Choć historia grafenu jest bardzo krótka – został odkryty w 2004 roku przez Andrieja Gejma i Konstatina Nowosiołowa i przyniósł im Nagrodę Nobla w 2010 roku – to już jest uznawany za materiał przyszłości. Cechuje go niezwykle szerokie zastosowanie w sferze nowych technologii, a jego przełomowy charakter polega przede wszystkim na dwuwymiarowości.

Grafen to jedna z odmian węgla (innymi są diament lub grafit). Bardzo łatwo wchodzi w reakcje z innymi metalami, zmieniając przy tym swoje właściwości. Grafen jest wytrzymałym i elastycznym przewodnikiem o wyjątkowych właściwościach, które nie występują w takiej kombinacji w żadnym innym materiale. Z tego powodu naukowcy wierzą, że może znaleźć wszechstronne zastosowanie w różnych dziedzinach nauki, produkcji (np. maszyn i broni) oraz medycyny.

Niezależne badania dotyczące jego wykorzystania prowadzą ośrodki na całym świecie. Z każdym rokiem wiemy coraz więcej o grafenie, ale udzielenie odpowiedzi na wszystkie pytania – i komercjalizacja grafenu – zajmie jeszcze wiele lat.

Co to jest grafen?

Grafen to alotrop węgla – alotropia polega na występowaniu w tym samym stanie skupienia różnych odmian danego pierwiastka, które charakteryzują się różnymi właściwościami chemicznymi oraz fizycznymi – w postaci pojedynczej warstwy atomów w dwuwymiarowej sześciokątnej siatce, w której jeden atom tworzy każdy wierzchołek.

Tłumacząc to bardziej plastycznie: grafen to pojedyncza warstwa atomów węgla połączonych w taki sposób, że przypominają plaster miodu.

Płatki grafenu mogą mieć różne kształty i rozmiary. Do tego są przezroczyste, bardzo lekkie i niewidoczne gołym okiem.

Grafen ma w sobie coś z alchemii: wieki temu badacze mieli nadzieję wyprodukować w laboratorium złoto lub inne metale, a niektórzy z nich teoretyzowali o grafenie (choć nie używali jeszcze tej nazwy) i prawdopodobnie nawet nieświadomie produkowali go w małych ilościach. Wysokiej jakości grafen okazał się zaskakująco łatwy do wyizolowania, co umożliwiło dalsze badania.

Już w latach 40. XX w. kanadyjski fizyk Phillip Russel Wallace rozwinął teoretyczną koncepcję wytworzenia jednoatomowej struktury węgla. Pomysłowi temu nie dawali wiary inni naukowcy, więc prace nad poznaniem grafenu nie wyszły poza analizy teoretyczne. Musiało upłynąć 60 lat, by duet badaczy z Uniwersytetu w Manchesterze – Andriej Gejm i Konstatin Nowosiołow – wyizolowali grafen z bryły grafitu za sprawą przeniesienia atomów węgla na warstwę dwutlenku krzemu (SO2) z wykorzystaniem taśmy klejącej. Ich badania opierały się na istniejących teoretycznych opisach jego składu, struktury i właściwości. Użycie krzemionki pozwoliło wyizolować warstwę grafenu o neutralnym ładunku elektrycznym. W uznaniu swoich badań odebrali w 2010 roku Nagrodę Nobla za „przełomowe eksperymenty dotyczące dwuwymiarowego grafenu materiałowego”.

Badania nad wykorzystaniem grafenu są prowadzone również w Polsce: naukowcy z Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych w Warszawie rozpoczęli je w 2006 roku. Uzyskali patent na wytwarzanie grafenu przy użyciu węglika krzemu.

Dwie najpopularniejsze metody produkcji grafenu to metoda chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD) oraz metoda chemiczna.

  1. Metoda osadzania z fazy gazowej – polega na osadzaniu z fazy gazowej pojedynczych atomów węgla, które tworzą strukturę jednowarstwowego grafenu. Tak wytworzony grafen znajduje zastosowanie głównie w elektronice.
  2. Metoda chemiczna – do struktury plastra miodu doczepiają się liczne tlenowe grupy funkcyjne. W wyniku działania wysokich temperatur bądź związków chemicznych nazywanych reduktorami z tlenku grafenu GO otrzymuje się zredukowany tlenek grafenu rGO, którego właściwości są zbliżone do teoretycznych właściwości grafenu opisanych w literaturze.

Właściwości grafenu

Grafen odznacza się niesamowitymi właściwościami i dlatego naukowcy działający w różnych obszarach mają względem niego tak wiele oczekiwań. Oto najważniejsze właściwości:

  • grafen jest doskonałym przewodnikiem elektryczności i ciepła;
  • w temperaturze pokojowej elektrony grafenu wykazują bardzo dużą ruchliwość. Prędkość przepływu elektronów wynosi nawet 1/300 prędkości światła, co może być w przyszłości wykorzystywane w diagnostyce;
  • choć wyjątkowo cienki, grafen jest nawet 100 razy mocniejszy niż stal;
  • z uwagi na swoje niewielkie rozmiary i unikalne właściwości grafen płatkowy może być łączony z różnymi materiałami: metalami, polimerami, ceramiką – tworząc funkcjonalne materiały kompozytowe;
  • grafen ma aktywność antybakteryjną.

Zastosowanie grafenu

Bardziej precyzyjnie: możemy mówić nie tyle o zastosowaniu grafenu, co o jego potencjalnym zastosowaniu. Jak już wspomnieliśmy, w różnych ośrodkach na świecie niezależnie od siebie prowadzone są badania nad grafenem. Co ciekawe, w wielu laboratoriach pracuje się już nie tyle nad grafenem, za który duet naukowców otrzymał Nagrodę Nobla, a nad zupełnie innym jego rodzajem.

„Właściwie jedyne co łączy oba materiały to nazwa. Grafen płatkowy powstaje na drodze chemicznych procesów pozwalających na „odrywanie” poszczególnych warstw grafitu, czyli materiału, z którego powstaje grafen płatkowy. Grafen epitaksjalny tworzony jest najczęściej na drodze osadzania atomów węgla z fazy gazowej na odpowiednio przygotowany substrat, na przykład miedzi lub węgliku krzemu” – tak o kierunku swoich prac opowiedzieli naukowcy z Grupy Badawczej Grafenu Płatkowego działającej w ramach Sieci Badawczej Łukasiewicz – Instytucie Mikroelektroniki i Fotoniki.

Naukowcy zakładają, że w nieodległej przyszłości będzie można zastosować tę technologię w bardzo wielu dziedzinach: przemyśle obronnym, medycznym czy motoryzacyjnym. Zespoły naukowe „Łukasiewicza” pracują także nad wykorzystaniem grafenu płatkowego do magazynowania energii lub jako warstwy barierowej do wykorzystania w zbiornikach na wodór.

Ponadto w ośrodkach na całym świecie prowadzi się badania w kierunku wykorzystania grafenu:

  • w inżynierii materiałowej (materiały kompozytowe);
  • w ochronie środowiska (np. produkcja sorbentów, czyli materiałów usuwających zanieczyszczenia chemiczne i biologiczne);
  • do wytwarzania i magazynowania energii;
  • do produkcji materiałów medycznych.

Grafen w medycynie

W obszarze zastosowań biomedycznych naukowcy największe nadzieje łączą z zastosowaniem grafenu w dostarczaniu leków. Nie są to nowe badania: tlenek grafenu, efekt utleniania grafitu, po raz pierwszy przyjęto za odpowiedni nanonośnik w 2008 r. Tlenek grafenu wypadł szczególnie obiecująco w dostarczaniu leków przeciwnowotworowych i leków przeciwzapalnych.

Ponadto grafen może służyć jako materiał do budowy biosensorów, czyli czynników odbierających i przetwarzających sygnały w diagnostyce medycznej. Takiemu zastosowaniu sprzyja wysoka wytrzymałość mechaniczna i przewodność cieplna, jaką charakteryzuje się grafit.

Naukowcy z Sieci Badawczej Łukasiewicz – Instytutu Mikroelektroniki i Fotoniki we współpracy z multidyscyplinarnym zespołem z RWTH Aachen University przeprowadzili badania, w których skoncentrowali się na właściwościach osteogenicznych grafenu. To zdolność materiału do tworzenia kości. Wykazali, że pokrycie ceramicznego lub metalicznego podłoża płatkami grafenu o określonej funkcji umożliwia przekształcenie go w nowoczesne rusztowanie inżynierii tkanki kostnej.

Powyższe przykłady to tylko nieliczne zastosowania grafenu w medycynie. Kolejne lata z pewnością przyniosą odpowiedź na pytanie, czy jego właściwości rzeczywiście pomogą usprawnić dostarczanie leków albo diagnostykę.