04.10.2017
Do czytania, Bielsko-Biała
Grafen z ATH dla każdego
Już w najbliższym czasie w bielskiej Akademii Techniczno-Humanistycznej grafen, jeden z najdroższych materiałów świata, będzie produkowany na skalę przemysłową. Co ważne, własna metoda, opracowana przez Instytut Inżynierii Tekstyliów i Materiałów Polimerowych, pozwoli na znaczne obniżenie jego ceny w skali światowej. A to oznacza powszechny dostęp do tego niezwykłego materiału.
Z grafenem wiążą się duże oczekiwania. Materiał pozwoli zastąpić krzem w produkcji procesorów, znacznie zmniejszając ich rozmiary, produkować tworzywa sztuczne przewodzące prąd, drukować ścieżki elektryczne na papierze. Dużo wskazuje, że to właśnie grafen z ATH będzie wykorzystywany do tych zastosowań na całym świecie.
W laboratorium Nowoczesnych Materiałów Polimerowych w Akademii Techniczno-Humanistycznej w Bielsku-Białej zespół pracowników i studentów kontroluje przebieg reakcji w zestawie specjalnie skonstruowanej aparatury, zamkniętej dla bezpieczeństwa za szybą. W ten niepozorny sposób powstaje jeden z najdroższych materiałów świata – grafen. – Już w najbliższych dniach zamontujemy linię, która pozwoli nam wytwarzać około kilograma grafenu płatkowego tygodniowo – wyjaśnia prof. ATH dr hab. Ryszard Fryczkowski, kierownik projektu produkcji grafenu na ATH.
Na taśmie klejącej
Grafen nie występuje w stanie naturalnym, teoretyczne zasady jego istnienia opracowano w latach 40. XX w. Wyobrażono sobie, że jeden z najpowszechniej występujących pierwiastków na ziemi – węgiel – może przyjąć taką strukturę, z której atomy powiązane byłyby ze sobą na płaskiej powierzchni. Czyli warstwa o grubości pojedynczego atomu może osiągać powierzchnię wielu metrów, czy wręcz kilometrów kwadratowych. Nawet struktury o powierzchni kilku centymetrów kwadratowych wydawały się wtedy niemożliwe do uzyskania jako twory nietrwałe, ulegające szybkiemu rozpadowi.
W 2004 r. dwóch naukowców pochodzących z Rosji, Kostya Novoselov i Andrei Geim, dostrzegło taką strukturę w dość powszechnym graficie, znanym choćby z ołówków. Pojedyncza warstwa „płaskiego” węgla ukrywała się wśród setek innych takich samych warstw, ściśle do siebie przywierających. Sposobem na pozyskanie takiej pojedynczej warstwy okazała się zwykła taśma klejąca, „scotch” – naukowcy przyklejali ją do grafitu i zdzierając odpowiednio wiele razy dotarli do warstwy grafenu. – Właściwości grafenu okazały się ciekawe, jest bardzo wytrzymały, przewodzi prąd i ciepło. A łącząc z innymi substancjami te wszystkie właściwości można dodatkowo modyfikować – wyjaśnia prof. Fryczkowski.
Problemy technologii
Sposób z taśmą klejącą pozwolił udowodnić istnienie grafenu, ale trudno tak wytwarzać materiał w ilościach, pozwalających na badania, a co dopiero mówić o zastosowaniach w przemyśle. Dlatego na całym świecie rozpoczął się wyścig o znalezienie metody na wytwarzanie grafenu w stosunkowo dużych ilościach.
W bielskiej ATH zespół pracowników Instytutu prof. Jarosława Janickiego pod kierunkiem prof. ATH Ryszarda Fryczkowskiego w 2012 r. rozpoczął badania nad technologią pozyskiwania grafenu z proszku grafitowego. Wielkie powierzchnie grafenu tak cienkiego, że wręcz niewidzialnego, oddziałują wprawdzie na wyobraźnię, ale są całkowicie nieprzydatne do wykorzystania w przemyśle. Zespołowi badawczemu z ATH zależało na uzyskaniu drobnego grafenu, który w połączeniu z innymi materiałami stanowiłby gotowy do badań i sprzedaży produkt.
Głównym problemem w produkcji grafenu z grafitu nie jest wcale jego uzyskanie. Tu metody są znane od dawna, opierają się na chemicznym rozwarstwianiu grafitu na pojedyncze warstwy grafenu z użyciem kwasu siarkowego i nadmanganianu potasu. Poza tym, że metody są niebezpieczne, to można je zastosować w każdym szkolnym laboratorium. Taki grafen jednak jest nietrwały, szybko powraca do postaci grafitowej, a więc zespolonych ze sobą warstw. – My skupiliśmy się na takim rozwarstwieniu grafitu, które po kolejnej obróbce trwale wytworzy pył grafenowy. To właśnie nasza autorska metoda – dodaje prof. Fryczkowski.
W retortach na stole
Zespół naukowców sposób na trwały grafen opracował najpierw „na papierze”, opierając się na doświadczeniach z technologiami polimerowymi, z jakich od lat znany jest bielski Instytut ATH. Następnie przystąpiono do zbudowania niewielkiej linii produkcyjnej, złożonej z urządzeń i naczyń, dostępnych w każdym laboratorium chemicznym. Ta niepozorna technologia pozwoliła na uzyskiwanie grafenu w ilościach potrzebnych nie tylko do dalszych badań, ale też na sprzedaż, np. 10-gramowej partii dla jednej z japońskich firm. Tak, to nie pomyłka, na całym świecie obrót grafenem ze względu na jego niewielką wagę odbywa się w gramach, a nie w tonach. Produkcja jednego kilograma grafenu w skali tygodnia to wręcz niewyobrażalne ilości.
Styropian bardzo izolacyjny
Właśnie koło kilograma tygodniowo będzie już w październiku produkowała bielska Akademia. A to dzięki specjalnie zamówionym urządzeniom, które wykorzystując autorską metodę, będą wytwarzać grafen na skalę przemysłową.
Pieniądze na stworzenie linii produkcyjnej pochodzą z Narodowego Centrum Badań i Rozwoju. ATH ma w ciągu trzech lat stworzyć styropian grafenowy, który znacznie poprawi właściwości izolacyjne zwykłego styropianu, używanego w budownictwie. – Z fazy doświadczalnej przechodzimy do przemysłowego wykorzystania grafenu – wyjaśnia prof. Fryczkowski.
Prof. Jarosław Janicki,
rektor ATH, dyrektor Instytutu Inżynierii Tekstyliów i Materiałów Polimerowych:
Grafen to stosunkowo nowe odkrycie w świecie nauki, ma zaledwie kilkanaście lat, od razu okazał się bardzo interesujący jako struktura materiałowa do szerokiego zastosowania. Tak naprawdę ciągle poddawany jest badaniom, a skala możliwości wykorzystania go w wielu dziedzinach przemysłu cały czas się rozszerza, można powiedzieć, że z miesiąca na miesiąc przybywa pomysłów na jego użycie.
Nasz Instytut, mający już światowe uznanie w badaniach nad materiałami polimerowymi, zainteresował się grafenem kilka lat temu. Interesował nas właśnie jako element struktur polimerowych, czyli popularnie mówiąc, do zastosowań w tworzywach sztucznych. Od początku nasz zespół badawczy uznał, że należy znaleźć skuteczną metodę wytwarzania grafenu.
Co szczególnie warto podkreślić, opierając się na naszej wiedzy z zakresu technologii chemicznych, stworzyliśmy przede wszystkim model teoretyczny wytwarzania tego materiału. Dopiero w następnym kroku przystąpiliśmy do szczegółowych badań doświadczalnych nad jego uzyskaniem.
Osiągnęliśmy niewątpliwy sukces, i to na międzynarodową skalę, bo stworzyliśmy metodę tworzenia stosunkowo taniego grafenu. To pozwoli nam na szerokie zainteresowanie przemysłu materiałem, który w naszym wykonaniu staje się łatwo, wręcz powszechnie dostępny dla każdego.
Marka Śląskie
Za szczególne osiągnięcia w zakresie produkcji grafenu Instytut Inżynierii Tekstyliów i Materiałów Polimerowych Wydziału Inżynierii Materiałów, Budownictwa i Środowiska otrzymał nagrodę „Marka-Śląskie 2017” w kategorii „Nauka”, przyznawaną przez Regionalną Izbę Przemysłowo-Handlową w Gliwicach. Nagrodę wraz ze statuetką „Ambasador Marka Śląskie” odebrał rektor ATH prof. Jarosław Janicki, jednocześnie dyrektor nagrodzonego Instytutu, podczas XXIII Gali Regionalnej Izby Przemysłowo-Handlowej w Gliwicach.
Z grafenem wiążą się duże oczekiwania. Materiał pozwoli zastąpić krzem w produkcji procesorów, znacznie zmniejszając ich rozmiary, produkować tworzywa sztuczne przewodzące prąd, drukować ścieżki elektryczne na papierze. Dużo wskazuje, że to właśnie grafen z ATH będzie wykorzystywany do tych zastosowań na całym świecie.
W laboratorium Nowoczesnych Materiałów Polimerowych w Akademii Techniczno-Humanistycznej w Bielsku-Białej zespół pracowników i studentów kontroluje przebieg reakcji w zestawie specjalnie skonstruowanej aparatury, zamkniętej dla bezpieczeństwa za szybą. W ten niepozorny sposób powstaje jeden z najdroższych materiałów świata – grafen. – Już w najbliższych dniach zamontujemy linię, która pozwoli nam wytwarzać około kilograma grafenu płatkowego tygodniowo – wyjaśnia prof. ATH dr hab. Ryszard Fryczkowski, kierownik projektu produkcji grafenu na ATH.
Na taśmie klejącej
Grafen nie występuje w stanie naturalnym, teoretyczne zasady jego istnienia opracowano w latach 40. XX w. Wyobrażono sobie, że jeden z najpowszechniej występujących pierwiastków na ziemi – węgiel – może przyjąć taką strukturę, z której atomy powiązane byłyby ze sobą na płaskiej powierzchni. Czyli warstwa o grubości pojedynczego atomu może osiągać powierzchnię wielu metrów, czy wręcz kilometrów kwadratowych. Nawet struktury o powierzchni kilku centymetrów kwadratowych wydawały się wtedy niemożliwe do uzyskania jako twory nietrwałe, ulegające szybkiemu rozpadowi.
W 2004 r. dwóch naukowców pochodzących z Rosji, Kostya Novoselov i Andrei Geim, dostrzegło taką strukturę w dość powszechnym graficie, znanym choćby z ołówków. Pojedyncza warstwa „płaskiego” węgla ukrywała się wśród setek innych takich samych warstw, ściśle do siebie przywierających. Sposobem na pozyskanie takiej pojedynczej warstwy okazała się zwykła taśma klejąca, „scotch” – naukowcy przyklejali ją do grafitu i zdzierając odpowiednio wiele razy dotarli do warstwy grafenu. – Właściwości grafenu okazały się ciekawe, jest bardzo wytrzymały, przewodzi prąd i ciepło. A łącząc z innymi substancjami te wszystkie właściwości można dodatkowo modyfikować – wyjaśnia prof. Fryczkowski.
Problemy technologii
Sposób z taśmą klejącą pozwolił udowodnić istnienie grafenu, ale trudno tak wytwarzać materiał w ilościach, pozwalających na badania, a co dopiero mówić o zastosowaniach w przemyśle. Dlatego na całym świecie rozpoczął się wyścig o znalezienie metody na wytwarzanie grafenu w stosunkowo dużych ilościach.
W bielskiej ATH zespół pracowników Instytutu prof. Jarosława Janickiego pod kierunkiem prof. ATH Ryszarda Fryczkowskiego w 2012 r. rozpoczął badania nad technologią pozyskiwania grafenu z proszku grafitowego. Wielkie powierzchnie grafenu tak cienkiego, że wręcz niewidzialnego, oddziałują wprawdzie na wyobraźnię, ale są całkowicie nieprzydatne do wykorzystania w przemyśle. Zespołowi badawczemu z ATH zależało na uzyskaniu drobnego grafenu, który w połączeniu z innymi materiałami stanowiłby gotowy do badań i sprzedaży produkt.
Głównym problemem w produkcji grafenu z grafitu nie jest wcale jego uzyskanie. Tu metody są znane od dawna, opierają się na chemicznym rozwarstwianiu grafitu na pojedyncze warstwy grafenu z użyciem kwasu siarkowego i nadmanganianu potasu. Poza tym, że metody są niebezpieczne, to można je zastosować w każdym szkolnym laboratorium. Taki grafen jednak jest nietrwały, szybko powraca do postaci grafitowej, a więc zespolonych ze sobą warstw. – My skupiliśmy się na takim rozwarstwieniu grafitu, które po kolejnej obróbce trwale wytworzy pył grafenowy. To właśnie nasza autorska metoda – dodaje prof. Fryczkowski.
W retortach na stole
Zespół naukowców sposób na trwały grafen opracował najpierw „na papierze”, opierając się na doświadczeniach z technologiami polimerowymi, z jakich od lat znany jest bielski Instytut ATH. Następnie przystąpiono do zbudowania niewielkiej linii produkcyjnej, złożonej z urządzeń i naczyń, dostępnych w każdym laboratorium chemicznym. Ta niepozorna technologia pozwoliła na uzyskiwanie grafenu w ilościach potrzebnych nie tylko do dalszych badań, ale też na sprzedaż, np. 10-gramowej partii dla jednej z japońskich firm. Tak, to nie pomyłka, na całym świecie obrót grafenem ze względu na jego niewielką wagę odbywa się w gramach, a nie w tonach. Produkcja jednego kilograma grafenu w skali tygodnia to wręcz niewyobrażalne ilości.
Styropian bardzo izolacyjny
Właśnie koło kilograma tygodniowo będzie już w październiku produkowała bielska Akademia. A to dzięki specjalnie zamówionym urządzeniom, które wykorzystując autorską metodę, będą wytwarzać grafen na skalę przemysłową.
Pieniądze na stworzenie linii produkcyjnej pochodzą z Narodowego Centrum Badań i Rozwoju. ATH ma w ciągu trzech lat stworzyć styropian grafenowy, który znacznie poprawi właściwości izolacyjne zwykłego styropianu, używanego w budownictwie. – Z fazy doświadczalnej przechodzimy do przemysłowego wykorzystania grafenu – wyjaśnia prof. Fryczkowski.
(Łu)
Prof. Jarosław Janicki,rektor ATH, dyrektor Instytutu Inżynierii Tekstyliów i Materiałów Polimerowych:
Grafen to stosunkowo nowe odkrycie w świecie nauki, ma zaledwie kilkanaście lat, od razu okazał się bardzo interesujący jako struktura materiałowa do szerokiego zastosowania. Tak naprawdę ciągle poddawany jest badaniom, a skala możliwości wykorzystania go w wielu dziedzinach przemysłu cały czas się rozszerza, można powiedzieć, że z miesiąca na miesiąc przybywa pomysłów na jego użycie.
Nasz Instytut, mający już światowe uznanie w badaniach nad materiałami polimerowymi, zainteresował się grafenem kilka lat temu. Interesował nas właśnie jako element struktur polimerowych, czyli popularnie mówiąc, do zastosowań w tworzywach sztucznych. Od początku nasz zespół badawczy uznał, że należy znaleźć skuteczną metodę wytwarzania grafenu.
Co szczególnie warto podkreślić, opierając się na naszej wiedzy z zakresu technologii chemicznych, stworzyliśmy przede wszystkim model teoretyczny wytwarzania tego materiału. Dopiero w następnym kroku przystąpiliśmy do szczegółowych badań doświadczalnych nad jego uzyskaniem.
Osiągnęliśmy niewątpliwy sukces, i to na międzynarodową skalę, bo stworzyliśmy metodę tworzenia stosunkowo taniego grafenu. To pozwoli nam na szerokie zainteresowanie przemysłu materiałem, który w naszym wykonaniu staje się łatwo, wręcz powszechnie dostępny dla każdego.
Marka Śląskie
Za szczególne osiągnięcia w zakresie produkcji grafenu Instytut Inżynierii Tekstyliów i Materiałów Polimerowych Wydziału Inżynierii Materiałów, Budownictwa i Środowiska otrzymał nagrodę „Marka-Śląskie 2017” w kategorii „Nauka”, przyznawaną przez Regionalną Izbę Przemysłowo-Handlową w Gliwicach. Nagrodę wraz ze statuetką „Ambasador Marka Śląskie” odebrał rektor ATH prof. Jarosław Janicki, jednocześnie dyrektor nagrodzonego Instytutu, podczas XXIII Gali Regionalnej Izby Przemysłowo-Handlowej w Gliwicach.
