Grafen jest alotropem węgla, inaczej płaską formą węgla ułożoną w struktury sześcianu. Materiał ten jest około 100 razy twardszy od stali, nawet tych wykorzystywanych w zawieszeniu najnowszych samochodów. Może on być uważany za ostatni element szeregu wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych.
Co to jest grafen? Definicja
Grafen to alotrop węgla w postaci pojedynczej warstwy atomów w dwuwymiarowej sześciokątnej siatce, w której jeden atom tworzy każdy wierzchołek. Jest to podstawowy element strukturalny innych alotropów, w tym grafitu, węgla drzewnego, nanorurek węglowych i fulerenów. Można go również uznać za nieokreślenie dużą cząsteczkę aromatyczną, ostateczny przypadek z rodziny płaskich wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych.
Materiał posiada specjalny zestaw właściwości, które odróżniają go od innych alotropów węgla. W stosunku do swojej grubości jest on około 100 twardszy od najtwardszej stali. Jednak jego gęstość jest drastycznie niższa niż jakiejkolwiek stali, a masa powierzchniowa wynosi 0,763 mg na metr kwadratowy. Bardzo wydajnie przewodzi ciepło i energię elektryczną, jest prawie przezroczysty.
Naukowcy teoretyzowali o grafenie od dziesięcioleci. Prawdopodobnie był on nieświadomie produkowany w małych ilościach od wieków, poprzez użycie ołówków i innych podobnych zastosowań grafitu. Pierwotnie obserwowano go w mikroskopach elektronowych w 1962 r., ale badano tylko na podłożach metalowych. Materiał ten został później ponownie odkryty, wyizolowany i scharakteryzowany w 2004 r. przez Andre Geima i Konstantina Novoselova z Uniwersytetu w Manchesterze. Badania opierały się na istniejących teoretycznych opisach jego składu, struktury i właściwości. Wysokiej jakości grafen okazał się zaskakująco łatwy do wyizolowania, co umożliwiło dalsze badania. Praca ta zaowocowała otrzymaniem w 2010 roku Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki “za przełomowe eksperymenty dotyczące dwuwymiarowego grafenu materiałowego”.
Dzięki temu, że grubość materiału wynosi równo jeden atom, taką formę możemy określić także, jako dwuwymiarową. Atomy węgla tworzą w nim siatkę przypominającą plaster miodu lub osłonę piłki nożnej. Grafen można uzyskać metodami mikro-mechanicznymi. Materiał ten zadziwia swoimi własnościami jego elektrony, poruszają się 200 razy szybciej niż w krzemie. Umożliwi to stworzenie przełomowych urządzeń elektronowych. Dotąd, by tranzystor działał szybciej, trzeba go było zmniejszyć. Tranzystory grafenowe będą szybsze z definicji. Prawdopodobnie zastąpi on krzem w różnych częściach w komputerach.
Polscy naukowcy z Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych w Warszawie prowadzą badania nad grafenem od 2006 roku. Uzyskali patent na jego wytwarzanie przy użyciu węglika krzemu. Teraz mają szansę na sukces na rynku komercyjnym.
Grafen – właściwości
- bardzo dobry przewodnik ciepła
- posiada niewielką rezystancję
- bardzo wysoka ruchliwość elektronów w temperaturze pokojowej przy założeniu jedynie rozpraszania na fononach μ = 200 000 cm²/Vs (dla porównania krzem – 1500 cm²/Vs, arsenek galu – 8500 cm²/Vs)
- prędkość przepływu elektronów, wynosząca 1/300 prędkości światła,
- jest prawie przezroczysty – warstwa o grubości jednego atomu pochłania 2,3% białego światła.
- jest ponad 100 razy mocniejszy niż stal (o tej samej grubości), a zarazem tak elastyczny, że można go bez szkody rozciągnąć o 20%.
- membrana z utlenionego grafenu nie przepuszcza gazów, nawet atomów helu, a równocześnie jest całkowicie przenikalna przez wodę (H2O). Daje to możliwość zastosowania do filtracji w temperaturze pokojowej, np. w celu zwiększenia stężenia alkoholu bez użycia klasycznej destylacji czy wymrażania.
Grafen – zastosowania
- zwijanych w rolkę wyświetlaczy dotykowych,
- energooszczędnych źródeł światła
- produkcji energii odnawialnej z baterii słonecznych i magazynowania jej w wysokowydajnych akumulatorach
- jako dodatek do tworzyw sztucznych, grafen może je przekształcić w przewodniki elektryczności, połączony z aluminium może służyć do budowy nowoczesnych sieci energetycznych.
Produkcja grafenu
Szybko rosnąca lista technik produkcji została opracowana w celu umożliwienia wykorzystania grafenu w zastosowaniach komercyjnych. Izolowane kryształy 2D nie mogą być uprawiane w drodze syntezy chemicznej poza małymi rozmiarami, nawet w zasadzie, ponieważ szybki wzrost gęstości fononu wraz ze wzrostem rozmiaru bocznego zmusza kryształy 2D do zginania się w trzecim wymiarze. We wszystkich przypadkach, grafen musi wiązać się z podłożem, aby zachować jego dwuwymiarowy kształt.
Ile kosztuje grafen? Cena i przewidywania
Istnieje już wiele różnych zastosowań grafenu, a tendencja jest wzrostowa. Obecnie grafen sprzedaje się za 50$ do 200$ za gram, ale ceny na rynku liczone są w kilogramach. Należy odpowiedzieć na następujące pytania: jaki jest zysk przy produkcji grafenu i jaka jest wielkość rynku. Techniki i procesy produkcji grafenu są własnością publiczną. Oznacza to, że żadna firma, lub wybrana grupa firm, nie zdominuje rynku poprzez tajemnice handlowe i patenty, chociaż mogłaby to zrobić poprzez kontrolę nad zasobami, z których wytwarza się grafen.
Podstawowym kandydatem do uzyskania przmysłowej ilości grafenu o niższej jakości jest tani, łatwo dostępny grafit amorficzny. Koszt grafenu jest kontrolowany przez koszt surowców, produkcji i niewielkiej marży zysku. Zwycięzcami są producenci z dostępem do najtańszego grafitu, kosztami pracy i energii. Marże na materiale będą prawdopodobnie minimalne, ale znaczne zyski będą osiągane dzięki wyprodukowaniu dużych ilości. Ponieważ Chiny i Meksyk są źródłami amorficznego grafitu, będą one prawdopodobnie również ośrodkami produkcji grafenu.
Najwyższej jakości grafen potrzebuje najlepszej jakości grafitu – prekursora i znaczącej kontroli jakości. Materiał ten będzie prawdopodobnie charakteryzował się marżą 20-30%, zakładając strukturę rynku podobną do telefonów komórkowych. Technologia nie będzie czynnikiem decydującym o tym, kto wytwarza produkty klasy premium. To podaż grafitu klasy premium, szkolenie ludzi i dostęp do innych technologii będzie kluczowym czynnikiem. Przejście do wyższej jakości grafenu wymaga większego rozmiaru kryształu prekursorowego i integralności strukturalnej, która nie występuje w graficie amorficznym.
Najlepszym grafitem do tego celu będą prawdopodobnie kryształy płaskie, uporządkowane i z nielicznymi przesunięciami warstw grafenu w kryształach macierzystych. Ten kryształ grafitu znajduje się w prawie wszystkich złożach grafitu, jednak jego jakość musi być wysoka, co oznacza dodatkową obróbkę. Nie wszystkie złoża są podatne na ten rodzaj obróbki. Większość wysokiej jakości źródeł grafitu to albo złogi klasy 2A, albo klasy 1-W (A lub B, z wanadem lub bez). Przedsiębiorstwa bez dostępu do tych lub podobnych źródeł grafitu będą zmuszone do wejścia na rynki grafenu o niższej marży. Źródło grafitu będzie wyznaczać produkt końcowy.
Przyszłość badań nad grafenem
Biorąc pod uwagę pozornie niekończącą się listę zalet grafenu, można by się spodziewać, że zobaczymy go wszędzie. Dlaczego więc grafen nie został powszechnie przyjęty? Jak większość rzeczy, sprowadza się to do pieniędzy. Produkcja grafenu w dużych ilościach jest nadal niezwykle kosztowna, co ogranicza jego zastosowanie w każdym produkcie, który wymagałby produkcji masowej. Ponadto, gdy produkowane są duże arkusze grafenu, istnieje zwiększone ryzyko pojawienia się małych szczelin i innych wad w materiale. Bez względu na to, jak niewiarygodne może być odkrycie naukowe, ekonomia zawsze zadecyduje o sukcesie.
Pomijając kwestie związane z produkcją, badania nad grafenem w żadnym wypadku nie zwalniają tempa. Laboratoria badawcze na całym świecie – w tym Uniwersytet w Manchesterze, gdzie grafen został odkryty po raz pierwszy – stale zgłaszają patenty na nowe metody tworzenia i stosowania grafenu. Unia Europejska zatwierdziła finansowanie sztandarowego programu w 2013 roku, który będzie finansował badania nad grafenem do wykorzystania w elektronice. Tymczasem duże firmy technologiczne w Azji prowadzą badania nad grafenem, w tym Samsung.
Rewolucje nie zdarzają się w ciągu jednej nocy. Krzem został odkryty w połowie XIX wieku, ale minęło prawie sto lat, zanim półprzewodniki krzemowe utorowały drogę do rozwoju komputerów. Czy grafen, ze swoimi prawie mitycznymi właściwościami, może być zasobem, który napędza kolejną erę historii ludzkości? Tylko czas pokaże.
Źródło:
[1] http://pl.wikipedia.org/wiki/Grafen
[2] Graphene: Carbon’s New Face by Solis Invicti, flickr.com, CC BY 2.0