Skorupki z orzeszków ziemnych zmienią produkcję grafenu? Tani patent z Australii

Naukowcy pokazali sposób na tani grafen z czegoś, co zwykle ląduje w koszu.

Australijski zespół badawczy opracował prostą, szybką i bezchemiczną metodę wytwarzania grafenu ze skorupek po orzeszkach ziemnych. Materiał, który do tej pory uchodził za drogi i trudny w produkcji, może dzięki temu trafić do znacznie tańszych baterii, ekranów i elektroniki codziennego użytku.

Od śmieci po seansie Netflixa do cennego nanomateriału

Każdego roku światowa produkcja orzeszków ziemnych generuje ponad 10 milionów ton skorupek. W większości przypadków kończą na wysypiskach albo w kompoście. Dla rolników i przetwórców to kłopotliwy odpad, którego nikt nie traktuje poważnie.

Dla inżynierów z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii w Australii to jednak gotowa kopalnia węgla. Ściany skorupek są bogate w ligninę – roślinny polimer zawierający dużo atomów węgla, czyli dokładnie tego pierwiastka, z którego zbudowany jest grafen. Zamiast korzystać z sadzy na bazie ropy naftowej, badacze postanowili sięgnąć po to, co rośnie na polu i kosztuje grosze.

Skorupki z orzeszków ziemnych okazały się tak dobrym surowcem, że uzyskany z nich grafen dorównuje jakości materiału tworzonego drogimi metodami przemysłowymi, przy zdecydowanie niższym zużyciu energii.

Opis metody trafił do specjalistycznego czasopisma z zakresu inżynierii chemicznej, a pierwsze testy wykazały, że materiał z odpadów rolniczych sprawuje się równie dobrze jak grafen z klasycznych linii produkcyjnych.

Dlaczego grafen wciąż jest rzadkim gościem w naszej elektronice

Grafen to pojedyncza lub kilka warstw atomów węgla ułożonych w heksagonalną „plasterkową” siatkę. Jest:

• kilka razy mocniejszy od stali przy dużo mniejszej masie,
• świetnym przewodnikiem prądu i ciepła, lepszym niż miedź,
• niemal przezroczysty, a przy tym bardzo elastyczny.

Brzmi idealnie dla baterii, paneli słonecznych, elastycznych ekranów czy czujników medycznych. Problem leży w produkcji. Dziś większość procesów tworzenia grafenu jest droga, energochłonna i często opiera się na toksycznej chemii. Dlatego materiał ten trafia głównie do wąskich zastosowań badawczych lub bardzo specjalistycznych urządzeń.

Australijski pomysł uderza właśnie w ten słaby punkt: grafen ma powstawać szybko, z taniego odpadu i bez skomplikowanej chemii. Kluczem są dwa krótkie „strzały” ciepła.

Jak zrobić grafen z orzeszków: dwie fazy grzania

Etap pierwszy: powolne wypalanie niepotrzebnych składników

Na start skorupki są rozdrabniane, a następnie trafiają do urządzenia, w którym nagrzewa je prąd elektryczny. Temperatura rośnie do około 500°C i utrzymuje się tak przez pięć minut. Taki „umiarkowany” ogień usuwa tlen, wodór i inne domieszki, pozostawiając rodzaj węgla bogatego w regularne pierścieniowe struktury.

Jakość tego pośredniego węgla decyduje o jakości końcowego grafenu – jeśli etap przygotowania surowca się zawali, gotowy materiał ma dużo defektów.

W praktyce oznacza to, że pierwsza faza nie jest tylko prostym wypalaniem. Trzeba ją dobrze kontrolować, żeby atomy węgla ustawiły się w możliwie uporządkowane układy aromatyczne, które później łatwiej „przemodelować” w grafen.

Etap drugi: ekstremalny błysk ciepła

Gdy powstanie już odpowiednio przygotowany węgiel, przechodzi on do głównej części procesu. Przez materiał przepuszcza się bardzo silny impuls prądu – tzw. flash Joule heating. W ciągu kilku milisekund temperatura skacze powyżej 3000°C.

To coś w rodzaju miniaturowego, kontrolowanego uderzenia pioruna. Trwa bardzo krótko, ale wywraca układ atomów węgla do góry nogami, zmuszając je do ułożenia w cienkie warstwy grafenowe. Cała procedura, od zmielenia skorupek po gotowy proszek grafenowy, zajmuje około dziesięciu minut.

Co ważne, nie są tu potrzebne żadne rozpuszczalniki, kwasy ani inne agresywne odczynniki. Proces opiera się tylko na wpływie prądu i temperatury. To zarówno tańsze, jak i łatwiejsze do późniejszego skalowania w zakładach przemysłowych.

Grafen „turbostratyczny” – wystarczająco dobry dla przemysłu

Otrzymany materiał to tzw. grafen turbostratyczny. Nie jest to jedna idealna warstwa, lecz kilka cienkich warstw na sobie, ułożonych lekko chaotycznie. Dla części zastosowań laboratoryjnych taki układ byłby wadą, ale dla przemysłu to rozsądny kompromis.

Tego typu grafen sprawdza się m.in. w:

• elektrodach do baterii litowo-jonowych i przyszłych akumulatorów o większej pojemności,
• warstwach przewodzących w elastycznych ekranach i panelach dotykowych,
• taniej elektronice jednorazowego użytku, choćby w sensorach medycznych,
• warstwach przewodzących w panelach fotowoltaicznych.

Według wyliczeń zespołu australijskiego, energia potrzebna do wyprodukowania jednego kilograma takiego grafenu kosztuje ok. 1,30 dolara. To poziom, przy którym wiele firm zaczyna myśleć o wdrożeniu technologii na linie produkcyjne, a nie tylko do demonstratorów.

Co to oznacza dla zwykłego użytkownika technologii

Jeśli takich linii produkcyjnych powstanie więcej, grafen może w końcu wyjść z laboratoriów do masowej elektroniki. Tanie i wydajne baterie to dłuższy czas pracy smartfonów, lepsze magazynowanie energii z fotowoltaiki w domach czy szybsza ładowarka w garażu dla samochodu elektrycznego.

Grafenowe warstwy przewodzące w ekranach mogą obniżyć ich koszt i poprawić trwałość. Z kolei medycyna zyska bardzo cienkie, dobrze przewodzące czujniki do monitorowania pracy serca, poziomu glukozy czy parametrów krwi, które zmieszczą się jak plaster na skórze.

Jeśli koszt grafenu spadnie o rzędy wielkości, projektanci elektroniki zaczną go traktować jak standardowy element układanki, a nie egzotyczny dodatek dla nielicznych.

Kawa, banany i nowe życie resztek z kuchni

Zespół z Australii nie chce się ograniczać wyłącznie do orzeszków. W planach są już testy z fusami po kawie oraz skórkami bananów, czyli kolejnymi rodzajami biomasy bogatej w ligninę. Jeśli i tu uda się utrzymać dobrą jakość grafenu, rolnicze i spożywcze odpady zyskają zupełnie nową wartość.

Taka technologia może z czasem powiązać przemysł elektroniczny z rolnictwem w nieoczywisty sposób. Przetwórca orzechów czy kawy nie sprzedaje już tylko swojego głównego produktu, ale także odpad, który staje się surowcem dla fabryk zaawansowanych materiałów.

Co jeszcze warto zrozumieć w tej historii

Sama metoda wydaje się prosta, ale droga do fabryki jest długa. Trzeba zaprojektować reaktory zdolne do bezpiecznego generowania tysięcy powtarzalnych impulsów cieplnych dziennie, dopracować systemy kontroli jakości i sprawdzić, jak zachowa się instalacja przy różnych rodzajach biomasy. Naukowcy mówią o horyzoncie trzech–czterech lat na przejście od laboratoriów do pierwszych prototypowych linii.

W tle jest też pytanie o skalę. Jeśli technologia się przyjmie, rolnicze „śmieci” mogą stać się pełnoprawnym produktem, za który ktoś będzie płacił. Dla wielu regionów to szansa na dodatkowe źródło przychodu. Dla producentów elektroniki – sposób na tańsze, bardziej „zielone” komponenty. A dla zwykłego użytkownika? Perspektywa, że paczka orzeszków oglądana przy serialu kiedyś naprawdę wróci do niego w postaci szybszego telefonu czy wydajniejszej baterii w rowerze elektrycznym.