Grafen – co to jest i do czego służy?

Grafen – co to jest i skąd się wziął

Przełomowy charakter grafenu polega przede wszystkim na jego dwuwymiarowości. Pod względem fizycznym jest to bowiem warstwa pojedynczych atomów węgla ułożonych w sześciokątny wzór wizualnie podobny do plastra miodu. Grafen jest więc alotropową odmianą węgla.

Już w latach 40. XX w. Phillip Russel Wallace rozwinął teoretyczną koncepcję wytworzenia jednoatomowej struktury węgla. Ten pomysł był jednak przez długie lata negowany przez większość naukowców. Dopiero po sześciu dekadach udało się go przekuć w realny, namacalny materiał.

Duet Gejm i Nowosiołow z Uniwersytetu w Manchesterze zdołał wyizolować grafen z bryły grafitu za sprawą przeniesienia atomów węgla na warstwę dwutlenku krzemu (SO₂) z wykorzystaniem taśmy klejącej. Krzemionka odegrała w tym procesie istotną rolę, izolując warstwę grafenu o neutralnym ładunku elektrycznym. Metoda ta obecnie stosowana jest wyłącznie na niewielką skalę w celach badawczych.

Niezwykłe właściwości grafenu

Co takiego sprawiło, że ultracienka warstwa atomów węgla zafascynowała cały świat nauki? Grafen okazał się niezwykle dobrym przewodnikiem ciepła i elektryczności. Charakteryzuje się też niewielkim oporem czynnym. Pod tym względem jest konkurentem dla miedzi i krzemu.

W temperaturze pokojowej elektrony grafenu wykazują niespotykaną w innych materiałach ruchliwość. Wysoka prędkość ich przepływu, sięgająca 1/300 prędkości światła, otwiera ciekawe możliwości wykorzystania w diagnostyce.

Grafen jest również prawie przeźroczysty – pochłania 2,3% światła białego. Jego wyjątkowy potencjał elektryczny idzie więc w parze z optycznym. Mimo wyjątkowo cienkiej struktury grafen jest do 100 razy mocniejszy niż stal. Zachowuje przy tym wysoki poziom elastyczności (do 20% rozciągalności na długość lub szerokość).

Membrana z utlenionego grafenu jest całkowicie nieprzepuszczalna dla gazów, a jednocześnie przenikalna dla wody. Tym samym może być ona użyta w celach filtracyjnych. Godne uwagi są również przeciwbakteryjne właściwości materiału.

Przyszłościowy grafen – zastosowania w różnych gałęziach przemysłu

Elektroniczne, optyczne, termiczne i mechaniczne właściwości grafenu otworzyły drzwi do wielu praktycznych, komercyjnych zastosowań. Zdaniem ekspertów będą się one dynamicznie rozwijać w kolejnych dekadach.

Już dziś grafen uważany jest za następcę krzemu w sferze elektroniki. Jako przeźroczysty i elastyczny przewodnik może być wykorzystywany do produkcji ogniw fotowoltaicznych, ekranów i paneli dotykowych możliwych do zwijania w rolkę oraz świateł LED. Zwiększa on też znacząco częstotliwość sygnału elektromagnetycznego, dzięki czemu pozwala produkować szybsze tranzystory.

Sporym zainteresowaniem cieszą się również czujniki wykonane z grafenu. Dzięki wyjątkowej wrażliwości są one w stanie wykrywać pojedyncze cząsteczki niebezpiecznych substancji. Tym samym ułatwiają monitoring środowiska naturalnego. Tlenek grafenu rozdystrybuowany w powietrzu posiada również zdolność do usuwania zanieczyszczeń radioaktywnych.

Z każdym rokiem zwiększa się perspektywa rozwoju nowych produktów z udziałem grafenu. Zastosowania o największym współczesnym potencjale obejmują:

• nowoczesne sieci energetyczne;
• energooszczędne źródła światła;
• półprzewodniki wykorzystywane w urządzeniach spintronicznych;
• efektywniejsze powłoki antykorozyjne;
• filtrację wody w celu oczyszczania i odsalania;
• optoelektroniczne systemu komunikacyjne.

Ponadto spekuluje się o perspektywicznym wykorzystaniu grafenu do produkcji lżejszych i bardziej wytrzymałych elementów konstrukcyjnych samochodów, samolotów oraz statków i urządzeń kosmicznych. W połączeniu z materiałami sztucznymi (np. kauczuk) mógłby on z kolei tworzyć np. przewodzącą ciepło gumę. W oparciu o grafen opracowano już także wyjątkowo wytrzymały papier mający zdolność do przewodzenia prądu elektrycznego.

Biokompatybilny grafen – zastosowania medyczne

Na uwagę zasługuje również możliwość wykorzystania grafenu w dziedzinie biomedycyny, zarówno w sferze diagnostycznej, jak i terapeutycznej. Jako nośnik leków tlenek grafenu odznacza się wysoką biokompatybilnością oraz doskonałą rozpuszczalnością. Umożliwia tym samym precyzyjne dawkowanie środków przeciwzapalnych oraz antynowotworowych, a także enzymów i substancji mineralnych.

Fakt, że grafen doskonale przewodzi ciepło wykorzystywany jest również do niszczenia guzów rakowych. Zjawisko termolezji pozwala zastosować zgromadzone przez niego ciepło do redukcji bólu w tkankach. Trwają już prace nad produkcją podgrzewanych akcesoriów i odzieży medycznej.

Arkusze grafenu stosowane są również jako biosensory. Mogą one pomóc w diagnozowaniu chorób nowotworowych i neurologicznych (np. padaczki lub choroby Parkinsona) za pomocą przenośnych urządzeń. Stworzona przez Polaków sonda grafenowa ma natomiast zrewolucjonizować badania EKG dzięki umożliwieniu pomiaru z poziomu serca.

Antybakteryjne właściwości grafenu stwarzają także szansę rozwiązania kryzysu związanego z rosnącą niewrażliwością bakterii na antybiotyki. Na jego bazie powstawać mogą środki przeznaczone do miejscowego zwalczania infekcji i dezynfekcji ran.

Bardzo obiecująco wygląda możliwość zastosowania grafenu w inżynierii tkankowej. Innowacyjne węglowe rusztowanie jest wyjątkowo wytrzymałe pod względem mechanicznym. Badania dowodzą, że przyspiesza ono różnicowanie się komórek macierzystych i sprzyja szybszej rekonwalescencji.

Produkcja grafenu

Od 2014 r. grafen wytwarzany jest na większą skalę w celach komercyjnych. Nowe techniki mikromechaniczne umożliwiły znaczące obniżenie ceny materiału. Obecnie jego czołowymi producentami są USA oraz Chiny, gdzie znajdują się znaczące ilości taniego, amorficznego grafitu.

Pożądany w sferze elektroniki grafen w klasie premium wytwarzany musi być z grafitu o odpowiednio wysokiej jakości. W tym celu wymagane są płaskie, uporządkowane kryształy pochodzące ze specjalnej obróbki. Cena materiału jest wówczas stosownie wyższa.

Koreańskim naukowcom udało się opracować wydajny i efektywny ekonomicznie sposób wytwarzania grafenu poprzez osadzanie z fazy gazowej (CVD). Mankamentem tego rozwiązania jest niższa jakość materiału i wyższa częstotliwość defektów. W niektórych zastosowaniach nie jest to jednak problemem.

Swój wkład w rozwój innowacyjnych metod produkcji grafenu mają również Polacy. Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych w Warszawie posiada patent na wytwarzanie materiału z węglika krzemu. Naukowcy z Uniwersytetu Łódzkiego w 2015 r. opracowali natomiast przełomową technologię HGSM umożliwiającą produkcję wysokiej jakości wielkoformatowych arkuszy z fazy ciekłej.

Czy grafen jest bezpieczny?

Jako relatywnie nowy materiał grafen budzi zrozumiałe wątpliwości w kontekście możliwego oddziaływania na zdrowie ludzkie. Pojawiają się wręcz głosy, że cienka i lekka struktura grafenu łatwo dostaje się do płuc, stwarzając zagrożenie porównywalne z pyłami czy nawet włóknami azbestu. Chińskie badania sugerują wręcz, że nanocząsteczki dwuwymiarowego węgla mogą osiadać w organach wewnętrznych.

Istnieje również teoretyczne ryzyko, że grafen, przedostając się do wód powierzchniowych i gruntowych, może szkodzić roślinom i zwierzętom. Drobne cząsteczki mogą osadzać się na brzegach zbiorników oraz zwiększać poziom twardości wody.

Zgodnie z aktualnym stanem wiedzy grafen nie jest jednak toksyczny i nie wykazuje powinowactwa do substancji niebezpiecznych. Jego ilości, a tym samym potencjalna ekspozycja, są też wyjątkowo niskie lub wręcz znikome. W kontakcie ze skórą nie wykazuje właściwości drażniących. Z międzynarodowych badań wynika, że inhalacja również nie wywołuje niepożądanych reakcji immunologicznych.

W środowisku naukowym panuje ogólny konsensus co do konieczności prowadzenia dalszych badań nad właściwościami i zastosowaniem grafenu, w tym jego bezpieczeństwem. Pozwolą one zoptymalizować metody wykorzystania innowacyjnego materiału z myślą o długofalowych skutkach dla człowieka i środowiska.