Nowoczesny materiał dla lotnictwa - grafen

Jak wykorzystać grafen, najbardziej obiecujący materiał, nad którymi obecnie pracuje nauka? Może uda się go użyć do produkcji samolotów? Takie zadanie postawili przed sobą naukowcy z Politechniki Rzeszowskiej, którzy wraz z 11 partnerami pracują nad nowoczesnymi materiałami dla przemysłu lotniczego.

Grafen to najbardziej wytrzymały materiał na świecie. Jego wynalezienie zostało rok temu nagrodzone nagrodą Noble'a. Ma niezwykłe właściwości: jest przezroczysty, najcieńszy, bo ma grubość jednego atomu, sto razy wytrzymalszy niż stal, a do tego ma niezwykłe właściwości przewodzące. W przemyśle elektronicznym z powodzeniem mógłby zastąpić krzem. Laboratoria na całym świecie ścigają się, szukając najlepszych metod otrzymywania i zastosowania grafenu.

Politechnika Rzeszowska wraz z 11 partnerami w ramach największego w kraju projektu badawczego szuka nowoczesnych materiałów dla przemysłu lotniczego. Wśród zastępu naukowców z najróżniejszych dziedzin są również chemicy, którzy przede wszystkim szukają niepalnych materiałów do produkcji samolotów, by wyeliminować jedną z istotniejszych przyczyn katastrof lotniczych. Ale od kilku miesięcy pracują też nad wykorzystaniem grafenu. Do czego mógłby się on przydać w samolotach?

W PZL Świdnik zwrócono nam uwagę na problem z montażem instalacji do odmrażania w śmigłowcach i samolotach. Elementy łopat, wirników i skrzydeł muszą mieć instalacje odmrożeniowe. Stanowią ją przede wszystkim druty oporowe, przez które przepuszczany jest prąd - mówi prof. Henryk Galina, kierownik Katedry Technologii i Materiałoznawstwa Chemicznego Politechniki Rzeszowskiej.

Okazało się, że podczas montażu instalacji odmrażającej druty muszą być klejone, a prace znacznie ułatwiłoby wynalezienie takich klejów, które przewodziłyby elektryczność. Znaliśmy już wcześniej takie kleje, bo wystarczy wprowadzić do polimeru dobrze rozdrobnione srebro, aby uzyskać przewodnictwo. Tyle że tego srebra trzeba 30 proc., a z taką ilością domieszki klej traci swe właściwości - opowiada prof. Galina. Prowadzone przez dwa lata badania z wykorzystaniem polimerów przewodzących nie przyniosły oczekiwanych rezultatów. Właśnie wtedy pojawiły się pierwsze informacje o grafenie. Rzeszowscy naukowcy, korzystając z wyników badań naukowców ze Szczecina, które pokazały, że już dzięki domieszce 1 proc. grafenu uzyskuje się przewodnictwo, postanowili przetestować, czy materiał ten sprawdzi się w przemyśle lotniczym.

Badania zaczęły się w tym roku, a na zlecenie Politechniki Rzeszowskiej fizycznie prowadzone są w Centrum Materiałów Polimerowych i Węglowych PAN w Zabrzu. Tam naukowcy sprawdzają, czy kleje z domieszką grafenu stabilnie przenoszą tak duży ładunek prądu, jaki jest potrzebny w instalacjach odmrażających i czy są wystarczająco trwałe.

Zgodnie z planami prace rozpoznawcze mają być zakończone do końca listopada. Jeśli przyniosą pozytywne rezultaty, a wszystko wskazuje na to, że tak właśnie będzie, będą one kontynuowane.  Wyprodukowana porcja kleju z grafenem trafi na testy do PZL Świdnik. Mam nadzieję, że cena grafenu spadnie i my także włączymy się do badań. Po ich zakończeniu będziemy mogli wystąpić o opatentowanie wyników, a po zakończeniu projektu negocjować wdrożenie technologii w zakładach przemysłowych - mówi prof. Galina.

Jak można wykorzystać grafen?

Przez to, że jego największą zaletą jest przewodnictwo elektryczne, może zastąpić krzem. Pokryty nim ekran dotykowy ma szansę działać idealnie. Zgodnie z przewidywaniami grafen może być też wykorzystywany do produkcji przejrzystych, zwijanych w rolkę wyświetlaczy dotykowych oraz paneli słonecznych, a tworzywa sztuczne z jego dodatkiem będą bardziej wytrzymałe i odporne na temperaturę. Będą z nich mogły być produkowane samochody oraz samoloty.

Poważny problem jeszcze niedawno stanowiło jego przemysłowe uzyskiwanie. Metoda zaproponowana przez jego wynalazców za pomocą taśmy przylepnej Scotch absolutnie się do tego nie nadawała. Ale dziś metod jego wytwarzania jest coraz więcej. Jedną z nich, która daje jak dotąd najlepszej jakości grafen, zaproponowali polscy naukowcy z Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych i Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.

Pozostanie jeszcze wymyślenie komercyjnych jego zastosowań. Na początku października Agencja Rozwoju Przemysłu powołała spółkę Nanocarbon, która ma pracować właśnie nad komercyjnym wykorzystaniem grafenu. By jej prace były efektywne, pomóc jej mają zewnętrzni eksperci z różnych dziedzin, których połączyć ma internetowa platforma.

Wyścig o najlepsze wykorzystanie grafenu trwa na całym świecie, a pierwsze produkty z jego zastosowaniem już się pojawiły. Samsung stworzył prototypowe ekrany dotykowe do komórek i laptopów, a IBM - grafenowy tranzystor.

autor: Agata Kulczycka

źródło: Gazeta.pl

Sztuczna skóra z nanorurek

Uczeni z amerykańskiego Uniwersytetu w Stanford opracowali pokrytą nanorurkami silikonową membranę, która wyczuwa nacisk, potrafiąc wykryć siłę kilku ton i zaledwie kilku gram. Jest przy tym przezroczysta i rozciągliwa. To idealny kandydat na sztuczną skórę inteligentnych protez lub ramion robotów.

Podstawowym składnikiem opracowanej właśnie powłoki jest błona zbudowana z węglowych nanorurek, rozpylonych na cienkiej warstwie silikonu. Dwie takie warstwy łączone są nanorurkową stroną do wewnątrz i przedzielone dodatkową, cienką warstwą silikonu. Początkowo nanorurki ułożone są w przypadkowy sposób, jednak kilkukrotne rozciągnięcie błony powoduje, że układają się w rodzaj sprężynek – dzięki temu przy ponownym rozciąganiu lub zgnieceniu błona wraca do poprzedniego kształtu. Można ją nawet dwukrotnie wydłużyć bez obawy utraty właściwości. Wewnętrzna warstwa silikonu przechowuje ładunek elektryczny, ale jej pojemność zmienia się wraz ze zmianą grubości. Nanorurki działają dodatkowo jak elektryczne złącza. Na tej podstawie można bardzo precyzyjnie wykrywać siłę działającą na membranę.

Nasz czujnik potrafi zarejestrować zarówno siłę nacisku powstającą między palcem wskazującym a kciukiem, jak i dwukrotnie większą od siły wywieranej przez słonia stojącego na jednej nodze. W żadnym przypadku nie powstaną trwałe odkształcenia – opowiada współtwórca wynalazku dr Darren Lipomi. Badacz jest częścią zespołu kierowanego przez prof. Zhenan Bao, której celem jest stworzenie sztucznej superskóry.

Uczeni ze Stanford University chcą swój pomysł jeszcze udoskonalić. Przy pracy nad obecną wersją skupili się bowiem na rozciągalności i przezroczystości. Ich poprzednia sztuczna skóra, pozbawiona tych cech, była w stanie wykryć nacisk liczony w miligramach. Teraz zespół chce połączyć zalety obu konstrukcji. Zastosowanie swojego pomysłu widzą m.in. w tworzeniu „czujących″ dotyk protez i części robotów, w wykrywających nacisk bandażach oraz w dotykowych ekranach.

Uczeni z Uniwersytetu Stanford opowiadają o swoim wynalazku VIDEO

autor: Marek Matacz

źródło: EurekNews; Standford University

Polskie urządzenie do implementacji jonowej

Urządzenie do pokrywania powierzchni materiałów jonami opracowali naukowcy z Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy w Warszawie (IFPiLM). Dzięki wynalazkowi będzie można produkować półprzewodniki nowej generacji. 

Polscy naukowcy zbudowali źródło laserowe z unikalnym układem przyspieszania jonów do wybranej energii, dzięki któremu materiały można pokrywać jonami. Wynalazek IFPiLM eliminuje przy tym zanieczyszczenia.

Pokrywanie materiałów jonami, czyli tzw. implementacja jonowa polega na "wbijaniu" jonów w powierzchnię materiału. Może ona sprawić, że materiał zmieni swoje właściwości fizyczne, np. mechaniczne lub elektryczne.

Urządzenie już wykorzystano do produkcji próbek półprzewodnika nowej generacji: warstwy krzemionki z uformowanymi nanokryształami germanu. Półprzewodniki tego typu mogą znaleźć nowe zastosowania w elektronice, np. generować światło lub posłużyć do dalszej miniaturyzacji układów pamięciowych.

Obecnie do implementacji jonowej najczęściej stosuje się akceleratory. Od akceleratorów prostsze, tańsze i bardziej uniwersalne okazują się jednak laserowe źródła jonów (Laser Ion Source - LIS). LIS to proste urządzenia, wytwarzające jony wskutek oddziaływania skupionej wiązki laserowej z tarczą umieszczoną w komorze próżniowej. Dzięki urządzeniu tego typu, w przeciwieństwie do akceleratora, można np. wytwarzać jony z materiałów trudnotopliwych - np. z tantalu czy wolframu.

Laserowe źródła jonów mają niestety pewne wady: znajdujące się w tarczy zanieczyszczenia często stwarzają problemy - ich jony mogą wraz z właściwymi jonami wpływać na próbkę. Dodatkowo impuls laserowy wyrywa z tarczy drobiny materiału, które osadzają się na próbce i zaburzają jej powierzchnię. Obecność zanieczyszczeń uniemożliwia zastosowanie LIS w przemyśle. Aby zapobiec takim efektom, zaprojektowaliśmy i zbudowaliśmy urządzenie do implementacji jonowej z bardzo oryginalnym elektrostatycznym układem przyspieszania jonów - mówi doktorant Marcin Rosiński z IFPiLM.

W urządzeniu zbudowanym w IFPiLM impuls laserowy trwa 3,5 nanosekundy i niesie mało energii. W początkowej fazie oddziaływania z materią energia ta zwiększa energię swobodnych elektronów w tarczy i to one zaczynają jonizować atomy tarczy i jej zanieczyszczeń. Pozostała energia impulsu laserowego grzeje bezpośrednio zjonizowaną materię, co powoduje jej szybką ekspansję. Natura procesu sprawia, że wyrzucane z plazmy jony nie unoszą jednakowej energii, a więc mają szeroki rozkład energetyczny.

W polskim urządzeniu drobiny materiału wyrwane z tarczy pod wpływem impulsu laserowego są obojętne elektrycznie. Ekspandują bez odchylania i trafiają w przegrodę ustawioną na osi układu, przed próbką. Z kolei część jonów tarczy i zanieczyszczeń omijających przegrodę jest przyspieszana i skupiana przez pole elektryczne na osi układu za przegrodą. Parametry pola dobraliśmy w taki sposób, że do próbki dolatują tylko cięższe jony tarczy, o mniej więcej tej samej energii - wyjaśnia Rosiński.

Zastosowany w urządzeniu niskoenergetyczny laser nie grzeje się i w kilkadziesiąt minut może wygenerować 10 tys. i więcej impulsów świetlnych. Naukowcy mogą więc precyzyjnie kontrolować liczbę jonów docierających do próbki.

Rozwiązanie zaproponowane przez naukowców z IFPiLM zostało zastosowane do badań implantacji jonów germanu w warstwie krzemionki, aby wytworzyć w niej nanokryształy germanu. Powstaje w ten sposób zmodyfikowany półprzewodnik dla nowych zastosowań w elektronice. Nasze zaimplantowane próbki, po wygrzaniu, przebadaliśmy różnymi metodami w specjalistycznych laboratoriach, głównie na Uniwersytetach w Mesynie i Katanii na Sycylii. Obserwowaliśmy zarówno skutki implementacji jonów, jak i strukturę nanokrystaliczną próbek - mówi Rosiński.

Symulacja numeryczna torów jonów w laserowym źródle jonów, opracowanym w IFPiLM. Wiązka laserowa (na symulacji niewidoczna) trafia w tarczę po lewej (zaznaczoną na zielono). Wytwarzane laserem jony germanu są przyspieszane za pomocą pola elektrycznego i skupiane na próbce krzemionki SiO2,umieszczonej w miejscu największego zagęszczenia jonów (okolice położenia 220 na osi poziomej). Zanieczyszczenie osadzają się na przegrodzie umieszczonej przed próbką. Źródło: IFPiLM

Prace nad optymalizacją naszego urządzenia pod kątem zastosowań przemysłowych zakończymy w dwa lata, ale już teraz zaczynamy szukać firm zainteresowanych wdrożeniem tej technologii - podsumowuje prof. Jerzy Wołowski, szef zespołu zajmującego się w IFPiLM badaniami i zastosowaniami oddziaływań laserów z materią.

Budowę urządzenia do implantacji laserowej rozpoczęto w IFPiLM kilka lat temu w ramach europejskiego programu SEMINANO. Obecnie głównym źródłem finansowania badań jest Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego. 

źródło: PAP - Nauka w Polsce

Tworzenie grafenu w niższej temperaturze dzięki domieszce złota

Na Uniwersytecie Cambridge powstała technika pozyskiwania wysokiej jakości grafenu w temperaturze ponad dwukrotnie niższej niż dotychczas. Osiągnięcie to znakomicie ułatwi zastosowanie grafenu w praktyce.

Zespół pracujący pod kierunkiem Roberta Weatherupa i Bernharda Bayera nałożył cienką warstwę złota na nikiel, na którym wzrasta grafen. To pozwoliło obniżyć temperaturę, w której tworzony jest grafen do zaledwie 450 stopni Celsjusza.

Obecnie najlepszą znaną metodą pozyskiwania wysokiej jakości grafenu jest osadzanie z fazy gazowej. W tym celu podłoże z niklu lub miedzi, które działa jak katalizator, poddaje się działaniu gazu zawierającego węgiel. W temperaturze ponad 1000 stopni Celsjusza dochodzi do osadzenia się warstwy węgla na podłożu. Powstaje grafen. Metoda taka nie jest jednak pozbawiona wad. Wysokie temperatury niszczą część materiałów, które są wykorzystywane w produkcji elektroniki, przez co nie można z grafenu bezpośrednio tworzyć układów scalonych.

Tymczasem, jak odkryli brytyjscy uczeni, wystarczy do niklu dodać mniej niż 1% złota, by można było obniżyć temperaturę pracy z grafenem do 450 stopni Celsjusza. Co więcej, pozyskany w ten sposób grafen jest lepszej jakości. W tradycyjnej technice produkcji grafen pojawia się na całej powierzchni niklu i poszczególne kawałki tworzą się niezależnie. Z czasem powiększają się i łączą ze sobą, ale miejsca połączeń są mniej doskonałe niż pozostała powierzchnia grafenu i elektrony nie poruszają się nich równie swobodnie.

Tymczasem złoto blokuje wzrost grafenu. Pozwala zatem otrzymywać jednolite płachty, które rosły przez dłuższy czas, ale jako że nie napotkały na swojej drodze innych skrawków grafenu, nie łączyły się z nimi i nie występują w nich „szwy". Złoto pozwala zatem nie tylko na pozyskanie grafenu w znacznie niższej temperaturze, ale również na produkcję materiału o lepszych właściwościach.

Uczeni z Uniwersytetu w Cambridge przeprowadzili przy okazji szczegółowe badania nad wzrostem grafenu. Dowiedzieli się, że do osadzania się grafenu nie dochodzi tylko w czasie, gdy podłoże jest schładzane oraz że na wzrost wpływa nie tylko powierzchnia katalizatora, ale też obszar poniżej.

Grafen wciąż jest przedmiotem laboratoryjnych badań i nie trafił jeszcze na linie produkcyjne.  Jednak dzień jego rynkowego debiutu jest coraz bliżej. Idealnie byłoby, gdyby grafen udało się produkować bezpośrednio na izolatorze. Obecnie trzeba go przenosić z podłoża, na którym jest tworzony, na podłoże, gdzie ma powstać obwód. Problem w tym, że izolatory słabo sprawdzają się w roli katalizatorów do pozyskiwania grafenu z fazy gazowej. Badania nad wzrostem grafenu to wciąż młoda dziedzina wiedzy, ale rozwija się bardzo szybko - stwierdził Weatherup.

Autor: Mariusz Błoński
Źródło: KopalniaWiedzy, University of Cambridge

Nowa forma grafenu

Naukowcom udało się uzyskać nową formę grafenu. Okazuje się, że gdy jego arkusze zostaną zmięte jak kartki papieru, stają się odporniejsze na mechaniczne odkształcenia.
  
Grafen jest supercienki, bardzo mocny, elastyczny i sprawdza się jako znakomity przewodnik – a to tylko kilka z jego zalet. Istnieje jednak istotna przeszkoda przy produkcji i wykorzystywaniu go na szerszą skalę: warstwy grafenu „lubią” układać się w stosy. I podobnie jak ryza papieru, która ma właściwości zdecydowanie inne niż pojedyncza kartka, tak stos arkuszy grafenu to zupełnie odmienny materiał – sztywny i trudniejszy w obróbce.

Badacze z amerykańskiego Uniwersytetu Northwestern opracowali nową formę grafenu, pozbawioną skłonności do układania się w bloki. Wyobraźcie sobie kosz pełen zmiętych arkuszy papieru. Możecie je zginać i upychać, jak mocno chcecie, ale w odróżnieniu od papieru ułożonego w ryzę osobne kartki ciągle będą miały swoją powierzchnię – wyjaśnia główny autor eksperymentu prof. Jiaxing Huang.

Idea „gniecenia” jest stosunkowo prosta: kropelki wody zawierające arkusze grafenu przepuszcza się przez wnętrze rozgrzanego pieca. Woda szybko paruje i w trakcie tego procesu arkusze są ściskane w kulki. Te z kolei nie mają regularnej powierzchni, a przez to tracą zdolność do ciasnego układania się na sobie. Zyskały za to zupełnie nową właściwość: dużą odporność na mechaniczne odkształcenia. Im silniej są ściskane, tym stają się mocniejsze.

Naukowcy już się zastanawiają nad tym, jak można wykorzystać tak ułożone arkusze. Myślę, że ta forma będzie przydatna w badaniu zastosowań grafenu w przechowywaniu oraz przetwarzaniu energii – przewiduje Huang.

Autor: Maciej Bójko
źródło: EurekNews.pl, ACSNANO