Australijscy badacze pokazali, iż odpad po orzeszkach ziemnych można w kilka minut zamienić w wysokiej jakości grafen. Nowa metoda jest tańsza, mniej energochłonna i nie wymaga chemikaliów.
Przez lata grafen uchodził za materiał rodem z laboratoriów wielkich koncernów: drogi, wymagający skomplikowanych instalacji i agresywnej chemii. Tymczasem zespół inżynierów z UNSW Sydney pokazał, iż wystarczą skorupki po orzeszkach ziemnych, piec, trochę prądu i sprytne podejście do przetwarzania odpadów. Z tej pozornie mało poważnej kombinacji powstał grafen, który nadaje się do zastosowań w elektronice i magazynowaniu energii.
Ultracienka siatka z atomów, która dosłownie buduje współczesną technologię
Grafen to pojedyncza warstwa atomów węgla ułożonych w sześciokątną sieć krystaliczną przypominającą plaster miodu. Ma grubość jednego atomu, a mimo to jest wielokrotnie wytrzymalszy od stali, bardzo dobrze przewodzi prąd i ciepło oraz przepuszcza większość światła, dlatego uznaje się go za materiał o wyjątkowej kombinacji adekwatności.
Ta niezwykła mieszanka sprawia, iż grafen kusi twórców niemal wszystkiego: od elastycznych ekranów, przez elektrody w akumulatorach i superkondensatorach, po czujniki medyczne i materiały kompozytowe do lotnictwa. Problem jednak w tym, iż wytwarzanie grafenu na skalę przemysłową zwykle wiąże się z wysoką temperaturą, skomplikowaną aparaturą i dużym zużyciem energii albo z chemią, która zostawia po sobie sporo odpadów.
Konwencjonalne metody, takie jak osadzanie z fazy gazowej na metalach (CVD) czy chemiczne rozwarstwianie grafitu, są dobre do badań i specjalistycznych urządzeń, ale gorzej sprawdzają się, gdy mowa o tonach materiału potrzebnych do taniej elektroniki użytkowej. To właśnie w tym miejscu do gry wchodzą orzeszki.
Co łączy skorupki orzeszków i elektronikę przyszłości?
Skorupka orzeszka ziemnego kojarzy nam się raczej z bałaganem po seansie filmowym niż ze szczytem nanotechnologii. Dla inżynierów materiałowych ważne jest jednak coś innego, a mianowicie skład chemiczny. W łupinach znajduje się dużo ligniny – złożonego, naturalnego polimeru, który spaja struktury roślinne i jest bogaty w węgiel.
Lignina to obok celulozy jedna z głównych substancji budujących ściany komórkowe roślin. Można ją traktować jak swoistą zbroję rośliny – usztywnia tkanki, pozwala rosnąć w górę, a przy okazji stanowi doskonałe źródło węgla, jeżeli ktoś potrafi ją odpowiednio przepalić.
Szacunki wskazują, iż na świecie powstaje rocznie około 55 mln ton upraw orzeszków ziemnych. Po zebraniu plonu do spożycia zostają tony łupin, które lądują na wysypiskach, są spalane albo trafiają do zastosowań o niskiej wartości, jak tanie paliwa czy dodatki paszowe. Z punktu widzenia obiegu surowców to marnowanie cennego, węglowego szkicu przyszłego materiału.
Najpierw piec, potem błysk prądu
No dobra, ale jak to działa? Naukowcy zaczynają od mechanicznego rozdrobnienia suchych skorupek na drobny proszek. To ważne, bo im mniejsze ziarna, tym bardziej jednorodnie da się je później podgrzać i przewodzić przez nie prąd. Następnie taki proszek trafia do pieca na krótką obróbkę termiczną.
W pierwszym etapie materiał jest ogrzewany do około 500 st. C przez kilka minut. W takich warunkach lotne związki, woda, część tlenu i wodoru opuszczają strukturę, a w pozostałości rośnie udział węgla. Mówiąc obrazowo, z porowatej, organicznej gąbki pozostaje ciemny, węglowy szkielet.
Najważniejszy moment przychodzi jednak w kolejnym kroku. Tak przygotowany surowiec poddawany błyskawicznemy nagrzewaniu prądem, w którym przez materiał przepływa bardzo silny impuls elektryczny. W ciągu kilku milisekund temperatura skacze choćby do około 3 000 st. C. W tak ekstremalnych warunkach atomy węgla rearanżują się, tworząc uporządkowaną, warstwową strukturę charakterystyczną dla grafenu.
Może i z zewnątrz wygląda to mało spektakularnie. Ot kilka elektrod, niewielkie ilości proszku, przebłysk światła. W skali atomowej zachodzi jednak coś na kształt błyskawicznej przebudowy – przypadkowe fragmenty ligniny i innych składników stopniowo przechodzą w niemal idealną sieć grafenową.
Ta metoda jest o wiele czystsza, niż wcześniejsze przepisy na grafen
W tradycyjnych technologiach produkcji grafenu często wykorzystuje się dodatkowe surowce, takie jak sadza przemysłowa powstająca głównie z paliw kopalnych. Do tego dochodzą rozpuszczalniki, kwasy i inne reagenty, które podnoszą koszty i zostawiają po sobie chemiczne odpady.
W zaproponowanym przez naukowców podejściu przepis jest zdecydowanie prostszy. Źródłem węgla są wyłącznie skorupki, a cała sprowadza się jedynie do dwóch etapów nagrzewania – konwencjonalnego oraz błyskowego, bez dodawania zewnętrznych chemikaliów. Ogranicza to liczbę etapów technologicznych i upraszcza oczyszczanie produktu.
Zespół obliczył, iż energia potrzebna do wyprodukowania 1 kg grafenu tą metodą kosztowałaby w przybliżeniu około 1,3 dol. W porównaniu z cenami komercyjnego grafenu, liczonymi często w dziesiątkach czy setkach dolarów za kilogram, to znaczący krok w kierunku uczynienia tego materiału surowcem masowym, a nie tylko egzotycznym dodatkiem do najdroższej elektroniki.
Ważna jest tu także jakość. Badacze zwracają uwagę, iż odpowiednie przygotowanie surowca przed błyskiem prądu pozwala zminimalizować defekty w powstającym materiale. Mniej defektów oznacza lepsze przewodnictwo elektryczne i cieplne oraz większą wytrzymałość mechaniczną, a więc parametry, których przemysł najbardziej oczekuje od grafenu.
Ile nas dzieli od grafenu z przekąsek?
Na razie naukowcy produkują grafen ze skorupek jedynie w ilościach typowych dla badań – od gramów do niewielkich partii większych próbek. Z ich szacunków wynika jednak, iż samo skalowanie procesu nie powinno być tu większą przeszkodą. Cały cykl trwa około 10 minut, a niezbędny sprzęt można budować modułowo, powielając linie produkcyjne zamiast projektować pojedyncze, gigantyczne instalacje.
Zespół szacuje, iż przy dalszym dopracowaniu technologii komercyjne wdrożenie może być możliwe zaledwie w ciągu kilku lat. Najbardziej oczywiste zastosowania to domieszki grafenu do elektrod w bateriach i superkondensatorach, przewodzące dodatki do tworzyw sztucznych oraz cienkie powłoki przewodzące, np. na elastycznych podłożach. Tam wysoka przewodność i mechaniczna wytrzymałość grafenu są szczególnie pożądane, a koszty materiału są bardzo ważne.
Jeżeli obietnice dotyczące niskiego zużycia energii i braku chemikaliów potwierdzą się w skali przemysłowej, grafen z odpadów roślinnych może stać się jednym z najbardziej zielonych zaawansowanych materiałów na rynku.
