Polski grafen ze znakiem zapytania

Z prof.  Robertem Gałązką  z Instytutu Fizyki PAN rozmawia Anna Leszkowska

    - Panie Profesorze, obserwując  doniesienia na temat badań nad grafenem w Polsce i planów  komercjalizacji  technologii jego otrzymywania mam poczucie déjà vu. Powtarza się to wszystko, co dotyczyło niebieskiego lasera – największego projektu badawczego finansowanego ze środków budżetowych, który nie przyniósł zapowiadanych efektów. W przypadku grafenu oczekiwania są równie wielkie – w obu przypadkach mówi się o rewolucji w informatyce, która miałaby być naszym dziełem, polskiej Dolinie grafenowej. Czy i w tym przypadku mamy dużo wody, mało mydła? 

- W tym wszystkim na pewno jest dużo wody, ale jeśli chodzi o niebieski laser, to choć i wokół niego było sporo wody, to jednak laser zrobiono. W tej chwili w Instytucie Wysokich Ciśnień PAN robią lasery niebieskie i o innych długościach fali, dużej mocy, które mają tysiące godzin pracy ciągłej. 

- To prawda, ale  dokonano tego później niż zapowiadano i nie wszystko co zapowiadano się udało, choćby kryształy azotku galu.

- Tak, nadzieje były na produkcję, na wielkie zyski i to się nie udało. A jak będzie z grafenem - to jest, moim zdaniem, wielki znak zapytania. Wydaje mi się, że z grafenem jesteśmy jeszcze na dalekim etapie od sukcesu – mimo większego zespołu niż przy niebieskim laserze, lepszej aparatury, itd. czyli większych możliwości na powodzenie. Bo w tej chwili na całym świecie jest położony bardzo wielki nacisk na badania grafenu. Laureaci Nagrody Nobla za grafen dostali od rządu brytyjskiego 20 mln funtów na rozwijanie tej tematyki.

- Na czym polegają trudności w badaniach nad grafenem?

- Te wszystkie cudowne własności grafenu, które obiecują fantastyczne zastosowania są prawdziwe, jednak problem polega na tym, że takiego grafenu nie można zrobić. Już w latach 30. XX w. Landau pokazał, że grafen jest niestabilny termodynamicznie w temperaturze pokojowej. To oznacza, że jeśli atomy węgla będą się układać w sześciokątną siatkę – pojedynczą warstwę o grubości dziesiątych części nanometra - to nie utrzymają się w niej dłużej. Ta siatka w miarę wzrostu będzie pękać, będą się tworzyć polikryształy,  nakładające się płatki. Ale taka struktura nie będzie miała tych wspaniałych własności grafenu, bo one  dotyczą tylko warstwy monokrystalicznej węgla, bez defektów, pęknięć, bez wtrąceń innych pierwiastków. 

To, co się udało zrobić do tej pory, to płatki, monokryształy o takich właśnie własnościach, ale o wymiarach zaledwie około 0,1 mm x 0,04 mm. Niestety, nie udaje się zrobić większych.  Przede wszystkim przeszkadza sama przyroda – bo grafen, jako niestabilny termodynamicznie, samorzutnie pęka. 
Próbuje się te płatki osadzić na jakimś podłożu, ale  wówczas mnożymy problemy, bo podłoże ma wpływ na zachowanie się grafenu. Sprawdza się też różne podłoża – jednym ze sztandarowych,  stosowanych w Polsce - jest węglik krzemu, SiC. Ale ciągle umiemy otrzymać tylko małe płatki grafenowe. Reszta to albo grafen polikrystaliczny, albo o zdefektowanych warstwach, które nie mają już takich własności. 
W przypadku podłoża z węglika krzemu występują  niemałe trudności technologiczne, gdyż krzem ma strukturę kubiczną, a grafen – heksagonalną, więc  „sklejenie”  takich warstw jest trudne nawet na niewielkich powierzchniach. Powstają wówczas naprężenia, pęknięcia, a zmuszenie grafenu do wzrostu w takiej strukturze jest strasznie trudne. 

- Ale grafen hoduje się też na innych podłożach...

- Koreańczycy, którzy rozwinęli ogromną produkcję, robią go na miedziowym,  ale nie jest to grafen, tylko bardzo cienki grafit. W  materiałach reklamowych chwalą się warstwami o wymiarach metra kwadratowego, podają też grubość tego „grafenu” - najcieńszy ma 10 nm, tymczasem grubość czystego grafenu to 0,1 nm. Czyli oferują materiał złożony ze 100 warstw grafenu. On może się przydać do różnych rzeczy, niemniej nie jest to grafen. Gdyby tak było –  mielibyśmy już na rynku grafenowe układy scalone,modulatory i inne układy elektroniczne.

Już  zrobiono tranzystor na płatku grafenowym o wymiarach mniejszych niż 0,1 mm, zrobiono też modulator. Jednak jest to raczej demonstracja, że takie rzeczy są możliwe, nie jest  to jeszcze produkcja przemysłowa. Do tego potrzebne są  duże powierzchnie monokrystalicznego grafenu bez defektów, żeby takie urządzenia można było robić seryjnie w dużych ilościach.

- W sklepie internetowym utworzonym przez spółkę Nano Carbon można kupić grafen na miedzi, szkle, SiO₂, folii PET i węgliku krzemu.  I to w sporych kawałkach – np. 10x10 cm. To oczywiście też nie jest grafen, ale grafit?

- Może niezupełnie jest to grafit, bo w tym są jednak maleńkie płatki grafenu. Generalnie są to popękane warstwy grafenu, warstwa polikrystaliczna grafenu, zdefektowana. Nikt zresztą na świecie nie sprzedaje monokryształu grafenowego o takiej powierzchni - takiego jeszcze nie zrobiono. W tej chwili na całym świecie prowadzi się b. intensywnie badania grafenu i temu przede wszystkim służą produkty sprzedawane przez Nano Carbon. Ta technologia nie jest prosta i jeśli ktoś potrafi zrobić płytkę 1cm x 1cm z określoną liczbą dobrych płatków grafenu, to taki produkt jest już sprzedażny.

- Czyli można powiedzieć, że to jest sukces?

- Tak, to jest sukces. Bo cały wysiłek badawczy na świecie w tym obszarze nie byłby możliwy bez materiału badawczego, czyli grafenu. A takich ośrodków, które potrafią wyprodukować grafen na tyle duży, żeby można było te badania robić, nie jest dużo. Stąd polski udział jest niewątpliwie sukcesem.

- W przypadku lasera niebieskiego było podobnie. Też byliśmy w czołówce, ale szybko nas wyprzedzono. Na czym winniśmy się koncentrować, żeby tym razem pozostać w tej czołówce na dłużej? Tu jest przecież wyścig z czasem...

-  To prawda, jest wyścig z czasem, ale niekiedy nie warto patentować pewnych osiągnięć. Jak się coś zrobi naprawdę dobrego, lepiej taką technologię trzymać w tajemnicy. W historii zdarzały się takie przypadki, że twórcy wynalazku go nie patentowali, ale przez lata robili na nim wielkie interesy. Klientów na grafen byłoby bardzo dużo – przede wszystkim – wielkie firmy, bo choć krzemu z elektroniki nic nie wyprze, to jednak grafen ma kolosalne zastosowania. 

- W przypadku niebieskiego lasera problemy były na etapie technologii - badacze z IWC PAN nie mogli sobie poradzić z wyhodowaniem kryształów azotku galu bez dyslokacji (wyprzedziła ich na tym polu polska spółka Ammono). Teraz jest gotowa  technologia otrzymywania – może nie doskonałych – płatków grafenu, ale jest problem z komercjalizacją technologii. Otóż barierą jest brak polskiego przemysłu – jako odbiorcy tego osiągnięcia naukowego. Jak stwierdził dyrektor ITME Zygmunt Łuczyński,  są dwie drogi rozwoju tego osiągnięcia. W przypadku pójścia w kierunku uzyskania wysokiej jakości grafenu, nie mamy fabryk, które produkują układy scalone, pamięci, itd., więc pozostaje eksport surowca, albo półfabrykatu. W przypadku drugim jest to inżynieria materiałowa, gdzie jakość grafenu nie jest tak ważna, ale … także musi być jego producent.

- To jest problem nie tylko polski, ale u nas szczególnie widoczny. Potrafimy zrobić opracowanie typu laboratoryjnego – nawet prototyp – i na tym się sprawa kończy. Nie ma przejścia do produkcji. W tej chwili nie widzę w Polsce takich możliwości, żeby powstała fabryka robiąca układy scalone na grafenie. I nie chodzi tyle o możliwości inwestycyjne, co o brak ludzi z odpowiednim doświadczeniem, umiejętnościami. Nasz  przemysł elektroniczny – jaki był, ale był – zniknął. Nawet gdyby ktoś miał pieniądze i chciał zainwestować w taką fabrykę, to nie będzie tam kogo zatrudnić.

- Dr Włodzimierz Strupiński, twórca technologii grafenowej powiedział, że „w wielu sferach zastosowań grafenu nie mamy już szans dogonić innych krajów”.

- Bo wyścig jest światowy. Przy czym trzeba tu pamiętać, że znaleziono  zastosowania nie tylko dla prawdziwego grafenu, ale i grafenowych materiałów, jak np. cienkowarstwowy grafit, składający się z 10, 100  warstw grafenu możliwie mało zdefektowanych o dużej powierzchni. Między te warstwy „wpycha się” bowiem różne związki chemiczne (perkolowany grafen), tworząc nowe materiały o różnych zastosowaniach.

- Dlatego sceptycy uważają grafen za passé, a nadziei upatrują w molibdenicie (dwusiarczku molibdenu), karbinie (odmianie węgla), silicenie (krzemowy odpowiednik grafenu) czy Ni₃( HITP)₂?

- Bez przerwy tworzy się nowe związki chemiczne, nowe materiały i szuka dla nich zastosowań. Tworzenie nowych związków to nie jest duża sztuka. Większą jest przewidywanie ich zastosowań, bo nie jest łatwo trafić w coś, co będzie potrzebne. Czy grafen jest passé? W fizyce półprzewodników było tak, że ktoś np. wpadł na pomysł, że najlepsze będą materiały amorficzne, które produkuje się b. tanio i łatwo. Na ten temat przez kilka lat organizowało się konferencje, a teraz nikt już o tym nie pamięta. Otóż tak w nauce jest, że coś wybucha, odkrywa się jakieś nowe zjawisko fizyczne, jak np. wysokotemperaturowe nadprzewodnictwo. Jednak teoretycznego wyjaśnienia jego mechanizmu nie ma do dzisiaj – jest ileś koncepcji, ale żadna z nich nie jest dostatecznie pełna. 

Na nowe odkrycie zawsze wszyscy się rzucają: teoretycy, eksperymentatorzy. Pracują nad nim dłuższy czas i jeżeli nie osiągają zadowalających efektów, natrafią na barierę nie do przejścia a brakuje pomysłu na pokonanie trudności, przerzucają się na coś innego. Z grafenem jeszcze nie doszliśmy do takiej bariery, ale pewnie ona się pojawi – np. nie osiągniemy warstwy grafenu satysfakcjonującej wielkości i bez defektów w strukturze. Te trudności będą na tyle duże, że odejdzie  od tych badań, a grafen stanie się niemodny. Ale to wcale nie będzie oznaczać, że straciliśmy czas i pieniądze, bo z tych technologii i badań wyłonią się inne zastosowania. 

Historia grafenu ma przecież już  80 lat, a dopiero obecnie – wskutek Nagrody Nobla dla Gejma i Nowosiłowa -  zaczęto widzieć w nim materiał możliwy do zastosowań na dużą skalę. Nota bene, Nagrodę Nobla winien otrzymać też niemiecki chemik, Hanns-Peter Boehm, bo to on  pierwszy wyodrębnił i zidentyfikował grafen (w 1962 r.).

- Badania nad grafenem w Polsce – inaczej niż w przypadku niebieskiego lasera – nie są zbyt wysoko finansowane. Poza grantami z programu Graf-tech, badacze mogą brać udział w konkursach NCN, KE, czy sięgać po środki unijne z programów krajowych. Czy takie osiągnięcie, o którym premier Tusk mówi, że „po raz pierwszy tak szybko potrafiliśmy spiąć potęgę wynalazku, energię finansistów oraz pomoc państwa” winno być finansowane w sposób szczególny, jak niebieski laser, czy sposób finansowania przy pomocy grantów jest wystarczający?

- Myślę, że jeśli się chce osiągnąć sukces to muszą być duże pieniądze i duże zespoły. I działania nie mogą być rozproszone, bo wówczas każdy będzie robił coś pożytecznego, ale nie będzie efektu całości. Czy to powinien być program rządowy? ITME ma autentyczne osiągnięcia w technologii grafenowej, ale nie wiem, czy gdyby dostali większe pieniądze, byliby w stanie ścigać się ze światem. 

Wydaje mi się, że w Polsce – nawet gdyby na grafen dano ogromne pieniądze, byłyby to pieniądze stracone, bo wyprodukujemy tylko surowiec. Przecież produkujemy bardzo dobrej jakości krzem, ale nie umieliśmy i nie umiemy wyprodukować tego, na czym się naprawdę zarabia, czyli układu scalonego o dużej skali integracji. Krzemu jest w nim tyle, co kot napłakał, a reszta to pomysł, technologia i technika. Zarabia się na myśli, nie na surowcach.

- Czyli w grafenie mamy szanse, ale z umiarkowanymi widokami na sukces?

- W grafen warto inwestować, ale na poziomie raczej większych niż pojedynczych grantów, bo typowy grant to ok. 300-400 tys. zł na trzy lata, a za takie pieniądze w technologii – zwłaszcza w tak trudnej – nic znaczącego się nie zrobi. Jak pokazuje przykład  firmy Ammono,  sukces - czyli technologia robienia dużych kryształów azotku galu - był możliwy dzięki odpowiednio wysokiemu sfinansowaniu badań przez Japończyków. W Polsce nie było wówczas na to szans.
Dziękuję za rozmowę.