Grafen: Kljub izjemnosti ne bo zdravilo za vse težave človeštva

Grafen velja za enega najbolj vznemirljivih materialov tega tisočletja. Zlasti od podelitve Nobelove nagrade leta 2010 za njegovo sintezo in karakterizacijo vzbuja izredno zanimanje tako med fiziki in kemiki kot med inženirji, ki snujejo nove aplikacije na področju elektronskih naprav.

O listih ogljikovih atomov, ki so razporejeni v pravilnih šesterokotnih strukturah, katerih debelina ne presega enega samega atoma, smo se pogovarjali s prof. dr. Gvidom Bratino, prorektorjem Univerze v Novi Gorici za raziskave in vodjo skupine, ki se posveča raziskavam grafena.

Katere lastnosti grafena so vas kot znanstvenika in raziskovalca najbolj navdušile?

Ključna lastnost grafena je, da je dvodimenzionalni material, se pravi, da debelino merimo v atomih. Zaradi visoke urejenosti atomov v eni sami ravnini se elektroni, nosilci električnega naboja, drugače obnašajo kot v kovini, v kosu bakra ali silicija. Grafen izkazuje neobičajno hiter prenos električnega naboja in relativno odpornost proti zunanjim vplivom. To je, vsaj za nas na Univerzi v Novi Gorici, njegova najbolj zanimiva lastnost. Ima pa ta material še druge čudovite lastnosti, kot sta izjemna gibkost in trdnost.

Menda bi potrebovali maso slona, skoncentrirano na konici svinčnika, da bi predrli membrano grafena. Po drugi strani pa je to izjemno tanek material, saj je, kot pravite, vsaka njegova plast debela le en atom.

Izjemna trdnost grafena izvira iz ogljikovih vezi. Ogljik nastopa kot grafit, denimo v grafitnih svinčnikih, ogljik pa nastopa tudi kot diamant. Vemo, da je diamant eden najtrših materialov, kar jih poznamo. Ta trdnost je posledica prav zelo močnih vezi med ogljikovimi atomi. Razlika med diamantom in grafitom je v tem, da ima diamant ogljikove atome razporejene v treh dimenzijah in da imamo v vseh treh dimenzijah močno usmerjene atomske vezi, medtem ko so pri grafitu te vezi močne le v ravnini. Med posameznimi ravninami, na katerih so razporejeni ogljikovi atomi, pa so vezi razmeroma šibke. To je tudi razlog, zakaj lahko pišemo z grafitnim svinčnikom. Ko pritiskamo s svinčnikom na papir, trgamo vezi med posameznimi ravninami, kjer imamo ogljikove atome. Ravnine same so izjemno močne.

Grafen naj bi uporabljali v različnih napravah, od kondenzatorjev za shranjevanje energije do raznih senzorjev, največ raziskav pa se osredotoča na izboljšanje računalniških čipov, ki trenutno temeljijo na siliciju. Revija Science je že napovedala, da bo grafen povsem izpodrinil silicij. Verjamete?

Grafen se množično ne uporablja še nikjer. Opravljenih je bila kopica raziskav, ki nakazujejo možnosti njegove uporabe, a komercialnega produkta, ki vsebuje grafen, za zdaj še ni. Ali bo grafen izpodrinil silicij, je težko napovedati. Če se bo to zgodilo, bomo za kaj takega potrebovali še precej časa. V tem času se bo tudi pokazalo, ali bi bilo mogoče izdelati dovolj kakovosten grafen in v dovolj velikih količinah. Menim, da je treba s takšnimi napovedmi zato še nekoliko počakati. Je pa res, da laboratorijski poskusi nakazujejo široko paleto uporabe grafena. Možnosti so od visokofrekvenčnih tranzistorjev do sončnih celic. Prav pri mikroprocesorjih se mi zdi uporaba grafena pravzaprav še najbolj oddaljena, saj ima grafen kot polprevodnik razmeroma ozko energijsko špranjo, kar otežuje izdelavo učinkovitih elektronskih stikal, ki so osnova vsakega mikroprocesorja.

Menite, da bo grafen tudi komercialno uspešen?

Vse je pravzaprav odvisno od tega, ali bo razvita metoda za proizvodnjo visokokakovostnega grafena v dovolj velikih količinah. Trenutno smo priče precej intenzivnim raziskavam na tem področju. Še zlasti v Aziji in ZDA nekatera podjetja že izdelujejo grafenske trakove, katerih dolžina se meri v metrih. Vendar je njihova kakovost s stališča urejenosti kristalografskih napak takšna, da ne omogoča uporabe v mikroelektroniki. Je pa verjetno tak grafen primeren za uporabo v manj zahtevnih napravah, kot so pametna stekla.

Zamisli za uporabo grafena je torej cel kup, še vedno pa nismo dočakali nobenega delujočega izdelka iz tega materiala. Zakaj ne?

Smo v fazi razvoja, ko je precej osnovnih lastnosti grafena že raziskanih, zlasti o tem, kako se širi električni naboj v takšnem materialu, s katerimi materiali se najbolje povezuje in podobno. Zdaj bo treba ta dognanja spraviti v industrijo. Prav ta preskok pa je včasih izredno težaven in dolgotrajen. Ni namreč dovolj pokazati, da je tranzistor mogoče narediti v laboratoriju, ampak morate zadevo razviti do te stopnje, da boste lahko naredili milijon tranzistorjev na uro.

Evropska komisija je pred kratkim zagotovila kar milijardo evrov za hitrejši razvoj grafena.

Odločitev je bila zelo pogumna. Mnogi smo bili prijetno presenečeni. To bo zagotovo dalo izjemen zagon nadaljnjim raziskavam na tem področju.

Kateri del Evrope bo po vašem mnenju postal nova grafenska dolina?

Nehvaležno je napovedovati, kje bi jo geografsko locirali. Lahko pa navedemo nekaj centrov, ki so že zdaj zelo močni, recimo v Veliki Britaniji, Španiji ter v Italiji in Nemčiji.

Že konec lanskega leta se je začelo srdito globalno tekmovanje, kako čim prej s patenti zaščititi odkritja o grafenu. Se lahko Evropa na tem področju kosa s preostalim svetom?

Od objave prvega znanstvenega članka o grafenu je minilo približno osem let. Na področju raziskav je zadeva še precej mlada. Lahko bi rekli, da imamo vsi bolj ali manj enake možnosti in da smo vsi na isti štartni črti. Ali bo Evropa prehitela druge države? Recimo, da možnosti imamo. Navsezadnje je do odkritja grafena prišlo prav v Evropi, verjetno je tu tudi največ skupin, ki ga proučujejo. Možnosti torej so.

Bi morali grafenu najprej znižati ceno, da bi lahko v prihodnje postal tudi komercialno zanimiv?

Seveda. To je pravzaprav ključna naloga vseh tistih, ki se ukvarjajo s prenosom dosežkov iz akademske sfere v industrijo, torej razviti metodo, s katero bo mogoče ustvariti razmeroma poceni in dovolj kakovosten material. Pri tem ni pomembno le, da imamo dovolj denarja, prav tako so pomembne ideje. Sicer pa ne vidim razloga, da bi se Slovenija počutila nezmožno prispevati nekaj k temu razvoju.

Je idej dovolj?

Menim, da jih ni nikoli dovolj. Ideje so bistvene. Če imamo idejo, je denar najbrž laže dobiti. Problem nastane, če idej ni.

Znanstveniki so nedavno dokazali, da lahko grafen uporabljamo celo za razsoljevanje vode. Razsoljevanje vode je razmeroma drag postopek, ki ga trenutno uporabljajo le bogate države brez zadostnih virov sladke vode. Se bo tudi na tem področju v prihodnje kaj spremenilo?

Profesor Jose Matin Gago iz CSIS v Madridu je na naši konferenci grafen duhovito primerjal z aspirinom, ki mu ga je njegova babica dala vsakič, ko se je slabo počutil. Tako danes človek včasih kar dobi občutek, da bo grafen zdravilo za vse težave človeštva. To seveda ne bo res. Laboratorijski poskusi so eno – razsoljevanje morske vode tam očitno deluje – vse pa je odvisno od tega, ali bomo, ko pridemo iz laboratorija v realnost, to sposobni narediti v dovolj velikih količinah.

Ste skeptik?

Sem realistični optimist. Idej za uporabo grafena je precej. Če beremo znanstveno literaturo, so vse te raziskave, opisane v člankih, izjemno natančno in dobro pripravljene, tako da se gradi baza znanja, ki je zelo dragocena. Kako nam bo vse to uspelo prenesti v prakso, pa je drugo vprašanje, ki ni povezano samo z znanstveniki v laboratorijih. Tu so namreč še politika, industrija in uporabniki.

V kolikšnem času bi lahko prišli do prvih uporabnih stvari iz grafena?

Prve uporabne stvari iz grafena so tik pred zdajci. Samsung že kakšno leto obljublja, da bodo imeli na mobilnih telefonih grafenske zaslone. Do tega ni več daleč.

Že veste, kakšna bo njihova cena?

To je nemogoče napovedati. Cena je le šibko povezana s stroški izdelave.

Je množična proizvodnja izdelkov iz grafena trenutno še znanstvena fantastika?

Menim, da ne. Če bomo dobili prve zaslone mobilnih telefonov iz grafena, ki bodo narejeni iz malce manj kakovostnega grafena, to ni znanstvena fantastika.

Kje pa bo po vašem mnenju Slovenija v prihodnje na grafenskem zemljevidu sveta?

To je odvisno od Slovenije. Če se bo odločila, da bo v to tekmo vstopila, ima vse možnosti, da se dobro izkaže. Naša znanost je v preteklosti že dokazala, da lahko dosegamo vrhunske rezultate. Če se država odloči, da je grafen zanjo strateškega pomena, mora v to področje seveda vlagati več kot v druga. Evropska komisija se je odločila, da je grafen v prihodnjih desetih letih strateški material za Evropo, Slovenija pa ima priložnost, da se temu poslanstvu pridruži.