Wynalazek inżynierów ze stołecznego instytutu na pierwszy rzut oka prezentuje się niepozornie: drobny proszek miedzi o charakterystycznym dla tego metalu kolorze. Chociaż nie różni się wizualnie od takich proszków wykorzystywanych od dziesięcioleci w przemyśle, to swój sekret ziarna z IMP ujawniają dopiero pod bardzo dużym powiększeniem. Każde z nich otulone jest warstwą grafenu – jak orzeszki ziemne panierką.

Przez wzgląd na swoje właściwości miedź jest powszechnie wykorzystywana w energetyce. Z tego metalu wykonuje się druty służące do przesyłania prądu elektrycznego, od linii przesyłowych po instalacje w mieszkaniach. Z praktycznych względów z proszków miedzi wytwarza się elementy przewodzące o nietypowych kształtach, takie jak styki, szczotki elektryczne, zworniki, które można znaleźć w urządzeniach codziennego użytku, np. wiertarkach, mikserach czy odkurzaczach. Prasuje się je wtedy pod dużymi ciśnieniami. – Jeśli wykonamy w ten sposób jakiś element z naszego proszku, to grafen zostanie w środku, wzbogacając miedź swoimi właściwościami – tłumaczy prof. Tomasz T. Babul, dyrektor Instytutu Mechaniki Precyzyjnej. Otrzymane w ten sposób części np. lepiej przewodzą prąd. A skoro lepiej przewodzą, to powodują mniejsze straty – i mniej się nagrzewają.

Początkowy sceptycyzm

Moda na grafen dotychczas omijała okazały budynek z lat 20. ubiegłego wieku, w którym mieści się instytut. Tutejsi inżynierowie specjalizują się w metodach wzmacniania różnych powierzchni – np. metalowych – przed niepożądanymi efektami (ścieraniem lub korozją). Rozwijają więc technologie galwaniczne oraz obróbki cieplno-chemicznej. Celem pierwszych jest pokrycie danego materiału powłoką innego, celem drugich – wprowadzenie do powierzchni innego pierwiastka, co w efekcie daje pożądane właściwości.

To się zmieniło cztery lata temu, kiedy z wizytą do IMP wpadł Jan Błaszczyk – wówczas pracownik warszawskiego Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych, który można nazwać polskim centrum badań nad grafenem. Powiedział, że jest szansa na zrobienie czegoś nowego. Profesor Tomasz T. Babul, wtedy jeszcze niepełniący stanowiska dyrektora, nie krył sceptycyzmu. – Odparłem koledze, że nie wierzę w grafen – śmieje się. Wysłannik z ITME jednak się nie poddawał i nawiedził IMP jeszcze kilka razy. Przekonywał, że Instytut Mechaniki Precyzyjnej mógłby sprawdzić, czy nie dałoby się otrzymywać grafenu innymi sposobami niż te, z których korzysta ITME. Chodziło o metody wykorzystywane przez IMP do nasycania (pokrywania powłokami galwanicznymi) jednych materiałów drugimi. Profesor Babul ostatecznie dał się przekonać, ale postawił jeden warunek: że nie wystąpi do żadnej instytucji o pieniądze na te badania, dopóki nie otrzyma zachęcających wyników.

Warto w tym miejscu przypomnieć, czym właściwie jest grafen. Węgiel występuje w wielu odmianach, które różnią się między sobą sposobem ułożenia atomów względem siebie. Grafen, podobnie jak diament i grafit, to jedna z nich (w tym sensie węgiel kamienny nie jest odmianą węgla). Składa się tylko z jednej warstwy atomów, które pod powiększeniem wyglądają jak obrus utkany z sześciokątnych oczek.

Za opracowanie pierwszej metody produkcji grafenu na dużą – lecz jeszcze nie przemysłową – skalę Andriej Gejm i Konstantin Nowosiołow z Uniwersytetu w Manchesterze dostali w 2010 r. Nagrodę Nobla. (Mało kto pamięta, że dekadę wcześniej Gejm otrzymał lekko satyryczną nagrodę Ig Nobla – przyznawaną za badania, które „najpierw wywołują uśmiech, ale potem zmuszają do myślenia” – za eksperyment, w którym udało mu się doprowadzić do lewitacji żaby). Wyniki dwuletnich badań wysłali najpierw do czasopisma „Nature”, które odrzuciło ich publikację. Jeden recenzent stwierdził, że niemożliwe jest uzyskanie stabilnej postaci węgla składającej się z tylko jednej warstwy atomów. Drugi – że wyniki naukowców nie popychają w żaden sposób nauki do przodu. Ostatecznie artykuł ukazał się w październiku 2004 r. na łamach nie mniej prestiżowego „Science”.

Efekt publikacji w świecie naukowym można było porównać do wybuchu bomby. Gejm i Nowosiołow nie tylko pokazali, w jaki sposób niedrogo można pozyskiwać grafen w dużych ilościach, lecz również pisali o rewolucyjnych właściwościach materiału, w tym o doskonałym przewodnictwie, a także niezwykłej sile. Komitet Noblowski w uzasadnieniu przyznania nagrody pisał, że płachta grafenu byłaby w stanie utrzymać ciężar czterokilogramowego kota, sama ważąc tyle co wibrys, czyli koci wąs. Uczeni na całym świecie rzucili się na grafen, szukając jeszcze lepszych technik produkcji i potencjalnych zastosowań. W grę wchodził nie tylko prestiż, ale i olbrzymie pieniądze. Dlatego w badania nad nowym materiałem zaangażowały się największe firmy na świecie – w tym IBM i Samsung.

Pomimo upływu dekady wciąż jesteśmy jednak daleko od wykorzystania rewolucyjnych właściwości grafenu. Materiał okazał się być bowiem znacznie trudniejszy w zastosowaniu, niż się wydawało. Przykładem elektronika, gdzie z grafenem wiązano duże nadzieje nie tylko przez wzgląd na doskonałe przewodnictwo, ale i to, że wkrótce nie będziemy w stanie wycisnąć więcej z krzemu – podstawowego budulca układów elektronicznych. Do ich budowy potrzeba jednak półprzewodników, czyli materiałów, którymi można manipulować w taki sposób, że działają jak włącznik światła – raz przewodzą prąd, a raz nie. Jak dotąd nie udało się „wyłączyć” grafenu; naukowcy chcieli osiągnąć ten efekt przy pomocy domieszek, ale w efekcie otrzymywane materiały tracą oryginalne właściwości grafenu.

Z tego względu sceptycyzm prof. Babula wydawał się być uzasadniony. – Dalej nie wierzę w grafen. Ale wierzę w materiały, które są nim pokryte i które dzięki temu zmieniają swoje właściwości – mówi profesor. W jego wizji grafen ma sens jako domieszka – dodatek do innego materiału, ulepszający i wzbogacający oryginał. Taką też rolę modna forma węgla spełnia w wynalazku z IMP.

Nieregularne ziarna

Ziarna miedzi otulane są grafenem w specjalnym piecu fluidalnym, który prof. Babul skonstruował wspólnie z inż. Zdzisławem Obuchowiczem i mgr. Michałem Baranowskim. Piece fluidalne to właśnie urządzenia do obróbki cieplno-chemicznej (oparte na tej samej metodzie działania urządzenia wykorzystywane są w energetyce); nazwa urządzenia celowo ma przywoływać skojarzenia z cieczami. Proszek wewnątrz pieca jest bowiem owiewany od spodu specjalną mieszaniną gazów. Ciśnienie gazu równoważone jest jednak przez grawitację i w ten sposób proszek unosi się i zachowuje, jakby był cieczą. Gdyby nie wysoka temperatura panująca w urządzeniu, stanowiłoby ono bardzo widowiskową pomoc naukową na lekcjach chemii.

Opracowanie tej metody zajęło inżynierom pół roku. Potem nastąpił dwuletni proces dokładnego jej kalibrowania, m.in. pod kątem składu mieszaniny gazów, które owiewają proszek miedzi w piecu. Problematyczny okazał się być też dobór samych proszków, których ziarna mogą być bardziej kuliste lub przyjmować nieregularne kształty. – Niestety, kuliste ziarna nie chcą się nawet pod wpływem dużego ciśnienia ze sobą łączyć tak dobrze, jak te o nieregularnych kształtach. Ostatecznie więc zaczęliśmy wykorzystywać te drugie – tłumaczy prof. Babul. Po sprasowaniu proszku do docelowej postaci okazuje się jednak, że wysokie ciśnienie nie zaszkodziło grafenowi – wciąż znajduje się wewnątrz materiału, wzbogacając miedź o swoje właściwości.

Inżynierowie z IMP przewidują, że materiałem będzie zainteresowana energetyka. Mógłby posłużyć do wytwarzania chociażby bezpieczników wykorzystywanych w liniach przesyłowych wysokiego napięcia. Takie bezpieczniki są znacznie większe niż te, które znamy z domowych zastosowań; mają 18 cm długości i mogą kosztować 20 tys. zł za sztukę. Ale z grafenowo-miedziowych proszków można również wytwarzać mniejsze elementy, w tym styki. Profesor Babul chwali się, że jest już nimi zainteresowanie ze strony polskich i zagranicznych firm. Jakich – na razie nie chce powiedzieć, żeby nie zapeszać.

ZOBACZ OPIS WYNALAZKU >>>