Grafen, czyli z dużej chmury mały deszcz

• Strona główna
• Artykuły
• Grafen, czyli z dużej chmury mały deszcz

2019-12-19  / Autor: Dominik Wójcicki

Jeszcze kilka lat temu mówiło się, że Polska może stać się światowym, a jeśli nie, to na pewno europejskim centrum produkcji grafenu, zaś sam materiał zrewolucjonizować miał nieodległą przyszłość. Dzisiaj, choć prace nad grafenem wciąż trwają, ten optymizm zarówno co do naszej przyszłej roli, jak i niezwykłości samego materiału wydaje się być znacznie mniejszy.

Od publikacji o grafenie zapełniają się biblioteczne półki

Grafen wyobraźnią polskiej opinii publicznej zawładnął po raz pierwszy w 2011 r. Wtedy to Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych opracował metodę pozyskiwania dużych fragmentów tej substancji. Od tej pory w warszawskim ITME prowadzone są intensywne prace nad grafenem, których finałem ma być zastosowanie materiału w produktach komercyjnych z dziedziny elektroniki i inżynierii materiałowej oraz medycyny. Naukowcy z Instytutu mogą pochwalić się m.in. wysoką jakością badań, oryginalnymi opracowaniami, autorskimi metodami wytwarzania materiałów oraz nowymi zgłoszeniami patentowymi i publikacjami naukowymi. Niestety to wciąż o wiele za mało, by dokonała się przemysłowa rewolucja.

W laboratoriach ITME wytwarzane są dwa rodzaje grafenu. Pierwszy to grafen płatkowy, który to powstaje w trakcie chemicznej obróbki grafitu. Sam grafit zbudowany jest z połączonych ze sobą warstw węgla, tworzących strukturę grafenu. Pod wpływem reakcji chemicznych warstwy można porozdzielać, otrzymując w ten sposób niezwiązane z podłożem wkładki grafenowe. Drugi rodzaj powstającego w ITME wyrobu to grafen foliowy, uzyskiwany metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej na podłożach z miedzi, germanu, węgliku krzemu, z wykorzystaniem węglowodorów.

W ocenie naukowców, innowacyjny potencjał grafenu wynika z jego unikatowych właściwości. Materiał ten jest wytrzymały, elastyczny, transparentny oraz charakteryzuje się wysokim przewodnictwem cieplnym i elektrycznym. Może być wykorzystywany w kompozytach polimerowych, np. w gumach (wytrzymałe opony), elastycznej elektronice, a także do magazynowania energii w akumulatorach, stacjach ładowania pojazdów elektrycznych. Grafen ma też duże właściwości adsorpcyjne, dzięki czemu da się go radę używać choćby do usuwania zanieczyszczeń, odsalania i produkcji wody ultraczystej. Jednocześnie grafen płatkowy dysponuje potencjałem do wykorzystania w medycynie i biotechnologii. Materiał jest biozgodny, a zarazem bakterio- i grzybobójczy.

Równolegle z pracami teoretycznymi naukowcy z Instytutu pracują nad powiększeniem skali technologii wytwarzania grafenu płatkowego i jej wdrożeniem w skali pilotażowej. Władze ITME obiecują, że w perspektywie kilkunastu najbliższych miesięcy ich jednostka stanie się drugim najpoważniejszym producentem grafenu płatkowego w Europie i jednym ze światowych liderów w tej dziedzinie. W tym celu uruchomiona ma zostać w 2020 r. nowa linia produkcyjna o wydajności ponad stukrotnie wyższej niż aktualne możliwości produkcyjne Instytutu. Pieniądze na ten cel Instytut dostał od Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Wszystko to cieszy, ale tak naprawdę, o czym będzie mowa w dalszych partiach tekstu, jest nieco spóźnione.

Konsekwencją tych spóźnień jest fakt, że Instytut musiał zająć się także komercjalizacją grafenu, czyli opracowaniem rozwiązań dla biznesu, które chciałyby wykorzystywać omawiany materiał.

Największym zainteresowaniem przemysłu cieszy się stworzony w ITME hallotron. Jest to prawdopodobnie pierwszy na świecie wyrób elektroniczny, w którym grafen stanowi istotną część urządzenia. Hallotron grafenowy to czujnik pola magnetycznego, stosowany np. w silnikach spalinowych. Dzięki grafenowi polski czujnik ma być odporny na skrajne temperatury: mógłby więc działać i w ciekłym azocie, i w temperaturach rzędu 500⁰C. Kolejne opracowane w ITME zastosowania grafenu, to m.in. narzędzia skrawające, gumowe uszczelki z dodatkiem grafenu, smary grafenowe, materiały budowlane, pokrycia antykorozyjne, czy ciecze chłodzące.

Intensywne badania naukowe nad grafenem prowadzone są także w Politechnice Warszawskiej, która jako jedyna uczelnia wyższa w Polsce jest członkiem konsorcjum programu Graphene Flagship, czyli unijnej inicjatywy badawczej. Uczelnia współpracuje z partnerami naukowymi i przemysłowymi ze Szwecji, Wielkiej Brytanii, Austrii oraz Chin nad dalszym rozwojem technologii grafenu foliowego na węgliku krzemu dla zastosowań m.in. w technologiach 5G.

– W Politechnice Warszawskiej zostało powołane Laboratorium Grafenowe do wytwarzaniu nanomateriałów węglowych, ich charakteryzacji i poszukiwania nowych zastosowań, jak np. hybrydowe materiały fluorescencyjne i absorbery promieniowania podczerwonego, czy nawet tak egzotyczne rozwiązanie, jak opracowanie nowych żelkotów poliestrowych do wykorzystania w budowie jachtu nowej generacji Delphia Nano Solution. Jesteśmy również inicjatorem spółek spin-off, które pracują nad transferem technologii i aplikacji grafenowych do przemysłu oraz nad wdrożeniem do produkcji. Ponadto, wiele przedsiębiorstw współpracuje z PW w zakresie badań aplikacyjnych w ramach wspólnych projektów i umów bilateralnych. Prowadzone w Politechnice Warszawskiej prace nad grafenem obejmują dwa typy tego materiału, to jest grafen płatkowy oraz grafen foliowy. Uczelnia ma kilka linii technologicznych produkujących grafen płatkowy i to zarówno metodami chemicznymi na drodze utleniania i redukcji tlenku grafenu, jak i metodą tzw. bezpośredniej eksfoliacji w fazie płynnej. W minionym roku uruchomiono u nas nową metodę produkcji płatków grafenów, tanią, ekologiczną i łatwo skalowalną dla przemysłu. Obecnie PW jest w trakcie procesu patentowania tej nowej technologii – tłumaczy prof. Mariusz Zdrojek, szef grafenowej grupy badawczej na Wydziale Fizyki Politechniki Warszawskiej.

Jeśli do tego wszystkiego doliczyć np. jeszcze ogłoszony już w 2012 r. przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju program GRAF-TECH, jako pierwsze w Polsce podejście do systemowego wsparcia badań nad grafenem, to widać, że w obszarze badawczym poczyniono w ostatnich latach całkiem dużo. W ramach tego programu kwotą ponad 65 mln zł dofinansowano projekty 15 konsorcjów naukowo-przemysłowych.

Oprócz wspomnianych już ITME i Politechniki Warszawskiej pieniądze trafiły do takich jednostek, jak Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN, Instytut Odlewnictwa, Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN, Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów, Instytut Radioelektroniki, Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej, Instytut Przemysłu Skórzanego, Instytut Zaawansowanych Technik Wytwarzania, Uniwersytet Warszawski, Politechnika Łódzka, Politechnika Gdańska, Politechnika Wrocławska, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Akademia Górniczo Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie. Bez wątpienia GRAF-TECH przyczynił się do wzrostu zainteresowania pracami B+R nad wykorzystaniem grafenu, a z biegiem czasu do wymienionych ośrodków naukowych dołączyło kilkanaście kolejnych. Ta lista uczelni przytoczona została zaś nie dlatego, żeby znużyć czytających, ale by pokazać w ilu jednostkach naukowych w kraju zajmowano się od kilku lat grafenem. Efekty przemysłowe są zaś raczej skromne, nie licząc bogactwa literaturowego na omawiany temat.

Pokaz indolencji biznesowej

Technologia i pozyskiwanie grafenu w warunkach laboratoryjnych to jedno, a jego produkcja na skalę przemysłową to drugie. A właściwie to o sukcesie decyduje wyłącznie to drugie, gdyż badania i rozwój to jedynie obowiązkowy, ale wysoce niewystarczający początek. I w Polsce poza ten początek niestety jeszcze nie wyszliśmy.

Komercjalizacją przemysłowej metody wytwarzania grafenu, opracowanej przez naukowców z ITME, miała się zająć powołana w 2011 r. firma Nano Carbon, której udziałowcami zostały spółki Skarbu Państwa, czyli Polska Grupa Zbrojeniowa i KGHM Towarzystwo Funduszy Inwestycyjnych. Nano Carbon powinien szczegółowo opracować przemysłową technologię wytwarzania grafenu w różnych postaciach w połączeniu z innymi substancjami, głównie z miedzią i niklem. Jego przychody miały pochodzić ze sprzedaży substancji i jej pochodnych oraz usług badawczo-rozwojowych.

Ale praktyka okazała się pasmem klęsk.

Działalność spółki skontrolowała Najwyższa Izba Kontroli. Wnioski z kontroli były przytłaczające. Przez lata nie zostały przygotowane strategie działania spółki. Funkcjonowała ona jedynie w oparciu o wieloletnie plany rzeczowo-finansowe. W październiku 2015 r. podpisała porozumienie w zakresie opracowania strategii dotyczącej tylko konkretnej grupy produktów. NIK ustaliła, że Nano Carbon nie miał innych dokumentów świadczących o zaangażowaniu w opracowanie strategii biznesowych dla grup produktów lub innych strategii szczegółowych.

Według prezesa tej spółki, tworzenie wyłącznie planów rzeczowo-finansowych wynikało z woli wspólników, a w sytuacji finansowej spółki program strategiczny oraz jego realizacja wiązałyby się z wydatkami środków, których spółka nie miała. Od 2011  r. Nano Carbon utrzymywał się jedynie z wpływów od PGZ i KGHM TFI. W istocie więc był podmiotem całkowicie deficytowym.

Nie zrealizowano takich zadań, jak uruchomienie produkcji grafenu na specjalnie przygotowanej folii miedzianej w tzw. skali wielkolaboratoryjnej, do czego potrzebny był zakup specjalistycznego urządzenia; uzyskanie przychodów ze sprzedaży; opracowanie technologii wytwarzania proszków miedzianych pokrytych grafenem w skali półprzemysłowej; uzyskanie przychodów ze sprzedaży i wyniku finansowego zgodnie z planami finansowymi na 2013 r. i 2014 r. Pomimo fiaska tych działań spółkę Nano Carbon ponownie dofinansowano poprzez podwyższenie jej kapitału zakładowego do 28 mln zł, co oznaczało, że kwota dokapitalizowania była wyższa o 14 mln zł niż ta zakładana w umowie inwestycyjnej.

CAŁY ARTYKUŁ ZNAJDĄ PAŃSTWO W NR 6/2019 DWUMIESIĘCZNIKA "CHEMIA I BIZNES". ZAPRASZAMY.

badania i rozwójgrafen