By Struktura grafena poznata je još od 1920-ih godina, no veći interes za uporabom grafena javlja se pojavom njegovih produkata odnosno alotropskih modifikacija. To su, pored ostaloga, fulereni i ugljikove nanocjevčice koji su otkriveni tijekom 1980-ih i 1990-ih godina. Fulereni su imali svojih pet minuta slave tijekom 1980-ih godina, a ugljikove nanocjevčice koncem 1990-ih godina. Pojam grafen skovao je 1986. godine Hans – Peter Boehm. Do tada se tretirao kao jednoslojni grafit.
Istraživanja i napredni materijali
Uvid u unutrašnjost materijala dugo vremena odvijala se isključivo primjenom tehnologije rendgenske kristalografije. Ta se tehnologija prakticirala do 1982. godine kada su Gerd Binning i Heinrich Rohrer, istraživači IBM-a u Zürichu, konstruirali prvi pretraživački elektronski mikroskop. Uređaj je omogućio uvid u procese unutar materijala na nanorazini, što se do tada smatralo nemogućim.
Na taj način stvorene su pretpostavke za afirmaciju nanotehnologije ključne znanstvene discipline za razvoj naprednih materijala u koje spada i grafen. Interesantno je spomenutu kako je prve temeljne ideje koje su ukazivale na mogućnost artikulacije nanotehnologije prezentirao Richard Feynman, fizičar i nobelovac s Kalifornijskog tehnološkog instituta. On je te ključne ideje formulirao u čuvenom predavanju pod nazivom Puno je mjesta na dnu. Na iznimno pristupačan način pojasnio je mogućnosti realizacije inženjerstva odozdo prema gore.
Riječ je o revolucionarnom pristupu proučavanja materijala koji se počeo sustavno razvijati diljem svijeta u zadnjem desetljeću 20. stoljeća. Nastali su brojni interdisciplinarni centri znanosti o materijalima među kojima su najpoznatiji AMBER (Advanced Materials and BioEngineering Reserach), centar na koledžu Trinity u Dublinu, te CA2DM (Centar za napredne 2D materijale) na nacionalnom Sveučilištu Singapur.
Svojevremeno je u časopisu Times osvanuo naslov Grafen materijal budućnosti. Stručna pa i šira javnost polagala je mnogo nade u taj materijal. Ipak, treba istaknuti kako početno grafen nije privlačio veliki interes znanstvene i poslovne zajednice. Brojne inovacije svojom su pojavom izazvale veliki početni interes, ali se kasnije nisu uspjele razviti u tržišne uspješnice, odnosno nisu ušle u široku upotrebu. Primjerice, otkrića hladne fuzije i visokotemperaturnih supravodiča nisu se do sada uspjela tržišno komercijalizirati.
Ponekad pojedine inovacije svoj maksimalni učinak ostvaruju posredstvom nove tehnologije, koja im dodaje novu vrijednost. Standardne knjižne kataloške brojeve ISBN, kreditne kartice, relacijske baze podataka, pa i bar-kodove objedinio je internet omogućavajući potpuni novi način kupovanja. To novo iskustvo kupovanja tvrtka Amazon razvila je do neslućenih granica.
Često izumitelji nisu u stanju predvidjeti praktičnu primjenu svojih inovacija, koje će se dogoditi u budućnosti. Tijekom 1958. godine, Charles Townes i Arthur Schawlow znanstvenici u američkom laboratoriju Bell, prijavili su patentnu zaštitu svoga izuma kojeg su nazvali optički maser. Nešto kasnije ta se inovacija prozvala laser. Izumitelji su predviđali kako će njihovo otkriće imati brojne primjene, no niti jedno od njihovih očekivanja nije se ostvarilo.
Polimeri su otkriveni davno, ali dulje vrijeme nisu imali rasprostranjenu praktičnu funkciju. To se drastično promijenilo tijekom 20. stoljeća, kada su se započeli proizvoditi od fosilnih goriva, preciznije rečeno, nafte. Prvu plastiku tog tipa izradio je Leo Backeland.
Do tog otkrića Backeland je došao slučajno. On je neplanirano izradio polimer, kojeg je potom oblikovao u materijal sličan današnjoj plastici. Nazvao ga je bakelit. Ubrzo se bakelit počeo koristiti za brojne namjene. To je bila preteča današnje plastike koja je s vremenom poprimila mnoge inačice od kojih su najpoznatiji polistiren, poliester, polivinil klorid (PVC), polietilen, najlon, polietilen teraftalat (PET).
Plastika je s vremenom prerasla u materijal integriran u mnoštvo proizvoda s kojima se koristimo u kućanstvima, restoranima, školama, tvornicama, uredima i brojnim drugim mjestima našeg života i rada. Primjerice, voda se pakira u PET (polietilen-teraftalat) ambalažu. Odjeća se izrađuje, pored ostaloga, od najlona i poliestera. Automobili, autobusi, zrakoplovi, tramvaji, brodovi i vlakovi sastoje se od brojnih plastičnih dijelova. Radio, televizija i računala, također, se sastoje od plastičnih komponenti. Namirnice se spremaju u plastične vrećice o kojima se danas vode brojne polemike u medijima zbog njihova štetnog utjecaja na okoliš, odnosno nužnosti njihovog recikliranja i racionalnog zbrinjavanja.
Statistički podatak Europskog društva proizvođača plastike iz 2014. godine pokazuje kako je težina korištenih plastičnih konstrukcijskih materijala u toj godini iznosila 9,6 milijuna tona. Pri tome se plastika koristila za izradu, primjerice, izolatora, okvira za prozore, poklopaca električnih utičnica, kućišta rasvjetnih tijela, te za proizvodnju cijevi i drugo. Prema navodima Instituta Worldwatch, 2013. godine proizvedeno je sveukupno 299 milijuna tona plastike. To je otprilike 100 kilograma plastike po osobi godišnje.
Plastika je praktično integrirana u sve segmente našeg života. Po mišljenju brojnih analitičara takvu široku uporabnu rasprostranjenost mogao bi ostvariti i grafen. Analitičari tvrde kako se grafen, kao materijal, može koristiti u elektronici, građevinskoj industriji, optici, rekreacijskim aktivnostima odnosno opremi, prijevozu, generiranju energije, te svemirskoj tehnologiji. Međutim, za sada je još uvijek riječ o prognozama koje bi se mogle realizirati u sljedećem srednjoročnom razdoblju.
Komercijalizacija
Sve do 1990-ih godina grafen se rijetko spominjao i analizirao u znanstvenoj literaturi. Tek je 2001. godine, kada su Konstantin Novoselov i Andre Geim uspješno izdvojili grafen upotrebom samoljepljive trake, grafen je postao predmet interesa znanstvenika i poduzetnika. Izoliranje grafena bio je tako jednostavan postupak da se činio apsurdnim.
Premda se izoliranje grafena pokazalo laganim postupkom, proizvodnja većih količina toga materijala nije nimalo jednostavna zadaća. Laboratorijska je proizvodnja malih količina grafena uspješna, ali velika produkcija u komercijalne svrhe i dalje je ostao veliki izazov, osobito u pogledu skladištenja i transporta. Kako bi grafen postao dostupan i široko rasprostranjen novi napredni materijal nužno je ustrojiti automatizirani industrijski proces. Takav tehnološki postupak omogućio bi proizvodnju nekoliko kilograma grafena dnevno, to jest, nekoliko tona godišnje, a ne tek malih količina, u količini od nekoliko grama, kao do sada.
Valja naglasiti kako se diljem svijeta razvijaju različite kreativne metode produkcije grafena. Istraživački tim iz Australije pronašao je način kako se iz sojinih sjemenki može proizvesti jednoslojni grafen. U znanstvenoj literaturi prezentirane su brojne tehnike dobivanja grafena različitih razina kvalitete. Ipak, do danas još uvijek nije osmišljena metoda proizvodnje velikih količina visokokvalitetnog grafena. Stoga nije došlo do šire tržišne ekspanzije ovog materijala kojeg krase brojne prednosti u odnosu na postojeće.
Inovativna metoda izrade grafena, koja je 2010. godine dobila Nobelovu nagradu, generirala je nerealna očekivanja na području primjene i daljnjeg razvoja grafena. Zina Jarrahi Cinker, izvršna direktorica Američkog nacionalnog društva za istraživanje grafena ustvrdila je kako je poduzetništvo vezano uz grafen propalo. Uložena su znatna financijska sredstva u tehnološke startupove koji su se afirmirali kao vrlo kreativni u području novih materijala i visoke tehnologije, ali nisu ostvarili neke značajnije praktične rezultate vezane uz grafen.
Komercijalizacija inovacija odnosno novih ideja je rizična i zahtjevna poslovna operacija. Mnoštvo inovacija ne uspije se tržišno afirmirati, te ostaju samo idejne tvorevine svojih kreatora. Stoga ne iznenađuje što inovativno poduzetništvo iziskuje ogromnu količinu energije i upornosti. Vjerovanje u samoga sebe i vlastite ideje neizostavne su sastavnice poduzetničke prakse, bez obzira na donedavno nezamislive mogućnosti visokih tehnologija, koje su na raspolaganju suvremenim startupovima odnosno poduzetnicima.
Brojni su razlozi poslovnog neuspjeha pojedinih izuma. Ponekad su inovacije jednostavno ispred svoga vremena. Drugim riječima, za komercijalizaciju, na primjer, električnih automobila ili automobila pogonjenih vodikom odnosno autonomnih vozila nužno je izgraditi pripadajući tehnološku infrastrukturu, kao što su punionice ili umjetna inteligencija. Danas su takvi automobili u visokoj fazi komercijalizacije. Te tehnološke procese snažno stimulira potreba za očuvanjem okoliša odnosno ublažavanjem pogubnih posljedica klimatskih promjena. Autonomni automobili trebali bi, pored toga, drastično poboljšati sigurnost u prometu. Ujedno, navedene, ali i sve druge tehnološke inovacije, moraju biti cjenovno pristupačne i praktične.
Izum žarulje za svoju tržišnu komercijalizaciju iziskivao je, također, izgradnju složene i skupe infrastrukture u koju spadaju hidro, termo i nuklearne centrale, dalekovodne mreže, transformatori i drugo. Kasnije se žarulja dodatno inovirala ostvarujući sve bolje performanse. U tim inovativnim procesima sudjelovao je i inženjer Henry J. Round. Međutim, on nije predvidio ogroman uspjeh svoje inovacije koji se dogodio desetljećima kasnije. Round je 1907. godine sasvim slučajno kreirao prvu svjetleću diodu (Light Emmiting Diode – LED). Tek nakon gotovo čitavog stoljeća započela je prodaja prvih LED žarulja.
Međutim, prve LED žarulje nisu bile učinkovite, te su iziskivale daljnja poboljšavanja. Naime, unatoč tome što su bile hladnije od žarulja sa žarnom nisu imale dulji vijek trajanja od flourescentnih. Nadalje, spektar boja i intenzitet svjetlosti koje su emitirale bio je problematičan. Njihova upotreba podrazumijevala je instaliranje većeg broja LED žarulja u odnosu na konvencionalne žarulje. Ujedno treba podsjetiti kako su u početku LED žarulje bile ekstremno skupe. Stoga su proizvođači u svojim promotivnim porukama naglašavali kako su, ipak, u konačnici isplative. Bez obzira na spomenute manjkavosti prodao se dovoljan broj LED žarulja, što je omogućio njihovu daljnju proizvodnju i dodatna usavršavanja. To je rezultiralo današnjim verzijama koje su bitno energetski učinkovitije i radikalno jeftinije od prvih LED žarulja.
Prednosti i mane grafena
Dvije su temeljne karakteristike koje grafen čine izrazito vrijednim materijalom. Radi se o čvrstoći i električnoj provodnosti. Grafen je najčvršći poznati materijal i stoga iznimno zanimljiv za brojne industrijske djelatnosti. Istodobno grafen je po brojnim obilježjima sličan supravodičima, jer posjeduje iznimno nizak stupanj električnog otpora.
Valja naglasiti kako je grafen toliko lagan i tanak materijal da ne predstavlja gotovo nikakav problem prilikom skladištenja. Zbog svoje izrazito tanke strukture osjetljiv je i na najmanja podrhtavanja koja mogu uzrokovati njegova oštećenja, čak do stupnja potpune neupotrebljivosti. Upravo zbog toga, grafen se najčešće distribuira uronjen u vodu ili abrazivno otapalo, što uzrokuje komplicirane postupke nužne za rukovanje odnosno upotrebu.
Navedene i još neke druge poteškoće navode na sljedeću dilemu : Da li će grafen uistinu postati revolucionaran materijal poput, na primjer, plastike? Ili će završiti na tržišnim marginama kao i brojni drugi obećavajući izumi? Znanstvenici sustavno istražuju kako bi riješili spomenutu dvojbu. U tim istraživanjima u Europi prednjači Sveučilište u Manchesteru. Kinezi, također, uviđaju moguću važnost buduće praktične primjene grafene o čamu svjedoči i osnivanje 2013. godine Kineskog inovacijskog saveza grafenske industrije. Amerikanci su na ove istraživačke izazove konkurencije odgovorili osnivanjem Nacionalne grafenske udruge 2017. godine.
Zanimljivo je spomenuti kako je NASA u svemiru detektirala (prirodno) prisutan grafen. NASA-in teleskop Spitzer pronašao je grafenske slojeve, kao komponente smjese brojnih drugih sličnih spojeva, u Magelanovim oblacima – malim galaksijama smještenim odmah izvan naše Mliječne staze. Velika je vjerojatnost prisutnosti prirodnog grafena unutar našega Sunčeva sustava.
Mr.sc. Marinko Kovačić
Comments