Wyjątkowo lekki, bardzo cienki a jednocześnie najmocniejszy z odkrytych przez człowieka materiałów. W przeliczeniu na jedną warstwę atomową jest dwieście razy wytrzymalszy od stali, chociaż składa się wyłącznie z atomów węgla połączonych w sześciokąty.

Grafen jest tak wyjątkowy, ponieważ łączy ze sobą zestaw właściwości, jakich nie ma w żadnym z innych znanych nam materiałów. Świetnie przewodzi ciepło i prąd elektryczny, jest tak elastyczny, że bez odkształceń można go rozciągnąć nawet o 20 proc.

Grafen to pojedyncza, jednoatomowa warstwa węgla. Gdyby udało się wyprodukować z niego przedmioty codziennego użytku, zrewolucjonizowałoby to nasze życie podobnie jak kiedyś krzem. Wytwarzany różnymi technologiami grafen występuje pod wieloma postaciami, m.in.: proszku, płatków i monowarstwy na nośniku. Najlepszej jakości, najczystszy na świecie grafen powstaje w warszawskim Instytucie Technologii Materiałów Elektronicznych (ITME). Opracowana w ITME technologia zapewnia produkcję grafenu o ciągłej jak szklana tafla powierzchni. Ten produkowany np. w USA na zdjęciu w dużym powiększeniu jest porowaty, pełen zagłębień i wybrzuszeń.

– Jako jedyni na świecie opanowaliśmy wydajną technologię produkcji grafenu najwyższej jakości, która jest objęta ochroną patentową na większości potencjalnych rynków zbytu – mówi dr inż. Włodzimierz Strupiński z Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych (ITME). – Obecnie przechodzimy z fazy badań podstawowych do aplikacyjnych, czyli prac nad komercyjnym zastosowaniem grafenu – dodaje.

Najdalej zaawansowanym projektem jest wytworzony przez naukowców z ITME grafenowy czujnik pola magnetycznego do mierzenia prądów o wysokim natężeniu. To pierwsze urządzenie tego typu na świecie gotowe do komercyjnego zastosowania. Naukowcy z ITME opracowali też niewidoczne dla ludzkiego oka warstwy grzejne z grafenu, które mogą rozgrzać szybę kwarcową nawet do maksymalnie 500 stopni Celsjusza.

– Ta technologia pozwala produkować takie warstwy na zwykłych szybach oraz elastycznych podłożach – zaznacza dr Włodzimierz Strupiński.

Według naukowców grafen można wykorzystać m.in. do wytwarzania przejrzystych, zwijanych w rolkę wyświetlaczy dotykowych telefonów i tabletów, energii odnawialnej z baterii słonecznych i magazynowania jej w wysokowydajnych akumulatorach. Czujniki z grafenem potrafią zarejestrować obecność pojedynczej cząsteczki szkodliwej substancji, co może znaleźć zastosowanie w monitoringu i ochronie środowiska.

– To nowy, bardzo ciekawy materiał, po którym dużo sobie obiecujemy gdyż ma cechy, które po raz pierwszy spotykamy w materiałach a to daje nowe możliwości zastosowania – mówi profesor dr hab. Włodzimierz Stręk z Instytutu Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych we Wrocławiu. – Daleko jeszcze do wyjaśnienia i opisania wszystkich cech grafenu, cały czas badamy właściwości tego niezwykłego materiału, które można wykorzystać w produkcji nowych urządzeń – dodaje profesor.

Zdaniem profesora mamy w Polsce najlepszą na świecie technologię produkcji grafenu, ale interes na nim zrobią ci, którzy będą sprzedawać gotowe produkty. Prawdopodobnie będą to Chińczycy i Koreańczycy, którzy na badania nad grafenem wykładają ogromne środki i masowo skupują z rynku, co ciekawsze projekty. Na samej produkcji grafenu się nie zarobi gdyż wraz ze wzrostem globalnej produkcji tego materiału jego cena musi spadać. Kilka lat temu kawałek grafenu wielkości główki od szpilki był wart około trzech milionów dolarów. Do dzisiaj ceny zmalały radykalnie.

– My nie mamy monopolu na grafen. Nad tym materiałem pracuje wiele firm, więc musimy znaleźć oryginalny, niszowy, polski projekt wykorzystania tego materiału, z którym wejdziemy na globalny rynek – przestrzega profesor Stręk.

Duże firmy przemysłowe stawiają na wykorzystanie także mechanicznych właściwości grafenu, który znacząco poprawia parametry odporności urządzeń na ścieranie i uszkodzenia. Materiałem interesuje się m.in. przemysł zbrojeniowy oraz medyczny.

– Nasz Instytut wspólnie z Uniwersytetem Medycznym we Wrocławiu prowadzi badania nad wykorzystaniem grafenu do powlekania powierzchni stentów wszczepianych do naczyń krwionośnych. Grafen polepsza biokompatybilność stentu. My badamy część technologiczną a lekarze pod kierunkiem dr Dariusza Białego biologiczną – opowiada pan Profesor.

Wyniki badań są tak bardzo obiecujące, że Instytut sfinansował z własnych środków zakup grafenu do dalszych badań. Do nakładania grafenu na stent najlepszy jest ten produkowany wg technologii dr Strupińskiego w ITME, licencję na sprzedaż arkuszy z grafenem posiada państwowa spółka Nano Carbon.

– Obecnie sprzedajemy arkusze miedzi z grafenem o rozmiarach 30 x 30 cm, lada moment będziemy mieć w ofercie większe w rozmiarach 50 x 50 cm. To grafen najwyższej jakości, najczystszy w Polsce, dużo lepszy niż grafen płatkowy – mówi Jacek Augustyn wiceprezes zarządu Nano Carbon Sp. z o. o.

Nano Carbon sprzedaje grafen o gładkiej i równej powierzchni a więc idealny do zastosowania w biomedycynie. Ten produkowany w postaci płatków czy proszku ma powierzchnię pofałdowaną tymczasem cała sztuka polega na tym żeby tak położyć grafen by był idealnie równy i przylegający do materiału, na który jest nakładany, bez żadnych spęcznień. Z dużego arkusza ten efekt można osiągnąć, z płatków czy proszku – nie. Możliwości wykorzystania grafenu jest wiele, ale musimy pamiętać, że to nie jest w produkcie wiodący materiał, ale tylko dodatek, który poprawia parametry produktu.

Początkowo grafen nawet trudno było pozyskać, bowiem jego odkrywcy opisali w literaturze, prostą wydawałoby się metodę oderwania taśmą klejącą jednej warstwy grafitu. Andriej Gejm i Konstantin Nowosiołow z Uniwersytetu w Manchesterze otrzymali grafen w 2004 roku przyklejając, a następnie odrywając od grafitu kawałek taśmy klejącej. Za swoje odkrycie otrzymali w 2010 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Wprawdzie już w XIX wieku naukowcy spekulowali, że grafit składa się z warstw. Już w 1947 roku powstał pierwszy teoretyczny opis grafenu, ale jego właściwe odkrycie i fizyczne oddzielenie od grafitu nastąpiło prawie 40 lat później.

Zdaniem Profesora Stręka żeby powstały w Polsce kolejne produkty z grafenem potrzebne są badania wielu grup badawczych, z których każda pracowałaby nad innym projektem.

– To może znacząco przyspieszyć stworzenie projektu, który mógłby trafić do produkcji na masową światową skalę – mówi profesor. – Widzę mnóstwo możliwości zastosowań i w medycynie, i w wojskowości i elektronice. Potrzebne są jednak duże pieniądze na opracowanie produktu i doprowadzenie do jego masowej produkcji – zastrzega Stręk.

Obecnie w samym Wrocławiu kilka grup naukowców niezależnie pracuje nad grafenem, szukając możliwości zastosowania tego materiału w różnych urządzeniach. Hasło grafen otwiera wiele drzwi instytucji, które mogą finansować badania, grafen, który ma ogromny potencjał dobrze się sprzedaje w publikacjach. Grafen wzbudza duże oczekiwania, ale jesteśmy dopiero na początku drogi, na której końcu czeka ciekawy polski produkt.

(MKO)