Grafen – nadzieja i przyszłość branży technologicznej

Jak możemy „odczarować” nasze myślenie o węglu? Większość osób słysząc „węgiel” myśli o jednym: czarna skała, która zatruwa nasze środowisko. Co możemy zrobić, żebyśmy zaczęli traktować węgiel jako pierwiastek, który może zrewolucjonizować nasze życie? 

Obecnie powinniśmy spojrzeć na węgiel nie jako na formę typu kopalina, ale pierwiastek, który może tworzyć różne struktury przestrzenne: fulereny czy nanorurki, a ostatnio bardzo popularny grafen – materiał o grubości jednego atomu. Analizując grafen w sposób bardziej szczegółowy można zauważyć jego wyjątkową cechę. Heksagonalne ułożenie atomów węgla przypomina strukturę plastra miodu, w której każdy atom tworzy wiązanie z trzema sąsiednimi węglami. W takim przypadku na każdym atomie węgla mamy jeden niesparowany elektron. Elektrony te w obrębie heksagonów tworzą tzw. wiązania zdelokalizowane, które stanowią o wyjątkowości grafenu.  

 

W jakich dziedzinach nowe technologie węglowe znajdują swoje zastosowanie? Czy to prawda, że w pierwszej kolejności opracowywane są na potrzeby przemysłu kosmicznego?  

Z reguły jest tak, że nowe, zaawansowane technologie wdraża się w przemyśle kosmicznym i zbrojeniowym. Wynika to z faktu, że nowoczesne rozwiązania wymagają relatywnie dużych nakładów finansowych, a ich produkcja w pierwszym etapie jest często jednostkowa. Jednakże w przypadku grafenu obserwujemy równoległe prace laboratoryjne w wielu obszarach w tym nanorobotyce¹, optoelektronice² czy spintronice³, a także technologiach związanych z odnawialnymi źródłami energii i ich magazynowaniem. W tym ostatnim przypadku są to bezkrzemowe, elastyczne ogniwa fotowoltaiczne, które z uwagi na wysoką przeźroczystość, znajdują perspektywiczną możliwość zastosowania jako elementy elewacji czy pokrycia szyb. Prace te prowadzone są m.in. na Politechnice Łódzkiej z zastosowaniem ekologicznej syntezy grafenowych kropek kwantowych.   

 

Mówi się, że grafen należy do materiałów, które już rozpoczęły rewolucję przemysłową. Dlaczego właśnie on? Czy ma jakieś unikalne cechy?  

Ogromne nadzieje pokłada się w grafenie, który jako półprzewodnik o zerowej przerwie energetycznej, wysokiej przezroczystości i chemicznej obojętności, a także biozgodności może znaleźć swoje zastosowanie w wielu dziedzinach życia. Obecnie trwają równolegle intensywne prace w wielu obszarach, np. budowa nanosensorów wykrywających patogeny bakteryjne, czy zastosowanie grafenu płatkowego jako markera komórek rakowych.   

Rewolucję w tym obszarze dostrzega się również w możliwości wytwarzania ultracienkich, grubości kartki papieru, wyświetlaczach elektronicznych. Proszę sobie wyobrazić telefony tej grubości, monitory czy wielkopowierzchniowe telebimy. Może się okazać, że doświadczymy skoku technologicznego i za kilka lat nie będzie typowych telewizorów, tylko rozpowszechni się technologia hologramu oparta na grafenowych układach elektronicznych.  

Poszukuje się również tzw. „pierwiastków strategicznych” dla rozwoju gospodarek światowych. Dostrzega się to np. w kontekście niewspółmiernego zawyżania cen metali w porównaniu do kosztów ich wydobycia i rafinacji. Tego typu sytuację obserwuje się w przypadku pierwiastków ziem rzadkich oraz litu. Ceny tych pierwiastków są windowane przez Rosję oraz Chiny, co znacznie ogranicza do nich dostęp i budowanie w ich oparciu zaawansowanej elektroniki. W tym kontekście także grafen i jego sfunkcjonalizowane odmiany mogą stanowić perspektywiczną alternatywę. Badania prowadzi się z wykorzystaniem narzędzi inżynierii materiałowej skupiającej zaawansowaną chemię, nanotechnologię oraz metalurgię.    

Podobno już możemy wykorzystywać grafen do budowy alternatywnych systemów do przechowywania wodoru, jak to możliwe i dlaczego to ważne? 

Duże nadzieje pokłada się w możliwości zastosowania grafenu jako magazynów H2. Ogromną rolę w tym przypadku odgrywają właśnie te niesparowane elektrony, znajdujące się praktycznie na każdym węglu struktury grafenu. Układy te mogą przechowywać w sposób rewersyjny wodór w ciśnieniu zbliżonym do atmosferycznego. Pozwala to wyeliminować niebezpieczne butle ze sprężonym lub ciekłym wodorem. Tego typu nowoczesne systemy magazynowania wodoru z powodzeniem mogą być zastosowane w napędach nie tylko samochodów, ale także pojazdów szynowych, statków czy pojazdów kosmicznych. Pierwszy prototyp takiego zbiornika opracowano i przetestowano w Instytucie Inżynierii Materiałowej Politechniki Łódzkiej.  

 

Co jest kluczowe w badaniach nad grafenem, aby mógł być on używany na skalę przemysłową? Kiedy nastąpi rewolucja grafenowa, za 10 czy 50 lat? 

Rewolucja dzieje się na naszych oczach, choć może nie jest widoczna dla wszystkich, ponieważ odbywa się w laboratoriach. Natomiast coraz więcej osób bezpośrednio doświadcza potencjału zastosowania technologii opartych na strukturach grafenowych. Oczywiście trzeba brać pod uwagę, że kolejne odkrycia mogą odłożyć grafen na przysłowiową półkę, a przykładem są dwuwymiarowe materiały typu MXene⁴. Bez wątpienia grafen otworzył umysły naukowców i rozpalił serca inwestorów do tworzenia czegoś, czego nikt jeszcze nie widział. Największy jednak problem stanowi to, co możemy wytworzyć na bazie grafenu. Proszę samemu spróbować wymienić 5 rzeczy, które Państwa zdaniem przyczynią się do rewolucji gospodarczej. Jakie to mogą być produkty? I nie mogą to być rzeczy ulepszone, a całkowicie nowe. Przykładem może być nie kolejna generacja aut, a nowy system transportu np. teleportacja. To wówczas stanowi o rewolucji, a nie ewolucji gospodarczej. Świat napędza potrzeba konsumpcji i zmiana skokowa w rozwiązaniach technologicznych.  

 

Jak wygląda rynek grafenu w Polsce? Czy są polskie firmy, które zajmują się grafenem i czy mogą konkurować z zagranicznymi? Czy Polska ma szanse stać się potentatem w produkcji grafenu?  

Myślę, że możemy być dumni, ponieważ Polska ma ogromny potencjał naukowy. Od 2010 roku, kiedy przyznano Nagrodę Nobla za wyekstrahowanie i zbadanie jednej warstwy węglowej o rozmiarze mikrometrów, w kilku ośrodkach w Polsce rozpoczęto prace związane z jego wytwarzaniem. Politechnika Łódzka opracowała technologię grafenu wielkopowierzchniowego HSMG® wytarzanego na ciekłym nośniku. Technologia ta została opatentowana na świecie i stanowiła aport do utworzonej spółki spin-off Advanced Graphene Products S.A. (AGP), wiodącego w Europie producenta grafenu płatkowego i powierzchniowego, która zadebiutowała w listopadzie 2021 na rynku NewConnect. Obecnie AGP posiada w swojej ofercie szereg półproduktów grafenowch przeznaczonych m.in. do druku 3D, jako dodatek do farb, polimerów, filtrów czy nawet nowoczesnych baterii, które opracowuje obecnie także Politechnika Łódzka. Z pełną odpowiedzialnością mogę stwierdzić, że Polska jest jednym z światowych liderów syntezy i aplikacji grafenu.  

 

Czego potrzebują nowoczesne technologie węglowe, żeby się rozwijać w Polsce? Czy jest im łatwo? Czy raczej napotykają problemy?  

Odpowiedź jest prosta i dość banalna. Potrzeba odpowiednich nakładów finansowych, które w pełni pozwolą wykorzystać potencjał intelektualny naszych naukowców. Główną barierą wejścia na rynek produktów opartych na strukturach węglowych jest kłopot w kontroli jakości wytwarzanych układów, powtarzalności struktury (nawet stopnia zdefektowania) oraz ich czystości. Zanieczyszczenie już na poziomie ułamka procenta może diametralnie zmieniać właściwości materiału, np. stopnia magazynowania wodoru, pojemności baterii, właściwości katalitycznych itd. Dlatego tak ważny jest kolejny krok związany z dopracowaniem technologii na poziomie atomowym.  

Proces finansowania musi być tak opracowany, aby jednocześnie umożliwić ośrodkom naukowym dostęp do najnowocześniejszej aparatury badawczej i jej serwisowania. Koszty zaawansowanej aparatury niejednokrotnie zaczynają się od kilku milionów złotych i stanowią główną barierę zintensyfikowanego rozwoju technologii.  

 

Na całym świecie prowadzone są liczne prace, w których pierwiastek węgla wykorzystywany jest do wychwytywania i składowania CO2 generowanego w różnych procesach technologicznych. Są to jeszcze technologie kosztowne, ale wielu specjalistów przewiduje, że wraz z postępem technologii i efektem skali może stać się to opłacalne. Jak Pan uważa?  

Zagadnienie to jest niezwykle trudne w realizacji, szczególnie jeśli chcemy, aby proces ten był ekonomicznie opłacalny. Najlepiej jeśli odejdziemy od myślenia stricte magazynowania CO2, a spróbujemy uzyskać czysty węgiel i tlen. Bilans energetyczny procesu niestety nie jest dodatni. Wykorzystanie energii wytwarzanej ze źródeł odnawialnych może znacząco przechylić szalę w kierunku zbilansowania nakładów. Opanowanie procesu odzyskiwania węgla i tlenu może otworzyć zupełnie nowe możliwości. W momencie rozerwania wiązań w cząsteczce CO2 mamy atomowy węgiel, który w trakcie kontrolowanej rekombinacji może tworzyć perfekcyjny pod względem struktury i czysty chemicznie grafen, nanorurki, fulereny czy ich przestrzenne hybrydy. Oczywiście proces ten, rozpatrywany jeszcze w kategoriach „science fiction”, mógłby wykorzystywać narzędzia bioniki⁵, w tym przypadku skopiowane mechanizmy wytwarzania pajęczyny.  

Z tego względu problem utylizacji CO2 musimy rozpatrywać globalnie i należy wiązać go z perspektywami jednoczesnego zastosowania produktów jego rozpadu do syntezy nowych, technologicznie zaawansowanych materiałów np. nanosensorów i nanoprocesorów do ultraszybkich komputerów. Jestem przekonany, że tego typu podejście zbilansuje się ekonomicznie. 

 

Idea 3W łączy wodę-wodór i węgiel, czy to prawda, że te 3 zasoby są wzajemnie powiązane?    

Bezapelacyjnie tak jest. Przykładem jest struktura przestrzennie usieciowanego grafenu o właściwościach quasi 2D, który jest w stanie w sposób rewersyjny magazynować wodór. Ta sama struktura, naniesiona w postaci cienkiego filmu na elektrody wykonane z kompozytu węglowego, stanowi filtr wody. Na marginesie mówimy o rozwiązaniach prototypowych, które opracowujemy na Politechnice Łódzkiej. Proszę sobie wyobrazić, że materiały te stanowią potencjalne rozwiązanie braku wody pitnej, np. w Afryce. Ta sama woda może być wykorzystywana do wytwarzania zielonego wodoru z nadmiarowej energii wytwarzanej przez farmy wiatrowe. 

Nie można rozmawiać o wodzie, węglu czy wodorze osobno. Stanowi to zamknięty cykl wzajemnie powiązanych procesów, właściwości i zastosowań z naciskiem na ekologię i ekonomię. Do tej pory przemysł rzadko wiązał wszystkie te zasoby. Teraz stoimy w obliczu perspektywy ekonomicznego bilansu z jednoczesną ochroną, a nawet naprawą środowiska naturalnego.  

 

Reprezentuje Pan zarówno świat nauki, jak i biznesu – czy to w Polsce łatwe? Taka współpraca wydaje się niezbędna, by rozwijać innowacje, ale jak to wygląda w praktyce? Czy łatwo jest połączyć naukę z biznesem?  

Mam tę sposobność, że to, co robię zawodowo, sprawia mi ogromną przyjemność, a ludzie, których spotykam na swojej drodze, są przeważnie pragmatykami, z naciskiem na zastosowanie przemysłowe badań naukowych. Dlatego kilka lat temu mogłem świętować jako współzałożyciel, inaugurację działalności spółki Advanced Graphene Products SA. Z tego względu łatwo jest mi patrzeć na przysłowiową probówkę przez pryzmat aplikacji w przemyśle. Moja żona często pozytywnie śmieje się ze mnie, „że wymyślam” i to chyba stanowi klucz do sukcesu, że marzenia otwierają nowe możliwości. Kluczowym jest jednak zespół i danie ludziom możliwości działania oraz akceptowanie błędów. Staram się angażować studentów pierwszych semestrów do badań naukowych, którzy nierzadko są już młodymi doktorami z perspektywą szybkich habilitacji. Oni również mają możliwość tworzenia firm spin-off, czego przykładem jest kolejne dziecko C Cube, o którym niedługo Państwo usłyszycie. Zdradzę, że działalność opierać się będzie na wykorzystaniu zmodyfikowanych materiałów węglowych w przemyśle jachtów sportowych, ścigających się między innymi na Atlantyku. 

 

Słyszeliśmy, że naukowcy pracują nad różnymi rozwiązaniami wykorzystującymi grafen np. elektrodą z warstwą grafenu z dodatkiem tlenku renu. Brzmi to trochę jak science fiction, ale okazuje się, że takie rozwiązania mają olbrzymi potencjał. Jak jeszcze może zaskoczyć nas węgiel? 

Doskonale wiemy, że ogranicza nas tylko wyobraźnia, a im starsi jesteśmy, tym mniej „fantazjujemy”. Z tego względu naukowcy często posiłkują się młodymi umysłami i pytają dzieci, jak wyobrażają sobie świat za 10, 15 lat. Mając na podorędziu wachlarz technologii i potencjał ich rozwoju, próbują stworzyć świat widziany oczami dzieci. Tak np. określano rozwój kluczowych technologii w USA (program Forsight), które mogłyby zrewolucjonizować gospodarkę światową. Tak też powstała wizja miniaturyzacji świata robotów i próba opracowania nanorobota wielkości krwinki, który mógłby pełnić rolę inspekcyjną, analizując stan zdrowia naszych komórek.  

Czy ten „niedobry, odsądzany od czci i wiary węgiel” może uratować nasze środowisko? 

Zakładam, że po przeczytaniu naszego wywiadu każdy czytelnik może sobie sam odpowiedzieć na to pytanie, a jeśli nie to zapraszam do dalszej dyskusji.  

1. Dziedzina technologii, w której powstają maszyny lub roboty, których komponenty mają lub zbliżone są do skali nanometra. 

2. Dziedzina techniki, która wykorzystuje specyficzne właściwości światła w celu pozyskiwania, gromadzenia, przesyłania, przetwarzania i prezentacji informacji. 

3. Odmiana elektroniki, w której nośnikiem informacji są zmiany w przepływie prądu i spin elektronu.  

4. Grupa nanomateriałów o strukturze 2D kryształu, posiadających właściwości pośrednie między metalami a materiałami ceramicznymi.  

5. Interdyscyplinarna nauka badająca budowę i zasady działania organizmów oraz ich adaptowanie w technice i budowie urządzeń technicznych na wzór organizmu. 

Prof. Dr hab. Łukasz Kaczmarek ukończył międzynarodowe studia menadżerskie w zakresie Master  of Science in Science and Technology Commercialization (MSSTC) realizowane na podstawie wyłącznej licencji przyznanej Uniwersytetowi Łódzkiemu przez University of Texas w Austin w USA. Absolwent Wydziału Chemicznego PŁ, doktorat obronił na Wydziale Mechanicznym PŁ. Zajmuje się syntezą i funkcjonalizowaniem grafenu płatkowego. 

Jest współzałożycielem firmy spin off Advanced Graphene Products  SA zajmującej się produkcją i modyfikacją wielkopowierzchniowego grafenu, która zadebiutowała w listopadzie 2021 r. na rynku NewConnect. 

Pełni funkcję Prodziekana ds. Rozwoju Wydziału Mechanicznego Politechniki Łódzkiej oraz Dyrektora Instytutu Inżynierii Materiałowej PŁ. Jest Członkiem Zarządu Polskiego Towarzystwa Materiałoznawczego.