Grafen po polsku

Grafen – materiał zbudowany z pojedynczej warstwy atomów węgla – ze względu na swe szczególne właściwości może zrewolucjonizować i tak już pędzącą cywilizację techniczną.

 

 

O grafenie zrobiło się głośno jesienią ubiegłego roku, kiedy to dwaj rosyjscy naukowcy pracujący w Manchesterze – Andre Geim i Konstantin Novoselov – otrzymali za przełomowe badania nad tym materiałem nagrodę Nobla z fizyki. Problemem było jego otrzymywanie, co powoduje, że jest to jeden z najdroższych materiałów dostępnych na Ziemi. Polscy badacze opracowali i opatentowali przemysłową metodę produkcji grafenu, która

może być przełomem w jego wykorzystaniu.

Od dawna znana jest budowa grafitu: dość luźno połączonych ze sobą warstw, które pod mikroskopem podobne są do plastrów miodu, lecz bardzo silnie związanych ze sobą atomów węgla. Podczas pisania ołówkiem na papierze pomiędzy innymi domieszkami zostają na nim też niewielkie fragmenty pewnych niezwykle cienkich płatków o grubości jednego atomu. Długo nie znano ich właściwości i nie zwracano na nie uwagi. Grafit natomiast był od początku wykorzystywany jako podstawowy substrat do produkcji różnego rodzaju odkrywanych nanostruktur. Podczas stosowanej najczęściej sublimacji elektrołukowej grafitu, czyli najogólniej mówiąc spalania, powstają różne postacie alotropowe węgla: fulereny, nanorurki węglowe, cebulki węglowe, węgiel amorficzny, mikrokrystalidy grafitowe, itd. Grafen natomiast, jako tzw. warstwa grafenowa, czyli monowarstwa węglowa, długo był określeniem teoretycznym. Dopiero w 2004 roku udało się i to tylko mechanicznie wyodrębnić taką jedną warstwę o stosunkowo dużych rozmiarach. Badacze błyskawicznie zdali sobie sprawę, że tak wyodrębniony materiał posiada niesłychane właściwości. Nazwano go grafenem.

A właściwości ma niespotykane. Po pierwsze, wyróżnia się wyjątkową twardością – gdyby udało się wytworzyć idealną, jednowymiarową warstwę grafenu i pokryć nią otwór, na przykład wielkości kubka, to do jej przebicia za pomocą gwoździa należałoby użyć siły tak dużej jak ciężar średniej wielkości samochodu. Jest zatem grafem ponad sto razy mocniejszy niż stal, a zarazem tak elastyczny, że można go bez szkody rozciągać o 20%. A przy tym jest to materiał niemal całkowicie przeźroczysty (pochłania tylko 2,3% światła), przez jego warstwę nie przechodzą nawet atomy helu. Jest doskonałym przewodnikiem ciepła i elektryczności – prędkość przepływu elektronów wynosi 1/300 prędkości światła. Elektryczne właściwości grafenu sprawiają, że przewodnictwo może odbywać się w nim przy udziale elektronów, jak i dziur, co oznacza, że może być też półprzewodnikiem (choć jego przewodnictwo w temperaturze pokojowej większe jest niż przewodnictwo srebra). Więcej, ponieważ grafen jest bardzo aktywny chemicznie i daje się łączyć z innymi pierwiastkami, można łatwo zmieniać jego właściwości elektryczne w bardzo szerokim zakresie. I tak, na przykład, w połączeniu z wodorem tworzy nowy materiał zwany grafanem, który jest doskonałym izolatorem (o czym jeszcze poniżej).

A ponad to grafen ma szansę zastąpić wykorzystywany w tylu dziedzinach krzem, a to jest już rzecz niezmiernie ważna, bo wkraczamy na obszar najbardziej rozwijającej się dziedziny elektroniki – chodzi o miniaturyzację. Według szacunkowych prognoz miniaturyzacja elektroniki ma swoje granice. A jeśli obecne tempo rozwoju technologii utrzyma się, to około 2020 roku zmniejszać się już nie da układów krzemowych, na których opiera się cała ta budowla. Eksperci głowią się nad rozwiązaniami. Gdzie szukać sukcesora? I oto jako potencjalnego następcę wymienia się dziś coraz częściej: grafen!

W kwietniu 2008 r. zbudowano najmniejszy na świecie tranzystor na bazie grafenu. Miał on tylko 10 atomów szerokości. Wszystkie inne materiały przestają być stabilne albo tracą swoje właściwości elektryczne przy znacznie większych rozmiarach. Do opisania zachowań elektronów dla większości materiałów występujących na Ziemi – takich jak metale czy półprzewodniki – wystarcza zwykła fizyka kwantowa. Tutaj trzeba jeszcze wykorzystywać równania relatywistyczne, czyli posłużyć się teorią względności Einsteina.

To właśnie ubiegłoroczni laureaci nagrody Nobla, Konstantin

Novoselov i Asndre Geim, przez prostą manipulację chemiczną z grafenem – z doskonałego przewodnika wytworzyli grafan – doskonały izolator. W praktyce oznacza to, że z tego samego materiału można by wykonać cały tranzystor, a w efekcie otrzymać gotowy układ elektroniczny. – Dziś przemysł półprzewodników wykorzystuje niemal całą tablicę pierwiastków – mówi dr Novoselov. – Co by było, gdyby jeden materiał pokrył całe zapotrzebowanie?

Naukowcy amerykańskiego Masschusettes Institute of Technology (MIT) zbudowali eksperymentalny układ grafenowy jako mnożnik częstotliwości; co oznacza, że jest on w stanie odebrać przychodzący sygnał elektroniczny pewnej częstotliwości i wyprodukować sygnał wychodzący będący wielokrotnością tej częstotliwości. Testy przeprowadzone przez MIT wykazały, że tranzystor wytworzony w opanowanym już procesie technologicznym 240 nm jest w stanie osiągnąć częstotliwość do 100 GHz.

– Grafen to materiał, z którego będą wytwarzane urządzenia elektryczne następnych generacji – pisze w „Nature” Liesbeth Veneman w komentarzu do kolejnej technologii. – Zastosowania takie jak czujniki i ekrany, które można wyginać lub złożyć jak ubranie, przestają być fantazją.

Po ogłoszeniu Nobla z fizyki w roku 2010 w świecie naukowców zawrzało. Badacze rzucili się na grafen jak na przysłowiowe świeże bułeczki. Pewien istotny aspekt zjawiska wymykał się jednak wszystkim. Jak zsyntetyzować materiał na skalę przemysłową? Metoda mechaniczna Geima i Novoselova tu nie wystarczała. Lepsze możliwości dawała synteza totalna grafenu (z ang. PAH). Najbardziej obiecujące wydawały się syntezy opierające się na wykorzystaniu stałych, półprzewodnikowych podłóż. Inne jeszcze metody wykorzystują podłoża chemiczne osadzone w fazie gazowej (CVD). Polscy naukowcy opracowali technologię wykorzystującą oba te sposoby. Zdaniem ekspertów polska metoda jest dużo bardziej użyteczna, elastyczna i powinna się lepiej sprawdzić w przemyśle.

Polska metoda wytwarzania grafenu została opracowana przez dr inż. Włodzimierza Strupińskiego z Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych (ITME). To właśnie on i jego zespół uzyskali patent równoznaczny z wyłącznością na zastosowanie wynalazku w przemyśle i biznesie. Oznacza to także, że może do nas spłynąć strumień funduszy unijnych – łącznie miliard euro przez 10 lat – przyznawanych w ramach programu FlagShip.

Może, ale nie musi. Dlaczego? Posłużę się tu wypowiedzią prof. Jacka Baronowskiego, współtwórcy polskiej technologii produkcji grafenu (za: „Grafenowa Dolina nad Wisłą?”, „Tygodnik Powsz.”, nr 19/2011): „W wielu krajach UE istnieją Narodowe Programy Rozwoju Grafenu. Finansują one badania nad właściwościami grafenu i próbują wysondować, która droga doprowadzi do rynku. W Polsce takiego programu nie ma.”.