Nadchodzi wiek grafenu

Grafen to najcieńszy materiał na świecie, z niezwykłymi właściwościami, które czynią go wyjątkowo uniwersalnym. Jest doskonałym przewodnikiem, może być twardy jak diament, 200 razy mocniejszy niż stal i elastyczny jak guma.

Polacy mogą czuć szczególny sentyment do grafenu, nawet jeśli nie całkiem wiedzą czym jest, ze względu na wzmianki o „polskim grafenie”, czy też konfiturach, których politycy szukali w Instytucie Technologii Materiałów Elektronicznych. Tymczasem faktem jest, że możliwości zastosowania grafenu zostały odkryte w Anglii, dokładniej w Manchesterze, przez Andrieja Gejma i Konstantina Nowosiołowa, nieco przypadkowo, podczas jednego z cyklicznych naukowych „Piątkowych Eksperymentów” – tradycji Uniwersytetu Miejskiego w Manchester (MMU). Podczas prostego eksperymentu z węglową bryłką i taśmą klejącą, dwójka naukowców zauważyła, że grafen daje się dzielić na płatki o grubości jednego atomu. Odkrycie to zostało po raz pierwszy opisane w publikacji w roku 2003, ale dopiero w kolejnym roku zainteresowanie tym materiałem wzrosło do skali światowej. W 2010 roku obaj naukowcy dostali za swoje badania nad grafenem nagrodę Nobla.

Manchester, zwany obecnie miastem grafenu, jest też miejscem, w którym naukowcy MMU postanowili przygotować drukarkę 3D i odpowiednie materiały, które umożliwiałyby drukowanie przedmiotów z grafenu. Jest to przedsięwzięcie, w które zaangażowanych jest wiele osób, z wielu różnych środowisk. Jedna z nich tak przedstawia swój udział w projekcie: „Moje zaangażowanie w druk grafenem wynika z chęci wytwarzania interaktywnych, dotykowych powierzchni i środowisk dla robotycznych rzeźb dla wystaw w muzeach i galeriach.”

Grafen to nie jest wdzięczny materiał. Komplikacja z drukowaniem 3D grafenem polega na tym, że grafen niełatwo przygotować w postaci nadającej się do użytku. Materiał wyjściowy ma konsystencje pudru i wymaga obróbki przed umieszczeniem go w użytkowych polimerach. Problemem pozostaje układanie kolejnych warstw tak przygotowanych polimerów i ich szybkie utwardzanie, bez konieczności spiekania każdej warstwy osobno w piecu. Obecne ograniczenia technologii grafenowej wynikają z braku odpowiedniego nośnika, z którym można by grafen tak połączyć żeby mógł stać się prawdziwie podstawowym materiałem produkcyjnym XXI wieku.

Niemniej jednak, w ostatnich paru latach dokonano poważnych postępów w zakresie druku 3D grafenem. Firma Graphene 3D Lab, powstała w roku 2014, zdążyła już ugruntować swoją pozycję i przedstawić swoją technologię druku grafenowej baterii oraz wypuściła na rynek filament z grafenem, opisywany i testowany już wcześniej w CD3D. Firma planuje przygotowanie własnej drukarki 3D, która umożliwi połączenie różnych materiałów w jednym wydruku.

„Jest spore prawdopodobieństwo, że grafen stanie się jednym z najważniejszych materiałów dla druku 3D”, wyjaśnia jedna z założycielek firmy, Elena Poliakowa. “Polimery wzbogacone grafenem to świetne przewodniki elektryczne. Będziemy potrzebowali wielu różnych materiałów do drukowania elementów optycznych, urządzeń do magazynowania energii, tranzystorów itd. Kompozyty grafenu przydadzą się do wielu tego typu elementów. Niewątpliwie, szybkość i precyzja produkcyjna muszą się jeszcze poprawić. Potrzebne są nowe generacje urządzeń, które będą mogły drukować kilkunastoma materiałami jednocześnie.”

Nowe pomysły na użycie grafenu pojawiają się regularnie w różnych częściach świata. W zeszłym miesiącu jeden z doktorantów MMU, Daryl McManus, zwyciężył w konkursie na najlepszą propozycję zastosowania grafenu w biznesie za pomysł na atramenty oparte na grafenie, które można by zastosować do drukowania elektroniki. Udało mu się opracować precyzyjną i ekologiczną metodę druku. Pieniądze z wygranej spożytkuje na założenie swojej firmy, w której zajmie się opracowywaniem technologii grafenowych.

Grafen to wciąż eksperyment i prototyp, ale naukowcy przewidują, że materiał ten odegra kluczową rolę w rozwoju różnych technologii. Potrzeba jeszcze cierpliwości, trzeba jeszcze w pełni zbadać i zrozumieć istotę grafenu. Tymczasem takie wydarzenia jak powstanie w Manchesterze Państwowego Instytutu Grafenu oznacza, że być może nasza cierpliwość nie nadwyrężana.

Na podstawie: TCT Magazine