Dokąd zmierzasz grafenie? Rozmowa z Włodzimierzem Strupińskim

Kiedy cały kraj optymistycznie liczył na polski grafen – przekornie przybrałem postawę wyczekującą. Teraz gdy grafenowy szał uległ ostudzeniu, z czystym sumieniem poprosiłem o rozmowę jednego z największych znawców tematu – 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”). Polski grafen musiał najpierw opuścić laboratorium żeby udowodnić, że w naszym kraju 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 cena 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 grafenu 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.

Metoda uzyskiwania grafenu
Prototypowa metoda uzyskiwania grafenu polegała na ściąganiu warstw węgla za pomocą… taśmy klejącej.

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.

Struktura grafenu

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.

Płytka polskiego grafenu

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

Hej! Tu jest pomarańczowa ziemia! 5 rzeczy, które powinieneś wiedzieć o kosmicznych neutrinach LIGO-Virgo i fale grawitacyjne – rozmowa z Adamem Kutynią