Grafen to jeden z „gorętszych” tematów naukowo-technologicznych z początku XXI wieku. Już od dekad przykuwa uwagę naukowców i ambitnego przemysłu. Jego niezwykłe właściwości – wyjątkowa wytrzymałość, przewodnictwo elektryczne i cieplne oraz lekkość – zwiastowały rewolucję technologiczną. Niektórzy może pamiętają, jak często ten temat był poruszany w mediach i ile razy słyszeliśmy, że za moment grafen odmieni wiele obszarów technologii. Brzmi znajomo?
Jednak dotychczasowe próby wprowadzenia go do masowej produkcji były ograniczone problemami z jego wytwarzaniem na skalę przemysłową. Czy przełom jest już na horyzoncie?
Grafen – wielkie oczekiwania
W 2004 roku Andre Geim i Konstantin Novoselov, naukowcy z Uniwersytetu w Manchesterze, po raz pierwszy wyizolowali grafen za pomocą prostego procesu eksfoliacji grafitu. Ich badania przyniosły im Nagrodę Nobla w 2010 roku i zapoczątkowały falę entuzjazmu. Grafen miał zrewolucjonizować elektronikę, transport i energetykę.
Dzięki przewodnictwu elektrycznemu lepszemu niż w miedzi, wytrzymałości 200 razy wyższej niż w stal oraz elastyczności, grafen oferował perspektywy tworzenia ultraszybkich procesorów, superszybkich baterii i trwałych kompozytów. Jednak po latach od jego odkrycia, rewolucja technologiczna, którą zwiastował, pozostaje w znacznej mierze niezrealizowana.
Problemy ze skalowaniem produkcji
Kluczowym wyzwaniem od zawsze była produkcja grafenu na skalę przemysłową. W początkowym etapie wytwarzano go za pomocą metody eksfoliacji, co dawało mikroskopijne ilości materiału. Choć odkryto wiele nowych technik produkcji, takich jak chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD) czy metody suchej eksfoliacji, koszty i jakość grafenu pozostawały problematyczne.
Ostatnie lata przyniosły jednak postęp. Innowacyjne metody, takie jak proces bezgazowego CVD opracowany przez naukowców z Uniwersytetu Columbia, pozwalają uzyskiwać grafen wysokiej jakości na dużych powierzchniach. Z kolei firmy takie jak NanoXplore opracowały skalowalne, przyjazne środowisku techniki produkcji suchego grafenu, co może radykalnie zmniejszyć koszty.
Innowacyjne zastosowania od medycyny po elektronikę
Pomimo ograniczeń, grafen znalazł już zastosowanie w wielu dziedzinach. W medycynie rozwijane są implanty neuronowe wykorzystujące grafen, które umożliwiają precyzyjne stymulowanie i rejestrowanie sygnałów nerwowych. Z kolei w elektronice grafen otwiera drogę do tworzenia tranzystorów szybszych i bardziej efektywnych niż te wykonane z krzemu.
Salgenx opracował innowacyjny materiał w postaci piasku pokrytego grafenem i twardym węglem. Rozwiązanie to znajduje zastosowanie w przemyśle budowlanym, umożliwiając tworzenie inteligentnego betonu, który monitoruje swoje właściwości strukturalne w czasie rzeczywistym. Materiał ten zwiększa wytrzymałość betonu, poprawia jego przewodnictwo elektryczne i umożliwia zastosowanie w konstrukcjach takich jak ogrzewane nawierzchnie drogowe. Dodatkowo technologia może wspierać rozwój systemów energetycznych, np. poprzez zastosowanie w magazynach energii.
W transporcie materiał ten prawdopodobnie umożliwi tworzenie lżejszych i wytrzymalszych kompozytów do konstrukcji samolotów czy pojazdów elektrycznych.
Przyszłość grafenu nie jest pewna
Eksperci są zgodni, że kluczem do sukcesu grafenu jest jego ekonomiczna opłacalność. Produkcja musi być nie tylko skalowalna, ale również wystarczająco tania, by konkurować z tradycyjnymi materiałami. Firmy takie jak Paragraf czy Nanografi pokazują, że przełom jest możliwy. Wartość rynku grafenu może osiągnąć 5,5 miliarda dolarów do 2027 roku, co sugeruje rosnące zainteresowanie przemysłu.
Nie jest wykluczone, że rozwój AI pozwoli na zmniejszenie kosztów badań i produkcji materiałów opartych na grafenie. Możliwe, że sama sztuczna inteligencja jako branża wiele zyska na jego komercjalizacji. Właściwości przewodnictwa i efektywności cieplnej grafenu mogą być wykorzystywane do produkcji energooszczędnych procesorów graficznych. Możliwości grafenu mogą również nadać nowego kierunku w szybkości przetwarzania danych na potrzeby machine learnig oraz ultraszybkich sieci neuronowych.
Grafen ma szansę stać się fundamentem nowych technologii. Wprowadzenie go na szeroką skalę może zrewolucjonizować elektronikę, medycynę, energetykę i wiele innych dziedzin. Jednak aby ta rewolucja się dokonała, potrzebne są dalsze badania i inwestycje. Czy grafen rzeczywiście odmieni nasze życie? Odpowiedź może nadejść szybciej, niż się spodziewamy.
Czytaj dalej: