Wyobraźmy sobie wieżowiec o wysokości 100 m oraz szerokości i długości jednego kilometra. Jeśli na jego dachu położymy warstwę papieru o grubości pojedynczej kartki, to odzwierciedli ona grubość grafenu na standardowej próbce – tłumaczy obrazowo dr Piotr Ciochoń. Podczas studiów doktoranckich na Uniwersytecie Jagiellońskim był członkiem zespołu, który pod kierunkiem prof. Jacka Kołodzieja opracował nowatorską metodę produkcji grafenu.
Reklama
Czym jest grafen? To dwuwymiarowy węgiel, fizycznie jego najcieńsza warstwa, bo o grubości jednego atomu. Jego struktura przypomina plaster miodu - atomy układają się w regularne sześciokąty. Nie jest to struktura niezwykła - w graficie znajdującym się w ołówku węgiel ma podobną, tyle że składa się ona z miliardów takich warstw ułożonych jedna na drugiej. Tym, co zapoczątkowało badania nad grafenem, było właśnie odkrycie, że można uzyskać warstwę o grubości jednego atomu. Wcześniejsze teoretyczne rozważania kończyły się wnioskiem, że to niemożliwe, bo uzyskany materiał nie będzie wystarczająco wytrzymały. Tymczasem w 2004 r. udało się węgiel w dwuwymiarowej formie wyizolować. Jego właściwości - doskonałe przewodnictwo ciepła i elektryczności, wytrzymałość czy przezroczystość - od początku dobrze grafenowi wróżyły. Zapowiedzi jego błyskotliwej kariery nie do końca się jednak sprawdziły, bo okazało się, że wyprodukowanie wysokiej jakości grafenu na skalę przemysłową nie jest łatwe.
Wróćmy na chwilę do wieżowca. Wyobraźmy sobie, że na jego dachu leży nie jedna gigantyczna kartka o długości i szerokości kilometra, lecz dziesiątki milionów pojedynczych, małych kartek formatu A4, nakładających się na siebie w sposób chaotyczny, niczym papiery na biurkach naukowców. I drugi wieżowiec, na którym znajduje się jedna długa i szeroka kartka. W pierwszym przypadku mamy do czynienia z grafenem w postaci płatków, bardzo cienkich, ale mających niewielkie rozmiary poprzeczne - tłumaczy Ciochoń. - Wykorzystuje się je jako nanoproszki lub nanozawiesiny, które dodane do innych produktów poprawiają ich właściwości, np. przewodnictwo cieplne czy elektryczne.

Na czym polega metoda polskich naukowców?

Reklama
Po latach prac badawczo-rozwojowych wytworzenie tego rodzaju grafenu nie jest już wyzwaniem. Problem pojawia się, gdy chcemy pokryć warstwą ciągłą grafenu duże obszary. Do tej pory najczęściej wytwarzało się taki grafen metodą CVD, poprzez rozkład gazu zawierającego węgiel na rozgrzanej powierzchni miedzi - mówi Ciochoń. - To proces dobrze opanowany, problem w tym, że miedź, na której grafen najlepiej rośnie, również przewodzi prąd elektryczny. Aby wykorzystać grafen w elektronice, trzeba go więc oderwać od podłoża i nałożyć na materiał, który jest izolatorem. A to równie trudne jak przeniesienie gigantycznej kartki papieru z naszego wieżowca na sąsiedni przy silnym wietrze, tak by nigdzie się nie podarła.
I tu z pomocą przychodzi metoda opracowana przez naukowców UJ. Użyliśmy do wyprodukowania grafenu węglika krzemu, który jest izolatorem, więc uzyskanego na nim grafenu nie trzeba przenosić na inny materiał - tłumaczy dr Ciochoń. - Tym samym uniknęliśmy wszystkich związanych z tym niebezpieczeństw, a metoda stała się powtarzalna: za każdym razem uzyskujemy materiał o tych samych właściwościach. Poza tym przy metodzie CVD grafen może rosnąć w danym miejscu na powierzchni w jednej orientacji, a w innym może być minimalnie obrócony. W miejscu, w którym takie domeny stykają się, występuje osłabiająca parametry użytkowe nieciągłość struktury. Grafen, który wzrasta na krystalicznej powierzchni węglika krzemu, ma stałą orientację i może być ciągły na całej powierzchni.
Jak udało się uzyskać grafen o tak wysokiej jakości? W próżni, w temperaturze powyżej 1,5 tys. stopni Celsjusza wiązania między krzemem a węglem pękają i powierzchnia węglika krzemu się rozpada. Atomy krzemu, które są bardziej lotne, ulatniają się (sublimują). Na powierzchni pozostają nadmiarowe atomy węgla, które samoistnie organizują się w strukturę grafenu. Ze względu na strukturę podłoża oraz epitaksjalność procesu (prawidłowe narastanie kryształów jednej substancji na ścianie kryształu innej substancji) grafen zawsze jest ułożony tak samo, co sprawia, że metoda jest powtarzalna.
To, że można hodować grafen na powierzchni węglika krzemu, było już wiadomo wcześniej. - Nie jest to jednak łatwy proces, trzeba nim odpowiednio sterować - mówi Ciochoń. - Naszym odkryciem było to, że poprzez ciągłe dostarczanie na powierzchnię krzemu w odpowiedniej ilości można uzyskać pożądaną kontrolę nad procesem oraz według życzenia otrzymywać struktury grafenu: od jednorodnej i ciągłej, aż do porowatej, co zwiększa możliwości jego wykorzystania.
Poza tym, że wyprodukowany grafen jest wysokiej jakości, że proces jest powtarzalny, to jeszcze jest ekologiczny - do jego przeprowadzenia wystarczy źródło ciepła, węglik krzemu i krzem. A ponieważ opracowana metoda rozwiązuje zasadnicze problemy, które utrudniały budowę praktycznych urządzeń na bazie grafenu, ma ogromny potencjał zastosowania w wielu sektorach przemysłu. Potwierdza to fakt, że powstała już spółka, która zajmuje się jej komercjalizacją.

Eureka! DGP

Trwa dziewiąta edycja konkursu „Eureka! DGP - odkrywamy polskie wynalazki”. Do udziału zaprosiliśmy polskie uczelnie, instytuty badawcze i jednostki naukowe PAN. Do czerwca w Magazynie DGP będziemy opisywać wynalazki nominowane przez naszą redakcję do nagrody głównej. Rozstrzygnięcie konkursu nastąpi na specjalnej gali pod koniec czerwca, zaś podsumowanie cyklu ukaże się w Magazynie DGP. Główną nagrodą jest 30 tys. zł dla zespołu, który pracował nad zwycięskim wynalazkiem, ufundowane przez Mecenasa Polskiej Nauki - firmę Polpharma, oraz kampania promocyjna dla uczelni lub instytutu o wartości 50 tys. zł w mediach INFOR PL SA (wydawcy Dziennika Gazety Prawnej), ufundowana przez organizatora. Strona internetowa konkursu: eureka.dziennik.pl