Didelės viltys. Grafenas pakeis mūsų gyvenimą?

Nors medžiagos istorija dar neilga, grafenu pagrįstus dirbinius jau saugo dešimtys tūkstančių patentų. Dabar grafenas ir kitos vienmatės medžiagos keliasi iš mokslo laboratorijų į praktiškai visų Fortune 500 sąrašo technologijų kompanijų tyrimų padalinius. Pavyzdžiui, pernai Samsung anonsavo ličio jonų akumuliatorius, kurių įkrovimo laiką grafenas sutrumpino 5 kartus.

Be to, britų sportinės aprangos gamintojas inov-8 paskelbė apie sportinius batelius, kurių padas su grafenu yra elastingesnis, atsparesnis trinčiai ir geriau sukimba su gruntu. Šaltinių teigimu, Kinijos karinis pramoninis kompleksas anonsuoja grafenu sustiprintus atakos sraigtasparnių šarvus.

Kokia dabar grafeno rinka ir kaip ši medžiaga pakeis mūsų gyvenimą?

Kas yra grafenas

Grafenas – pirmasis daugiau nei 200 rūšių dvimačių medžiagų šeimos atstovas. Jis yra vieno atomo storio tinklelis iš susijungusių į šešiakampius anglies atomų. Pirmasis darbas apie grafeną buvo publikuotas 2004 metais, o jau 2010 metais už grafeno tyrimus A. Geimui ir K. Novoselovui buvo skirta Nobelio premija fizikos srityje. Nobelio premijos laureatų rezultatai sukėlė naują susidomėjimo nanotechnologijomis bangą.

Nuo to laiko atrasta daugiau nei 200 naujų dvimačių medžiagų, tačia grafenas tebelieka perspektyviausia. Jo savybės išties fantastiškos: geras elektros laidumas [gal net superlaidumas], rekordinis šilumos laidumas, tvirtumas (100 kartų tvirtesnis už plieną) ir lankstumas, cheminis ir terminis stabilumas. Tokiomis savybėmis pasižymintis grafenas gali būti naudojamas, kuriant naujas technologijas praktiškai bet kurioje sferoje. Tai gali būti superkondensatoriai, greitai įkraunami akumuliatoriai, lankstūs ekranai ir jutikliniai skydeliai, kompaktiški cheminiai ir biologiniai jutikliai, kurie galėtų būti įmontuoti į bet kokius elektroninius įrenginius.

Kaip jis naudojamas

Britanijos kompanija Briggs Automotive Company (BAC) 2016 metais sukūrė pirmąjį pasaulyje sportinį automobilį, kurio kėbulo elementai buvo pagaminti iš grafeno. Taip pavyko sumažinti automobilio masę 20%, neprarandant tvirtumo.

Cambridge'o unversiteto Grafeno centro tyrėjai 2017 metais pademonstravo naują įprastos medvilnės padengimo grafenu metodą. Taip apdorotas audinys tampa laidus elektrai ir gerai tinka dabužiuose nešiojamiems prietaisams ir jutikliams, matuojantiems sveikatos rodiklius (pavyzdžiui, pulsą) ir aplinkos būklę. Pridėjus šiek tiek grafeno, nekeičiant audinio estetikos, galima jam suteikti naujų savybių: antistatinių arba nepralaidumą vandeniui. Ateityje bus galima į drabužius montuoti mobilius prietaisus ir lanksčius ekranus.

Kas investuoja į grafeną

Technologijų kompanijos dažnai tampa dvimates medžiagas tiriančių universitetų partneriais. Pavyzdžiui, Samsung finansuoja grafeno tyrimus nuosavame korporatyviniame SAIT institute ir Sungkyunkwan universitete Seule. B to, Samsung drauge su General Electric ir chemijos korporacija Sabic yra pagrindinis į naujų medžiagų pagrindu atliekamų inovacijų orientuoto Šanchajaus rizikos kapitalo fondo investuotojas.

Grafeno startuoliais taip pat domisi naftos ir dujų kompanija Repsol, investavusi į stambų grafeno gamintoją Europoje Graphenea. Aviacijos ir kosminės technikos gigantas Lockheed Martin sudarė strateginę partnerystę su grafeninių ličio jonų akumuliatorių kūrėju Elcora Advanced Materials. Taip kompanija be didelių investicijų galės įeiti į naują perspektyvią rinką.

Dabar į grafeno srities tyrimus ir bandymus kasmet investuojama gerokai daugiau, nei jo pasaulinės rinkos dydis. Vien tik dešimties metų trukmės Europos programos Graphene Flagship finansavimui skirta €1 mlrd., o pasauliniai investavimo į tyrimus ir kūrimą įsipareigojimai viršija €3 mlrd. Tuo tarpu analitikai prognozuoja, kad 2020 metais grafeno rinka neviršys $300 mln. Mat didžioji visų pinigų dalis yra skirta grafeno gamybai tyrimams ir perspektyviems gaminiams. Tuo tarpu grafeną gaminančių kompanijų kasmet vis daugėja, o medžiagos kaina mažėja. Pavyzdžiui, vieno iš pažangiausių Europos grafeno gamintojų – Ispanijos Graphenea – kvadratinio centimetro grafeno ant vario pagrindo kaina nuo 2010 metų sumažėjo daugiau nei 300 kartų ir dabar yra $3. Galima neabejoti, kad grafenas pigs ir toliau.

Sunkumai

Pramoninėje dvimačių medžiagų gamyboje naudojami du pagrindiniai metodai: trimačių medžiagos gamtinių kristalų išsluoksniavimas ir cheminė sintezė. Dabar dvimačių medžiagų gamybos verslo kompanijų dėmesys sutelktas praktiškai vien į grafeną, o jį gaminant dideliais kiekiais, kyla nemažai sunkumų. Vienas iš jų, kad nepavyksta gauti viensluoksnio grafeno, kurio kokybė atitiktų monokristalinio grafeno, – su kuriuo buvo pademonstruota didžiuma jo rekordinių savybių – kokybę.

Kita problema – sluokniuojant gamtinius kristalus, neįmanoma gauti didelio ploto ištisinės grafeno plėvelės, būtinos mikroeletronikai. Tokią plėvelę galima sintezuoti chemiškai, tačiau tada dėl kristalinės gardelės defektų nukenčia dvimatės medžiagos kokybė ir išauga savikaina. Nors galima tikėtis, kad ši problema bus išspręsta jau artimiausiu metu, atsiradus žematemperatūriams grafeno sintezės metodams, kurie gali būti adaptuoti naudojimui su daugiau substratų ir padeda išvengti keblios grafeno perkėlimo nuo vieno padėklo ant kito procedūros.

Be to, pramoninės grafeno gamybos rinkoje jau atsirado nesąžiningų žaidėjų. Daug kompanijų gamina medžiagą, kuri neatitinka specifikacijų ir iš tiesų nėra grafenas. Su šiuo reiškiniu kovojama, kuriant standartus, – vieną iš jų įvedė Tarptautinė standartizacijos organizacija (ISO), – o taip mokslo bendruomenei atliekant produkcijos kontrolę.