Grafen - wielkie nadzieje i co dalej?

Okrzyknięto go cudownym materiałem. Lista jego potencjalnych zastosowań wydłuża się z dnia na dzień. Ale tego najważniejszego zastosowania - zastąpienia krzemu w mikroprocesorach - doczekamy się raczej nieprędko.

Jeden z najlepszych w Polsce znawców grafenu, prof. Jacek Baranowski z Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych (ITME) w Warszawie mówi:

Wcześniej trzeba pokonać kilka barier, a to może się okazać dość trudne. Dlatego nie przekreślałbym tak szybko krzemu. Droga do grafenowych komputerów jest wciąż długa i kręta.

Profesor Baranowski jest jednym z tych badaczy, którzy w drugiej połowie zeszłej dekady zainicjowali w naszym kraju badania nad tym niezwykłym materiałem zbudowanym z zaledwie jednej lub dwóch warstw atomów węgla. Jako pierwsi uzyskali go w 2004 r. Andriej Gejm i Konstantin Nowosiołow z uniwersytetu w Manchesterze w Wielkiej Brytanii. Sześć lat później dostali za to Nagrodę Nobla.

grafen / fot. University of Manchesterfot. University of Manchester

Grafen błyskawicznie stał się wschodzącą gwiazdą - nie tylko fizyki i materiałoznawstwa, ale także scjentometrii. W 2005 roku, pierwszym po opublikowaniu przez Gejma i Nowosiołowa wyników ich przełomowego eksperymentu, na całym świecie ukazało się około stu artykułów naukowych dotyczących grafenu. W 2006 r. było takich publikacji już blisko 350, a w 2012 r. - ponad 6000. Równie szybko rosła liczba konferencji naukowych poświęconych badaniu własności niezwykłego materiału oraz rozmaitym sposobom jego otrzymywania. Stało się jasne, że fizycy odkryli nowy fascynujący ?plac zabaw? mieszczący się gdzieś między fizyką materii skondensowanej a elektrodynamiką kwantową.

Tempo badań nad grafenem jest nieprawdopodobnie szybkie. W skali globu wydaje się na nie miliardy dolarów. Przybywa patentów. Wkrótce doczekamy się pierwszych komercyjnych produktów z udziałem grafenu - prognozuje prof. Baranowski.

Europa wypada w tych porównaniach statystykach i dobrze, i źle. Dobrze, bo cztery na dziesięć publikacji naukowych dotyczących grafenu pochodzi z naszego kontynentu. Źle, bo aż 45 proc. patentów związanych z produkcją i wykorzystaniem nowego materiału zarejestrowano w Azji. Na drugim miejscu są USA, których udział wynosi 40 proc. Europa ze swoimi skromnymi 12 proc. zajmuje dopiero trzecie miejsce (dane z 2011 r.). Jest silna w badaniach podstawowych, lecz przegrywa w wyścigu technologicznym.

Tymczasem liczba potencjalnych zastosowań grafenu jest olbrzymia. Nowy materiał mógłby się przyczynić do rozwoju wielu gałęzi przemysłu. -

Lista jest długa: energetyka słoneczna, medycyna, transport, magazynowanie energii, produkcja urządzeń pomiarowych. Na nowe materiały i urządzenia z udziałem grafenu czeka branża kosmiczna, lotnicza i zbrojeniowa. Producenci elektroniki już eksperymentują z grafenowymi ekranami dotykowymi, elastycznymi wyświetlaczami i giętkimi diodami organicznymi LED - wylicza prof. Baranowski.

Jego zdaniem we wszystkich tych dziedzinach można się spodziewać szybkiego postępu we wdrożeniach.

Zapotrzebowanie na materiały superlekkie, niezwykle elastyczne i zarazem supermocne zawsze będzie duże. Na przykład nanokompozyt na bazie grafenu mógłby zastąpić włókna węglowe w samolotach. Kto opracuje odpowiedni materiał i tanią technologię jego masowej produkcji, zgarnie główną nagrodę - zauważa uczony.

Skąd wziąć ideał?

Aby jednak wziąć udział w podziale grafenowego tortu, trzeba wcześniej sporo zainwestować. Europa, choć jest ojczyzną grafenu, musi gonić unikających jej Azjatów i Amerykanów. W 2013 r., po dwóch latach rozważań, uruchomiono w końcu unijną inicjatywę Graphene Flagship, w ramach której na badania nad grafenem wydanych zostanie pół miliarda euro. To największy w historii UE pojedynczy projekt badawczy. Jego celem jest opracowanie grafenowych technologii i produktów, które wzmocniłyby europejską gospodarkę i dały Europejczykom nowe miejsca pracy. Do konsorcjum tworzącego Graphene Falgship weszło 75 uczelni i firm z 17 krajów. Z Polski jest tam tylko ITME.

- Uczestniczymy w pracach grupy badawczej, której zadaniem jest opracowanie nowych technologii wytwarzania grafenu. To nasza specjalność w Europie - mówi prof. Baranowski.

Wyścig w tej dziedzinie badań jest szczególnie zawzięty. Z banalnego powodu: aby móc zaproponować konkretny produkt, najpierw trzeba mieć odpowiedni materiał. Wciąż aktualne pozostają słowa Tadahiro Sekimoto, zmarłego parę lat temu byłego prezesa NEC Corporation, który stwierdził kiedyś, że ?kto rządzi materiałami, ten rządzi technologią".

Dla fizyków idealny grafen to taki, który składa się z jednej warstwy atomów węgla i jest obdarzony równocześnie wszystkimi tymi właściwościami, dzięki którym zasłużył na miano ?cudownego materiału?: doskonałe przewodnictwo cieplne i elektryczne, bliska ideału przepuszczalność światła, olbrzymia wytrzymałość mechaniczna na rozciąganie. Zarazem z racji swej budowy jest niezwykle lekki i elastyczny oraz przenikliwy dla wody, a nieprzenikliwy dla gazów.

Jak dotąd jednak wszystkie te fantastyczne cechy występujące razem obserwowano jedynie na małych próbkach uzyskanych w laboratorium, takich jak te, które dekadę temu pokazali Gejm i Nowosiołow. Otrzymanie dużych ilości względnie taniego grafenu, który zarazem spełniałby te wyśrubowane kryteria fizyków, nie jest już jednak takie proste. I oto właśnie toczy się gra, w której uczestniczy ITME.

Trochę gorszy też może być

Nie zawsze jednak grafen musi aż tak idealnej jakości. Do wielu zastosowań wystarczy materiał nieco gorszy - spełniający nie wszystkie, ale przynajmniej dwa, trzy kryteria. Taki niedoskonały grafen otrzymuje się metodą znaną od lat: rozwarstwiając grafit za pomocą reakcji chemicznych. Powstaje wtedy proszek grafenowy, czyli małe płatki, które następnie można na przykład dodać do tworzyw sztucznych, modyfikując ich właściwości.

Nie ma chyba dużego koncernu chemicznego, który nie prowadziłby takich badań. Nic dziwnego. Od ręki można sporządzić długą listę potencjalnych aplikacji dla superwytrzymałych i superlekkich grafenowych kompozytów i polimerów. Na razie pracuje się nad nimi w laboratoriach. Na rynku jeszcze się żaden nie pojawił. W Polsce do takich prób przymierzają się Azoty Tarnów - do spółki m.in. z ITME, które ma im dostarczać surowca, czyli proszku grafenowego.

Znacznie lepszej jakości, choć wciąż jeszcze nie wzorcowy, grafen znajdzie zastosowanie między innymi w ekranach dotykowych oraz elastycznych wyświetlaczach. Tak przynajmniej uważa Samsung, który usilnie pracuje nad takim rozwiązaniem. Koreańczycy wytwarzają swój materiał poprzez osadzanie atomów węgla na płytkach miedzi. Takie miedziane płytki nie są idealnie gładkie, lecz nieco pofalowane, a wysokość tych fal dochodzi do kilkuset nanometrów. Dlatego powstający na takim podłożu grafen nie jest równy i jednorodny. Ma jednak wszystko to, czego potrzebują Koreańczycy: elastyczność, wytrzymałość, przezroczystość i doskonałe przewodnictwo elektryczne.

grafenFot. Shutterstock

Samsung buduje linię technologiczną do masowej produkcji swojego grafenu. Na prace badawcze wyłożył setki milionów dolarów i zgłasza patent za patentem. Pierwsze grafenowe ekrany dotykowe powinny się pojawić na rynku w ciągu paru lat. Po nich nadejdzie zapewne pora na elastyczne wyświetlacze - lekkie, wytrzymałe i zwijane w rulon. Oczywiście nic nie jest jeszcze zagwarantowane. Na tym polega urok nauki, że otwiera ona drzwi, za którymi kryją się tysiące możliwości. W przypadku grafenu te drzwi ledwie zostały uchylone. I nie wiadomo dokładnie, dokąd prowadzą.

Zachwycając się nowym materiałem, warto pamiętać, że takie innowacyjne poszukiwania są obarczone sporym ryzykiem, a sukces przychodzi dopiero po wielu latach testów i doświadczeń. Do grafenu trzeba więc mieć cierpliwość, tak jak zresztą do wszystkich innowacyjnych rozwiązań. Nie zniechęca to jednak tych, którzy marzą o podboju rynku i ekspansji. W prawdziwe kłopoty wpadliby dopiero wtedy, gdyby uznali, że nie warto wykładać pieniędzy na innowacje, a także na torujące im drogę badania podstawowe. Kto drepcze w miejscu, ten ginie.

Bez wątpienia cierpliwością wykazali się naukowcy z ITME, którzy przez cztery lata pracowali nad własną metodą wytwarzania grafenu o najwyższej jakości, znacznie lepszego od koreańskiego. Powiodło im się w 2011 r. Wiele już napisano o tym wielkim sukcesie zespołu pod kierunkiem dr. Włodzimierza Strupińskiego. Polska metoda wytwarzania grafenu polega na nanoszeniu warstwy atomów węgla na płytki z węgliku krzemu. Uzyskany w ten sposób materiał ma doskonałe właściwości, a zarazem jest względnie tani w produkcji, ponieważ powstaje w urządzeniach znanych na rynku od paru dekad.

Grafenowa futurologia

Hodowany na węgliku krzemu grafen z ITME należy dziś do najlepszych na świecie. Dlatego jego odbiorcami są placówki naukowe, głównie zagraniczne, prowadzące badania nad najbardziej zaawansowanymi zastosowaniami nowego materiału, takimi jak tranzystory wysokiej częstotliwości, czy grafenowe fotodetektory i lasery. Nieprędko doczekamy się zakończenia tych badań. W artykule zamieszczonym półtora roku temu w ?Nature? Nowosiołow i jego współpracownicy ocenili, że pierwsze tranzystory wysokiej częstotliwości mogą się pojawić na rynku najwcześniej po 2022 r. To samo dotyczy grafenowych superkondesatorów, ogniw wodorowych, czy nowego typu baterii litowo-jonowych.

grafenFot. Shutterstock

No i są jeszcze te najbardziej futurologiczne badania, które prowadzi m.in. IBM. Ich celem jest sprawdzenie, czy grafen może zastąpić krzem w mikroprocesorach. Tu już naprawdę trzeba się uzbroić w cierpliwość. W najbliższych dziesięciu latach raczej do tego nie dojdzie - nauka musi najpierw odpowiedzieć na kilka podstawowych pytań dotyczących grafenu. Być może więc przełomu doczekamy się w kolejnej dekadzie, ale i to wydaje się dziś mało prawdopodobne. Nowosiołow w swoim artykule prognozował, że krzem może zostać zdetronizowany przez grafen najwcześniej po 2030 r.

- Rzeczywiście, komputer oparty na grafenie to wciąż bardzo odległa perspektywa - potwierdza prof. Baranowski. - Przyczyna jest taka, że grafen, choć tak jak krzem, jest półprzewodnikiem, to w przeciwieństwie do niego, ma zamkniętą przerwę energetyczną. Kariera grafenu w elektronice cyfrowej zacznie się dopiero wtedy, gdy taką przerwę uzyskamy. To może potrwać wiele dekad, chyba że ktoś nagle wpadnie na genialny pomysł, jak to łatwo zrobić. W nauce takie rzeczy się zdarzają.

Sam zapał nie wystarczy

Gdzie zatem grafen pojawi się najszybciej? Ekrany dotykowe, elastyczne wyświetlacze, tworzywa i powłoki ochronne, rozmaite mierniki i czujniki, może także ogniwa słoneczne z grafenowymi fotodetektorami - to zapewne będą jego pierwsze zastosowania.

Dla polskiego grafenu jest oczywiście miejsce w tej technologicznej rewolucji, ale trzeba się będzie nieźle rozpychać, aby pozostać w głównym nurcie. Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w zeszłym roku uruchomiło program Graf-Tech z budżetem wynoszącym 60 mln złotych. Zamiary są ambitne: wdrożenie w ciągu 3-4 lat kilkunastu rozwiązań opartych na grafenie. Granty w wysokości 3-5 mln zł otrzymało 12 konsorcjów uczelniano-przemysłowych. Większość projektów (7) dotyczy opracowania nowych kompozytów, pokryć i warstw ochronnych, celem dwóch jest zbudowanie grafenowych czujników, jedna grupa chce stworzyć biosensor do zastosowań medycznych, kolejna prowadzi prace nad ultraszybkim laserem światłowodowym.

To dużo i zarazem niewiele. Dużo jak na obecne, dość skromne możliwości państwa. Niewiele, bo do tych 60 mln zł, które ono dało (tylko na 3 lata!), przemysł powinien dorzucić 3-4 razy tyle, aby pojawiające się w mediach twierdzenie o Polsce jako o przyszłym ?grafenowym mocarstwie? miało uzasadnienie. Bez takich funduszy możemy być najwyżej grafenowym średniakiem, a i to wcale nie jest takie oczywiste.

Kłopot w tym, że nie licząc wąskich nisz, prawie nie mamy nowoczesnych branż, które gotowe byłyby przez lata cierpliwie finansować takie innowacyjne i ryzykowne badania. Na palcach jednej ręki można policzyć duże polskie firmy, które przystąpiły do programu Graf-Tech. Żadna nie uczestniczy w unijnej inicjatywie Graphene Flagship. Miejmy więc nadzieję, że na śmiałe inwestycje w eksperymenty nad grafenowymi tworzywami odważą się tarnowskie Azoty. To byłoby coś.

Ciesząc się z polskiego grafenu opatentowanego przez ITME, powinniśmy jednak pamiętać, że mamy go dzięki zapałowi bardzo niewielkiej grupy naukowców z ITME, takich jak Baranowski, czy Strupiński. Pośrednio jest to także konsekwencja światowego poziomu badań podstawowych w dziedzinie fizyki ciała stałego prowadzonych od dekad m.in. w Instytucie Fizyki PAN oraz na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Nic nie jest jednak dane raz na zawsze. Wyścig trwa, a sam zapał badaczy nie wystarczy. Polska metoda wytwarzania grafenu na węgliku krzemu musi być cały czas rozwijana i doskonalona, jeśli ma konkurować z innymi. I na to także potrzeba pieniędzy - na nowe zespoły badawcze, urządzenia, eksperymenty, patenty.

Tymczasem ostatnio Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego oceniło, że ITME jako placówka naukowa zasługuje jedynie na kategorię B. Ministerialni eksperci uznali zatem, że prowadzone w niej badania są wcale nie najwyższej, lecz takiej sobie jakości. Baranowski nie kryje irytacji i rozgoryczenia:

Nie umiem sobie tego wytłumaczyć. Z jednej strony jesteśmy wychwalani w Polsce i Europie za doskonałej jakości grafen, który wytwarzamy własną, opatentowaną metodą, a z drugiej strony dostajemy zaniżoną i niesprawiedliwą ocenę, której konsekwencją będzie to, że z budżetu państwa nie dostaniemy większej dotacji na nasze badania.