Huśtawka emocji – sukcesy i rozczarowania związane z grafenem

[KopalniaWiedzy.pl 357]

Grafen to materiał, z którym naukowcy wiążą ogromne nadzieje. Dzięki jego dwuwymiarowej strukturze wykazuje on właściwości pozwalające w teorii ominąć w wielu dziedzinach bariery narzucone przez dotychczas stosowane tam materiały. Niestety, grafen ma też swoje wady, w znaczący sposób utrudniające jego masowe wykorzystanie.

Jeszcze kilka lat temu wydawało się, że grafen będzie wspaniałym materiałem przyszłości, który pozwoli rozwiązać szereg bolączek współczesnej technologii. Największe nadzieje z szybkim upowszechnieniem grafenu wiązał przemysł półprzewodnikowy. Grafen może bowiem zastąpić dotychczas powszechnie wykorzystywany krzem. Jego właściwości pozwalają na zbudowanie znacznie szybszych i bardziej energooszczędnych procesorów do naszych komputerów i smartfonów.
Duże nadzieje wiąże się również z możliwością wykorzystania grafenu do produkcji elastycznych ekranów dotykowych przeznaczonych do kolejnej generacji urządzeń mobilnych oraz elektroniki  ubieralnej. Elastyczny, grafenowy ekran bez problemu mógłby być np. wmontowany bezpośrednio w ubranie sportowca.

Antyseptyczne właściwości grafenu pozwalają z kolei myśleć o jego zastosowaniach w medycynie, np. przy tworzeniu elastycznych i wytrzymałych materiałów opatrunkowych, a zdolność grafenowych membran do mikrofiltracji można wykorzystać do usuwania niekorzystnych substancji z organizmu. Wykorzystując grafenowe membrany da się również oczyszczać wodę, w tym uzdatniać do picia wodę morską, tanio i ekologicznie destylować mocne alkohole czy pozbywać się bakterii z mleka w procesach jego przeróbki. Wszystko to dzięki odpowiednim, chemicznym modyfikacjom grafenu. Do jego powierzchni bez przeszkód można doczepić dowolną grupę organiczną lub organiczny związek chemiczny. Co ciekawe, duże nadzieje dotyczące filtracji wiąże się z tlenkiem grafenu, który jest całkowicie nieprzepuszczalny dla wielu substancji, nawet dla atomów helu, przy czym sam doskonale przepuszcza parę wodną.

Właściwości mechaniczne grafenu, związane z jego płaską, heksagonalną, przypominającą plaster miodu strukturą, dają nadzieję na budowę lżejszych i bardziej wytrzymałych konstrukcji. Na przykład przemysł zbrojeniowy planuje wykorzystać go w produkcji lekkich i bardzo mocnych pancerzy czołgów czy wytrzymałych kuloodpornych kamizelek dla żołnierzy. Materiałem tym zainteresowany jest też przemysł samochodowy, lotniczy i kosmiczny.

Twardszy od stali, lekki niczym piórko, przezroczysty jak szkło

Właściwości grafenu są naprawdę niezwykłe. Doskonale przewodzi on prąd elektryczny i ciepło – jest jednym z najlepszych znanych na świecie przewodników ciepła i prądu. Jego rezystywność to ok. 10^-8 Ω⋅m, jest więc ona lepsza od najlepszych przewodników wśród metali, takich jak np. srebro (1,59x10⁻⁸ Ω⋅m) czy miedź (1,72x10⁻⁸ Ω⋅m). Wystarczy jednak prosta obróbka chemiczna, aby z idealnego przewodnika stał się on idealnym izolatorem  – np. dołączając do niego atomy wodoru (powstaje wówczas tzw. grafan) lub poddając grafen działaniu fluoru. W reakcji tej powstaje fluorografen. Co więcej, kontrolując procesy uwodornienia czy fluorowania można uzyskać stany pośrednie przewodzenia prądu, niezbędne do zastosowania grafenu w roli półprzewodnika zastępującego krzem. Grafan jest też punktem wyjścia do otrzymywania nadprzewodników.

Warto też wspomnieć o tym, że prędkość przepływu elektronów w grafenie jest gigantyczna i wynosi 1/300 prędkości światła (1000 km/s), a zmierzona ruchliwość elektronów w temperaturze pokojowej to około 200 000 cm²/Vs, podczas gdy dla krzemu jest to „zaledwie” 1500 cm²/Vs. Z kolei przewodność cieplna grafenu to ok. 5000 W/mK. Dla porównania srebro może się pochwalić przewodnością cieplną na poziomie „jedynie” 429 W/mK.

Grafen jest też wyjątkowo wytrzymały mechanicznie – ponad dwieście razy wytrzymalszy od stali i jednocześnie bardzo lekki. Można go bez problemu rozciągnąć o ponad 20%. Jego wytrzymałość na rozciąganie wynosi 130 GPa, w porównaniu do ok. 0,4 GPa dla stali konstrukcyjnej, czy 0,37 dla aramidu (kevlaru). Mimo tego, że grubość grafenowej foli to zaledwie grubość pojedynczej warstwy atomów węgla (0,345 nm), która jest milion razy cieńsza od kartki papieru, to bardzo trudno jest ją przebić. Jednym z najlepiej przemawiających do wyobraźni przykładów, jest ten w którym naukowcy mówią o tym, że gdybyśmy grafenową płachtę naciągnęli na szklankę, nie bylibyśmy w stanie jej przebić nawet zaostrzonym ołówkiem, na którym postawilibyśmy… słonia (sic!). Sam grafen jest też wyjątkowo lekki, a jego gęstość (masa właściwa) to około 1,8 g/cm³ (2,2 g/cm³ dla grafitu). Jeden kilometr kwadratowy grafenowej foli waży zaledwie 757 gramów, a więc mniej więcej tyle ile ultrabooki.
Pojedyncza warstwa grafenu zatrzymuje zaledwie 2,3% padającego na niego światła. Materiał ten, jak już wspomnieliśmy, może więc stanowić doskonałe tworzywo służące do budowy giętkich wyświetlaczy. Jak się szacuje, 20 kg tego materiału wystarczyłoby, aby pokryć wszystkie wyprodukowane do tej pory ekrany urządzeń dotykowych ochronna warstwą. Co więcej, grafen wykazuje tendencje do samoistnego usuwania uszkodzeń (tzw. samoleczenia) swojej heksagonalnej struktury. Wystarczy wystawić uszkodzoną, grafenową folię na działanie węglowodorów lub poddać bombardowaniu atomami węgla.   

« powrót do artykułu