Co dalej z grafenem - rozmowa z dr. Włodzimierzem Strupińskim

Rzeczpospolita: W 1947 r. Philip Russel Wallace stworzył opis teoretyczny grafenu, ale w praktyce taki materiał nie miał prawa istnieć. Czy teraz bazowano na tym modelu?

Dr inż. Włodzimierz Strupiński: Przewidywano niektóre właściwości czysto fizyczne, ale wybitni naukowcy dowodzili, że taka forma materii nie ma prawa istnieć. Nikt zatem nie próbował praktycznie potwierdzić teorii Wallace'a. Dopiero gdy Brytyjczycy Andriej Gejm i Konstantin Nowosiołow z Uniwersytetu w Manchesterze wyizolowali grafen, zaczęto szukać materiałów na ten temat i wtedy okazało się, że taka koncepcja była już rozważana w latach 40.

Jeśli nie bazowano na wcześniejszych badaniach, to w jaki sposób doszło do odkrycia?

Gejm i Nowosiołow mieli bardzo dużo różnych pomysłów i szukali ciekawych tematów. Do kalibracji mikroskopu elektronowego używa się grafitu. Czyszczono go taśmą klejącą. Odrywa się ją, by powstała czysta próbka. W koszu na śmieci mieli stertę kawałków taśmy i postanowili zobaczyć, co właściwie się na niej znajduje. Odkryli bardzo cienką warstwę węgla i dokładnie ją zbadali. Zastosowali nowy materiał w podstawowych przyrządach typu tranzystor i ogłosili światu, że nie jest to tylko cienka warstwa węgla, ale zupełnie inna konstrukcja – dwuwymiarowa forma węgla, której dotychczas brakowało. Mało tego, posiada ona nietypowe właściwości, niespotykane w żadnym innym materiale, zarówno elektroniczne, jak i fizyczne: szybkość nośników ładunku zbliżona do prędkości światła, przewodność, przezroczystość i wytrzymałość mechaniczna, elastyczność oraz cały szereg innych cech. Posiada największą siłę wiązań, jaka występuje w materiałach.

W jaki sposób dwuwymiarowy obiekt może być jednocześnie wytrzymały mechanicznie?

Kiedyś dowodzono, że z punktu widzenia termodynamiki sama wyizolowana dwuwymiarowa forma materii nie ma prawa istnieć. Mamy tu co prawda wiązania sigma między trzema sąsiednimi atomami węgla, których energia jest bardzo duża, ale to tylko pojedyncza warstwa atomowa, prawda?

Jeżeli weźmiemy pod uwagę to, że grubość jednej warstwy grafenu jest około 3 tys. razy mniejsza niż grubość najcieńszej takiej folii do zawijania kanapek – potrzeba bardzo dużo warstw, żeby uzyskać tę pożądaną wytrzymałość, a ta, przeliczona na grubość, jest najwyższa w przyrodzie.

Do tego właśnie dążymy?

Przy pewnej liczbie warstw grafenu materiał staje się po prostu grafitem. Warstwa grafenu musi na czymś spoczywać. Potrafimy wytworzyć go na jednym podłożu i przenosić pojedynczą warstwę na inne płaszczyzny.

Jakie są zastosowania grafenu w tej postaci?

To przede wszystkim szeroko pojęta elektronika, ale również może służyć jako bariera. Wiązania są bardzo ciasne i atomy węgla gęsto ułożone – nic się między nimi nie przeciśnie, nawet atomy helu. To na przykład świetna ochrona antykorozyjna lub antybakteryjna.

W Manchesterze powstał pomysł, żeby grafen w postaci małych płatków umieszczać w żywicy warstwowo jak w pniu drzewa. Woda jest zasysana drogą osmozy, ale wszystkie sole mineralne już nie. Takie filtrowanie (odsalanie) wody działałoby na zasadzie sitka.

Mówi się, że grafen ma zastąpić krzem. Czy to prawda?

To koncepcja raczej PR-owa. Z pewnością grafen krzemu nie zastąpi, ponieważ nie jest półprzewodnikiem. Krzem służy do wytwarzania elektroniki cyfrowej, czyli tak zwanej zerojedynkowej – coś jest włączone albo wyłączone. Żeby przyrząd cyfrowy działał poprawnie, różnica między tymi dwoma stanami musi być odpowiednio duża. Natomiast grafen z racji swojej budowy i właściwości nie jest półprzewodnikiem. Nazywany jest czasem półmetalem, aby odróżnić go od metalu i półprzewodnika. Stany zerojedynkowe w grafenie są tak bardzo zbliżone, że nie da się go wykorzystać w taki sposób jak krzemu. Mogą jednak uzupełniać się o cenne właściwości. I to stanowi przedmiot wielu badań.

Jesteśmy teraz jako Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych zaangażowani we współpracę z Uniwersytetem w Göteborgu. Dotyczy ona mikrofalowych układów scalonych nowej generacji odpowiedzialnych za komunikację bezprzewodową. Okazało się, że grafen wykazuje niezwykłe właściwości w tym obszarze. Pasmo transferu można bardzo rozszerzyć i ilość przesyłanych danych w jednym paśmie zwiększyć nawet o rząd. Dodatkowo niezależnie od ustawienia parametrów nie pojawia się w ogóle szum elektroniczny.

Kto jest zainteresowany komercyjnym zastosowaniem grafenu?

Jesteśmy odpowiedzialni za technologię wytwarzania grafenu i wszystko, co się z tym wiąże. Nasz materiał wykazuje najwyższe parametry elektroniczne i jesteśmy w stanie go wyprodukować na największych powierzchniach. Różne firmy, jak na przykład Ericsson, są zainteresowane konkretnymi rozwiązaniami dla urządzeń telekomunikacyjnych. Ale istnieje jeszcze wiele innych zastosowań – na przykład włączenie grafenu do technologii krzemowej. W oparciu o grafen intensywnie się rozwija też spintronika. Jest on tu najlepszym kandydatem. Jeśli chodzi dalej o elektronikę, to prowadzi się badania aplikacyjne w obszarze wszelkiego rodzaju sensorów, biosensorów oraz fotodetektorów.

Wspomniał Pan o współpracy z uniwersytetem w Göteborgu. Czy uczestniczy pan w innych projektach?

EU Graphene Flagship Project w ramach Horizon 2020 – to ogromny europejski projekt. Pierwszy etap trwał ponad dwa lata. Teraz jesteśmy na półmetku drugiego, ale już przeszliśmy do trzeciego i tu po drodze odpadło 20 proc. innych jednostek naukowych z Europy. Utrzymaliśmy się, a nawet rozszerzyliśmy swój zakres i od 1 kwietnia 2018 r. będziemy realizować nowe zadania przez kolejne dwa lata. To najbardziej prestiżowy projekt o ogromnym zasięgu i możliwościach. Tam realizujemy kilka zadań obejmujących technologie i zastosowania grafenu, a także innych materiałów dwuwymiarowych.

Niezależnie od tego z uczonymi z Belgii pracujemy nad wykorzystaniem grafenu do optyki nieliniowej. Zostaliśmy zaproszeni do konsorcjum projektu, który dostał dofinansowanie jako jeden z trzech zgłoszonych wniosków na sto. Kolejny projekt realizujemy z kolegami z Niemiec w zakresie implementacji grafenu do elektroniki krzemowej.

Mamy też własne projekty wewnątrzinstytutowe, gdzie środki pochodzą z dotacji z Ministerstwa Nauki. Jednak nasze główne prace badawcze, jeśli chodzi o grafen, są finansowane z funduszy Unii Europejskich.

Co ciekawego powstało jeszcze w pana laboratorium?

Szukaliśmy sposobów różnych zastosowań grafenu, więc m.in. opracowaliśmy w ramach tak zwanych prac własnych i pracy doktorskiej grafenowy czujnik pola magnetycznego. Teraz rozmawiamy z różnymi firmami, które mogą być zainteresowane zakupem takiego rozwiązania.

Jakie może mieć zastosowanie ten czujnik?

To tak zwany hallotron. Takich czujników jest mnóstwo dookoła – nawet w rowerze do pomiaru prędkości. Występują wszędzie – w medycynie, przemyśle, urządzeniach otaczających nas na co dzień. Natomiast nasze, grafenowe, wytrzymują bardzo wysokie temperatury. I tym się odróżniają od wszystkich innych.

Pracujemy też nad prostszymi do wyobrażenia rozwiązaniami. Na przykład niewidzialny grzejnik. To przezroczysta szyba, a w zasadzie dwie szyby. Jedna z nich jest powleczona grafenem. Przez warstwę tę płynie prąd elektryczny, dzięki czemu wydziela się ciepło. Całość stanowi całkowicie przezroczystą powierzchnię grzejną, podłączoną do prądu. Nie ma żadnych kabli ani krateczki z drutów, jak w samochodzie – to czysty, przezroczysty grzejnik, rozgrzewający się do 80 stopni. Uzyskaliśmy też temperatury powyżej 500 stopni na płytce kwarcowej. Szklana popękała od gorąca.

Jeszcze niedawno było w Polsce o tym bardzo głośno, mieliśmy dzięki grafenowi przeżyć skok gospodarczy.