Zastosowania grafenu. Wszystko, co wiemy o grafenie

• Wszystko, co wiemy o grafenie
• Otrzymywanie i rodzaje grafenu
• Zastosowania grafenu
• Czy grafen jest bezpieczny?
• Przyszłość grafenu

Zastosowania grafenu

Ile rodzajów odmian grafenu by nie powstało, to ich zastosowania są niezmienne. A raczej niezmiennie ich przybywa. Zatem tutaj ponownie skupimy się na bardziej ogólnym podziale odkrytych już zastosowań grafenu, choć warto zaznaczyć, że nie wszystkie z nich są faktycznie wykorzystywane. W każdym razie, nie przedłużając, oto główne zastosowania tego niezwykłego materiału (i trochę o wkładzie Polaków w badania).

Powłoki ochronne

Jako iż grafen jest niesamowicie cienkim materiałem (przypominam - grubość jednego atomu) to nie dało się uniknąć zastosowania go we wszelkiego rodzaju powłokach ochronnych. Jego właściwości pozwoliły na opracowanie farb antykorozyjnych, antystatycznych, antyporostowych, czyli zabezpieczających okręty przez glonami i zanieczyszczeniami znajdującymi się w wodzie; oraz do malowania karoserii samochodów. Idąc dalej, opracowywane są również pasty termoprzewodzące oraz wykorzystanie past grafenowych w procesie drukowania elastycznych elementów elektronicznych. Nad drugim z nich aktualnie pracuje zespół badaczy z Wydziału Mechatroniki na Politechnice Warszawskiej, pod kierownictwem prof. dr hab. inż. Małgorzaty Jakubowskiej.

Źródło: Agnieszka Dąbrowska, Andrzej Huczko, Magdalena Kurcz, „Grafen. Otrzymywanie, charakterystyka, zastosowania”, Wydawnictwo Uniwersytetu Warszawskiego, 2020.

Grafen krzepi!

Grafen znalazł zastosowanie również jako swojego rodzaju wzmacniacz przeróżnych konstrukcji. Wbrew pozorom nie chodzi tutaj tylko i wyłącznie o materiały budowlane czy wykorzystywane w wymagających warunkach. Już teraz zakupić można np. sprzęt sportowy wzmacniany grafenem. Za przykład można podać: rakiety tenisowe, których używają np. Djokovic i Szarapowa, buty ze wzmacnianymi grafenem podeszwami, buty kolarskie, narty czy kaski. Grafenem wzbogacane są również jachty, konstrukcje lotnicze, czy koła rowerowe. Warto wspomnieć o porzuconym co prawda, projekcie samochodu Hussarya polskiej firmy Arrinera SA, do którego produkcji wykorzystano lakier grafenowy.

Przeszkodą w realizacji projektu były problemy finansowe firmy, a szkoda, bo samochód zapowiadał się niezwykle ciekawie, źródło: Matthew Lamb/Creative Commons.

Elektronika

Pamiętacie o krzemie? Bardzo dobrze. Bo wiele badań wskazuje na to, że grafen może być w stanie zastąpić krzem w wielu podzespołach czy konstrukcjach elektronicznych. Ba, nie tylko zastąpić, ale sprawdzić się lepiej od niego. Dzięki dobremu przewodnictwu i niewielkim rozmiarom grafen wydaję się niemalże idealnym materiałem do produkcji superszybkich układów scalonych, tranzystorów, miniaturowych urządzeń elektromechanicznych np. czujników, biomarkerów, czy elementów mikroskopów. Choć tutaj trzeba podkreślić fakt, że przy produkcji niektórych z tych urządzeń problemem jest zerowa przerwa energetyczna, którą naukowcy próbują obejść poprzez modyfikowanie sposobu produkcji grafenu.

Będąc już w temacie grafenu i jego zastosowaniu w produkcji układów scalonych warto nadmienić zeszłoroczne badanie, które przeprowadzili fizycy z University of Sussex. Wywnioskować z niego możemy, że dzięki odpowiedniemu zmodyfikowaniu struktury grafenu naukowcy są w stanie otrzymać elementy elektroniczne.

Elastyczne konstrukcje

Niemniej na tym nie kończą się zastosowania tego materiału w technologii. Dzięki swojej elastyczności i jednocześnie wysokiej wytrzymałości oraz przezroczystości w przyszłości grafen może znaleźć się w ekranach zwijanych smartfonów. Jednak i tutaj badacze napotykają przeszkody, głównie pod postacią kosztów produkcji odpowiedniego do stworzenia giętkich ekranów grafenu.

Teraz o nieco bardziej przyziemnej rzeczy, za której opracowaniem stoją Polacy i za którą otrzymaliśmy srebrny medal na Międzynarodowych Targach Wynalazczości Concours Lepine 2015 w Paryżu. Chodzi tutaj o projekt autorstwa ITME pt. „Drukowane antystatyczne wykończenia tekstyliów z użyciem RGO”, który jak sama nazwa sugeruje, miał na celu opracowanie antystatycznych ubrań.

Przemysł energetyczny

Idąc dalej tropem zastosowań grafenu trafiamy na zagadnienia związane z przetwarzaniem i magazynowaniem energii, gdzie materiał wykorzystywany jest do produkcji superkondesatorów, nanogeneratorów oraz baterii (choć tutaj nie możemy liczyć na całkowitą dominację grafenu nad litem).

W kontekście energii warto wspomnieć o badaniach dotyczących użycia grafenu w panelach fotowoltaicznych. Dzięki przezroczystości i wspomnianemu już wielokrotnie przewodzeniu grafen może zastąpić materiały używane w ich produkcji antyodblaskowe powierzchnie paneli, materiał fotoaktywny, katalizatory, elektrody i wiele innych elementów, których nazwy nie mówią zbyt wiele osobom nie siedzącym w temacie. Trzeba wspomnieć, że w kontekście fotowoltaiki naukowcy wykorzystują grafen z domieszkami innych pierwiastków, w celu uzyskania pożądanych właściwości.

Tutaj ponownie na pierwszy plan wychodzi polski Uniwersytet, a dokładniej Wydział Inżynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Warszawskiej. Opracowywane są tam technologie łączenia grafenu z innymi materiałami w celu uzyskania tworzywa o konkretnych właściwościach.

Wykrywanie zagrożeń

Czujniki, detektory, filtry to także przedmioty, w których grafen znajdzie swoje zastosowanie. Membrana grafenowa dzięki możliwości przepuszczania wody, jednocześnie zatrzymując inne pierwiastki w przyszłości może trafić np. do dzbanków, jak i również zostać użyta na większą skalę w oczyszczalniach.

Poza tym właściwości grafenu czynią go także idealnym materiałem do tworzenia niesamowicie czułych czujników stężenia pierwiastków, co znajdzie zastosowanie zarówno w badaniu np. stanu środowiska naturalnego, jak i diagnostyce medycznej (chociaż w tym aspekcie grafen jest dość kontrowersyjny).

Medycyna i bioelektronika

No i w końcu - medycyna! Jeśli czekaliście na rozwinięcie tematu regeneracji grafenu i wasze myśli powędrowały do cyberpunkowych wizji regenerujących się tkanek i innych wyobrażeń przyszłości, to tak, w końcu o tym. Chociaż zgłębiając ten temat szykowałam się na niesamowite odkrycia, to artykuły naukowe szybko ostudziły mój zapał, ale od początku. Grafen w medycynie ma kilka zastosowań:

1. Technologia drug-delivery: precyzyjne dostarczanie leków do odpowiedniego miejsca w organizmie. Badania na tej płaszczyźnie skierowane były również pod kątem leczenia nowotworów. Jedno z nowszych badań opublikowane w Journal of Nanobiotechnology, wskazuje na spory potencjał opartych na grafenie nanomateriałów w wielu terapiach skierowanym przeciw rakowi.
2. Leczenie przerwanych połączeń nerwowych: dzięki badaniom wykorzystującym technologię in vitro udało się z pomocą grafenu odtworzyć komórki macierzyste oraz elementy kości. To zastosowanie materiału dopracowują badacze z Uniwersytetu Medycznego w Warszawie i Uniwersytetu Jagiellońskiego.
3. Preparaty bakteriobójcze: grafen testowany jest również pod kątem niszczenia drobnoustrojów oraz bakterii np. Escherichia coli w wodzie.
4. Bioelektronika: grafen mając grubość jednego atomu, sporą wytrzymałość i swoje nieocenione przewodnictwo jest bardzo atrakcyjnym materiałem dla tej raczkującej (bo zdefiniowanej dopiero w 1991 roku) dziedziny nauki. Badacze spekulują, iż z wykorzystaniem grafenu będzie można stworzyć bioniczne organy, sztuczne mięśnie oraz sterować sygnałami nerwowymi.