przy użyciu prekursorów zawierających węgiel. Jednak ograniczona skala produkcji, duże zróżnicowanie jakości poszczególnych partii oraz brak niezawodnych metod przenoszenia grafenu z jednego podłoża na drugie spowalniają wdrażanie wysokiej jakości folii grafenowych do zastosowań w urządzeniach elektronicznych.
Pochodne grafenu
Początkowy nacisk na badania nad grafenem i jego komercjalizację skupiał się na jego pochodnych, takich jak nanopłytki grafenu (dwuwymiarowe cząstki utworzone z ułożonych w stos arkuszy), tlenki grafenu z funkcjonalnymi grupami tlenowymi oraz zredukowane tlenki grafenu, w których grupy tlenowe zostały usunięte. Są one stosunkowo łatwiejsze do wyprodukowania w dużych ilościach niż ich nieskazitelny odpowiednik, który jest wytwarzany głównie poprzez mechaniczne złuszczanie grafitu za pomocą taśmy adhezyjnej, ale takie pochodne otrzymywane są z większą ilością defektów. W związku z tym potencjalne zastosowania grafenu przesunęły się w stronę tych, które tolerują niedoskonałości strukturalne, ale nadal korzystają z wytrzymałości i lekkości pochodnych grafenu, takich jak kompozyty, powłoki i wzmocnienia. Na przykład nanopłytki grafenu zastosowano w powłokach antykorozyjnych, środkach zmniejszających palność i materiałach ekranujących elektromagnetycznie, a wszystkie te pomysły są bliskie komercjalizacji. Dodatkowo odpowiednio wysoka przewodność, stabilność elektrochemiczna i porowata struktura sprawiają, że pochodne grafenu mają potencjał do bycia wykorzystanymi w urządzeniach do magazynowania i konwersji energii.
Komercjalizacja czystego grafenu
Z kolei zastosowanie przemysłowe wysokiej jakości grafenu ciągłego jest wciąż w fazie początkowej. Urządzenia elektroniczne i optoelektroniczne wymagają syntezy na dużą skalę jednorodnych jednowarstwowych lub wielowarstwowych folii grafenowych o odpowiednio dużej ruchliwości nośników (zwykle powyżej 10 000 cm2/Vs). Dlatego też obecnie prace – zarówno laboratoryjne, jak i na skalę przemysłową – skupiają się na optymalizacji procesu wzrostu grafenu w oparciu o chemiczne osadzanie z fazy gazowej, aby zmniejszyć ogólną gęstość defektów i poprawić jakość otrzymywanego materiału. Testowane są różne podłoża, na których osadza się syntezowany grafen; pod uwagę brane są podłoża z krzemu i dwutlenku krzemu, a także metali i niemetali. Każda z tych opcji daje nowe możliwości, ale stawia przed naukowcami również nowe wyzwania.
Niemniej jednak techniki te przetestowano jedynie na skalę laboratoryjną i potrzebne są dokładne testy na skalę przemysłową. Aby uniknąć dużych inwestycji w budowę nowych obiektów do masowej produkcji produktów grafenowych, konieczne jest opracowanie procedur możliwych do przeprowadzenia w oparciu o istniejące linie produkcyjne. Ponadto transfer wielkopowierzchniowych warstw grafenu z nośników, na których powstają, do miejsc, w których mają być zastosowane, wymaga powtarzalności i zintegrowania ze sobą różnych procesów. Jednocześnie opracowanie metod bezpośredniej hodowli folii grafenowych na konwencjonalnych materiałach podłoża pozwoliłoby na ominięcie problemów związanych z transferem i może pomóc przyspieszyć komercjalizację. Zatem komercjalizacja produktów na bazie grafenu opiera się przede wszystkim na współpracy środowiska akademickiego i przemysłu.
Wyzwania przy produkcji na dużą skalę
Głównym wyzwaniem w komercjalizacji grafenu i jego pochodnych są wysokie koszty produkcji przy jej ograniczonym wolumenie. Surowce, takie jak metan lub surowy proszek grafitowy, stanowią jedynie niewielką część całkowitego kosztu. Większą część inwestycji początkowej stanowią raczej projekty sprzętu do produkcji seryjnej na dużą skalę i przetwarzania syntetyzowanego grafenu. W związku z tym przemysł idzie raczej w stronę zastosowań o wysokiej marży, które wymagają mniejszych inwestycji w celu znacznej poprawy wydajności w porównaniu z istniejącymi na rynku produktami. Doprowadziło to do szybszej komercjalizacji pochodnych grafenu stosowanych w różnych elementach konstrukcyjnych (takich jak np. powłoki ochronne) w porównaniu z wysokiej jakości foliami grafenowymi np. do urządzeń elektronicznych. Na przykład w przypadku zastosowań w przezroczystych foliach przewodzących na przeszkodzie stanęły zbyt wysokie koszty produkcji grafenu w porównaniu z konwencjonalnym tlenkiem indu i cyny. Nawet pochodne grafenu, które zostały już skomercjalizowane lub są bliskie zastosowań komercyjnych, wymagają dalszych prac, aby obniżyć koszty ich produkcji i zastosowania. Obecnie głównymi metodami produkcji folii nanopłytkowych grafenu są filtracja i składanie warstwa po warstwie z wykorzystaniem interakcji elektrostatycznych, które są powolne i nie nadają się do zastosowania w masowej produkcji. Obniżenie kosztów bez pogarszania właściwości jest kluczowe, aby produkty grafenowe zadomowiły się na rynku.
Różnice w metodach produkcji w różnych branżach przemysłu powodują znaczne różnice we właściwościach i wydajności produktów grafenowych. Wynika z tego ważna potrzeba opracowania standardów dla grafenu i jego pochodnych; opracowanie wysokowydajnej charakterystyki ma kluczowe znaczenie dla pomiaru właściwości grafenu i odrzucenia tych partii, które nie spełniają przyjętych standardów. Stosowane obecnie metody optyczne i spektroskopowe nie pozwalają wykryć wszystkich defektów strukturalnych, a zaawansowana mikroskopia, która daje taką możliwość, jest procesem na ogół zbyt czasochłonnym. Automatyczna charakterystyka w połączeniu z uczeniem maszynowym i sztuczną inteligencją może pomóc pokonać te ograniczenia; na przykład automatyczne obrazowanie i analiza danych mogą znaleźć cechy reprezentujące defekty przy minimalnym udziale człowieka.
Nadal istnieje znaczna rozbieżność pomiędzy możliwościami środowisk akademickich a wymaganiami przemysłu. Aby zmniejszyć tę lukę, konieczna jest ściślejsza współpraca, a w jej ramach utworzenie kompleksowego systemu norm do oceny jakości produktów grafenowych i metod ich pomiaru dla każdej z dziedzin, w której grafen miałby zostać zastosowany. Normy te należy opracowywać w drodze współpracy między badaczami, firmami produkcyjnymi i przedsiębiorstwami zajmującymi się wdrażaniem nowych technologii na rynek.
Źródło: science.org; AD
Zapraszamy do naszej Księgarni, gdzie można znaleźć książki pomagające lepiej zrozumieć otaczający nas świat:
Tyrania postępu
Kim będziemy za parę lat? Czy w ogóle jeszcze będziemy? Nasza rzeczywistość przypomina sytuację znaną nam z opisów i filmów o katastrofie „Titanica”. Statek zderzył się z górą lodową i zaczyna tonąć, ale pokładowa orkiestra pięknie gra i gra.
Pandemia grzechu, czyli śmierć nauczycielką życia
Czy zdajemy sobie sprawę z tego, dokąd prowadzą nas najnowsze trendy światopoglądowe? Postnowocześni ideologowie, pseudonaukowcy oraz zgenderyzowani politycy chwycili w swoje ręce stery w wielu krajach i wiodą ludzkość w tragiczną otchłań. Zgodnie z jeszcze oświeceniowymi, a potem z marksistowskimi, leninowskimi i nazistowskimi zaleceniami także dzisiejsi utopiści godzą się z tym, że na drodze do świata bez skazy muszą być ofiary.
Pomiędzy Wschodem a Zachodem. W kręgu myśli Feliksa Konecznego
Z wszystkich stron słyszymy o wielkim postępie; w medycynie, w technice, w badaniach kosmosu… Równocześnie z wszystkich stron atakuje nas postęp fałszywy, cofający ludzkie życie do czasów pogańskich, ignorujący Boga, unicestwiający sumienia, drwiący z zasad moralnych, zachęcający do praktykowania wynaturzeń.
Roztrzaskane lustro. Upadek cywilizacji zachodniej
Czy to już koniec naszej cywilizacji?
Trzymamy w ręku książkę, która jest jednym z najważniejszych dzieł współczesnej humanistyki, nie tylko polskiej. Wybitny uczony i pisarz, wielki erudyta, prof. Wojciech Roszkowski, dokonuje w niej bilansu naszej cywilizacji. Bilans to dramatyczny.
Bunt barbarzyńców. 105 pytań o przyszłość naszej cywilizacji
Czy cywilizacja zachodnia, do której wszak należymy, już upadła? A jeśli tak, to czy będzie w stanie się podnieść i pod jakimi warunkami? Pytania te nurtują wielu ludzi, także wybitnego intelektualistę i świetnego pisarza prof. Wojciecha Roszkowskiego. Autor rozważał je już w skrzącym się imponującą erudycją dziele „Roztrzaskane lustro”, które stało się bestsellerem ubiegłego roku.
Komentarze (0)
Publikowane komentarze są prywatnymi opiniami użytkowników serwisu. Redakcja nie ponosi odpowiedzialności za ich treść. Wpisy są moderowane przed dodaniem.