Grafen — właściwości i zastosowanie

Grafen został odkryty w 2004 roku przez Andrieja Gejma i Konstatina Nowosiołowa, a już w 2010 przyniósł badaczom nagrodę Nobla. Uznawany on jest za jeden z najbardziej przyszłościowych materiałów. Cechuje się on niezwykle szerokim zastosowaniem w sferze nowych technologii. Międzynarodowy program Graphene Flagship, który został zainicjowany przez Unię Europejską ma na celu rozwinięcie jeszcze bardziej komercyjnego zastosowania grafenu. Czym jest grafen? Jakie jest zastosowanie grafenu? Jakie ma właściwości?

Czym jest grafen?

Grafen jest alotropową odmianą węgla w postaci pojedynczej warstwy atomów węgla w dwuwymiarowej sześciokątnej siatce, w której każdy wierzchołek tworzy jeden atom. Jest to podstawowy element struktury innych alotropów, między innymi węgla drzewnego i grafitu. O możliwości otrzymania grafenu spekulowano już w latach 40. ubiegłego wieku. Phillip Russel Wallace rozwinął teoretyczną koncepcję jednoatomowej struktury węgla. Przez wiele lat jego pomysł był negowany przez większość badaczy i naukowców. Dopiero po ponad sześćdziesięciu latach udało się stworzyć cząsteczkę grafenu.
Udało się to dzięki duetowi Gejm — Nowosiołow, którzy zdołali wyizolować grafen z bryły grafitu przy pomocy przeniesienia atomów węgla na warstwę dwutlenku krzemu. Wykorzystali do tego celu taśmę klejącą. Istotną rolę w tym procesie odegrała krzemionka, która izolowała warstwę grafenu o neutralnym ładunku elektrycznym. Obecnie ta metoda jest stosowana tylko i wyłącznie na niewielką skalę w celach badawczych.

Tlenek grafenu

Tlenek grafenu ma formę utlenionego grafenu. Do jego przestrzeni węglowej dołączane są tlenowe grupy funkcyjne. Podstawowym źródłem tlenku grafenu jest tlenek grafitu. Dzięki dodaniu grup tlenowych możliwe jest jego rozwarstwienie do pojedynczych cząstek tlenku grafenu z wykorzystaniem ultradźwięków. Z kolei sam tlenek grafitu można uzyskać na wiele różnych sposobów polegających na jego utlenieniu z dodatkiem silnych kwasów oraz soli.

Niezwykłe właściwości grafenu

Grafen wytwarzany jest z grafitu i odznacza się niesamowitymi właściwościami. Przede wszystkim jest to świetny przewodniki elektryczności i ciepła. Ma on także niewielki opór czynny, dzięki czemu stanowi alternatywę dla krzemu i miedzi. W temperaturze pokojowej elektrony grafenu wykazują bardzo dużą ruchliwość. Prędkość przepływu elektronów wynosi nawet 1/300 prędkości światła, co otwiera ciekawe możliwości zastosowania grafenu w diagnostyce.
Pojedyncze płatki grafenu, jak i całe grupy, są przezroczyste i pochłaniają 2,3% światła białego. Potencjał elektryczny grafenu idzie w parze z optycznym. Mimo wyjątkowo cienkiej struktury jest nawet 100 razy mocniejszy niż stal. Co istotne, zachowuje przy tym wysoką wytrzymałość mechaniczną i elastyczność. Membrana z utlenionego grafenu nie przepuszcza gazów, ale jednocześnie pozwala przenikać wodzie. Dzięki temu może ona być użyta do filtrowania wody. Ponadto ma właściwości, które wyróżnia podstawowy mechanizm działania przeciwbakteryjnego.

Zastosowanie grafenu

Produkcja grafenu znacznie zmieniła oblicze produkcji w wielu różnych gałęziach przemysłu. Wszystkie właściwości tego materiału otworzyły również drogę do wielu komercyjnych i praktycznych zastosowań. Uznawany jest on między innymi za następcę krzemu w dziedzinie elektroniki. Grafen wykorzystuje się między innymi do produkcji ogniw fotowoltaicznych, ekranów i paneli dotykowych, które można zwijać w rolkę i świateł LED. Ponadto zwiększa się w znacznym stopniu częstotliwość sygnału elektromagnetycznego, co pozwala produkować szybsze tranzystory.
Dużym zainteresowaniem cieszą się także czujniki, które wykonane są z grafenu. Jego wyjątkowa wrażliwość pozwala wykrywać pojedyncze cząsteczki niebezpiecznych substancji. Tym samym ułatwiony jest monitoring środowiska naturalnego. Zredukowany tlenek grafenu rozdystrybuowany w powietrzu ma także zdolność do usuwania zanieczyszczeń radioaktywnych.
W przypadku produkcji grafenu z każdym kolejnym rokiem perspektywa nowych produktów znacznie się zwiększa. Zastosowanie grafenu obejmuje również:

• nowoczesne sieci energetyczne,
• energooszczędne źródła światła,
• wzmacnianie materiałów i tworzenie barier antykorozyjnych,
• biosensory,
• systemy dostarczania leków,
• diagnozowanie chorób,
• filtracja wody,
• optoelektroniczne systemy komunikacyjne.

Wyzwania związane z wykorzystywaniem grafenu

Nad rozwojem produkcji grafenu pracuje między innymi Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych. Wyzwania, jakie stają przed zespołami badawczymi, są duże. Przede wszystkim pojawiają się problemy z produkcją na dużą skalę. Wpływ na to ma między innymi kosztowność tego przedsięwzięcia. Ponadto trzeba rozwiązać kwestią związaną z inną techniką wytwarzania grafenu. Otóż w dużych arkuszach tego materiału mogą pojawiać się szczeliny i inne wady. Co istotne, badania nad grafenem nie zwalniają tempa. Wiele instytucji badawczych każdego roku zgłasza nowe patenty na metody tworzenia i produkcji grafenu.

Grafen — podsumowanie

Przed grafenem z pewnością pisze się ciekawa, rozwojowa przyszłość. Jego szerokie zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu sprawia, że badania nad nim cały czas trwają. Grafen może w niedługim czasie zrewolucjonizować świat i obecny stan nauki. Szczególne znaczenie ma on dla rozwoju technologicznego. Istnieje możliwość jego zakupienia w wielu sklepach, między innymi w naszym. Dostępny jest zarówno grafen, jak i tlenek grafenu.