Grafen - potencjał i aplikacje

Tytułowy materiał to alotropowa odmiana węgla w postaci pojedynczej warstwy grafitu stanowiącej dwuwymiarową strukturę krystaliczną utworzoną przez warstwę atomów w układzie plastra miodu. Właśnie budowie na poziomie atomowym grafen zawdzięcza unikalne właściwości - każdy atom węgla jest w nim związany kowalencyjnie z trzema innymi w układzie heksagonalnym, z jednym wolnym elektronem. Wiązania, jakie występują w tej strukturze, w płaszczyźnie materiału i prostopadle do niej, zapewniają mu wyjątkowe cechy elektryczne, optyczne, termiczne i mechaniczne. O materiale tym jest głośno przede wszystkim ze względu na przewodność elektryczną.

Wyjątkowe właściwości grafenu

Grafen ma zerową przerwę energetyczną, ponieważ pasma przewodnictwa i walencyjne nieznacznie zachodzą na siebie, zaś elektrony i dziury zachowują się jak bezmasowe cząstki relatywistyczne. W temperaturze pokojowej koncentracja jego nośników ładunku wynosi 10-13/cm‾², przy ruchliwości 2×105 cm²/ V×s (w krzemie 1500). Pojedyncza warstwa grafenu ma przezroczystość 97,7%. Zależy ona od liczby warstw - w trzywarstwowym stosie wynosi 90,8%, ponieważ dodanie każdej kolejnej powłoki z tego materiału powoduje wzrost absorpcji światła białego o 2,3%.

W grafenie jest też możliwy swobodny przepływ fononów (nośników ciepła). Z tego wynika jego wysoka przewodność cieplna, w temperaturze pokojowej sięgająca 3000-5000 W/m×K. Po umieszczeniu na podłożu z innego materiału jej wartość maleje do 600 W/m×K. Spadek ten wywołany jest rozproszeniem fononów na styku grafenu z podłożem, utrudniającym ruch tych nośników. Nawet jednak pomimo to jego przewodność termiczna jest dwukrotnie większa niż miedzi. Oprócz tego jest około 200 razy wytrzymalszy od stali i można go rozciągnąć do 25% początkowej długości bez zerwania - wytrzymuje naprężenia maksymalnie 42 N/m, a jego moduł Younga wynosi 1 TPa. Jednocześnie jest lekkim materiałem, o masie powierzchniowej jedynie 0,77 mg/m².

Grafen poza elektroniką

Każda z tych właściwości oddzielnie jest z punktu widzenia konstrukcji urządzeń elektronicznych cenną. Nic zatem dziwnego, że ich połączenie w jednym materiale zelektryzowało całą branżę, kiedy w 2004 roku po raz pierwszy, z wykorzystaniem ołówkowego wkładu i taśmy klejącej, naukowcom udało się go wyizolować, zwłaszcza że wcześniej uważano, że dwuwymiarowe warstwy o grubości pojedynczego atomu nie znajdą zastosowania w praktyce z powodu ich niestabilności termicznej. Co więcej, grafenem zainteresowały się także inne branże - jego właściwości okazały się użyteczne poza przemysłem elektronicznym w wielu zastosowaniach. Dzięki temu w ciągu 17 lat od jego wyizolowania na rynku pojawiło się wiele produktów na jego bazie, których z roku na rok przybywa.

Jednymi z pierwszych rynków, na których pojawił się grafen, były te o niskich barierach wejścia, takie jak sprzęt sportowy - materiał ten dotychczas wykorzystano w produkcji rakiet tenisowych, kijów hokejowych, opon i ram rowerowych, w których zapewnił on wytrzymałość, elastyczność, lekkość. Te, wraz z przewodnością cieplną, zainteresowały również producentów ubrań i obuwia dla sportowców i nie tylko, na przykład kurtek i spodni do codziennego użytku. Poza tym grafen znalazł też zastosowanie w produkcji powłok o szerokim wachlarzu zastosowań m.in. chroniących kadłuby statków.

Grafen - przykłady zastosowań

Kolejny przykład branży o niskiej barierze wejścia, w której grafen znalazł liczne zastosowania, to sektor wyposażenia gospodarstw domowych. Przykładem są żarówki, w których moduły LED pokryto warstwą tego materiału, który zwiększa odprowadzanie ciepła, co z kolei zwiększa ich sprawność energetyczną. Grafen wykorzystano także do wykonania powłoki nieprzywierającej w patelniach.

Z unikalnych właściwości tego materiału postanowiła również skorzystać branża samochodowa - jego dodatek można znaleźć w oponach charakteryzujących się większą trwałością, smarze i w częściach aut. Trwają także badania nad zastosowaniem grafenu jako dodatku do podłoży dróg, co ma na celu zwiększenie ich wytrzymałości, jak i zmniejszenie zużycia opon.

Poza tym grafen jest składnikiem materiałów kompozytowych, szczególnie tych, które mają znaleźć zastosowanie tam, gdzie kluczowe cechy materiału konstrukcyjnego to zwykle nieidące ze sobą w parze: lekkość oraz wytrzymałość. Przykładem jest lotnictwo - możliwość ograniczenia wagi części samolotowych pozwala w dłuższej perspektywie oszczędzić mnóstwo pieniędzy na zużyciu paliwa.

Zastosowania specjalistyczne

W dziedzinie zaawansowanych technologii grafen upowszechnia się wolniej, przede wszystkim ze względu na wyższą barierę wejścia i zwiększone wymagania w zakresie bezpieczeństwa i testów. Mimo to opracowano już m.in. grafenowe akumulatory (grafen można dodać do anody i katody, żeby zwiększyć wydajność akumulatora i przyspieszyć jego ładowanie) oraz superkondensatory używane w urządzeniach przenośnych. Materiał ten jest także wykorzystywany przez niektórych producentów w układach chłodzenia w telefonach komórkowych. Jego ważną aplikacją są też czujniki, a zwłaszcza biosensory.

Bioczujniki są wykorzystywane w wykrywaniu i ilościowym oznaczaniu biomarkerów w diagnostyce medycznej i monitorowaniu środowiska. W ich konstrukcji wykorzystuje się nanomateriały, w tym te na bazie grafenu. Przykładami są: tlenek grafenu i zredukowany tlenek grafenu. W tym zastosowaniu docenia się głównie wytrzymałość, elastyczność i właściwości elektryczne grafenu. Czujniki na jego bazie charakteryzuje również większa czułość. Przykładami takich są bioczujniki z grafenem: fluorescencyjne, elektrochemiczne, powierzchniowego rezonansu plazmonowego, SERS (Surface-Enhanced Raman Scattering).

Grafen w ogniwach paliwowych i słonecznych

Trwają też prace nad wykorzystaniem tytułowego materiału w ogniwach paliwowych, które przekształcają energię chemiczną paliwa w energię elektryczną z wysoką wydajnością przy użyciu drogiego katalizatora platynowego. Ten ostatni usiłuje się zastąpić innymi metalami nieszlachetnymi, tlenkami metali albo właśnie grafenem. Opracowywane są też grafenowe membrany elektrolityczne, które w ogniwie odpowiedzialne są za transfer jonów pomiędzy katodą a anodą. Powinny się one charakteryzować dużą przewodnością jonową, stabilnością chemiczną, termiczną i mechaniczną.

Poza tym grafen jest rozpatrywany jako materiał przyszłości w ogniwach słonecznych. Prace nad tym jego zastosowaniem trwają, a dotychczasowe ich wyniki już wskazują m.in., że w panelach fotowoltaicznych na bazie tego materiału udaje się zmniejszyć współczynnik odbicia promieni słonecznych o 20%. To zapewnia potencjalny wzrost wydajności nawet o 20%.

Czy grafen zastąpi krzem?

Choć nie ulega wątpliwości, że potencjał grafenu jest ogromny, tytułowe pytanie, które zaczęto sobie zadawać, jak tylko o jego unikalnych właściwościach zrobiło się głośno, wciąż jest jednak otwarte. Podstawowy materiał w przemyśle elektronicznym, którym bez wątpienia jest krzem, nadal jest bowiem ceniony za właściwości elektryczne i łatwość obróbki w procesach produkcyjnych o ugruntowanej pozycji, które pozwoliły na postęp w zakresie miniaturyzacji urządzeń elektronicznych na niespotykaną wcześniej skalę. Obecnie nawet jednak one stopniowo osiągają kres swoich możliwości - ich rozdzielczość wkrótce nie pozwali na tworzenie mniejszych struktur półprzewodnikowych. W związku z tym poszukiwane są rozwiązania alternatywne. Takie prawdopodobnie okażą się techniki, w których struktury układów scalonych będą tworzone w sposób addytywny, przez tworzenie, a nie jak dotychczas usuwanie materiałów, w skali nano. Prognozuje się, że nanoprodukcja z wykorzystaniem nanomateriałów ma szansę dzięki dalszemu postępowi miniaturyzacji zapoczątkować rewolucję w branży elektronicznej.

Co wyróżnia nanowstążki grafenowe?

Realizacja tego celu nie jest jednak łatwa, ponieważ tylko nieliczne przewodzące nanomateriały mogą konkurować z krzemem pod względem właściwości wymaganych w tym zastosowaniu. Jednym z nich jest oczywiście grafen, który jednak z powodu zerowej przerwy energetycznej wymaga dodatkowych zabiegów dla uzyskania właściwości półprzewodnikowych.

Jest on aktualnie pod tym kątem testowany w różnych postaciach, które jak pokazują badania, mogą się okazać lepszą alternatywą niż grafen jednowarstwowy. Jedną z najbardziej perspektywicznych są nanowstążki grafenowe.

Są to krótkie, cienkie paski grafenu, które w przeciwieństwie do tego materiału w formie arkusza mogą mieć właściwości półprzewodnikowe, które pozwalają na wykorzystanie ich w produkcji struktur półprzewodnikowych. To jest jednak warunkowane ich geometrią i brakiem defektów.

Poza tym na drodze do upowszechnienia się nanowstążek w tym zastosowaniu, mimo wielu do tej pory udanych prób badawczych, stoją trudności techniczne oraz koszty produkcji na masową skalę. Gdyby te przeszkody udało się pokonać, grafen w tej postaci ma największe szanse, aby wyprzeć nie tylko grafen jednowarstwowy, ale i krzem.

Podsumowanie

Grafen z pewnością ma potencjał do zastąpienia krzemu w urządzeniach elektronicznych, ale jak szybko to nastąpi, będzie zależeć od kilku czynników. Jeden z ważniejszych to chęć producentów elektroniki do przestawienia produkcji na nowy materiał, co oznaczałoby zakup nowego sprzętu, zmiany organizacyjne oraz inne towarzyszące takiej decyzji. Z drugiej strony będzie to również uwarunkowane możliwościami producentów tego materiału - do komercjalizacji urządzeń na bazie grafenu wymagana jest jego dostępność w wystarczającej ilości dla potrzeb produkcji masowej, a jednocześnie o odpowiedniej jakości, ponieważ wyłącznie ten najwyższej jakości nadawać się będzie do zastosowań w przemyśle elektronicznym i innych specjalistycznych.

Jest to o tyle istotne, że grafen nie zastąpi krzemu we wszystkich urządzeniach elektronicznych, a na pewno nie upowszechni się w taniej elektronice użytkowej - jego docelowymi zastosowaniami będzie przede wszystkim elektronika drukowana, noszona i elastyczna.

Monika Jaworowska
źródła zdjęć: Technische Universität Dresden, KIT