Co dalej z tym grafenem?

Grafen to w gruncie rzeczy coś prostego. Mówiąc ogólnie – pojedyncza warstwa utkana z atomów węgla. Mówiąc obrazowo – materiał tak bardzo cienki, że jeden gram wystarczyłby do przykrycia kilkuset metrów kwadratowych. Albo inaczej, jakby powierzchnię boiska zwinąć do rozmiaru główki od szpilki. Grafen ma niezwykłe możliwości, jest po stokroć wytrzymalszy niż stal, przezroczysty, giętki, twardszy od diamentu, a przy tym jest znakomitym przewodnikiem prądu i ciepła.

Ilość zastosowań tego materiału jest trudna do ogarnięcia dla przeciętnego umysłu. Trochę światła na możliwości grafenu rzucają jego twórcy. Pierwszy pomysł to ekrany i e-papier w formie giętkiej, elastycznej płaszczyzny o bardzo wysokiej odporności. Kolejny – żarówki, wielokrotnie oszczędniejsze od najmniej energochłonnych obecnie konstrukcji, a w dodatku świecące mocno i niedające się zniszczyć. Farby i lakiery, które – prócz niezwykłej odporności mechanicznej – działają jak osłona przed promieniowaniem elektromagnetycznym.

Następna odsłona potencjalnych zastosowań to ogniwa paliwowe i słoneczne, a w końcu bateria wielokrotnie mniejsza i pojemniejsza od współcześnie oferowanych, rozwiązująca wreszcie problem elektrycznych samochodów, a nawet akumulatorów ogrzewających domy czy zasilających samoloty. W kolejnym etapie będzie można oczekiwać na grafenową walkę z rakiem – proste związki grafenu wnikną do komórki nowotworowej i, aktywowane laserem, usuną nowotwór. Materiał ma również szansę upowszechnić się w całej medycynie jako nieszkodliwy transporter leków, a nieco później zastąpić krzem w architekturze większości współczesnych urządzeń elektronicznych.

Brzmi jak science fiction, ale to wyłącznie science. Powyższe przykłady zastosowań zaproponowała na łamach magazynu „Nature” osoba bodaj najlepiej zaznajomiona z tematem – prof. Konstantin „Kostya” Novoselov z Uniwersytetu Manchesterskiego, który (wraz z prof. Andre Geimem) za odkrycie i badanie grafenu otrzymał Nagrodę Nobla. W środowisku nauki grafen jako koncepcja obecny był od dawna. Równocześnie sądzono, że nie da się go wyprodukować. Rosyjscy fizycy pracujący w Manchesterze w roku 2004 udowodnili, że jednak jest to możliwe. Co więcej, doszli do swych odkryć w sposób spektakularny w swej prostocie (przywodzący na myśl odkrycie Newtona podczas obserwacji spadającego jabłka). Do grafitowego wkładu z ołówka przykleili zwykłą samoprzylepną taśmę, na której po odklejeniu uzyskali płatki pojedynczej warstwy atomów węgla, czyli grafen.

Królewska Szwedzka Akademia Nauk przyznała Rosjanom Nagrodę Nobla w roku 2010. I świat oszalał na punkcie niezwykłego grafenu. W różnych krajach, m.in. w Wielkiej Brytanii, ale także w Korei Południowej, przekierowano wielomilionowe budżety w ramach narodowych programów badawczych zajmujących się fantastycznym materiałem. Grafen stał się niemal bohaterem zbiorowej wyobraźni, a media – co nieczęste – zbudowały szeroką i pasjonującą narrację wokoło odkrycia naukowego. Śledząc polskie doniesienia na temat grafenu, można odnieść wrażenie, że mamy jakieś szczególne osiągnięcia na tym nowoczesnym polu działalności naukowej. I jest tak w istocie. Co ciekawe, to właśnie brytyjscy dziennikarze po ogłoszeniu, że Nobla otrzymają twórcy grafenu, odkryli rewelację – Polacy wyprzedzili Rosjan, pracują nad grafenem od 2007 r. i opracowali (jako pierwsi na świecie) metodę produkcji grafenu na skalę masową.

Ten kolejny grafenowy rubikon przekroczył dr inż. Włodzimierz Strupiński z Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych (ITME). Wpadł na pomysł, by wytwarzać grafen podobnie jak płytki krzemu – poprzez osadzanie kolejnych warstw pierwiastka. Po trzech latach pracy, w maju 2010 r., Polak zgłosił patent, czym wywołał poruszenie międzynarodowego środowiska badaczy. Strupiński, przy współudziale prof. dra hab. Jacka Baranowskiego oraz współpracowników, wytworzył grafen o doskonałej jakości i właściwościach. Metoda może wejść do użycia na masową skalę, bo wykorzystuje mechanizm działania sprzętu produkującego płytki krzemowe – podstawowy materiał stosowany obecnie w elektronice.

Praca w ITME wzbudziła oczywiście zainteresowanie rozmaitych rodzimych publicznych i prywatnych podmiotów. Jed-nak czas mijał, a zespół polskich badaczy wciąż bezskutecznie poszukiwał finansowania, by polskie prace nad grafenem mo-gły utrzymać status pionierskich odkryć na skalę międzynarodową. Mimo światowego sukcesu polskich uczonych przez niemal dwa lata państwo nie zaoferowało instytutowi nawet dodatkowej złotówki, a w pewnym momencie wstrzymano bazowe finansowanie badań. Zgłaszali się prywatni inwestorzy i Agencja Rozwoju Przemysłu, ale oczekiwano od razu gotowego projektu wdrożenia, które otworzy nowy rynek. Świat nie czekał i Polacy tylko przez chwilę cieszyli się superpozycją w grafenowym wyścigu.

Szkołę nowoczesnego finansowania odkryć naukowych pokazali Koreańczycy. Samsung bardzo szybko przeznaczył na badania 100 mln dolarów. Dziś w zestawieniu grafenowych patentów setki należą do instytutów naukowych powiązanych z koncernem. Na patentach się nie kończy. Samsung finalizuje budowę instalacji montujących ekrany dotykowe z grafenu, które trafią do urządzeń mobilnych – smartfonów i tabletów. Również w Europie potężne środki są inwestowane w rewolucyjną technologię. Rząd Niemiec przeznaczył na badania 30 mln euro, a równolegle własny program badawczy prowadzi Siemens. Wielka Brytania przyznała ośrodkowi badawczemu w Manchesterze 50 mln funtów. W USA spektakularnym osiągnięciem może się pochwalić IBM – skonstruował tranzystor z grafenu.

Technologiczno-naukowy mecz przegraliśmy, ale Polacy, mimo początkowej nieporadności władz, wciąż mają szanse w generalnej rozgrywce. W ubiegłym roku planowano powołanie konsorcjum, które będzie zajmowało się grafenem i miało w swej strategii jak najszybsze uruchomienie tworzyw sztucznych z jego dodatkiem (np. giętkie, przezroczyste ekrany, powierzchnie ochronne dla branży bezpieczeństwa itp.). W jego skład miały wejść: Zakłady Azotowe Tarnów, Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych w Warszawie, spółka Nano Carbon (własność Agencji Rozwoju Przemysłu), Wydział Fizyki Politechniki Warszawskiej oraz Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu. Mimo ambitnych planów konsorcjum nie stało się siłą napędzającą polską rewolucję grafenową. Przełomowa decyzja zapadła na początku roku 2013. Priorytetem okazało się połączenie sił zjednoczonej Europy w pracach nad innowacyjnym materiałem.

– Europa nie może pozostać w tyle za swoimi najgroźniejszymi konkurentami, Ameryką i Azją, dlatego już dziś Komisja Europejska przeznaczyła 1 mld euro na projekt grafenowy w ramach programu „Nowe Technologie i Technologie Przyszłości” – pisze na rządowym blogu minister Barbara Kudrycka. – W skład konsorcjum, które skupia samą śmietankę naukową naszego kontynentu, w tym czterech noblistów, wchodzą także naukowcy z polskiego Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych w Warszawie. Instytut jest znaczącym beneficjentem środków, jakie Narodowe Centrum Badań i Rozwoju przeznaczyło na badania nad grafenem w ramach programu Graf-Tech. Jest więc szansa, że grafen „made in Poland” będzie nie mniej popularny w świecie niż znane i cieszące się uznaniem polskie animacje i gry komputerowe, np. kreacje Tomka Bagińskiego czy „Wiedźmin”.

Według prognoz amerykańskiej firmy BCC Research w 2015 r. rynek wyrobów z dodatkiem grafenu będzie wart 67 mln dolarów, a w 2020 r. osiągnie wartość 675 mln dolarów.