Grafen potrzebuje standaryzacji

188

Brak standaryzacji metod analitycznych, pomiarowych i jednoznacznego zdefiniowania odkrytego przed dekadą grafenu, wprowadza zamieszanie w jego identyfikacji.  Pod tą nazwą kryje się bowiem coraz więcej różnego rodzaju materiałów, które mają niewiele wspólnego z jednowarstwową strukturą węgla o unikatowych właściwościach, w tym doskonałym przewodnictwie cieplnym i elektrycznym. Naukowcy z Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych, należącego do światowej czołówki ośrodków prowadzących badania w tej dziedzinie, zwracają uwagę na tę istotną kwestię.

 Negatywne doświadczenia związane z korzystaniem z materiału imitującego grafen, zniechęcają europejskie i krajowe instytucje do wspierania prac badawczo-rozwojowych i ogłaszania kolejnych konkursów w tej dziedzinie. Przy braku standaryzacji naukowcy i przedsiębiorcy dla ułatwienia, korzystają z nazw pomocniczych, takich jak: tlenek grafenu, grafenowe nanopłytki, czy grafen kilkuwarstwowy. Jednak nazwy te nie są stosowane konsekwentnie. Przykładowo dla badaczy z ITME zredukowany tlenek grafenu oznacza materiał po procesie redukcji o zawartości tlenu do 20 proc., ale indywidualny wytwórca może przyjmować inną nazwę dla takiego materiału. Istnieją też przykłady intencjonalnego wprowadzania w błąd, gdzie grafenem nazywany jest np. zmielony grafit.

– Grafen jest handlowo dostępny, natomiast pod tą nazwą kryją się różne rodzaje materiałów i produktów sprzedawanych na rynku – wyjaśnia dr hab. inż. Katarzyna Pietrzak, prof. ITME zastępca dyrektora ds. naukowych. – Z punktu widzenia przepisów nadal nie ma żadnych norm, które to regulują. W połowie tego roku w Kanadzie odbyło się spotkanie Światowego Komitetu Normalizacyjnego. Celem prac komitetu jest opracowanie kompletu norm dotyczących wytwarzania i charakteryzacji materiałów w tym grafenu, żeby zapewnić jednolite standardy. W badanych u nas w ITME próbkach grafenu, który jest dostępny na rynku, zidentyfikowaliśmy m.in. węgiel amorficzny, nanorurki, fulereny, widać więc, że mało jest grafenu w grafenie. Dopóki nie zostaną wprowadzone jednoznaczne normy, chaos rynkowy będzie narastał.

Powołanie centrum akredytacyjnego grafenu to właściwa ścieżka

 Przeciętny nabywca nie jest w stanie sprawdzić zawartości i jakości grafenu w oferowanych wyrobach. Niektórzy producenci wykorzystują to jako chwyt marketingowy. Wpływa to często na podwyższanie ceny produktów. Teoretycznie producent powinien gwarantować odpowiednią jakość za odpowiednią cenę i wykazać się współpracą z zapleczem naukowym i badawczym. Według naukowców z ITME najlepszym rozwiązaniem byłoby powołanie centrum akredytacyjnego  grafenu.

 ITME należy do światowej czołówki ośrodków prowadzących badania nad grafenem. Potwierdzeniem międzynarodowego uznania jakości prowadzonych badań jest m.in. uczestnictwo w prestiżowym 10-letnim programie badań nad grafenem Unii Europejskiej – Graphene Flagship. W Instytucie równolegle prowadzone są badania nad dwoma rodzajami grafenu: epitaksjalnym i płatkowym. Wytwarzaniem tego materiału zajmują się dwa zakłady, a dalszym przetwarzaniem  kilka  innych zespołów badawczych, przykładowo w Zakładzie Materiałów Kompozytowych i Ceramicznych grafen jest wykorzystywany do opracowywania technologii kompozytów na bazie metali lub ceramiki, a w Zakładzie Optoelektroniki do zastosowania w podłożach laserowych.

– Dzięki temu, że mamy w Instytucie zakłady wyspecjalizowane w różnych  dziedzinach,  jesteśmy w stanie integrować procesy i w ten sposób tworzyć produkty grafenowe zaawansowane i konkurencyjne, a nie tylko być dostarczycielem surowca – mówi prof. Katarzyna Pietrzak. – Możemy wprowadzać pewne modyfikacje i wspólnie z badaczami rozwiązywać problemy technologiczne. Poszukujemy sposobów ułatwiających np. lepsze rozprowadzanie grafenu w matrycach kompozytowych, odpowiedniej funkcjonalizacji w celu nadania nowych właściwości lub sporządzania stabilnych zawiesin w różnych rozpuszczalnikach. Jako jednostka  naukowo – badawcza i wdrożeniowa prowadzimy takie prace na zamówienie ośrodków naukowych lub przedsiębiorców. Wszystkich zainteresowanych wzbogaceniem swojej oferty produktowej o wyroby z dodatkiem grafenu zapraszamy do współpracy.

Nie wszystkie prace naukowcy z ITME wykonują samodzielnie, przy bardziej zaawansowanych procesach wymagających dodatkowej technologii, wchodzą w kooperacje z innymi ośrodkami naukowymi. Takie prace badawczo-rozwojowe będą prowadzone m.in. w zakresie kompozytów z tworzyw sztucznych z dodatkiem grafenu.

 – Grafen płatkowy wytwarzany w naszym Instytucie jest bardzo dobrej jakości i ma szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach nauki i przemysłu – zapewnia dyrektor ds. naukowych ITME. – Potencjalna możliwość jego zastosowań jest obecnie znacznie większa w porównaniu z innymi odmianami. Grafen epitaksjalny natomiast, którym również się zajmujemy, przeznaczony jest do zastosowań elektronicznych. Wyniki zaawansowanych prac badawczych są z sukcesem wykorzystywane w technologii wytwarzania materiałów i przyrządów półprzewodnikowych. W zależności od technik wytwarzania grafenu uzyskujemy różne właściwości i możemy moderować jego cechy.

 Grafen – ciężko jest uzyskać powtarzalność materiału

Grafen jest 300 razy wytrzymalszy od stali. Doskonale przewodzi ciepło i elektryczność. Posiada niezwykłe właściwości fizyczne i chemiczne, które pozwalają na jego wszechstronne wykorzystanie. Jest materiałem elastycznym i przezroczystym, zbudowanym z atomów węgla ułożonych w strukturę przypominającą kształtem plaster miodu. Przy tych wszystkich zaletach jest jednak materiałem kłopotliwym do badań.

– Trudno jest uzyskać powtarzalność wyników, bez zachowania szczególnej dbałości – tłumaczy mgr inż. Michał Woluntarski z Zakładu  Syntezy Chemicznej i Grafenu Płatkowego. – Klasyczne metody analiz nie zawsze  się sprawdzają, trzeba przeprowadzić wiele prób i obserwacji, żeby potwierdzić efekty prac badawczych.  Zdarzają się pytania bez odpowiedzi. Czasem różnice między otrzymanymi materiałami ujawniają się dopiero w momencie aplikacji. To jest wiedza, którą tak naprawdę zdobywa się krok po kroku.

– W litrze roztworu, może być nie więcej niż około 8 gramów grafenu płatkowego (żeby nadawał się on do suszenia) – mówi badacz. – Otrzymanie z niego proszku jest wielką sztuką, a z reguły to forma sucha jest najbardziej pożądana. Z podobnymi trudnościami przy suszeniu spotykamy się w przypadku tlenku grafenu, jak i zredukowanego tlenku grafenu. Sposób suszenia został opracowany w Instytucie i zgłoszony został do ochrony patentowej.

Nowoczesna infrastruktura badawcza

Produkcja grafenu płatkowego to skomplikowany, wieloetapowy proces. Stworzenie dobrej jakości produktu, który znajdzie zastosowanie w wielu dziedzinach nauki i przemysłu, wymaga ogromnej wiedzy i doświadczenia.

Zgodnie z realizowanym obecnie drugim etapem projektu Centrum Grafenu i Innowacyjnych Nanotechnologii, finansowanym ze środków Unii Europejskiej w ramach Regionalnego Programu Operacyjnego Województwa Mazowieckiego, do ITME zakupiona zostanie nowoczesna aparatura badawcza i technologiczna, która umożliwi prowadzenie zaawansowanych technologicznie projektów naukowych w dziedzinie grafenu i innych nanomateriałów. Będą to m.in. systemy: CVD do osadzania warstw grafenu na podłożach metalicznych, do krystalizacji warstw grafenu oraz węglika krzemu, do reaktywnego trawienia plazmowego, a także piec do infiltracji materiałów porowatych, wysokotemperaturowa prasa izostatyczna, tomograf komputerowy wykorzystujący promieniowanie rentgenowskie do przestrzennego obrazowania struktury materiałów złożonych, wielogłowicowe urządzenie do charakteryzacji przyrządów półprzewodnikowych. Realizacja głównej części projektu zakończy się w 2019 roku. Naukowcy z ITME mają nadzieję, że do tego czasu wprowadzona zostanie również standaryzacja grafenu, co ułatwi postęp prac nad aplikacją tego materiału.

Jolanta Czudak

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Proszę wpisać komentarz!
Please enter your name here