Skorupki po orzeszkach ziemnych zmienią elektronikę? Tani sposób na grafen

Naukowcy z Australii pokazali, że z pozornie bezwartościowych skorupek da się w kilka minut wytworzyć wysokiej jakości grafen – materiał, o którym inżynierowie mówią jak o „cudownym”. Cały proces odbywa się bez agresywnej chemii, jest tani energetycznie i może wchłonąć miliony ton odpadów rolniczych produkowanych co roku.

Od śmiecia do nanomateriału: drugie życie skorupek orzeszków

Światowa produkcja orzeszków ziemnych generuje ponad 10 milionów ton skorupek rocznie. Większość trafia na wysypiska albo do kompostu, gdzie nie przynosi większej wartości. Tymczasem ich budowa kryje bardzo pożądaną cechę: ściany skorupek są wyjątkowo bogate w ligninę, związek roślinny pełen atomów węgla.

A to właśnie węgiel leży u podstaw grafenu – pojedynczej warstwy atomów ułożonych w regularną „plasterkową” siatkę. Zwykle pozyskuje się go z materiałów opartych na ropie naftowej, co jest drogie i mało przyjazne środowisku. Zespół Guan Yeoh z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii (UNSW) poszedł inną drogą: zamiast paliw kopalnych sięgnął po tanią, roślinną biomasę.

Skorupki orzeszków stają się surowcem do grafenu, który parametrami dorównuje produktom z klasycznych, dużo droższych procesów.

Sam pomysł wykorzystania biomasy do produkcji grafenu pojawiał się już wcześniej, ale uzyskiwany materiał był pełen defektów i nadawał się co najwyżej do prostych zastosowań. Australijski zespół przełamał ten problem dzięki dopracowanemu, dwustopniowemu podgrzewaniu, które porządkuje atomy węgla w zupełnie nowy sposób.

Jak robi się grafen ze skorupek: dwa błyski ekstremalnego ciepła

Proces przypomina trochę błyskawiczne wypalanie, ale z precyzyjną kontrolą temperatury.

Etap pierwszy: „pieczenie” w 500 stopniach

Na początek skorupki są mielone, a powstały proszek trafia do urządzenia, w którym nagrzewa się go pośrednio prądem (efekt Joule’a). Temperatura sięga około 500°C i utrzymuje się przez pięć minut.

• Usuwane są atomy tlenu i wodoru.
• Wypalane są zanieczyszczenia mineralne.
• Pozostaje porowaty „węgiel” bogaty w aromatyczne pierścienie węglowe, dobrze uporządkowane struktury będące świetnym punktem wyjścia dla grafenu.

Ten pozornie prosty krok okazał się kluczowy. Gdy etap wstępnego „pieczenia” potraktowano po macoszemu, powstały grafen miał znacznie więcej defektów i gorsze parametry mechaniczne oraz elektryczne.

Etap drugi: ultrakrótkie przegrzanie do 3000°C

Drugi krok przypomina błysk lampy błyskowej. Wstępnie przygotowany węgiel trafia do układu, w którym przez ułamek sekundy przepływa przez niego prąd o bardzo dużym natężeniu. Temperatura rośnie powyżej 3000°C, ale tylko na kilka milisekund.

W tym czasie atomy węgla spontanicznie przegrupowują się w cienkie, ułożone warstwowo płatki grafenu. Cały proces – od proszku ze skorupek do gotowego materiału – zamyka się w około 10 minut.

Błyskawiczny skok temperatury działa jak reset dla struktury węgla: chaos zamienia się w uporządkowaną, przewodzącą sieć.

Co ważne, w żadnym momencie nie trzeba dodawać rozpuszczalników ani aktywnych odczynników chemicznych. To ogromna różnica względem wielu tradycyjnych metod, które korzystają z kwasów, zasad i soli metali, generując kłopotliwe odpady.

Jaki rodzaj grafenu powstaje i do czego się nadaje?

Uzyskany materiał nie jest idealnie pojedynczą warstwą. Naukowcy mówią o tzw. grafenie turbostratycznym – złożonym z kilku warstw ułożonych względem siebie w sposób lekko chaotyczny, z różnym kątem obrotu.

W praktyce taki typ grafenu bardzo dobrze sprawdza się w urządzeniach, które liczą na przewodnictwo elektryczne, ale nie wymagają absolutnie perfekcyjnej warstwy:

• elektrody w akumulatorach i superkondensatorach,
• warstwy przewodzące w elastycznych ekranach dotykowych,
• przezroczyste powłoki w panelach fotowoltaicznych,
• czujniki medyczne w inteligentnych opaskach i odzieży.

Warstwy ułożone bez idealnej regularności łatwiej się od siebie odrywają i mieszają z innymi materiałami, co w aplikacjach energetycznych bywa zaletą. Dlatego taki grafen może mieć szansę szybciej trafić do przemysłu niż jego „książkowo” idealna wersja.

Dlaczego ten grafen może być znacznie tańszy

Jednym z największych hamulców komercyjnego grafenu jest cena wytworzenia. Tradycyjne procesy wymagają wysokich temperatur, próżni, precyzyjnego sprzętu i sporych ilości energii. W efekcie materiał trafia głównie do drogich, niszowych rozwiązań.

Australijski zespół wyliczył, że energia potrzebna do uzyskania jednego kilograma grafenu w ich procesie kosztowałaby około 1,30 dolara amerykańskiego, czyli mniej niż 6 zł według obecnych kursów. To wyłącznie koszt energii elektrycznej, ale już sam ten poziom wygląda bardzo obiecująco.

Jeśli takie proporcje potwierdzą się w skali przemysłowej, grafen z odpadów rolniczych może stać się materiałem powszechnym, a nie tylko „technologiczną ciekawostką do laboratoriów”.

Nie tylko orzeszki: kolejka czeka marc kawowy i skórki bananów

Skorupki po orzeszkach to dla badaczy dopiero punkt startowy. Zespół z UNSW już zapowiada testy podobnego procesu na innych rodzajach biomasy. Na liście pierwszych kandydatów znalazły się:

• marc kawowy z kawiarnianych ekspresów,
• skórki po bananach,
• inne odpady roślinne bogate w ligninę i węgiel.

Jeżeli metoda okaże się elastyczna, każdy kraj będzie mógł korzystać z własnych, lokalnych odpadów rolniczych. W Polsce można sobie wyobrazić np. przetwarzanie łusek słonecznika, odpadów z rzepaku czy części łodyg kukurydzy. To nie tylko źródło taniego nanomateriału, ale też sposób na zagospodarowanie problematycznych resztek z rolnictwa.

Szansa na zieloną elektronikę i gospodarkę obiegu zamkniętego

Grafen powstający w ten sposób wpisuje się w trend odchodzenia od paliw kopalnych i toksycznych procesów chemicznych. Surowcem jest biomasa, a więc materiał odnawialny, regenerowany w każdym cyklu upraw. Proces nie wymaga agresywnych substancji, więc ułatwia spełnienie coraz ostrzejszych norm środowiskowych.

Odpady z rolnictwa zaczynają pełnić rolę strategicznego surowca dla elektroniki, energetyki i medycyny.

Ta zmiana myślenia może mieć szersze konsekwencje. Dla plantatorów i przetwórców zboża czy roślin oleistych pojawi się nowa linia biznesowa: sprzedaż odpadów nie do spalenia, lecz do fabryk materiałów zaawansowanych. Z kolei przemysł elektroniczny zyska bardziej „zielony” argument przy projektowaniu nowych urządzeń.

Od laboratorium do fabryki: realny horyzont czasowy

Na razie metoda przetestowana została w skali laboratoryjnej. Zespół z UNSW mówi ostrożnie o trzech–czterech latach, które będą potrzebne, aby przejść od stołu badawczego do prototypowej linii technologicznej.

Kluczowe wyzwania to:

• utrzymanie tej samej jakości grafenu przy dużo większej ilości surowca,
• zaprojektowanie reaktorów, które poradzą sobie z błyskawicznymi skokami temperatury,
• dostosowanie procesu do różnych typów biomasy, mających inną wilgotność i skład.

Jeśli te bariery uda się pokonać, czysto teoretycznie nic nie stoi na przeszkodzie, aby „grafen z odpadów” trafił do baterii w smartfonach, sensorów w smartwatchach czy komponentów paneli słonecznych na dachach domów.

Co to oznacza dla zwykłego użytkownika elektroniki

Dla przeciętnej osoby nie ma znaczenia, z czego powstał grafen w baterii czy ekranie. Liczy się to, że urządzenie ładuje się szybciej, rzadziej trafia do serwisu i dłużej trzyma parametry. Tani i łatwo dostępny grafen może przyspieszyć takie zmiany:

• akumulatory w autach elektrycznych o większej gęstości energii,
• mniejsze i lżejsze powerbanki,
• trwalsze, odporne na zginanie ekrany,
• tańsze czujniki używane w telemedycynie.

Dla rolników i przetwórców żywności to z kolei szansa na nowe przychody z tego, co dzisiaj stanowi koszt utylizacji. Gospodarka obiegu zamkniętego przestaje być hasłem z raportów, a coraz bardziej przypomina konkretne instalacje: linie do przerabiania skorupek, fusów czy łusek na produkty o bardzo wysokiej wartości dodanej.

Jeśli kierunek obrany przez zespół z Sydney się utrzyma, odpad z przekąski przy piwie może za kilka lat stać się jednym z filarów „elektroniki nowej generacji”. I to w całkiem dosłownym sensie – jako cienka, praktycznie niewidoczna warstwa grafenu skrywająca się wewnątrz smartfona, zegarka albo panelu słonecznego nad naszymi głowami.