Grafen – materiał, który może zmienić świat

Naukowcy na całym świecie prześcigają się w poszukiwaniach metod produkcji i zastosowań nowego materiału: elastycznego, rozciągliwego, sto razy mocniejszego od stali, o grubości zaledwie jednego atomu. Jeśli ich wysiłki zostaną uwieńczone sukcesem, grafen może zmienić świat w tak dużym stopniu, jak wynalezienie plastiku, a może nawet żelaza.

Grafen: nazwa do zapamiętania

Z nowym materiałem, który pojawił się niecałą dekadę temu, wiązane są nadzieje, jakie towarzyszyły wynalezieniu plastiku, a może nawet żelaza, które stało się motorem zmian zastępując brąz w roli metalu do budowy nowych cywilizacji.

Grafen został odkryty niedawno - w 2004 roku, a naukowców, którzy tego dokonali, uhonorowano Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w roku 2010. Ze względu na swoje niezwykłe właściwości, ten nanomateriał fascynuje naukowców, przedsiębiorców i firmy korzystające z nowych technologii na całym świecie.

Co to jest grafen?

Grafen to warstwa węgla o grubości jednego atomu. Obliczono, że 3 miliony warstw grafenu ułożone w stos miałyby grubość około 1 milimetra. Materiał ten jest rozciągliwy i elastyczny, a przy tym bardzo twardy i sto razy mocniejszy od stali. Jest bardzo dobrym przewodnikiem elektryczności, a jego temperatura topnienia wynosi ponad 3000 stopni Celsjusza.

W branży produkcyjnej stosuje się obecnie materiały bardzo zaawansowane technologicznie, np. stopy tytanu, monokryształy czy włókna węglowe. Trwają nieustanne prace nad zwiększeniem odporności cieplnej, elastyczności i innych właściwości tych materiałów. Jeśli grafen spełni wiązane z nim oczekiwania, może znacząco przyspieszyć badania nad tymi właściwościami. Materiał ten może otworzyć drogę do lżejszych, cieńszych i mocniejszych konstrukcji i znaleźć zastosowanie w różnych dziedzinach: od superlekkich samolotów do zakładów odsalania i hiperszybkich komputerów.

Grafen na rynku

Produkcja grafenu do celów innych niż badawcze jest jeszcze bardzo kosztowna i na rynku nie pojawiły się jak dotąd wykonane z niego produkty o zastosowaniu komercyjnym. Firmy i państwa na całym świecie inwestują jednak setki milionów dolarów w badania. Komisja Europejska objęła grafen specjalnym projektem i przyznała ponad miliard dolarów na dofinansowanie badań prowadzonych przez najlepsze ośrodki badawcze i duże firmy w 17 krajach w Europie. (http://www.graphene-flagship.eu)

Długotrwały proces

Wprowadzenie nowych materiałów do produkcji masowej może trwać dziesiątki lat. Wystarczy wspomnieć włókna węglowe, które wynaleziono pół wieku temu. W latach 60. XX wieku firma Rolls-Royce przeforsowała zastosowanie ich do produkcji łopatek sprężarek silników samolotowych, ale łopatki ulegały uszkodzeniu przy zderzeniu z ptakami i projekt został przerwany.

Przewiduje się, że pierwsze komercyjne produkty z grafenu zostaną zaprezentowane w 2015 roku. Być może będzie to sprzęt elektroniczny firm IBM, Nokia lub Samsung zmagających się o to, która z nich jako pierwsza wprowadzi pionierskie rozwiązanie na rynek. Jeśli odniosą sukces, będzie to przypadek wyjątkowo szybkiego zaimplementowania ważnego odkrycia naukowego do zastosowań komercyjnych.

Materiały o dużej wytrzymałości:

Stopy tytanu stanowią połączenie tytanu z innymi pierwiastkami chemicznymi. Są mocne, lekkie, odporne na korozję i wysokie temperatury. Ich wykonanie jest kosztowne, przez co są wykorzystywane w ograniczonym zakresie, np. do produkcji elementów samolotów, sportowych samochodów i sprzętu dla wojska, a także implantów dentystycznych i ortopedycznych.

Monokryształy mają jednolitą strukturę krystaliczną bez granic międzyziarnowych. Ze względu na brak defektów wyróżniają się wyjątkowymi właściwościami. Znajdują zastosowanie w produkcji półprzewodników i celowników laserowych wykonanych z wytrzymałych materiałów o małym pełzaniu cieplnym, np. łopatek turbin.

Superstopy żaroodporne (HRSA) są zwykle produkowane na bazie niklu, kobaltu lub stopów niklowo-żelazowych. Są to materiały mocne i niepodatne na pełzanie, charakteryzują się dobrą równowagą powierzchniową, odpornością na korozję i utlenianie. Te bardzo trudne w obróbce materiały są wykorzystywane do produkcji różnych elementów silników samolotowych, m. in. sprężarki, układu spalania i turbiny.

Grafen jest najcieńszy i najmocniejszy spośród wymienionych materiałów, wykazuje też największą wytrzymałość cieplną, ale pozostaje jeszcze na etapie badań laboratoryjnych. Jest płaską strukturą węglową o grubości jednego atomu. Atomy tworzą sieć krystaliczną o strukturze plastra miodu. Wiele gałęzi przemysłu wiąże z nim nadzieje na znaczącą poprawę parametrów produktów.