Jak zawsze muszę działać na przekór. Kiedy cały kraj zatracił się w marzeniach o grafenie – przybrałem postawę wyczekującą. Teraz gdy grafenowy szał uległ ostudzeniu, można na spokojnie przyjrzeć się sprawie. W tym celu poprosiłem o rozmowę jednego z najlepszych specjalistów, Włodzimierza Strupińskiego.

Grafen to otrzy­mana zaledwie kil­ka­na­ście lat temu, nowa alo­tro­powa odmiana węgla, będąca w praktyce eks­tre­mal­nie cienkim plastrem grafitu. Czyni go to rów­no­cze­śnie kolejnym, obok fos­fo­renu, sta­ne­nenu czy borofenu, rodzajem tzw. mate­riału 2D, czyli struk­tury o grubości zaledwie jednego atomu. Jednak świat zachwy­cił się grafenem przede wszyst­kim z powodu jego uni­ka­to­wych i nie­zwy­kle pożą­da­nych wła­ści­wo­ści fizycz­nych. Nowa­tor­ska sub­stan­cja cha­rak­te­ry­zuje się rewe­la­cyj­nym prze­wod­nic­twem cieplnym, niezłym prze­wod­nic­twem elek­trycz­nym, sporą wytrzy­ma­ło­ścią – a to wszystko przy ela­stycz­no­ści i śmiesz­nie małej wadze. Krótko mówiąc, materiał na miarę naszych czasów.

Grafen bły­ska­wicz­nie zyskał popu­lar­ność, zaś badania nad nim podjęły liczne placówki na całym globie. Wśród nich znalazł się, mający na swoim koncie niemałe sukcesy, war­szaw­ski Instytut Tech­no­lo­gii Mate­ria­łów Elek­tro­nicz­nych. Pracami ITME kierował do niedawna dr inż. Wło­dzi­mierz Stru­piń­ski, współ­au­tor jednej z obecnie wyko­rzy­sty­wa­nych metod uzy­ski­wa­nia grafenu. Właśnie od tego naukowca posta­no­wi­łem dowie­dzieć się czegoś więcej na temat futu­ry­stycz­nego mate­riału i jego przy­szło­ści.


Panie Doktorze, będzie wielką przesadą jeśli napiszę, że “polski grafen” stał się roz­po­zna­walną marką jeszcze zanim opuścił labo­ra­to­rium?

Jednak chyba będzie przesadą. W moim przy­padku zawsze najpierw liczy się realny wynik, a dopiero potem infor­ma­cje i PR, którego zresztą sam nie uprawiam („sukces ma wielu ojców”). Grafen musiał najpierw opuścić labo­ra­to­rium żeby udo­wod­nić, że w Polsce też coś potra­fimy.

A dlaczego akurat grafen? Co takiego zade­cy­do­wało o tym, że spośród setek ocze­ki­wa­nych przez świat tech­no­lo­gii, nad Wisłą zain­te­re­so­wano się właśnie tą sub­stan­cją? Jak to się stało, że Pan zajął się właśnie tym pro­ble­mem?

Od zawsze zaj­mo­wa­łem się nowa­tor­skimi zagad­nie­niami tech­no­lo­gicz­nymi. Kiedyś to był arsenek galu, zielone, żółte i poma­rań­czowe diody świecące, azotek galu, diody nie­bie­skie i foto­de­tek­tory UV, szybkie tran­zy­story, lasery… Grafen to po prostu kolejna nowa tech­no­lo­gia o inno­wa­cyj­nym cha­rak­te­rze. O grafenie dowie­dzia­łem się od prof. Andrzeja Wysmołka z Wydziału Fizyki Uni­wer­sy­tetu War­szaw­skiego w 2006 roku. A dlaczego się nim zająłem? Bo to wielkie wyzwanie tech­no­lo­giczne i badawcze, bo wreszcie nie trzeba było gonić świata, tylko można było z nim rywa­li­zo­wać, bo sam grafen to nie­zwy­kle atrak­cyjny i intry­gu­jący materiał, który otworzył – czy nam się to podoba czy nie – nową epokę w tech­no­lo­gii mate­ria­łów duwy­mia­ro­wych.

Pamięta Pan może jak wtedy, na początku, zapa­try­wano się na grafen? Trak­to­wano pomysł mocno scep­tycz­nie, czy może z miejsca pojawiło się wielu jego entu­zja­stów?

Pomysł przyjęto nie­zwy­kle entu­zja­stycz­nie, czego dowodem było przy­zna­nie nagrody Nobla zaledwie w 5 lat po odkryciu (nagrodę otrzy­mali Andriej Gejm i Kon­stan­tin Nowo­sio­łow w 2010 roku – przyp. A.). To pierwszy taki przy­pa­dek w historii komitetu ze Sztok­holmu. W końcu, w obecnych czasach wyścigu tech­no­lo­gicz­nego, odkrycie zupełnie nowego mate­riału, i to o tak fascy­nu­ją­cych wła­ści­wo­ściach, to naprawdę wielkie wyda­rze­nie.

Jako, że jest Pan jednym z naj­więk­szych eks­per­tów w kwestii pro­duk­cji grafenu, nie mogę nie zapytać: jak w tym momencie, przy­naj­mniej w uprosz­cze­niu, wygląda proces otrzy­my­wa­nia grafenu? 

Ogólnie są dwie grupy tech­no­lo­gii, dzięki którym wytwarza się grafen w postaci płatków (proszku) lub w postaci warstw. W obu kate­go­riach jest wiele sposobów i mody­fi­ka­cji. Grafen płatkowy na ogół otrzy­muje się z grafitu umie­jęt­nie roz­drab­nia­nego na drodze procesów che­miczno-fizycz­nych do postaci grafenu. Istnieją jednak również sposoby otrzy­my­wa­nia grafenu płat­ko­wego z innych mate­ria­łów stałych i gazowych zawie­ra­ją­cych węgiel. Z kolei grafen w postaci warstw jest uzy­ski­wany poprzez rozkład ter­miczny powierzchni mate­riału zawie­ra­ją­cego węgiel lub poprzez osa­dza­nie węgla z fazy pary w wyniku procesu che­micz­nego. To tak w naj­więk­szym skrócie.

Oba rodzaje grafenu – płatkowy i war­stwowy – różnią się wyłącz­nie procesem pro­duk­cji, czy może ich struk­tura również jest różna?

Grafen jest zawsze jeden. W tym przy­padku chodzi o wielkość i loka­li­za­cję powłoki gra­fe­no­wej. Płatki zawie­szone są w cieczy lub jak proszek prze­cho­wy­wane w naczyniu. Grafen war­stwowy spoczywa zawsze na jakimś podłożu o roz­mia­rach liczo­nych nawet w metrach.

Kiedy czytałem o grafenie jeszcze kilka lat temu, popu­larna była infor­ma­cja mówiąca, że koszt jednego cen­ty­me­tra kwa­dra­to­wego wynosi 100 milionów dolarów. Czy­ni­łoby to grafen chyba naj­droż­szą sub­stan­cją na Ziemi, zaraz po anty­ma­te­rii. Cena spadła choć trochę?

Wtedy grafen wytwa­rzało się metodą, dzięki której uczeni z uni­wer­sy­tetu w Man­che­ste­rze grafen odkryli, czyli poprzez odkle­ja­nie małych płatków od grafitu za pomocą taśmy samo­przy­lep­nej. Taki proces trwał czasem wiele dni, a w efekcie otrzy­my­wało się płatek o powierzchni np. 1000 mikro­me­trów kwa­dra­to­wych. Cena wynosiła 0.5 funta za 1 mikro­metr kwa­dra­towy. Jeśli prze­li­czyć to na 1 cen­ty­metr kwa­dra­towy, to rze­czy­wi­ście trzeba byłoby sporo zapłacić, nawet 5 mln funtów czyli około 24 mln złotych. W naszym przy­padku wyko­na­nie płata o powierzchni 0.25 metra kwa­dra­to­wego to koszt rzędu kil­ku­dzie­się­ciu złotych, tyle, że trzeba jeszcze prze­trans­fe­ro­wać te warstwę grafenu z podłoża mie­dzio­wego na podłoże docelowe.
Podej­rze­wam – aby nie było zbyt kolorowo – że cena trans­feru grafenu na podłoże jest znacznie wyższa?

Zgadza się, koszty rosną wraz z roz­mia­rem powłoki gra­fe­no­wej. Nato­miast, co jest tu naj­bar­dziej istotne, to że transfer grafenu można zauto­ma­ty­zo­wać i w warun­kach pro­duk­cji spro­wa­dzić te koszty do dość niskiego poziomu. Takie doświad­czalne linie tech­no­lo­giczne już funk­cjo­nują w Korei czy Chinach.

Co może być takim podłożem doce­lo­wym?

Podłożem może być wszystko co umożliwi adhezję grafenu, np. szkło, kwarc, płytki pół­prze­wod­ni­kowe, powierzch­nie meta­liczne, polimery, a nawet papier.

Powie­dział Pan, że począt­kowo wytwa­rzano struk­tury o wiel­ko­ści mikronów. A jakiej wiel­ko­ści gra­fe­nowe struk­tury, potra­fimy wytwa­rzać aktu­al­nie?
 
Prak­tycz­nym ogra­ni­cze­niem jest narzę­dzie do wytwa­rza­nia grafenu. Swego czasu Japoń­czycy skon­stru­owali urzą­dze­nie, w którym wytwa­rzali wstęgę grafenu o długości 25 metrów i sze­ro­ko­ści 0.5 metra. W Polsce w ITME (Insty­tu­cie Tech­no­lo­gii Mate­ria­łów Elek­tro­nicz­nych – przyp. A.) posia­damy tech­no­lo­gię wzrostu grafenu na pod­ło­żach o powierzchni 0.25 metra kwa­dra­to­wego. Trzeba jednak pamiętać, że warstwa grafenu to płaski poli­krysz­tał zbu­do­wany z kry­sta­li­tów dwu­wy­mia­ro­wych, o dość małych roz­mia­rach. Wyzwa­niem jest powięk­sze­nie ich wiel­ko­ści. Obecne rekordy to średnica takiego kry­sta­litu rzędu kilku cen­ty­me­trów.
Czyli mamy np. 25-metrową wstęgę, ale nie jest to jed­no­lita gra­fe­nowa tafla? Zna­cze­nie mają tylko zwarte kry­sta­lity?

Jest to jed­no­lita ciągła warstwa mono­ato­mo­wego węgla zbu­do­wana z dwu­wy­mia­ro­wych kry­sta­li­tów, czyli krysz­ta­łów, domen bądź ziaren. Ale jakość struk­tury mono­krysz­tału jest oczy­wi­ście zawsze wyższa niż mate­riału poli­kry­sta­licz­nego, zbu­do­wa­nego z wielu krysz­ta­łów. Stąd właśnie dążenie aby rozmiary kry­sta­li­tów gra­fe­no­wych two­rzą­cych warstwę grafenu były jak naj­więk­sze.

Istnieją jakieś teo­re­tyczne granice wiel­ko­ści gra­fe­no­wego kry­sta­litu? Czy może, wraz z rozwojem tech­no­lo­gii, będziemy mogli tworzyć kry­sta­lity o średnicy wielu metrów?

W miarę rozwoju badań te kry­sta­lity są coraz większe. Zaczy­na­li­śmy od poje­dyn­czych mikro­me­trów, a obecnie rekor­dowe wymiary mierzy się już w cen­ty­me­trach. Trudno prze­wi­dzieć gdzie leży kres moż­li­wo­ści.

Grafen nie trafił jeszcze do masowej pro­duk­cji, ale już wymy­ślono dla niego dzie­siątki zasto­so­wań. Sły­sza­łem o gra­fe­no­wych pro­ce­so­rach, bate­riach i aku­mu­la­to­rach, grzej­ni­kach, ogniwach sło­necz­nych, ela­stycz­nych wyświe­tla­czach, filtrach, opa­trun­kach medycz­nych… Który z tych pomysłów wydaje się naj­bliż­szy reali­za­cji? Gdzie według Pana, możemy spo­dzie­wać się obec­no­ści grafenu w skali prze­my­sło­wej, w pierw­szej kolej­no­ści?

To naj­częst­sze pytanie zadawane naukow­com zaj­mu­ją­cym się grafenem. Tu wiele czyn­ni­ków odgrywa rolę. Spo­tka­łem się też ze świa­do­mym wstrzy­my­wa­niu zasto­so­wa­nia grafenu w bardzo dużej firmie, ze względu na koniecz­ność wypra­co­wa­nia opła­cal­no­ści dotych­cza­so­wych tech­no­lo­gii, w które firma przecież dużo zain­we­sto­wała. Wydaje się, że większą rolę odegra tu proces inwe­sty­cyjny we wdra­ża­niu gra­fe­no­wej tech­no­lo­gii, niż wartość samego pomysłu. Czyli patrzymy w kierunku azja­tyc­kim, gdzie inwe­stuje się ogromne pie­nią­dze w baterie gra­fe­nowe, super­kon­den­sa­tory gra­fe­nowe, gra­fe­nowe wyświe­tla­cze dotykowe do smart­fo­nów, polimery mody­fi­ko­wane grafenem, ela­styczną elek­tro­nikę. Europa rozwija bardziej zaawan­so­wane apli­ka­cje dla elek­tro­niki przy­szło­ści.

Czy któreś z przy­wo­ła­nych lub innych wycze­ki­wa­nych przez media zasto­so­wań grafenu wydają się Panu wyjąt­kowo nie­praw­do­po­dobne bądź nie­prak­tyczne?

Powszechny błąd to próba zastą­pie­nia „na siłę” kon­wen­cjo­nal­nych mate­ria­łów grafenem. Grafen wykazuje okre­ślone cha­rak­te­ry­styczne wła­ści­wo­ści, których kom­bi­na­cja czyni ten materiał atrak­cyj­nym. Jeśli produkt gra­fe­nowy będzie je wyko­rzy­sty­wał to ma to sens. Jeśli dowo­dzimy tylko, że z grafenu też się da – to nie ma to uza­sad­nie­nia. Grafen ma bardzo dobrą prze­wod­ność, ale ze względu na małe wymiary (grubość 0.3 nm) warstwa grafenu ma małe prze­wod­nic­two. Jest za to prze­zro­czy­sty i ela­styczny, odporny na chemię i tak dalej. Te cechy należy wyko­rzy­stać w zasto­so­wa­niach, a nie zastę­po­wać nim, zwykły gruby drut mie­dziany. Poza tym, grafen nie jest pół­prze­wod­ni­kiem więc nie ma sensu rozważać wyko­rzy­sta­nia w przy­rzą­dach cyfro­wych. Nato­miast ma szcze­gólne cechy, które czynią go nie­zwy­kle atrak­cyj­nym kan­dy­da­tem np. w układach mikro­fa­lo­wych sto­so­wa­nych w bez­prze­wo­do­wej trans­mi­sji danych.
Z mniej przy­jem­nych tematów. Przez lata uzbie­rało się setki hur­ra­op­ty­mi­stycz­nych arty­ku­łów, na temat rychłego sukcesu rodzimej tech­no­lo­gii. Dzisiaj pojawia się wiele nie­po­ko­ją­cych wia­do­mo­ści. Stąd chyba wszyscy zadają sobie pytanie, na jakim etapie znajduje się obecnie polski grafen? 

Tech­no­lo­gia wytwa­rza­nia grafenu jest w Polsce nadal na bardzo wysokim poziomie. Gorzej z pracami nad zasto­so­wa­niami. Tu bije nas na głowę więk­szość państw euro­pej­skich, nie mówiąc o USA czy Azji.

W takim razie, w którym miejscu znajduje się Polska, na tle innych państw uczest­ni­czą­cych w tym tech­no­lo­gicz­nym wyścigu. Kto jest na czele stawki?

Europa dominuje pod względem wiedzy i pomysłów, także tych ory­gi­nal­nych. To w Europie roz­po­częto inten­sywne badania nad innymi mate­ria­łami dwu­wy­mia­ro­wymi, których jak się okazuje, jest wiele. Niektóre są także pół­prze­wod­ni­kami. Zesta­wia­nie różnych mate­ria­łów 2D ze sobą daje coraz to nowe moż­li­wo­ści. Z kolei w USA i Azji jest większe prze­ło­że­nie na wdro­że­nia w prze­my­śle i ochronę wyna­laz­ków. W Polsce powo­lutku poja­wiają się firmy zain­te­re­so­wane tech­no­lo­giami 2D. Mają o tyle korzystną sytuację, że dobrej jakości grafen jest w bliskim zasięgu. Przodują Niemcy, Anglicy, Włosi i Hisz­pa­nie.

Wśród tych polskich graczy znajdują się jakieś znane marki, czy tylko małe, spe­cja­li­styczne firmy? Bo żeby bawić się w grafen trzeba chyba niemało zain­we­sto­wać?

Duże inwe­sty­cje zaczy­nają się w momencie wdro­że­nia. Mniejsze w procesie badaw­czym służącym opra­co­wa­niu produktu. W każdym przy­padku trzeba poświę­cić czas i pie­nią­dze. Szcze­gól­nie, że są to tech­no­lo­gie wyso­kiego ryzyka. Duże polskie firmy nie są skłonne do inwe­sto­wa­nia w badania, co jest pro­ble­mem znacznie wykra­cza­ją­cym poza temat grafenu.

Muszę w końcu zapytać o ITME. Widzia­łem co najmniej kilka arty­ku­łów pra­so­wych twier­dzą­cych wręcz, że placówka znajduje się na krawędzi. Rze­czy­wi­ście mamy kryzys? Jeśli tak, to co stanowi główne źródło pro­ble­mów?

To już pytanie do byłej i obecnej dyrekcji ITME, ewen­tu­al­nie zwierzch­nika Insty­tutu, czyli Ministra Rozwoju. Skoro są artykuły prasowe to może i tam można znaleźć wyja­śnie­nia lub spe­ku­la­cje.

A jak teraz wygląda teraz państwa sytuacja, nadal jest Pan jakoś związany z Insty­tu­tem? Jeden z wielkich portali doniósł niedawno, że został Pan “odsu­nięty na boczny tor”.

Od 1 grudnia nie jestem już zatrud­niony w ITME, jednak świat poza ITME nie jest „bocznym torem”. Na razie nie narzekam na brak zajęć i nadal jestem zaan­ga­żo­wany w badania związane z grafenem i innymi mate­ria­łami 2D.

Zdolny człowiek zawsze znajdzie sobie miejsce. W takim razie, skąd powin­ni­śmy nasłu­chi­wać wieści o pańskich przy­szłych suk­ce­sach? 🙂

Mam nadzieję, że głównie z polskich insty­tu­cji, ale pewnie też i z zagra­nicz­nych.

Oczy­wi­ście życzę aby tak było i dziękuję za rozmowę.

Z Wło­dzi­mie­rzem Stru­piń­skim roz­ma­wiał
Adam Adamczyk