Grafen materiał przyszłości

Badania nad grafenem zaczęły się dopiero przed kilkoma laty, naukowcy już
dziś nazywają go materiałem przyszłości – jest wywarzany z węgla i ma grubość
zaledwie… 1 atomu. Jest niewidoczny gołym okiem. Dlatego nanosi się go na inne
materiały, np. krzemowe płytki. Ale choć jego warstwa jest tak "cienka", nadaje
pokrytym nim materiałom niezwykłe właściwości.

– W elektronice wykorzystuje się szczególne własności transportu elektronów,
które w tym materiale zachowują się jak fotony. To znaczy, że wykorzystujące
grafen urządzenia działałyby np. 100 razy szybciej i byłyby 100 razy
wydajniejsze niż te wytwarzane dotychczas. Mogłyby np. poprawiać parametry
połączeń internetowych. Ten materiał przenosi elektronikę w zupełnie nowy
wymiar, zbliżając już jej poziom rozwoju do mechaniki kwantowej – wyjaśnia
prowadzący badania nad grafenem dr inż. Włodzimierz Strupiński z Instytutu
Technologii Materiałów Elektronicznych w Warszawie. W ten sposób grafen
pozwalałby na wyprodukowanie np. tabletu o grubości folii i o podobnej
giętkości, który da się… zwinąć w rulonik.
Ale to nie jedyne zastosowanie grafenu. – Można sobie wyobrazić jego
wykorzystanie także do produkcji baterii słonecznych – dodaje dr Strupiński. W
dodatku dzięki temu, że jest przezroczysty, a jednocześnie bardzo dobrze
przewodzi prąd elektryczny, budzi wielkie zainteresowanie producentów szyb
samochodowych jako niewidoczna folia podgrzewająca i jednoczesne wzmocnienie
mechaniczne.

Samoloty z grafenu?

Właściwości grafenu – wysokie przewodnictwo prądu i ciepła, a jednocześnie
duża wytrzymałość, mogą mieć zastosowanie w tzw. inżynierii materiałowej.
Przykład? – Powlekane grafenem tworzywa sztuczne mogą przewodzić ciepło. Można
to wykorzystać w niektórych uszczelkach, także używanych w przemyśle kosmicznym
– wyjaśnia dyrektor ITME dr Zygmunt Łuczyński. Warto dodać, że dzięki grafenowi
takie uszczelki prócz przewodzenia prądu i ciepła byłyby też odporne na korozję
i działanie czynników chemicznych.

Doktor Łuczyński dodaje, że takie właściwości materiału przyszłości można
wykorzystywać także do pokrywania powłok np. zbiorników na benzynę lub gaz. Po
co? – Dzięki zastosowaniu grafenu zbiorniki na paliwa nie naelektryzują się do
tego stopnia, że wystarczy iskra, by wyleciały w powietrze – wyjaśnia dr
Łuczyński.

Grafen może zmienić również sposób budowy samolotów. Jego jedna warstwa
atomowa ma wytrzymałość mechaniczną kilkaset razy większą niż stal o podobnej
grubości. Wkrótce pokryte nim kompozytowe materiały mogą zastąpić ciężkie
powłoki metalowe samolotów, co pomoże ograniczyć zużycie paliw.

Rewolucja w energetyce?

Grafen może pomóc również zrewolucjonizować branżę elektryczną. Dziś poważną
barierą w jej rozwoju są bardzo ograniczone możliwości gromadzenia energii.
Wytwarzane dotychczas np. baterie elektryczne mają stosunkowo niewielką
pojemność. Tymczasem dzięki zastosowaniu grafenu można byłoby produkować
kondensatory o wielokrotnie większej pojemności, które jednocześnie ładowałyby
się wielokrotnie szybciej. – Można sobie wyobrazić już nawet zbudowanie dużego
kondensatora zasilającego np. elektryczny autobus, który zajeżdżając na pętlę,
ładuje się w ciągu zaledwie kilku minut. Wtedy nie trzeba byłoby już budować
całej trakcji elektrycznej do napędzania tramwajów – przewiduje dr Strupiński.

Ale na tym nie koniec. Jak wyjaśnia naukowiec, grafen ma również właściwości
absorbowania wodoru. Co to daje? – Można byłoby użyć tego materiału do
wytwarzania ogniw wodorowych, czyli do produkcji baterii, które byłyby o wiele
tańsze niż te dzisiejsze i znacznie bardziej pojemne – dodaje dr Strupiński.

Wyścig o miliardy

Obecnie znana wielość zastosowań grafenu sprawia, że zachodnie firmy już
liczą na gigantyczne zyski dzięki niemu. O jakie pieniądze toczy się gra? – To
przekracza moje wyobrażenia. Ale obserwując zainteresowanie grafenem
największych światowych koncernów, począwszy od IBM, przez Nokię, Samsunga, a
nawet firmy chemiczne, na pewno nie chodzi o jakieś pojedyncze miliardy – mówi
ostrożnie inż. Strupiński.

Próbę wstępnego oszacowania rynku produktów na bazie grafenu podjęła
amerykańska firma badawcza BCC Research. Według niej tylko do 2020 r. sprzedaż
produktów wykorzystujących uniwersalny materiał osiągnie wartość 675 mld USD.
Sam rynek materiałów kompozytowych wykorzystujących surowiec przyszłości
wyniesie 91 mld USD. Można więc przewidywać, że w kolejnych latach sprzedaż
towarów wykorzystujących grafen przekroczy wartość biliona USD.
 

Dlatego w największych firmach świata, zwykle działających też w
najbogatszych państwach, od kilku lat przeznacza się miliony na rozwój badań nad
tym niezwykłym materiałem. – IBM, prywatna amerykańska firma, dostała na badania
od rządu amerykańskiego 30 mln USD, choć wydawałoby się, że stać ją na wszystko.
Tam państwo dba o to, by także firmy prywatne przynajmniej nie odstawały
technologicznie od poziomu światowego – wskazuje dr Łuczyński.

Również władze RFN wyłożyły kilkadziesiąt milionów euro na badania nad
grafenem. W prace zaangażowano 28 grup badawczych, świetnie wyposażonych, co –
jak dodaje dr Łuczyński – przynosi szybkie efekty. Zaś w Wielkiej Brytanii
przeznaczono ok. 70 mln funtów (ok. 350 mln zł) na badania w tej dziedzinie.

Byliśmy pierwsi

A jak na tym tle prezentuje się Polska? W odpowiedzi na pytania "Naszego
Dziennika" Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego odpisało: "Według naszych
informacji Polska jest w ścisłej czołówce krajów europejskich finansujących
badania w zakresie grafenu". – Chyba od końca – kwituje dr Łuczyński.

Łatwiej zrozumieć jego sarkazm, gdy weźmie się pod uwagę to, że polscy
naukowcy rzeczywiście byli w czołówce badań nad grafenem, ale… kilka lat temu.
Zajęli się badaniami nad nim już w 2006 r., dwa lata po odkryciu tego materiału
przez Andrieja Gejma i Konstantina Nowosiołowa, pracujących na uniwersytecie w
Manchesterze (Wielka Brytania). Gdy przed dwoma laty otrzymali oni Nagrodę Nobla
za swoje odkrycie, polscy naukowcy byli już zaawansowani w badaniach. – W 2006
r. mieliśmy takie możliwości, bo wówczas wzrosła dotacja statutowa dla nas,
którą otrzymujemy z ministerstwa nauki – podkreśla dr Łuczyński. Efektem badań
było opracowanie najtańszej jak dotychczas metody wytwarzania grafenu o
najlepszych parametrach do zastosowania w elektronice. Metoda ta została na
szczęście zgłoszona do opatentowania.

Jednak od tego czasu Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego pod rządami
Platformy Obywatelskiej… obcięło fundusze dla ITME, dzięki którym prowadzono
badania nad grafenem. – Podczas gdy w tym szczęśliwym roku 2006 mieliśmy dotację
w wysokości 13 mln zł, to dziś mamy niespełna 10 mln, bo przez cały ten czas
sukcesywnie zmniejszano dotację – skarży się dr Łuczyński. Tłumaczy, że
wielokrotnie zabiegał w MNiSW o dofinansowanie przynajmniej zakupu aparatury do
badań. – Wszystkie moje wnioski leżą dotąd gdzieś w szufladach MNiSW –
podsumowuje.

Rząd przespał najlepszy czas

Tymczasem w dziedzinie zaawansowanych technologii, zwłaszcza o tak
strategicznym znaczeniu dla przemysłu, czas ma ogromne znaczenie ze względu na
ogromną konkurencję. Jednak rząd Donalda Tuska zdążył w tym okresie
"zreformować" naukę, ale w taki sposób, że nadal nie ma mechanizmów jej
współpracy z przemysłem, tak by można było szybko wdrażać wyniki prac polskich
naukowców do produkcji przynoszącej zyski.

Dyrektor Łuczyński tłumaczy, że do tej pory ITME nie dysponuje nawet
podstawowym urządzeniem do badania próbek grafenu – spektroskopem Ramana. Co
prawda Agencja Rozwoju Przemysłu rozstrzygnęła konkurs na dostawę takiego
sprzętu, ale dr Strupiński zaznacza, że w optymistycznym wariancie Instytut
otrzyma go dopiero w czerwcu.

Natomiast być może pod koniec roku ITME oraz inne polskie placówki, które
chciałyby zająć się badaniami nad grafenem, mogłyby otrzymać fundusze z wartego
60 mln zł programu Graftech. Narodowe Centrum Badań i Rozwoju na początku
kwietnia rozpoczęło nabór wniosków.

Znów zostaną nam okruchy?

Naukowcy wskazują, że trudno będzie obecnie nadrobić opóźnienia. Co będzie,
jeśli dokonania naukowców nie zostaną szybko wdrożone do produkcji przemysłowej?
– Będziemy mogli pójść do najbliższego supermarketu i kupić sobie jakieś
urządzenia z wykorzystaniem grafenu produkowane w różnych krajach świata, tylko
nie w Polsce – podsumowuje dyrektor Łuczyński. Dodaje, że IBM w czerwcu ub.r.
pokazał pierwszy układ scalony wykonany z wykorzystaniem grafenu, a koreański
Samsung przygotowuje się do produkcji płaskich ekranów do telewizorów i
komputerów pokrytych tym materiałem.

Dyrektor ITME zastrzega, że badania nad grafenem nie są jeszcze całkowicie
stracone, ale największe nadzieje wiąże jedynie z prywatnymi firmami, które
byłyby w stanie stosunkowo szybko wykorzystać wyniki badań do produkcji
określonych towarów. Jednak z powodu opóźnienia naszego kraju nad postępem badań
i wykorzystania ich w produkcji przemysłowej może się okazać, że polskie firmy
będą produkowały co najwyżej produkty na tzw. nisze rynkowe. W ten sposób z
ogromnej szansy na rozwój polskiej nauki, przemysłu i podniesienie poziomu życia
w Polsce będziemy musieli zadowolić się jedynie "okruchami" zysków z wytwarzania
mało skomplikowanych, choć dochodowych produktów na bazie grafenu.

Wdrożenie produkcji bardzo opłacalnych procesorów na bazie grafenu to koszt
rzędu… kilkudziesięciu miliardów USD. Dlatego na razie żadna z polskich
niewielkich wciąż firm nie jest w stanie sprostać takiemu wyzwaniu. Jednak przy
wsparciu instytucji publicznych i państwa mogłoby powstać coś w rodzaju polskiej
"grafenowej doliny". – Byłoby bardzo dobrze, gdyby w Polsce powstała taka "grafenowa
dolina", ale to wymaga ogromnych nakładów, nie tylko finansowych – zastrzega
Tomasz Ćwienk, rzecznik śląskiej firmy Digital Core Design, która projektuje
architekturę procesorów. Jej rozwiązania są dziś wykorzystywane w milionach
komputerów produkowanych na świecie.

Najgorsze jest jednak to, że – jak przyznają polscy naukowcy – jeśli nie
zostaną stworzone mechanizmy współpracy między przemysłem i naukowcami, nawet
najlepsze wynalazki tych ostatnich pozostaną jedynie na papierze lub… zostaną
sprzedane zagranicznym firmom, przynosząc im krociowe zyski. A rząd nadal będzie
zajmował się wyskokami Palikota, walką z PiS albo zaciskaniem pasa Polakom…

Mariusz Bober