Nowoczesne materiały – grafen i nanotechnologia: przełomowe możliwości

Grafen i nanotechnologia wracają do nagłówków co kilka lat. Zwykle razem z obietnicą, że zaraz zmienią wszystko. Rzeczywistość jest mniej efektowna i bardziej konkretna: część zastosowań pracuje już w laboratoriach i w przemyśle, część utknęła na etapie produkcji, a przepisy dla materiałów w skali nano zaczęły obowiązywać stosunkowo niedawno.

Poniżej znajdziesz cztery rzeczy, których zwykle brakuje w entuzjastycznych tekstach o nowych materiałach:

• parametry grafenu z jednostkami, a nie same porównania ze stalą,
• materiały dwuwymiarowe, które w części zastosowań biją grafen właściwościami,
• zastosowania w elektronice, energetyce i medycynie wraz z ich obecnym etapem rozwoju,
• koszt wytwarzania i obowiązki prawne producentów nanomateriałów.

Grafen w liczbach: co potrafi pojedyncza warstwa atomów

Grafen to płaska struktura złożona z atomów węgla połączonych w sześciokąty, kształtem przypominająca plaster miodu. Ma grubość jednego atomu, dlatego uznaje się go za strukturę dwuwymiarową. Andriej Gejm i Konstantin Nowosiołow z uniwersytetu w Manchesterze dostali za jego badania Nagrodę Nobla z fizyki w 2010 roku.

Elektrony poruszają się w tym materiale jak bezmasowe fermiony Diraca. Stąd wysokie przewodnictwo elektryczne i cieplne. Reszta parametrów wygląda tak:

Porównania ze stalą czytaj ostrożnie. Zwykle dotyczą różnych wielkości fizycznych, więc łatwo je pomylić. Zespół z Rice University wykazał, że grafen rozprasza energię uderzenia lepiej niż jakikolwiek znany materiał, dziesięciokrotnie lepiej niż stal w przeliczeniu na jednostkę masy. To co innego niż twardość czy odporność na zginanie.

Skala nano: dlaczego jeden nanometr zmienia właściwości materiału

Europejska Agencja Chemikaliów definiuje nanomateriały jako substancje chemiczne lub materiały o wielkości cząstek od 1 do 100 nanometrów. W tym zakresie o zachowaniu substancji decyduje nie tylko jej skład. Ważą też stosunek powierzchni do objętości i efekty kwantowe.

Dobrze widać to na liczbie 2630 m²/g. Przy grafenie wygląda jak ciekawostka, a w praktyce stoi za działaniem elektrod, katalizatorów i sensorów. Im więcej powierzchni kontaktu przypada na gram materiału, tym więcej reakcji zachodzi jednocześnie.

Materiały dwuwymiarowe poza grafenem

Grafen nie jest jedynym materiałem o grubości jednego atomu. Nie w każdym zastosowaniu wypada też najlepiej. Śląski Klaster Nano wskazuje, że inne materiały dwuwymiarowe mają lepsze właściwości elektroniczne, a stawka obejmuje kilka grup związków:

• pierwiastkowe warstwy jednoatomowe: krzem, german, cyna oraz fosforen,
• dichalkogenki metali przejściowych: disiarczek molibdenu, diselenek molibdenu, disiarczek wolframu i diselenek wolframu,
• sześciokątny azotek boru, strukturalnie podobny do grafenu, lecz zbudowany z naprzemiennych atomów boru i azotu.

Dla projektanta układu elektronicznego to praktyczna różnica. Materiał dobiera się pod konkretną funkcję, a grafen bywa tu składnikiem większej układanki, nie uniwersalnym zamiennikiem krzemu.

Elektronika, energetyka i powłoki: gdzie grafen już pracuje

Przezroczystość i przewodnictwo sprawiają, że grafen nadaje się do przejrzystych, zwijanych w rolkę wyświetlaczy dotykowych oraz do produkcji energii odnawialnej. Poza tym trwają prace nad kilkoma grupami zastosowań:

• tranzystory,
• baterie słoneczne,
• akumulatory,
• czujniki wykrywające pojedyncze cząsteczki zanieczyszczeń.

Osobny wątek to powłoki. W projekcie GRANN, wspieranym przez Europejską Radę do spraw Badań Naukowych, badacze rozszerzyli doświadczenia z grafenem na nanocząstki i nanoziarna. Opisali nowe drogi reakcji chemicznej i wzorce funkcjonalizacji grafenu na podłożach metalicznych oraz wykazali potencjał powłok grafenowych jako powłok antykorozyjnych. Powstały tam również nowe metody syntezy grafenowych nanokropek. Projekt kosztował 1 996 147 euro, a jego podsumowanie opublikowano 29 stycznia 2021 roku.

Grafen w medycynie i biologii

Najdalej posunięte prace biomedyczne dotyczą tlenku grafenu, który powstaje przez utlenianie grafitu. Jak opisuje Fundacja Wspierania Nanonauk i Nanotechnologii NANONET, po raz pierwszy uznano go za odpowiedni nanonośnik w 2008 roku. Za biokompatybilność odpowiada duża, płaska powierzchnia i grupy zawierające tlen.

Drugi kierunek to biosensory, czyli układy wykrywające cząsteczki biologiczne przez wytwarzanie mierzalnego sygnału. Trzeci obejmuje inżynierię tkankową. Grafen wykazuje biokompatybilność z komórkami ssaków, a film oparty na grafenie przyspiesza różnicowanie komórek macierzystych. Badania wykazały też działanie antybakteryjne tego materiału.

Ten fragment ma charakter informacyjny i nie zastępuje konsultacji ze specjalistą. Wymienione zastosowania wciąż pozostają przedmiotem badań, a nie gotową terapią.

Produkcja grafenu wciąż jest wąskim gardłem

Klasyczne wytwarzanie rozkłada się na trzy podejścia. Odrywanie mechaniczne taśmą klejącą z wysokiej jakości grafitu daje najlepsze próbki, ale pochłania dużo pracy i pieniędzy. Osadzanie z fazy gazowej, czyli metoda CVD, przebiega na metalach i wyraźnie obniża koszt kosztem jakości. Wzrost na węgliku krzemu pozwala uzyskać dobry materiał na dużych powierzchniach.

Problem pojawia się później. Transfer warstwy między podłożami podnosi koszt, komplikuje proces i zwiększa ryzyko defektów. W czerwcu 2026 roku PurePC opisał metodę doktora inżyniera Rafała Zuzaka i doktora habilitowanego Szymona Godlewskiego z Zakładu Fizyki Nanostruktur i Nanotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego. Prekursory grafenu trafiają w niej bezpośrednio na powierzchnię półprzewodnika albo izolatora, a reakcję uruchamia atomowy wodór w wysokiej próżni, w temperaturze około 200 do 220 stopni Celsjusza. Klasyczne podejścia wymagają zwykle ponad 400 stopni.

Artykuł w Nature Communications pokazuje, że atomowy wodór katalizuje cyklodehydrogenację w sposób mniej zależny od właściwości podłoża. Technologię chroni patent. Zespół pracuje teraz nad skalowaniem procesu pod potrzeby przemysłu.

Nanomateriały a przepisy w Unii Europejskiej

Od 1 stycznia 2020 roku firmy wytwarzające lub importujące nanoformy podlegają precyzyjnym wymogom prawnym określonym w rozporządzeniu REACH. Obowiązki raportowania wynikają ze zmienionych załączników do rozporządzenia i obejmują między innymi ocenę bezpieczeństwa chemicznego.

Dla producenta oznacza to jedno. Sama rejestracja substancji nie wystarcza, jeśli wprowadza ją na rynek w postaci nanoformy. Czytelnikowi daje to z kolei prostą wskazówkę: materiał opisany jako nano powinien mieć za sobą dokumentację zgodną z tymi wymaganiami.

Najczęściej zadawane pytania

Co to jest grafen i do czego służy?

Grafen to płaska struktura złożona z atomów węgla połączonych w sześciokąty, o grubości jednego atomu. Służy między innymi do wytwarzania przejrzystych, zwijanych w rolkę wyświetlaczy dotykowych oraz do produkcji energii odnawialnej. Poza tym badacze stosują go w tranzystorach, akumulatorach i czujnikach wykrywających pojedyncze cząsteczki zanieczyszczeń.

Jakie są zastosowania grafenu w medycynie?

Trzy główne kierunki to dostarczanie leków, biosensory i inżynieria tkankowa. Tlenek grafenu uznano za odpowiedni nanonośnik w 2008 roku, biosensory wykrywają cząsteczki biologiczne przez wytwarzanie mierzalnego sygnału, a film oparty na grafenie przyspiesza różnicowanie komórek macierzystych.

Jak działa grafen na organizm?

Badania wskazują na biokompatybilność grafenu z komórkami ssaków. Za biokompatybilność tlenku grafenu odpowiada duża, płaska powierzchnia i grupy zawierające tlen. Wykazano również działanie antybakteryjne tego materiału. Cząstki w skali od 1 do 100 nanometrów podlegają w Unii Europejskiej osobnym wymogom informacyjnym, więc ocenę bezpieczeństwa prowadzi się dla konkretnej nanoformy, a nie dla węgla w ogóle.

Źródła:

• Wikipedia – Grafen
• Wikipedia – Graphene
• NANONET – Biomedyczne zastosowania grafenu
• Śląski Klaster Nano – Materiały 2D: Poza sferą grafenu
• CORDIS – Grafen w obszarze nanotechnologii
• ECHA – Nanomateriały
• PurePC – Polacy znaleźli skrót do nanografenu