Znak Politechniki Warszawskiej

Grafen – materiał przyszłości na Politechnice Warszawskiej

Dr Leszek Stobiński pokazuje kolbę z oczyszczonym tlenkiem grafenu

Dr Leszek Stobiński pokazuje kolbę z oczyszczonym tlenkiem grafenu, fot BPI

W połowie czerwca podczas międzynarodowej konferencji Graphen Week osiem podmiotów powołało inicjatywę Graphene in Poland. Wśród nich jest Politechnika Warszawska. Badania nad grafenem i szukanie dla niego nowych zastosowań trwają jednak na naszej Uczelni od dłuższego czasu.

Zaczęło się od nanorurek węglowych – materiału, który wciąż cieszy się dużą popularnością, ale 5-6 lat temu był prawdziwym hitem. To, jak można wykorzystać takie nanorurki, szczególnie interesowało prof. dr. hab. inż. Leona Gradonia i dr. Leszka Stobińskiego z Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej PW (w 2006 roku dr L. Stobiński uzyskał również tytuł Asst. Professor na Tajwanie). – A potem, po 2010 roku, nastała era grafenu – mówi dr Stobiński. Dr inż. Maciej Gierej dodaje: – Można powiedzieć, że grafen to rozwinięta nanorurka węglowa.

Pomoc i współpraca

Materiałem, nazywanym nadzieją i przyszłością branży technologicznej, zainteresował się JM Rektor PW – prof. dr hab. inż. Jan Szmidt. Podczas dyskusji na temat grafenu narodził się pomysł utworzenia Laboratorium Grafenowego. Dzięki pomocy finansowej z Unii Europejskiej i współpracy z władzami Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej (tj. z prof. dr. hab. inż. Eugeniuszem Molgą oraz dr. inż. Wojciechem Orciuchem) otwarto je 24 września 2015 roku. Kierownikiem LG PW został dr Leszek Stobiński. Głównym celem laboratorium jest wytwarzanie standaryzowanego grafenu płatkowego o powtarzalnych, ściśle określonych właściwościach, a także opracowywanie metod jego aplikacji i badanie właściwości nanomateriałów, które go zawierają. Aby prace nad grafenem na Politechnice przebiegały szybciej i efektywniej, latem ubiegłego roku Rektor powołał też Platformę Aplikacji Grafenowych. Jej przewodniczącym został dr Maciej Gierej.

– Mamy cztery bardzo aktywne wydziały: Fizyki z prof. Mariuszem Zdrojkiem od zastosowań optoelektronicznych grafenu, Inżynierii Materiałowej z prof. Andrzejem Olszyną, Mechatroniki – od nowych materiałów wykorzystujących grafen, z prof. Małgorzatą Jakubowską zajmującą się aplikacjami past i atramentami otrzymywanymi z wykorzystaniem grafenu i oczywiście Inżynierii Chemicznej i Procesowej z dr. Stobińskim – mówi dr Gierej. – W tym laboratorium chcemy także szukać nowych i tańszych metod produkcji grafenu płatkowego.

Czym jest grafen?

Stosowane obecnie sposoby wytwarzania grafenu są żmudne, czasochłonne i kosztowne. Dlatego sam materiał jest tak drogi. Dodatkowe wyzwanie to powtarzalność procesu produkcji. Każda, nawet niewielka zmiana oznacza uzyskanie grafenu o innych właściwościach.

Trzeba przy tym pamiętać, że mówimy o grafenie produkowanym na PW, czyli płatkowym, uzyskiwanym z proszku grafitu. Jest jeszcze grafen wielkoformatowy, tzw. epitaksjalny lub CVD, w którym specjalizuje się Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych. – Miarą grafenu CVD są metry kwadratowe, a naszego – kilogramy – wyjaśnia dr Stobiński.

Płatkowy grafen to fragment struktury ziarna grafitu, która składa się z kilku warstw grafenowych (grafen to pojedyncza warstwa grafitu – zwykle w płatku grafenowym jest ich mniej niż 10). Płatek grafenu ma więc strukturę stosu. Odległości między warstwami grafenowymi w płatku to ok. 0,34–0,37 nm. Zwykle taki grafen występuje w postaci proszku lub zawiesiny. – Oko ludzkie nie jest w stanie odróżnić go od proszku grafitowego – bo też jest czarny i brudzi palec – dlatego trzeba wykonywać specjalistyczne badania, by rozróżnić te dwa materiały – tłumaczy dr Stobiński.

Grafen wyprodukowany na Politechnice Warszawskiej

Grafen wyprodukowany na Politechnice Warszawskiej, fot. BPI

Szukając zastosowań

Zastosowania grafenu wciąż poznajemy. Wiadomo, że w zależności od jego ilości zaaplikowanej do innego materiału, np. polimeru, możemy zmieniać w nowo powstałym kompozycie jego właściwości elektryczne, mechaniczne, optyczne i magnetyczne, a to wiąże się oczywiście z poprawianiem jego funkcjonalności i jakości. Tak dzieje się w przypadku materiałów organicznych, jak i nieorganicznych. Wzbogacone o grafen mogą częściowo przewodzić prąd i zyskać większą wytrzymałość mechaniczną.

Grafen może też znaleźć wiele innych zastosowań, np. w ogniwach paliwowych, superkondensatorach, fotowoltaice czy bateriach litowych. W Europie, Stanach Zjednoczonych i Azji bardzo intensywnie rozwija się przemysł grafenowy i znacząco rośnie liczba grafenowych aplikacji. 

Nanomedycyna i nanobiologia też chętnie sięgają po płatkowy grafen w postaci utlenionej, czyli tlenek grafenu, chociaż uzyskane wyniki badań w tych obszarach nie są jednoznaczne. – Niektórzy twierdzą, że płatkowy grafen może być niebezpieczny dla żywych komórek, a inni, że nie, wręcz cechuje się właściwościami antynowotworowymi i bakteriobójczymi  – mówi dr Gierej. - Nie wiadomo jednak, jaki dokładnie analizowano badany materiał grafenowy – jaki miał rozmiar, z ilu warstw się składał i jak był sfunkcjonalizowany.

Grafen można wykorzystać w tzw. terapii celowanej. Wszystko dlatego, że można do płatka grafenu przyłączać różne aktywne materiały biologiczne (jak białka, DNA) czy leki. – To może stanowić o nowej jakości materiałów hybrydowych, ale trudno powiedzieć, jaką rolę odgrywa tutaj – precyzuje dr Gierej.

Zwiedzanie Laboratorium Grafenowego

Już teraz Politechnika prowadzi wspólne badania z Akademią Medyczną, SGGW i Akademią Wojskową. Naukowcy mają jednak nadzieję, że aplikacjami grafenu zainteresują się także firmy prywatne.

Pomóc w tym ma Laboratorium Grafenowe. Na konsultację czy rozmowę może się tam zgłosić każdy, a przy okazji otrzymać także potrzebną mu próbkę płatkowego grafenu.

LG PW zajmuje pomieszczenie na parterze Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej (ok. 100 m2). W środku znajduje się specjalistyczny sprzęt wart ok. 3 mln złotych. To m.in. piec ultrawysokopróżniowy (do wygrzewania próbek), ceramiczny układ filtracyjny (gdzie oczyszczany jest tlenek grafenu), łaźnie ultradźwiękowe (dzięki którym możliwe jest rozwarstwienie grudek grafenu) i wiele mieszadeł magnetycznych z płytą grzejną. Laboratorium jest też wyposażone w dwa analizatory pierwiastków: jeden umożliwia oznaczenie zawartości węgla, wodoru, azotu, siarki i tlenu (jest to analiza elementarna), a drugi bada obecność wielu innych pierwiastków od węgla do ameryku (jest to spektrofotometr fluorescencji rentgenowskiej – XRF).

– A to urządzenie do nanoszenia cienkich warstw tlenku grafenu na różne powierzchnie, w tym folie – pokazuje dr Stobiński. – Proszę spojrzeć – tlenek grafenu jest żółtobrązowy, dopiero po zredukowaniu zmienia kolor na czarny.

Dr Stobiński pokazuje, jak wygląda folia z naniesionym tlenkiem grafenu

Dr Stobiński pokazuje, jak wygląda folia z naniesionym tlenkiem grafenu, fot. BPI

W LG PW można też znaleźć wagę analityczną (odważającą z dokładnością do piątego miejsca po przecinku), zestaw do badania właściwości termicznych próbek (TGA/DSC) i odwrócony mikroskop optyczny z manipulatorami.

W drugiej części laboratorium odbywa się zasadniczy proces produkcji tlenku grafenu i jego zredukowanej postaci. Tam znajduje się specjalistyczny sprzęt, m.in. 20-litrowy szklany reaktor do produkcji tlenku grafenu z płaszczem grzejno-chłodzącym, trójwalcarka z trzema walcami mieszającymi różne materiały, układ do wytwarzania plazmy (do modyfikacji proszków), klimatyzator do badania szybkości starzenia się próbek.

– Jednorazowo z pół kilograma proszku grafitowego uzyskujemy ok. pół kilograma płatkowego grafenu - mówi dr Stobiński. – Proces, łącznie z oczyszczaniem, zajmuje nam od 1 do 3 tygodni.

Na co dzień w LG PW pracuje trzyosobowy zespół. Poza dr. Stobińskim są to dr inż. Marta Mazurkiewicz-Pawlicka i dr Artur Małolepszy. Grupę swoją wiedzą i doświadczeniem wspiera też prof. Robert Daniewski.

Mówić jednym głosem

Zadania, jakie stawiają sobie naukowcy z PW, są zrozumiałe: produkowanie grafenu szytego na miarę, dostosowanego do potrzeb konkretnych aplikacji i drastyczne obniżenie jego ceny wytwarzania.

Ważne jest także uporządkowanie procedur badawczych (standaryzacja) i pozyskanie wsparcia różnych instytucji, w tym także rządu. To dlatego powstała inicjatywa Graphene in Poland. – Trzeba przypomnieć politykom, że jest taki materiał – mówi dr Gierej. – Żeby nie rozpraszać głosów, postanowiliśmy mówić na ten temat razem, z pełnym zrozumieniem tematu.

 
Agnieszka Kapela
Biuro ds. Promocji i Informacji