Grafen – rewolucyjny materiał przyszłości

Jest wyjątkowo wytrzymały, giętki, rozciągliwy, doskonale przewodzi prąd. To materiał przyszłości – podkreśla Lech Marek Gorywoda, członek zarządu Nano Carbon Sp. z o. o. Firma, która jest częścią Polskiej Grupy Zbrojeniowej, zajmuje się  produkcją i badaniem właściwości grafenu.
Grafen został odkryty w 2004 r. na uniwersytecie w Manchesterze przez dwóch naukowców rosyjskiego pochodzenia, Andrieja Gejma i Konstantina Nowosiołowa. Sześć lat później za to odkrycie otrzymali Nagrodę Nobla z fizyki.
Z kolei najtańszą na świecie metodę wytwarzania wysokiej jakości grafenu wymyślili polscy naukowcy z Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych.
Grafen od początku rozpalał wyobraźnię badaczy, którzy widzieli jego zastosowanie praktycznie w każdej dziedzinie życia, m. in. w elektronice, energetyce, medycynie czy lotnictwie.
Czym jest grafen?
Grafen to struktura złożona z atomów węgla o grubości zaledwie jednego atomu. Ma wyjątkową budowę – pojedyncze atomy tworzą siatkę, która wygląda jak plaster miodu. Jest sto razy mocniejszy od stali, a przy tym giętki, rozciągliwy, elastyczny i bardzo lekki – dokładnie tysiąc razy lżejszy od papieru. Przewodzi prąd lepiej niż miedź, jest również doskonałym przewodnikiem ciepła. Nie przepuszcza gazów, potrafi usuwać skażenia promieniotwórcze, ma też właściwości bakteriobójcze. Jest materiałem hydrofobowym. Grafen powierzchniowy ma postać jednego atomu, zaś grafen płatkowy występuje w formie płatków, których struktura nie przekracza 10 warstw atomów.
Dzięki swoim niezwykłym i wszechstronnym właściwościom może być wykorzystywany choćby w produkcji komputerów, telewizorów, smartfonów, solarów, baterii, protez ortopedycznych oraz antyseptycznych opatrunków. Co więcej, może być także zastosowany w leczeniu nowotworów. Prowadzone są również prace ukierunkowane na wdrożenie go w przemyśle lotniczym.
Nowatorskie projekty
Nano Carbon Sp. z o. o., wchodząca w skład Polskiej Grupy Zbrojeniowej, od kilku lat zajmuje się produkcją i badaniem właściwości grafenu. Jednym z celów jej powstania była również komercjalizacja przemysłowej metody wytwarzania grafenu, która została opracowana przez naukowców z Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych (ITME). Nano Carbon ma licencję na sprzedaż produktów tej technologii. Posiada również specjalistyczne urządzenia, jak reaktory i spektroskop Ramana, które są wykorzystywane do produkcji grafenu.
Warszawska spółka – przy współpracy z uczelniami wyższymi, instytutami oraz firmami komercyjnymi – prowadzi projekty
badawczo-rozwojowe dotyczące wykorzystania grafenu. Naukowcy z Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych oraz Centrum Optyki Przemysłowej S.A. pracują np. nad zastosowaniem ochronnej i ogrzewającej warstwy grafenu do elementów optycznych. Celem przedsięwzięcia  jest stworzenie nowych produktów dla potrzeb optyki z wykorzystaniem powłok grafenu. Chodzi m. in. o wypukłe soczewki z ochronną powłoką grafenową.
Inny projekt dotyczy opracowania zaawansowanych kompozytów elastomerowo-grafenowych o zmodyfikowanej warstwie powierzchniowej, by uzyskać powierzchnię o niskim współczynniku tarcia. Nad tym rozwiązaniem pracują firmy ITME, Narodowe Centrum Badań Jądrowych oraz Nano Carbon. 
Produkcja grafenu
Nano Carbon posiada na wyposażeniu reaktor wysokotemperaturowy, który jest niezbędny do produkcji grafenu powierzchniowego metodą epitaksji, czyli osadzania grafenu na folii miedzianej. Proces zachodzi w temperaturze 1600 stopni, przy określonym ciśnieniu i dostarczaniu do reaktora metanu, argonu i silanów. Firma kupiła ponadto reaktor do osadzania grafenu (oraz węglika krzemu) na podkładzie z płytek węglika krzemu. Jak informuje Lech Marek Gorywoda, technologia jest teraz na etapie wdrażania.
– Grafen na węgliku krzemu, jak i węglik krzemu na tym podkładzie są cennym materiałem do zastosowania w elektronice. Chodzi m. in. o diody i  tranzystory – tłumaczy członek Zarządu Nano Carbon S.A.
Dotychczas spółka produkowała grafen powierzchniowy maksymalnie w arkuszach o rozmiarach 30x30 cm. Obecnie wdraża produkcję arkuszy o wymiarach 50x50 cm, co stanowi produkt unikatowy w skali światowej.
Nano Carbon wytwarza też grafen płatkowy. Produkcja polega na syntezie chemicznej proszku grafitowego, a koszt takiej produkcji jest znacznie niższy niż w przypadku grafenu powierzchniowego.
– Rynek aplikacji grafenu płatkowego bardzo dynamicznie rośnie. Rozwija się szybciej niż zastosowanie grafenu powierzchniowego. W związku z tym spółka rozszerza swój asortyment o grafen płatkowy, płatkowy tlenek grafenu (w postaci past i zawiesin) oraz płatkowy zredukowany tlenek grafenu, występujący w formie proszku. Już niedługo będzie miała w swoim portfolio pełną gamę produktów grafenu – mówi Lech Marek Gorywoda.
Zastosowanie grafenu  
Grafen jako węgiel jest biozgodny, czyli nieszkodliwy dla organizmu. Jednocześnie wiele badań wskazuje na jego właściwości bakteriobójcze i antynowotworowe. Może też znaleźć zastosowanie jako nośnik leków. Współpraca z Centrum Inżynierii Biomedycznej WAT zaowocowała potwierdzeniem skuteczności bakteriobójczej grafenu wytwarzanego przez Nano Carbon. Badania prowadzone przez zespół naukowców Wydziału Nauk o Zwierzętach Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego dowiodły, że grafen może niszczyć komórki nowotworowe. Grafen powierzchniowy przy wyścieleniu wnętrza stentów kardiologicznych powoduje, że są one bardziej przyswajalne i tolerowane przez organizm.
Grafen powierzchniowy może mieć zastosowanie nie tylko w medycynie,  ale również w obronności i elektronice. Dzięki temu, że przewodzi prąd i jest prawie przezroczysty, może być używany do ogrzewania szyb w pojazdach. Grafen płatkowy jest łatwiejszy w produkcji i ma inne, bardziej powszechne zastosowanie. Przykładowo, mieszanie takiego grafenu z gumami powoduje, że stają się one bardziej elastyczne i wytrzymałe. Z kolei dodawanie grafenu płatkowego do smarów sprawia, że mają one lepsze właściwości ograniczające frykcję. Grafen może być także wykorzystywany do zwiększenia bezpieczeństwa żołnierzy na polu walki, znajdując zastosowanie np. przy produkcji kamizelek kuloodpornych, osłon pojazdów bojowych, bandaży czy filtrów wody. Dodatkowo, według przeprowadzonych badań, dodawanie grafenu do farb powoduje zmiany w kamerze termowizyjnej.
Grafen zatem to unikatowy materiał przyszłości, który posiada potencjał, by zmienić naszą rzeczywistość. Już sama jego produkcja w Polsce to sukces, natomiast kluczowym wyzwaniem na przyszłość będzie wprowadzenie go do produkcji na coraz bardziej masową skalę.
 
Artykuł przygotowany przez redakcję przy współpracy z PGZ S.A.