Skorupki orzeszków ziemnych zmienione w tani grafen. Przełom z Australii

Odpad z przemysłu spożywczego, którego nikt nie chce, może wkrótce zasilać baterie, panele słoneczne i ekrany dotykowe.

Naukowcy z Australii opracowali sposób, by zwykłe skorupki po orzeszkach ziemnych zamieniać w grafen – jeden z najbardziej pożądanych materiałów nowoczesnej elektroniki. Cały proces trwa kilka minut, nie wymaga toksycznej chemii i według obliczeń kosztuje zaledwie ułamek obecnych metod.

Dlaczego wszyscy tak gonią za grafenem

Grafen to cienka jak atom warstwa węgla o wyjątkowych właściwościach. Jest twardszy od stali, przewodzi prąd lepiej niż miedź, a przy tym pozostaje niemal przezroczysty i bardzo elastyczny. Inżynierowie widzą w nim materiał do superwydajnych baterii, ultraczułych czujników, giętkich ekranów czy szybszej elektroniki.

Problem w tym, że grafen wciąż jest drogi w produkcji. Tradycyjne technologie wymagają wysokich temperatur, specjalistycznych reaktorów i często używają szkodliwych odczynników. To sprawia, że materiał trafia głównie do laboratoriów i drogich, wąsko wyspecjalizowanych zastosowań, a nie do masowych produktów.

Nowa metoda z Australii pokazuje, że wysokiej jakości grafen da się uzyskać w kilka minut z rolniczego odpadu, przy bardzo niskim zużyciu energii i bez agresywnej chemii.

Góra odpadów, o której mało kto myśli

Światowa produkcja orzeszków ziemnych generuje rocznie ponad 10 milionów ton suchych skorupek. W większości lądują one na wysypiskach, w kompoście albo w prostych zastosowaniach o bardzo niskiej wartości. Tymczasem to prawdziwa kopalnia węgla w czystej postaci.

Ściany skorupek zawierają dużo ligniny – roślinnego polimeru bogatego w atomy węgla. Dokładnie tego pierwiastka trzeba, by zbudować struktury grafenowe. Australijski zespół kierowany przez inżyniera mechanika Guana Yeoha z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii postanowił wykorzystać ten potencjał wprost, zamiast sięgać po węglowe produkty z ropy naftowej.

Badacze opisali swoje wyniki w prestiżowym czasopiśmie naukowym poświęconym inżynierii chemicznej, a pierwsze analizy pokazują, że uzyskany materiał dorównuje jakością grafenowi produkowanemu konwencjonalnie.

Jak zrobić grafen z orzeszków: dwa uderzenia ciepła

Cały proces można streścić do dwóch kluczowych etapów, w których główną rolę gra błyskawiczne ogrzewanie elektryczne.

Etap pierwszy: zeskrobać „balast” z biomasy

Na początku skorupki są rozdrabniane, a następnie poddawane podgrzewaniu do około 500 stopni Celsjusza przez kilka minut. Temperatura rośnie dzięki efektowi Joule’a, czyli nagrzewaniu materiału prądem elektrycznym. W tej fazie z biomasy usuwane są tlen, wodór i inne zanieczyszczenia. Pozostaje w zasadzie czarny węglowy proszek, bogaty w ustabilizowane struktury pierścieniowe.

To, jak dobrze przygotujemy ten węglowy „półprodukt”, decyduje o jakości grafenu na wyjściu. Zbyt niedokładne usunięcie domieszek psuje późniejszą strukturę materiału.

Zespół Yeoha podkreśla, że właśnie ta staranna obróbka wstępna odróżnia ich podejście od wcześniejszych eksperymentów z biomasą, które dawały mocno defektywny, mało użyteczny materiał.

Etap drugi: ekstremalny termiczny „błysk”

Gdy węgiel jest już odpowiednio uporządkowany, poddaje się go tzw. flash Joule heating – krótkiej, ale ekstremalnie intensywnej impulsowej dawce prądu. Temperatura w próbce skacze wtedy powyżej 3000 stopni Celsjusza, lecz tylko przez ułamki sekundy.

W tak drastycznych warunkach atomy węgla zaczynają błyskawicznie się reorganizować i samoistnie układać w cienkie płytki grafenowe. Cały ciąg technologiczny od rozdrobnionej skorupki do gotowego proszku grafenu zajmuje około dziesięciu minut.

Metoda nie wymaga żadnych rozpuszczalników ani reagentów chemicznych. To istotne zarówno dla kosztów, jak i dla bezpieczeństwa ludzi oraz środowiska. W typowych przemysłowych liniach wytwarzania nanomateriałów zużywa się znaczne ilości toksycznych substancji, których późniejsze oczyszczanie jest kłopotliwe i drogie.

Jaki grafen powstaje z orzeszków i do czego się nadaje

Australijczycy uzyskują tzw. grafen turbostratyczny. Nie jest to pojedyncza, idealna warstwa, lecz kilka cienkich warstw węgla, ułożonych losowo jedna na drugiej. Struktura nie ma laboratoryjnej „doskonałości”, za to świetnie sprawdza się w realnych urządzeniach.

Taki typ grafenu nadaje się między innymi do:

• elektrod w bateriach i superkondensatorach,
• warstw przewodzących w panelach słonecznych,
• powłok w ekranach dotykowych i elastycznej elektronice,
• czujników medycznych i środowiskowych,
• dodatków wzmacniających do kompozytów i tworzyw sztucznych.

W wielu z tych zastosowań liczy się nie absolutna krystaliczna perfekcja, lecz kombinacja przewodnictwa, stabilności i niskiego kosztu. Dlatego grafen z orzeszków ma realną szansę trafić do produktów masowych, a nie tylko do specjalistycznych urządzeń badawczych.

Koszt energii: tańszy grafen niż kiedykolwiek

Jednym z najbardziej zaskakujących wyników tego projektu są wyliczenia energetyczne. Według zespołu z Sydney, wytworzenie kilograma grafenu tą metodą wymaga energii wartej około 1,30 dolara amerykańskiego, czyli w przybliżeniu 1,10 euro.

Jeśli takie parametry uda się utrzymać w fabryce, grafen z odpadu rolniczego może wywrócić rynek materiałów zaawansowanych i zepchnąć obecne, drogie technologie na margines.

Do tego dochodzi jeszcze oszczędność wynikająca z użycia biomasy, której i tak nikt nie potrzebuje. Zamiast płacić za jej składowanie czy utylizację, można ją zamienić w pełnowartościowy produkt o dużej marży. Dla producentów żywności to ciekawa szansa na dodatkowy strumień przychodów.

Nie tylko orzeszki: w planach fusy z kawy i skórki bananów

Zespół Guana Yeoha zapowiada, że na skorupkach arachidów nie zamierza poprzestać. W kolejce czekają już kolejne rodzaje odpadów z kuchni i gospodarstw domowych: fusy kawowe oraz skórki po bananach. One również są bogate w ligninę i węgiel, więc teoretycznie nadają się na surowiec do produkcji grafenu.

Jeśli uda się opracować podobnie wydajne procedury dla różnych rodzajów biomasy, powstanie cała rodzina tanich, węglowych nanomateriałów o zbliżonych parametrach elektrycznych i mechanicznych. Taki pakiet rozwiązań mógłby znacząco uniezależnić branżę zaawansowanych materiałów od surowców kopalnych.

Naukowcy szacują, że przejście od skali laboratoryjnej do pierwszego prototypu linii przemysłowej zajmie im trzy do czterech lat. Tyle potrzeba, by dopracować proces, sprawdzić go na większych partiach biomasy i zaprojektować urządzenia zdolne do ciągłej pracy.

Co to zmienia dla przemysłu i przeciętnego użytkownika

Jeśli zakładany harmonogram się utrzyma, za kilka lat grafen przestanie być luksusowym gadżetem w katalogach firm high-tech, a stanie się pospolitym dodatkiem do wielu produktów. Tania i skalowalna produkcja otwiera drogę do tańszych baterii o większej pojemności, szybszego ładowania i dłuższej żywotności smartfonów czy laptopów.

Można też wyobrazić sobie elastyczne panele fotowoltaiczne, które łatwo zamontować na fasadach budynków czy na lekkich konstrukcjach. Grafenowe powłoki przewodzące mogą poprawić wydajność takich paneli, a przy niskich kosztach produkcji rozwiązanie stanie się opłacalne ekonomicznie.

Dla rolnictwa i przetwórstwa żywności to szansa na lepsze wykorzystanie odpadów. Zamiast płacić za ich wywóz, firmy mogłyby sprzedawać je firmom materiałowym. W dłuższej perspektywie taki model wpisuje się w gospodarkę obiegu zamkniętego, gdzie odpad z jednej branży staje się cennym surowcem dla innej.

Kilka pojęć w prostych słowach

Warto uporządkować dwa techniczne terminy, które pojawiają się przy tej technologii. Efekt Joule’a to zjawisko, które znamy z codzienności: grzejący się przewód w czajniku elektrycznym czy suszarce do włosów. Prąd płynący przez opór zamienia się w ciepło. Badacze po prostu wykorzystują to zjawisko w ekstremalnej formie, by błyskawicznie nagrzać węglową mieszankę.

Grafen turbostratyczny natomiast to rodzaj grafenu, w którym poszczególne warstwy są względem siebie przypadkowo obrócone i lekko przesunięte. Dzięki temu elektrony poruszają się w nim inaczej niż w idealnie ułożonych stosach warstw, co w wielu aplikacjach poprawia przewodnictwo i ułatwia integrację z innymi materiałami.

Cała historia pokazuje ciekawy kierunek w badaniach materiałowych: zamiast szukać coraz bardziej wyszukanych surowców, warto spojrzeć na to, co już masowo wyrzucamy. W orzeszkach, fusach kawy czy skórkach po owocach kryje się dużo uporządkowanego węgla, który da się przeobrazić w coś zdecydowanie bardziej wartościowego niż kompost czy dym z kotłowni.