Nasz nano-sukces

Tomasz Rożek

GN 16/2011 |

publikacja 25.04.2011 22:18

Naukowcy z Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych znaleźli sposób na masową produkcję grafenu, czyli cieniutkich płytek z czystego węgla. To sukces na miarę światową.

Nasz nano-sukces fot. istockphoto

Atomy węgla (zresztą wielu innych pierwiastków też) mogą się ze sobą łączyć na wiele różnych sposobów. Dzięki temu powstają struktury, które, choć ich skład jest identyczny, mają różne właściwości fizyczne. Takie zjawisko nosi nazwę alotropowości. Atomy węgla mogą być ułożone w sposób chaotyczny. Tak zwany węgiel amorficzny jest głównym składnikiem sadzy i w przemyśle jest wykorzystywany do produkcji na przykład opon. Z chemicznego punktu widzenia sadza i diament to to samo. Tyle tylko, że w diamencie atomy są ułożone w sposób uporządkowany. Dzięki wiązaniom innego typu, jakie łączą węgle w diamencie, ten materiał jest jednym z najtwardszych w przyrodzie. No właśnie, wiązania są tutaj sprawą kluczową. W graficie (to kolejna „odmiana” węgla) atomy też są uporządkowane, ale niektóre z łączących je wiązań są słabe. W efekcie grafit do dzisiaj wykorzystywany jest do pisania. Pocierając nim o jakąś powierzchnię (np. kartkę papieru), zostawiamy na niej kolejne warstwy węgla. „Odmian” węgla jest więcej. Na przykład lonsdaleit jest znajdowany tylko w miejscach uderzenia meteorytów. Najpewniej powstaje z grafitu pod wpływem bardzo wysokiej temperatury i ciśnienia wywołanego uderzeniem meteorytu w ziemię. Prawdziwą karierę robią jednak fulereny, nanorurki i grafen.

Świat w skali nano
Gdyby wziąć kilkadziesiąt, kilkaset albo nawet kilka tysięcy pojedynczych atomów węgla i rozsypać je na płaskiej powierzchni tak, by żaden atom nie leżał na innym – wtedy powstałby grafen. Warstwa węgla o grubości jednego atomu. Gdyby ją zwinąć w rulon – powstanie nanorurka. Gdyby z takiej węglowej, płaskiej warstwy uformować sferę, pustą w środku kulę – powstanie fuleren. Grafen, nanorurka, fuleren choć odkryte już jakiś czas temu, swoje oblicze zaczęły ujawniać dopiero przed kilkoma laty. Dają tak wiele możliwości, są tak niepodobne do wszystkiego, co naukowcy dotychczas w przyrodzie obserwowali, że powstała zupełnie nowa dziedzina nauki, która się nimi zajmuje. Nanotechnologia, czyli dziedzina zajmująca się zjawiskami w nanoświecie, badająca bardzo małe struktury i ich właściwości. Nano to jedna miliardowa, nanometr to jedna miliardowa część metra. Dzisiaj nanotechnologia zajmuje się nie tylko strukturami węglowymi, ale od nich zaczął się jej szybki rozwój. Początki tej dziedziny były bardzo trudne. Naukowcy nie potrafili tworzyć obiektów tak małych i tak subtelnych jak materiały o grubości jednego atomu. Badano te, które znajdowano, które tworzyły się same w wyniku zjawisk naturalnych. Później zaczęto te zjawiska naturalne powtarzać w laboratoriach. Symulowano np. wyładowania elektryczne, które – tak jak błyskawice w naturze – „produkowały” nanostruktury. Kłopot w tym, że w taki przypadkowy sposób produkowanych jest wiele różnych nanostruktur. Nanorurki o różnej długości i średnicy (czasami z wadami w swojej strukturze), fulereny, płytki grafenowe… wszystko ze sobą wymieszane. Naukowcy musieli poświęcać sporo czasu (i pieniędzy) na wybranie z takiej mieszaniny tego, co chcieli badać. Tak było do niedawna. Dzisiaj zaczynają pojawiać się sposoby na produkcję dokładnie tego, co naukowcy chcą.

Zwiń komputer
Po co w ogóle tyle trudu? Co w sobie mają nanorurki węglowe? Prosta odpowiedź mogłaby brzmieć, że nic nie mają w sobie, bo są puste w środku. Nanorurka węglowa to zwinięty w rulon grafen, czyli warstwa węgla o grubości jednego atomu. Nie wiadomo, kiedy je odkryto, ale po raz pierwszy zdjęcie nanorurki opublikowano w 1952 roku w jednym ze specjalistycznych czasopism naukowych w Związku Radzieckim. Nanorurki węglowe są niezwykle wytrzymałe (szczególnie na rozciąganie), elastyczne, lekkie, a ponadto są doskonałym przewodnikiem ciepła i mają niespotykane właściwości elektryczne. Wydaje się, że do wykorzystania właściwości mechanicznych i kinetycznych nanorurek w inżynierii (na przykład do budowy mostów czy wieżowców) jest jeszcze bardzo daleka droga. Znacznie szybciej nanorurki wejdą do elektroniki. To na węglu będzie oparta „nowa” elektronika i zakończy się era krzemu. Komputery węglowe będą mniejsze, szybsze (przynajmniej o kilkaset razy), lżejsze i bardziej oszczędne, a przez to wygodne. Wygodne jednak nie tylko dlatego. Grafen jest kilkaset razy bardziej wytrzymały od stali, ale równocześnie jest bardzo elastyczny. Można go zginać. Komputery, ba, cała elektronika przyszłości będzie elastyczna. Telefony będzie można poskładać w kostkę i schować do kieszeni, monitory zrolować i wsadzić do plecaka. Kształt laptopu będzie mógł określić sam właściciel, bo wszystko, co dzisiaj wymaga sztywnej ramy i dobrej ochrony przed zarysowaniem, uderzeniem czy złamaniem, w przyszłości będzie jak nic nie robiąca sobie z siły grawitacji kauczukowa piłeczka. Ta rewolucja nastąpi, ale tylko pod warunkiem, że nauczymy się w sposób bezbłędny, tani i powtarzalny produkować nanorurki węglowe, a właściwie grafen, z którego są wykonane.

Za małe, by użyć
Dotychczas udawało się produkować grafen w bardzo małych kawałkach. Za małych, by mogły być użyte do produkcji elektroniki. W jednym z amerykańskich ośrodków nauczono się (przez podgrzewanie węglika krzemu do wysokiej temperatury) produkować duże kawałki grafenu, ale nie był to materiał najwyższej jakości. W cieniutkich warstwach było pełno defektów, a to zasadniczo obniża jakość materiału. W Polsce, w Instytucie Technologii Materiałów Elektronicznych w Warszawie, wynaleziono metodę produkcji doskonałego jakościowo grafenu. Jego kawałki są wystarczająco duże, by mogły być użyte do produkcji „węglowej” elektroniki. Specjaliści twierdzą, że dalszy rozwój elektroniki, takiej, jaką znamy dzisiaj, a więc opartej na krzemie, jest już w zasadzie niemożliwy. Są zdania, że w ciągu następnych kilku, no, może dziesięciu lat, jeśli nie wymyślimy czegoś zupełnie nowego, dalszy rozwój komputerów, telefonów… całej elektroniki zatrzyma się. Tym czymś nowym jest właśnie elektronika oparta na węglu. Ale bez umiejętności produkowania grafenowych płytek żadnej rewolucji nie będzie. Polacy są – jak na razie – jedynymi, którzy się tego nauczyli.

Czy będą z tego pieniądze?
Polscy badacze wyprzedzili swoich kolegów z przodujących światowych ośrodków naukowych, choć wykorzystali do produkcji grafenu urządzenie od dawna dostępne na rynku, a nie dopiero co wybudowany prototyp. Mając do dyspozycji znacznie mniejsze fundusze, zrobili coś, co nikomu dotychczas się nie udało. To ogromny sukces, ale… czy będzie dobrze wykorzystany? Czy będziemy potrafili sukces naukowy przekuć na komercyjny? Doświadczenie w promowaniu własnych pomysłów mamy fatalne. Przykłady? Można ich podać sporo. Na przykład niebieski laser to polskie dzieło. I co z tego odkrycia mamy? Satysfakcję. Pieniądze na standardzie zapisu i odczytu danych Blu-Ray zarabia kto inny.