Cudowny węgiel z Polski

MICHAŁ MATYS
opublikowano: 27-01-2013, 08:00

Grafen, materiał przyszłości, może zmienić naszą cywilizację. Polscy naukowcy wiedzą, jak go produkować. Na razie państwo nie potrafi wykorzystać naszej wielkiej szansy

Tekst ukazał się w 8 numerze miesięcznika PB Weekend

Błękitna kartka papieru leży na stoliku obok śpiącej dziewczyny. Nagle kartka zaczyna piszczeć i zamienia się w budzik. Dziewczyna wstaje. Zgina kartkę na kilka części, owija wokół nadgarstka i wychodzi z zegarkiem na ręku. W drodze do pracy ponownie ją rozkłada i nalepia na przednią szybę auta. Kartka staje się GPS-em z dużym ekranem — pokazuje, jakimi ulicami jechać, by ominąć korki. Dziewczyna używa jej jeszcze jako karty kredytowej, telefonu, komputera i podręcznego telewizora. To film reklamowy, który pokazuje, co można zbudować z grafenu — cudownego materiału przyszłości. Film nakręciła koreańska firma, która prowadzi nad nim badania.

Grafen jest super cienki, lekki i elastyczny. Kilkaset razy bardziej odporny od stali, przewodzi prąd lepiej od miedzi i w dodatku przepuszcza światło. Może zastąpić krzem w komputerach, które staną się szybsze, mniejsze i bardziej pojemne. Może to zmienić naszą cywilizację. Ale jest trudny do wyprodukowania — grafen to pojedyncza warstwa atomów węgla. Naukowcy z całego świata ścigają się, kto pierwszy wymyśli technologię produkcji, która wejdzie do powszechnego użytkowania. Być może to już się udało Polakom.

Na początku był przylepiec

O istnieniu cudownego materiału — grafenu — naukowcy mówili od dawna. Nazywali go „cienką warstwą węgla”. Ale większość z nich uważała, że nie da się go wyprodukować. W 2004 r. rosyjscy fizycy pracujący na Uniwersytecie w Manchesterze: Andriej Gejm i Konstantin Nowosiołow udowodnili, że jest to możliwe. Zrobili prosty eksperyment. Użyli samoprzylepnej taśmy, którą przykleili do pręcika grafitu ze zwykłego ołówka. Po oderwaniu na taśmie pozostały płatki pojedynczej warstwy atomów węgla, czyli grafen.

Zbadali go i opisali. Sześć lat później, jesienią 2010 r., Królewska Szwedzka Akademia Nauk przyznała Rosjanom Nagrodę Nobla. O grafenie zrobiło się głośno. Wkrótce potem dziennikarze niespodziewanie odkryli, że w Polsce jest ktoś, kto wyprzedził Rosjan. Dr inż. Włodzimierz Strupiński z Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych (ITME) w Warszawie wymyślił, jak produkować grafen na masową skalę. Zaczął nad tym pracować w 2007 r.

— Odkrycie Rosjan było proste, ale przełomowe. Tak samo jak patent Singera, który wymyślił dziurkę przy czubku igły i dzięki temu można było zbudować maszynę do szycia — mówi Strupiński.

Instytut, w którym pracował, akurat kupił maszynę do wytwarzania płytek krzemu, z których buduje się układy scalone i procesory w komputerach. Stosuje się w niej tzw. metodę epitaksji — osadza się kolejne warstwy pierwiastka na podłożu z węgliku krzemu. Strupiński wpadł na pomysł, by dokładnie w taki sam sposób wytworzyć bardzo cienką warstwę węgla — czyli grafen.

— Zachęcili mnie do tego koledzy z wydziału fizyki Uniwersytetu Warszawskiego: prof. Jacek Baranowski i prof. Andrzej Wysmołek — mówi skromnie. Sukces osiągnął po trzech latach prób i doświadczeń. W maju 2010 r. zgłosił patent na produkcję grafenu i wywołał poruszenie wśród naukowców na całym świecie.

Instytut robi buraczki

Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych przypomina wielką fabrykę. Powstał na przełomie epok Gierka i Jaruzelskiego na obrzeżach Warszawy, niedaleko cmentarza na Wólce Węglowej. Na wielu hektarach zbudowano hale z płyt z tworzywa sztucznego, aluminium i szkła. W latach 80. w instytucie zebrał się na specjalnym posiedzeniu rząd. Obradował pod przewodnictwem generała Wojciecha Jaruzelskiego nad elektronizacją kraju.

— Instytut produkował świecące czerwone diody dla wszystkich krajów Bloku Wschodniego. Robił je we współpracy z Fabryką Półprzewodników Tewa. Produkcja skończyła się, bo w latach 90. rynek zalały tanie chińskie diody — opowiada Strupiński, który pracuje w instytucie od 30 lat.

Po tamtych czasach pozostała wielka portiernia z rzędami bramek do odbijania kart wejściowych przez pracowników. Dziś instytut otrzymuje z budżetu zaledwie 30 proc. pieniędzy, których potrzebuje. Resztę musi zdobyć sam.

To dotacje na konkretne projekty badawcze lub to, co zarobi na sprzedaży usług i produktów. Instytut najczęściej je eksportuje. To materiały do dalszych badań, które prowadzą ośrodki naukowe na całym świecie na zlecenie przemysłu elektronicznego.

— Zwracają się do nas z zamówieniami ośrodki naukowe wielkich koncernów, np. japońskich, które znamy ze sklepów RTV. Jesteśmy dla nich pierwszym ogniwem badawczym. Sprawdzamy czy coś jest możliwe, produkujemy w małych seriach. Na tej podstawie oni podejmują decyzje, czy wdrażać to u siebie — tłumaczy Strupiński. To, co eksportuje instytut, wraca do Polski do sklepów w gotowych urządzeniach.

Dr Włodzimierz Strupiński (od lewej) i prof. dr hab. Jacek Baranowski stworzyli technologię produkcji grafenu, materiału, z którego już niedługo będzie zbudowanych wiele urządzeń codziennego użytku.

— To tak, jakbyśmy sprzedawali buraczki, a dostawali barszcz w kartoniku. Niestety w elektronice jesteśmy na poziomie surowcowym — wyjaśnia Strupiński. W 2007 r. badania nad grafenem instytut zaczął finansować z własnych pieniędzy. Państwo dało mu jedynie 500 tys. zł na opłacenie zgłoszenia patentu w najważniejszych krajach na świecie. — Przemysł elektroniczny nie finansuje nas, bo w Polsce go po prostu nie ma — mówi Strupiński.

Dr Strupiński na okręcie flagowym

— Wytworzony przez nas grafen ma doskonałą jakość i właściwości. Nasza metoda wytwarzania ma szanse, by wejść do użycia na masową skalę — przewiduje Strupiński. Użycie jej w przemyśle elektronicznym będzie łatwe. Dlatego, że ta sama metoda już jest stosowana do produkcji płytek krzemu, z których wytwarza się niemal wszystko. Koncerny na świecie będą więc mogły szybko przestawić się na grafen. Mają potrzebne do produkcji urządzenia.

Naukowcy na świecie zgodnie twierdzą, że komputery, w których wykorzystuje się krzem, już niedługo osiągną kres możliwości — nie da się ich dalej unowocześniać (w krzemowym układzie scalonym nie można w nieskończoność zwiększać liczby tranzystorów). Dlatego zaczęły się poszukiwania materiału, którym można byłoby zastąpić krzem. Być może będzie to właśnie grafen. Komputery mogłyby stać się mniejsze, działać szybciej i mieć większą pojemność.

— Coś o powierzchni boiska piłkarskiego można byłoby zwinąć do rozmiaru główki od szpilki. Grafen jest przecież dwuwymiarowy, to pojedyncza warstwa atomów wegla — porównuje prof. dr hab. Jacek Baranowski z Instytutu Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego, który współpracuje z dr Strupińskim. Aby jednak grafen się upowszechnił, powinien być nie tylko lepszy, ale też tańszy niż dotąd stosowane materiały np. krzem.

— W Europie rozważa się wielki projekt badań nad zastosowaniem grafenu. Ma być priorytetowym przedsięwzięciem Unii, tzw. flagship, czyli okrętem flagowym. Chodzi o to, by Europa stała się kontynentem z wiodącymi na świecie ośrodkami nowych technologii — mówi prof. Baranowski. Jeśli projekt zostanie uruchomiony, Unia Europejska przez 10 lat będzie przeznaczałana badania nad grafenem 100 mln euro rocznie.

— Unijni koordynatorzy, wśród których są nobliści, poprosili mnie o wpisanie naszej metody wytwarzania grafenu jako osobnego paragrafu w planowanym projekcie europejskim — opowiada dr Strupiński. Dlatego jeśli projekt ruszy, instytut będzie mógł kontynuować prace nad grafenem.

Jeż z Korei wygrywa

Na świecie już rozpoczął się wyścig. Ten, komu uda się pierwszemu znaleźć i opracować komercyjne zastosowanie grafenu, zarobi najwięcej i spije śmietankę.

— Grafen jest atrakcyjny dla biznesu, który liczy na duże zyski i dla naukowców, którym daje poczucie, że odkrywają coś nieznanego. Może mieć wiele zastosowań. Na tym polega jego niezwykłość. Zrewolucjonizuje wiele dziedzin — uważa prof. Baranowski. Spodziewa się, że elektronika nie będzie pierwszą dziedziną, w której grafen znajdzie masowe zastosowanie.

— Rozwój elektroniki krzemowej zajął niemal 60 lat. Dominacja krzemu jest ogromna. Przez parę lat nie nastąpi całkowita zmiana — sądzi prof. Baranowski.

— Stanie się to jednak znacznie szybciej niż w przypadku krzemu. Mamy rozwinięte technologie i możliwości badań, o jakich jeszcze niedawno nam się nie śniło — przewiduje dr Strupiński. Wszystko okaże się w najbliższej dekadzie.

— Każdego dnia na świecie ukazuje się średnio 10-15 nowych publikacji badań nad grafenem — mówi Strupiński.

Na czoło wyścigu wysunęli się Koreańczycy. Samsung, jeden z największych koncernów elektronicznych świata, wydał na badania 100 mln dolarów. Tygodnik naukowy „Nature” opublikował zestawienie kilkuset patentów dotyczących grafenu, zgłoszonych przez ośrodki naukowe, które sponsoruje Samsung. Na rysunkowym wykresie wygląda to jak jeżyk.

— Koreańczycy rozpoczynają właśnie budowę linii produkcyjnej ekranów dotykowych z grafenu do smartfonów i tabletów — twierdzi dr Strupiński. Można w nich wykorzystać odporność grafenu. Aby przebić grafenową folię o grubości zwykłej folii spożywczej, trzeba byłoby na zaostrzonym ołówku ustawić słonia.

— Samsung zbudował także pierwszy na świecie elastyczny tranzystor na folii polimerowej. Można go wyginać, zwijać czy nawet owijać wokół palca, a on pracuje bez zarzutu — informuje Strupiński.

Z Koreańczykami rywalizują Amerykanie — tranzystor z grafenu skonstruował też IBM. Inna amerykańska firma wprowadza właśnie na rynek grafenowy atrament, który można użyć zamiast kodów kreskowych do oznakowania towarów w sklepach. Wiele krajów ogłosiło rządowe programy grafenowe. Niemcy przeznaczyły na to 30 mln euro (niezależnie od tego badania finansuje Siemens), a Wielka Brytania — 50 mln funtów (trafią głównie do Manchesteru, w którym pracują nobliści).

Tymczasem w Polsce upłynęły prawie dwa lata od opracowania technologii produkcji grafenu, ale państwo nie dało Strupińskiemu i instytutowi, w którym pracuje, ani złotówki na badania. Mógł je kontynuować głównie dzięki unijnym dotacjom — dostał 4 mln zł. — To smutne, świat odjeżdża, a my nic nie możemy zrobić — mówi prof. Baranowski.

Sen o dolinie

Prof. Baranowski nie ma złudzeń: to nie Polacy najwięcej zarobią na grafenie. — Najlepsze kąski wezmą Koreańczycy. My osiągniemy sukces, jeśli znajdziemy swoją niszę — mówi. Uważa, że to możliwe.

— Pierwszy raz zdarzyło mi się, że po opublikowaniu wyników badań naukowych zaczęły dzwonić firmy, które są nimi zainteresowane — opowiada prof. Baranowski.

Zadzwonił też szef rządowej Agencji Rozwoju Przemysłu. Zapowiedział, że agencja jest gotowa zainwestować w polski grafen. Ale musi wymyślić taki produkt z grafenu, który mógłby podbić rynek. Rządowa agencja zajmowała się dotąd „sprzątaniem” po zbankrutowanych fabrykach, które przeżywały prosperitę w komunizmie. Los sprawił, że ma siedzibę w stolicy na terenie dawnej fabryki półprzewodników, która w PRL współpracowała z instytutem, w którym obecnie pracuje się nad grafenem.

­— Stopniowo zmieniamy strategię, a grafen doskonale się w to wpisuje. Szukamy dziedzin zaawansowanych technologicznie, w których można wykorzystać polską myśl techniczną. Chcemy przyciągnąć inwestorów z zagranicy i zapewnić w Polsce trwałe inwestycje w produkcję wykorzystującą grafen — mówi Wojciech Dąbrowski, szef Agencji Rozwoju Przemysłu. Jeden z największych sukcesów agencji to przyciągnięcie inwestorów do upadających zakładów między Mielcem a Rzeszowem. Powstała tam Dolina Lotnicza, w której blisko setka firm produkuje części do najnowocześniejszych samolotów.

— Dziesięć lat temu nikt w Polsce nie wyobrażał sobie, że powstanie Dolina Lotnicza. To były marzenia, które się spełniły. Dlaczego nie mamy mieć Grafenowej Doliny? — pyta Wojciech Dąbrowski.

— Jeszcze nie wiem jaki będzie poziom inwestycji. Wszystko będzie zależało od prawdopodobieństwa sukcesu — dodaje. Pod koniec ubiegłego roku agencja powołała specjalną spółkę — Nanocarbon, która ma zająć się wyborem dziedziny i produktu, w których zastosowanie grafenu będzie najbardziej opłacalne. Następnie ta sama spółka ma znaleźć inwestorów i do końca 2012 r. stworzyć konsorcjum, które rozpocznie produkcję.

Trwają już rozważania co wyprodukować. Może tworzywo kompozytowe, w którym grafen byłby jednym z dwóch lub więcej składników. Taki kompozyt byłby lekki i wytrzymały — doskonały do budowy samolotów. A może super pojemne kondensatory dla aut elektrycznych i hybrydowych (o napędzie elektrycznym i spalinowym). Grafenowe okładki takiego kondensatora mogłyby mieć gigantyczną powierzchnię, bo bardzo cienki grafen po zwinięciu zająłby niewiele miejsca. A to dałoby dużą pojemność. Z tego samego powodu w grę wchodzą grafenowe panele słoneczne.

— Liczba zastosowań grafenu jest ogromna. Ryzyko możemy rozłożyć inwestując w kilka przedsięwzięć — wyjaśnia Zbigniew Mularzuk, szef Nanocarbonu. Prezes Dąbrowski zapewnia, że już zaczęły się rozmowy z poważnymi inwestorami z zagranicy.

Może jeszcze się uda

Pod koniec ubiegłego roku pojawiła się kolejna szansa na to, że znajdą się pieniądze na grafen. Narodowe Centrum Badań i Rozwoju zapowiedziało program wsparcia dla tych, którzy chcą zastosować grafen w nowych produktach. Chce wybrać 12-20 najbardziej obiecujących projektów i je wesprzeć. Każdy może dostać maksymalnie 5 mln zł.

Trochę jeszcze potrwa, zanim program wejdzie w życie, bo na początku 2012 r. mają być przyjmowane pierwsze wnioski. A cały program wart 60 mln zł przewidziano na cztery lata — do 2015 r. W porównaniu z innymi krajami to nie jest wiele. Dr Strupiński szacuje, że na badania w samym tylko Instytucie Technologii Materiałów Elektronicznych, na najbliższe trzy, cztery lata, potrzeba 20 mln zł, z czego połowę na inwestycje w nowe urządzenia.

— Świat poszedł do przodu. Dwa lata temu byliśmy na czele stawki, mogliśmy wręcz dyktować warunki. Teraz musimy nadrabiać stracony czas. Mam nadzieję, że to się nam uda — wierzy dr Strupiński. Prof. Baranowski liczy na to, że uda się zakupić nowe urządzenia i produkować grafen o większej niż dotąd powierzchni. — Wytwarzamy płatki o średnicy dwóch cali, a moglibyśmy o powierzchni mniej więcej kartki papieru — zapewnia. Prof. Baranowski uważa, że dzięki patentowi na produkcję grafenu Polska ma wciąż dobrą pozycję startową.

Mówi: — Gonienie świata w elektronice krzemowej to beznadziejna sprawa. Ten pociąg już dawno odjechał. Mam nadzieję, że z grafenem historia się nie powtórzy. &

 

Grafen

to pojedyncza warstwa atomów węgla. Jedyny znany w przyrodzie dwuwymiarowy materiał. Jest super cienki, lekki, elastyczny i przezroczysty. Prawie niezniszczalny, doskonale przewodzi prąd.

© ℗
Rozpowszechnianie niniejszego artykułu możliwe jest tylko i wyłącznie zgodnie z postanowieniami „Regulaminu korzystania z artykułów prasowych” i po wcześniejszym uiszczeniu należności, zgodnie z cennikiem.

Podpis: MICHAŁ MATYS

Być może zainteresuje Cię też:

Polecane

Inspiracje Pulsu Biznesu

Puls Biznesu

Puls Innowacji / Cudowny węgiel z Polski