Grafen znany jest od dawna, ale jego „kariera” badawcza zaczęła się w ubiegłym wieku, kiedy opisali go Andriej Gejm i Konstantin Nowosiołow z Uniwersytetu w Manchesterze. Otrzymali za to w 2010 r. Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
– Dostali wyróżnienie za coś, co było znane od dawna, bo grafitu używano już w starożytności, są naturalne jego złoża – mówi prof. dr hab. Jerzy P. Łukaszewicz, dyrektor Interdyscyplinarnego Centrum Nowoczesnych Technologii UMK – Gdy spojrzymy na ten stary grafit, okazuje się, że jego pojedyncza grudka składa się z milionów płaszczyzn zbudowanych z sześcioczłonowych pierścieni przypominających plaster miodu. I właśnie ten pojedynczy plaster o grubości atomu węgla nazywamy grafenem.
Grafit jest alotropową odmianą węgla. Alotropia to zjawisko występowania różnych odmian tego samego pierwiastka. Węgiel może występować m.in. jako grafit, diament lub fuleren.
– Nikt nie wie, kto odkrył węgiel – mówi chemik – W układzie okresowym znajdziemy pierwiastki znane właściwie od zawsze, właśnie takie jak węgiel lub złoto, srebro i miedź.
Naukowiec dodaje, że grafit naturalnie występuje w przyrodzie i można go wydobywać, chociaż jest to proces marginalny w obecnym przemyśle. Znane są bowiem syntetyczne metody produkcji grafitu z wykorzystaniem ciężkiej syntezy organicznej. A sam materiał jest wykorzystywany w elektrodach, w przemyśle hutniczym, w produkcji silników elektrycznych, materiałów smarnych i ołówków.
Gejmowi i Nowosiołowowi udało się w bardzo prosty sposób wyizolować grafen ze zwykłego grafitu. Odrywali go taśmą klejącą. Jest to możliwe, bo między poszczególnymi płaszczyznami grafenowymi występują bardzo słabe siły przyciągania, tzw. siły van der Waalsa. W związku z tym, przyklejając coś do górnej części płatka grafenowego, można odlepić go od sąsiada. Po pewnym czasie pojawiły się metody syntezy płatków, dzięki czemu otrzymuje się grafen w dużych ilościach w postaci proszku, który w tzw. procesie aglomeracji skleja się w grafen proszkowy.
– Stąd takie zamieszanie terminologiczne – wyjaśnia prof. Łukaszewicz – Oczywiście, że najwygodniej wszystko nazywać terminem, który jest modny, nośny i wszyscy się nim zajmują. Dlatego mnóstwo materiałów bywa nazywanych grafenem.
Zrobiło się o nim głośno, bo ma unikatowe właściwości fizyczne i chemiczne. Charakteryzuje się bardzo wysokim przewodnictwem elektrycznym zbliżonym do metalicznego. Poza tym można go otrzymywać w postaci monowarstw pozwalających na produkcję mniejszych elementów elektronicznych niż te wykonane np. z krzemu.
Kosztowne marzenia
W mikroelektronice zużycie grafenu byłoby znikome, bo używałoby się w zasadzie pojedynczych płatków. Coraz częściej mówi się jednak o zastąpieniu grafenem materiałów produkowanych na bazie węgli aktywnych, ponieważ struktury grafenu są bardziej stabilne chemicznie od węgla właściwego. W związku z tym, jeśli grafen miałby być używany jako materiał elektrodowy w różnego rodzaju akumulatorach, można założyć, że proces destrukcji baterii byłby bardziej rozciągnięty w czasie, przez co jej żywotność byłaby większa.
– Istnieją też podstawy, aby twierdzić, że również parametry elektrochemiczne urządzeń będą lepsze, bo w jednostce masy będzie można zmagazynować znacznie większą ilość energii elektrycznej – tłumaczy chemik – Ale ja zawsze powtarzam, że ludzie robią te rzeczy, które im się opłacają, a reszta to są marzenia. I do tej pory mówiłem o marzeniach, o tym, co można zrobić.
Na końcu dochodzimy bowiem do momentu, w którym trzeba policzyć, ile te marzenia będą kosztowały. Dlatego cały czas na świecie królują baterie litowo-jonowe. Są wykorzystywane m.in. w dyktafonach, telefonach komórkowych, tabletach, laptopach, a większe w pojazdach mechanicznych. Materiałem elektrodowym jest w nich odpowiednio przygotowany węgiel aktywny, mający mnóstwo mankamentów.
– Gdybyśmy zaczęli wyliczać, jakie wady ma węgiel aktywny, to lista byłaby tak długa, że śmiało można by zapytać, po co go używać, skoro jest tak niedoskonały – mówi prof. Łukaszewicz – Odpowiedź jest prosta: bo nie ma nic tańszego, nie ma niczego, co za podobne pieniądze i przy takiej dostępności dawałoby porównywalny efekt. To jest kompromis między efektem, czyli parametrami elektrochemicznymi, a dostępnością i ceną.
Naukowcy na świecie cały czas pracują też nad zastąpieniem litu w bateriach, gdyż jego zasoby są ograniczone, a poza tym złoża są rozłożone tak nierównomiernie, że niektóre kraje zyskują kontrolę nad całym rynkiem. Są to głównie Chiny i Chile, gdzie w miejscu wyschniętych jezior odłożyła się sól, która zawiera olbrzymie ilości litu. Obecnie najbardziej zaawansowane badania dotyczą zastąpienia litu powszechnie dostępnym, tanim i niewyczerpywalnym sodem. To jego jony mają być odpowiedzialne za akumulację ładunku i później jego odzyskiwanie.
