Dr hab. inż. Mariusz Zdrojek, prof. PW o rozwiązaniach wykorzystujących grafen

Profesor Mariusz Zdrojek w laboratorium Wydziału Fizyki PW z kompozytem grafenowym

Grafen - jako węglowy nanomateriał - zyskuje coraz większe uznanie w technologiach cywilno-wojskowo-kosmicznych. Potencjalne zastosowanie może znaleźć jednocześnie np. w przemyśle chemicznym przy wytwarzaniu przewodzących kompozytów, elektrokatalizatorów (ogniwa paliwowe), baterii litowych i superkondensatorów, farb i materiałów ekranujących szerokopasmowe promieniowanie elektromagnetyczne (od radiofal, poprzez mikrofale (GHz) po zakres widzialny), a także w optoelektronice (ogniwa słoneczne), biomedycynie (biosensory, środki biobójcze) i w produkcji różnego rodzaju selektywnie działających membran. Przykłady te pokazują jak ogromny jest wachlarz możliwości zastosowań grafenu.

Na Wydziale Fizyki Politechniki Warszawskiej, dr hab. inż. Mariusz Zdrojek, prof. PW wykorzystuje grafen m.in. w kompozytach do ekranowania elektromagnetycznego oraz w fotodetektorach. Jak czytamy w przygotowanych przez niego materiałach „badania dotyczące kompozytów do ekranowania promieniowania elektromagnetycznego odnoszą się do opracowania technologii produkcji polimerowo-grafenowego materiału, na bazie modyfikowanych płatków grafenowych. Materiał ma za zadanie ekranować promieniowanie w szerokim zakresie 0.1-50 GHz ze współczynnikiem osłabienia pola EM większym niż 20dB, przynajmniej w części zakresu.”

W fotodetektorze grafen jest elementem aktywnym, umożliwiającym szybkość detekcji podczerwieni przekraczającą 10GHz, bazując wyłącznie na sygnałach elektrycznych. W ramach badań opracowano technologię produkcji nanourządzeń grafenowych, włączając w to koncepcję urządzenia, procesy litograficzne, kontrolę sygnałów wysokoczęstotliwościowych oraz metodologię pomiarową.

Profesor Mariusz Zdrojek za całokształt swoich osiągnięć pod koniec 2016 roku otrzymał Nagrodę Ministra i był jednym z dwóch naukowców PW  - obok prof. Tadeusza Wierzchonia z Wydziału Inżynierii Materiałowej - którzy otrzymali to prestiżowe wyróżnienie. Czy rozwiązania z Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej mają przed sobą przyszłość i jakie są ich zastosowania - pytamy prof. Mariusza Zdrojka.

Skąd pozyskiwany jest grafen? Z Wydziału Fizyki czy też z Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej PW, gdzie niespełna dwa lata temu otworzono laboratorium grafenowe?

Właściwie z obu tych miejsc, i jeszcze z kilku innych. Współpracujemy m.in. z dr. Leszkiem Stobińskim z IChiP-u. Używamy tlenku grafenu, redukowanego tlenku grafenu oraz płatków grafenowych, które sami produkujemy. Równie często kupujemy grafit i przetwarzamy go przy użyciu opracowanej przez nas metody, odmiennej od tej wykorzystywanej na Wydziale Inżynierii Chemicznej i Procesowej. Posługujemy się także grafenem pozyskiwanym z komercyjnych źródeł. Do produkcji kompozytu używamy grafenu płatkowego, gdyż trudno byłoby wykonać go z grafenu monowarstwowego CVD (Chemical Vapor Deposition) wytwarzanego na miedzi czy na węgliku krzemu. Ten ostatni typ grafenu wykorzystujemy do produkcji ultraszybkich detektorów.

Kompozyt wytwarzany jest bez użycia metalu.  W efekcie uzyskujemy materiał, na który składa się polimer z grafenem. W czym tkwi jego przewaga nad metalowymi odpowiednikami? Jest lżejszy, bardziej elastyczny? A może przepuszcza światło widzialne?  

Tak, to jest właśnie taki materiał. W dotyku może przypominać gumę (w zależności od stosowanego polimeru), która bardzo łatwo łapie drobinki kurzu. Im większa zawartość grafenu, tym materiał jest ciemniejszy i mniej przeźroczysty dla światła widzialnego. Kolor polimeru odzwierciedla zatem poziom koncentracji grafenu, wkomponowanego w termoplastyczny elastomer. W czarnym kompozycie - grafenu mamy do 2 %. W przezroczystym materiale liczymy go w promilach.

Czy znajdziemy gdzieś konkurentów dla kompozytu wytwarzanego na Wydziale Fizyki PW?

W odniesieniu do zastosowania jak materiał chroniący przed promieniowaniem elektromagnetycznym - pytanie to należałoby rozpatrywać w kategoriach metal - niemetal. Generalnie, do ekranowania fal elektromagnetycznych używa się materiałów powstałych na bazie metalu, gdyż znakomicie odbijają fale. Niemniej metal nie będzie aż tak plastyczny i zawsze będzie przewodził prąd oraz posiada duży ciężar właściwy, a to często są cechy niepożądane. Nasz kompozyt jest niemetaliczny i posiada dodatkowo tę unikalną cechę, że potrafi zarówno absorbować, jak i odbijać fale elektromagnetyczne. Możemy tym procesem sterować.

Jakie jest praktyczne wykorzystanie tego materiału? Czy dzięki takim kompozytom możemy ograniczyć wpływ promieniowania elektromagnetycznego na mózg? Mam tu np. na myśli przede wszystkim telefony komórkowe.

Kompozyt może być wykorzystywany wszędzie tam, gdzie istnieje problem ekranowania elektromagnetycznego, w miejsce np. metalowych klatek Faradaya. Nasz produkt nie przewodzi prądu, co niewątpliwie może być jego zaletą. Dziedzin, w których można go wykorzystać jest naprawdę wiele. Właściwie możliwości jest bardzo dużo np. przemysł samochodowy, lotniczy, wojskowy, ale również  telekomunikacja czy medycyna. Niezwykle popularnym ostatnio wątkiem jest elektrosmog i zagadnienia, jak się przed nim chronić. Tu niewątpliwie istnieje duże pole do popisu m.in. w zakresie związanym z komunikacją i sygnałami emitowanymi przez telefony komórkowe. Do końca bowiem nie wiemy czy ono nam szkodzi czy nie. Badania w tej kwestii wciąż trwają. Niemniej, jednak udowodniono, że mikrofale mogą modyfikować DNA. Musimy zatem uważać.

W telefonach można by użyć tego materiału przy ekranowaniu pewnych jego części - tych najbliższych mózgowi, niemniej sygnał musi być transmitowany również w drugą stronę. Co ciekawe w komórkach pewne części są ekranowane, ale nie po to żeby nam poprawić nam zdrowie, ale… żeby się nie psuły inne części w telefonie. Okazuje się, że promieniowanie może szkodzić nie tylko ludziom, ale i elektronice.

A może by tak wykorzystać ten elastyczny kompozyt przy produkcji specjalistycznej odzieży?

Przyznam, że mieliśmy taki pomysł. I nawet zrobiliśmy próbkę na tkaninie. Możliwości jest dużo, niemniej z całej puli pomysłów wybraliśmy dwa nad którymi intensywnie pracujemy.

Kompozyt grafenowy z bliska

Z czym oddziałuje taki materiał?

To wszystko zależy jakiego polimeru użyjemy, gdyż to właśnie on decyduje o właściwościach finalnych kompozytu, który może być hydrofilowy, hydrofobowy, bardziej odporny na kwasy lub mniej, odporny na zmęczenie, korozję, na rozciąganie itp. Wszystkie te cechy są wypadkową odpowiednio dobranych proporcji polimeru z grafenem, który dodatkowo sprawia, że np. kompozyt jest bardziej wytrzymały mechanicznie.

Czy na ten moment któraś z gałęzi przemysłu jest już zainteresowana tym materiałem?

Rozmawiamy z otoczeniem przede wszystkim po to, aby rozwinąć tę technologię.  Z laboratorium do przemysłu droga jest bardzo daleka, a przy okazji my naukowcy spotykamy się z rzeczami, o których nie mamy pojęcia. Przez ostatni rok uczyłem się na przykład nie - jak ulepszyć materiał, ale jak go sprzedać, czy rozmawiać z inwestorami.

Na jakim etapie zaawansowania są prace nad tą technologią?

Pracujemy nad przeskalowaniem tego, co wymyśliliśmy na potrzeby przemysłu. Taki jest status. Po pierwszych testach dysponujemy prototypowymi aplikacjami. Pomysł i technologia została opracowana w skali laboratoryjnej i uczelnianej, teraz pracujemy nad tym żeby przeskalować ją na potrzeby przemysłu.

Kolejnym  rozwiązaniem, o które chciałabym zapytać jest fotodetektor grafenowy. Na czym polega jego fenomen? Do czego służy?

Fotodetektor jest również wykonany na bazie grafenu, ale tym razem jest to grafen CVD, o którym wspomnieliśmy na początku. Opracowane na naszym wydziale techniki pozwoliły wykonać na monowarstwie pewien rodzaj nanourządzenia, które jest w stanie w bardzo szybko detekować tzn. oddziaływać ze światłem. Prędkość oddziaływania ma tutaj kluczowe znaczenie, gdyż nasze urządzenie jest w stanie odbierać sygnały w zakresie światła podczerwonego - średniej i dalekiej podczerwieni - z szybkością gigaherców, a nawet większą. Dostępne na rynku podobnej klasy detektory są przynajmniej o rząd wielkości wolniejsze. Niemniej nadal pracujemy nad zwiększeniem jego wydajności.

Nad podobną technologią pracują już inne zespoły europejskie, ale także armia Stanów Zjednoczonych, która możliwe, że już wdrożyła swoje rozwiązanie. Nam niestety do pełnego wdrożenia jeszcze trochę brakuje - przede wszystkim funduszy, ale taki prototyp można już zamówić i kupić w firmie, która z nami współpracowała.

Jeśli chodzi o zastosowania tego detektora, obejmują one przede wszystkim technologie wojskowe oraz wszystkie te dziedziny, gdzie wymagana jest szybkość detekcji np. laserowe wersje radarów czyli LiDAR-y.  

Pod końcem ubiegłego roku otrzymał Pan Nagrodę Ministra za osiągnięcia naukowe I stopnia. Kto Pana do niej zgłosił?

Sam przygotowałem wszystkie dokumenty, złożyłem i dostałem Nagrodę. To oczywiście duże uproszczenie, gdyż procedura obejmuje oczywiście wstępne preselekcje, Radę Wydziału i Senat. Tak się przy tym złożyło, że Nagroda jest przyznawana zwykle „świeżo upieczonym” doktorom habilitowanym, a ja w tej puli okazałem się najlepszy. Kryteria Nagrody obejmują całokształt wszystkich prac, prowadzących do habilitacji.

Z czym wiąże się dla Pana otrzymanie tego wyróżnienia?

Oczywiście cieszy dyplom, gratyfikacja finansowa, jest to istotny punkt do CV w drodze do pełnego profesora, gdyż politechnicznym już jestem. Nagroda niesie ze sobą pewien prestiż, co może ułatwić zdobycie profesorskiego tytułu. Myślę, jednak, że przede wszystkim nagroda jest kolejnym bodźcem, kolejną porcją motywacji do dalszej pracy, której celem jest nie tylko zdobycie tytułu naukowego profesora ale również wykorzystaniem tej pozycji aby zrobić lub odkryć coś nowego i pociągnąć za sobą młodszych, inteligentnych badaczy.

Jakie są Pańskie najbliższe plany? Czy możemy w nie włączyć omawiane powyżej zagadnienia, czy też jest jeszcze coś innego?

Pierwszy z omawianych tematów - kompozyt grafenowy na pewno będziemy jeszcze szeroko rozwijać. Pomysł jest również przekierowany do naszej politechnicznej spółki spin-off, przy pomocy której będziemy ten temat dalej realizować. W obszarze fotodetektora - musimy przede wszystkim pozyskać fundusze. Wsparcia oczekują również mój zespół i moi doktoranci. Na deser złożę wniosek o pełnego profesora.

Czy Pańscy doktoranci także zajmują się grafenem?

Tak, grafenem, choć ta tematyka jest dużo szersza. Grafen jest tylko wycinkiem tego, co robimy. Poza tym, zajmujemy się na przykład nanorurkami węglowymi. Taka nanorurka to nic innego jak zwinięty w rulonik płatek grafenu z tym, że jej średnica jest sto tysięcy razy mniejsza niż średnica ludzkiego włosa, co implikuje pewne właściwości. W Politechnice Warszawskiej byłem jednym z pierwszych, którzy zajmowali się zarówno grafenem, jak i nanorurkami. Dużo czasu poświęcamy także na materiały podobne do grafenu, ale nowsze, odkryte jakiś czas po sukcesie jaki przyniósł grafen. Są to materiały o strukturze dwuwymiarowej, o innych właściwościach niż grafen, niemniej równie ciekawych.

Pytałam o Pańską przyszłość. Jaka czeka grafen?

Jeśli chodzi o materiały, grafen jest zapewne tylko początkiem rewolucji. Wszystko zaczęło się w roku 2010, kiedy przyznano za niego Nagrodę Nobla. Z punktu widzenia nauki grafen to nadal bardzo młody materiał, niemniej dużo jest wokół niego szumu medialnego. Droga od badań naukowych do pełnych wdrożeń przynosi wiele niespodzianek i nigdy nie wiemy, który z badanych aspektów przyczyni się do powstania wynalazku najbardziej oczekiwanego przez ludzkość. Niemniej nie ustajemy w swoich badaniach, aby te oczekiwania były jak najlepiej spełnione.

Dziękuję za rozmowę.

Dr hab. inż. Mariusz Zdrojek, prof. PW jest kierownikiem pracowni nanostruktur w Zakładzie Badań Strukturalnych na Wydziale Fizyki Politechniki Warszawskiej. Od przeszło 10 lat w centrum zainteresowań badawczych i dydaktycznych profesora są nanostruktury węglowe (nanorurki węglowe i różne formy grafenu), nowe materiały o strukturze dwuwymiarowej (np. MoS2, czarny fosfor) oraz kompozyty wykonane z tych nanostruktur. Zainteresowania prof. Mariusza Zdrojka w szczególności dotyczą badań właściwości optycznych, elektronicznych i termicznych wspomnianych grup materiałów. Interesuje się także technologiami produkcji struktur niskowymiarowych i różnego rodzaju urządzeń w skali nano, które z powodzeniem rozwija. Równolegle do prowadzonych badań naukowych i zajęć dydaktycznych dąży do wykorzystania wyników prac badawczych, co znalazło odzwierciedlenie m.in. w złożonych wnioskach patentowych (dwa przyznane, dwa wnioski) oraz w pozyskaniu finansowania na prestiżowe projekty badawczo-wdrożeniowe (Graftech, Lider).

Rozmawiała: Izabela Koptoń-Ryniec