Από την ανακάλυψή του, το γραφένιο θεωρείται μια από τις πιο σημαντικές ανακαλύψεις στην επιστήμη των υλικών. Αυτό το «θαυματουργό υλικό» έχει υπερεκτιμηθεί ευρέως και δεν έχει ακόμη εκπληρώσει τις δυνατότητές του. Μπορούμε τώρα να δούμε πιο συγκεκριμένες και ρεαλιστικές εφαρμογές να έρχονται στην αγορά – όχι τέτοιες εξαιρετικές υποσχέσεις όπως ο διαστημικός ανελκυστήρας. Τι θα γινόταν αν μπορούσαμε να μειώσουμε τις εκπομπές άνθρακα από την παραγωγή τσιμέντου κατά 20% και να χρησιμοποιήσουμε γραφένιο για να φτιάξουμε φθηνότερες και πιο ισχυρές μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων; Αρχίζει τελικά το γραφένιο να εκπληρώνει την υπόσχεσή του;
Το γραφένιο είναι ένα εξαγωνικό κυψελωτό πλέγμα που αποτελείται από ένα μόνο στρώμα ατόμων άνθρακα. Είναι μια φυσική μορφή άνθρακα με μήκος μοριακού δεσμού 0,142 νανόμετρα και κάθε άτομο συνδέεται με πολύ στενούς δεσμούς με τρία άλλα άτομα στο περιβάλλον του. Το γραφένιο ουσιαστικά έχει μόνο δύο διαστάσεις και αν στοιβάζουμε πολλαπλά στρώματα το ένα πάνω στο άλλο, μπορούμε να το μετατρέψουμε σε γραφίτη.
Το «θαυματουργό υλικό», όπως αποκαλείται συχνά το γραφένιο, είναι ένα από τα λεπτότερα υλικά που γνωρίζουμε και η ελαφρύτερη ένωση που έχει ανακαλυφθεί ποτέ (με βάρος περίπου 0,77 mg/m²). Το γραφένιο είναι επίσης μια από τις ισχυρότερες ενώσεις (μεταξύ 100 και 300 φορές ισχυρότερο από τον χάλυβα) καθώς και ένας από τους καλύτερους αγωγούς θερμότητας και ηλεκτρισμού σε θερμοκρασία δωματίου (έχει 70% υψηλότερη ηλεκτρική αγωγιμότητα από τον χαλκό). Μπορείτε να δείτε γιατί τόσοι πολλοί άνθρωποι το χαιρέτησαν ως την επόμενη τεχνολογική επανάσταση.
Η έρευνα για το γραφένιο ξεκίνησε το 1947 από τον φυσικό Philip R. Wallace, αλλά ανακαλύφθηκε μόλις το 2004 από ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ στο Ηνωμένο Βασίλειο από τους Geim και Novoselov. Χρησιμοποιώντας κολλητική ταινία, αφαίρεσαν νιφάδες από ένα κομμάτι γραφίτη και χώρισαν τα στρώματα μέχρι να έχουν πάχος μόνο ενός ατόμου. Η ανακάλυψη ήταν τόσο επαναστατική που τους απονεμήθηκε το Νόμπελ το 2010.
Αν και θεωρητικά έχει όλες τις ιδιότητες για να είναι ένα εξαιρετικό υλικό, η παραγωγή γραφενίου χωρίς ελαττώματα είναι συχνά πολύ ακριβή. Η τιμή του μπορεί να ποικίλλει πολύ ανάλογα με τις συνθήκες κατασκευής και οι μέθοδοι μαζικής παραγωγής αυτού του υλικού δεν ήταν οικονομικά αποδοτικές. Αυτό συμβαίνει συχνά με ανακαλύψεις στο εργαστήριο. Η κυκλοφορία του στην αγορά και η παραγωγή του σε κλίμακα οικονομικά αποδοτικά μπορεί να είναι εξαιρετικά δύσκολη.
Αν και οι καλύτερες φυσικές ιδιότητες του γραφενίου μπορούν να επιτευχθούν χρησιμοποιώντας τη μέθοδο αποφλοίωσης που προτείνουν οι Geim και Novoselov, δεν είναι η πιο αποτελεσματική και πρακτική μέθοδος για την παραγωγή τόνων γραφενίου. Η χημική εναπόθεση ατμών (CVD) είναι μία από τις κύριες μεθόδους που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή γραφενίου. Σε αυτή τη διαδικασία, το γραφένιο συντίθεται σε ένα υπόστρωμα, συχνά φύλλο χαλκού. Ωστόσο, η παραγωγή μεγάλων στρωμάτων αυτού του υλικού σε μεγάλη κλίμακα εξακολουθεί να είναι πρόκληση.
Ωστόσο, ένα παράδειγμα μιας συνεργασίας που προσπαθεί να ωθήσει αυτό το όριο είναι η κοινοπραξία μεταξύ της κινεζικής εταιρείας Hangzhou Cable Co και του Πανεπιστημίου της Νέας Νότιας Ουαλίας, που επιχειρεί να παράγει καλώδια τροφοδοσίας γραφενίου. Τα καλώδια θα μπορούσαν να μειώσουν τις διαρροές ρεύματος, να μειώσουν το κόστος ηλεκτρικής ενέργειας και τις εκπομπές άνθρακα, ενώ θα βελτιώσουν την ποιότητα της μετάδοσης του δικτύου. Η τεχνολογία που αναπτύχθηκε από το πανεπιστήμιο θα μπορούσε θεωρητικά να εξοικονομήσει περίπου 275 TWh. Αυτό είναι πολύ ενδιαφέρον, αλλά πρέπει ακόμα να βγει από το εργαστήριο.
Επειδή το γραφένιο είναι ισχυρό, ελαφρύ και εξαιρετικός αγωγός θερμότητας, μπορεί να είναι ένα εξαιρετικό υλικό για την κατασκευή ψυκτών θερμότητας ή φιλμ απαγωγής θερμότητας. Για παράδειγμα, τα τελευταία smartphone της Huawei χρησιμοποιούν θερμικά φύλλα με βάση το γραφένιο και η βρετανική εταιρεία Graphene Lighting κατασκευάζει φώτα LED που χρησιμοποιούν γραφένιο ως λύση απαγωγής θερμότητας.
Εν τω μεταξύ, η First Graphene με έδρα την Αυστραλία έχει στραμμένο το βλέμμα της στις βιομηχανίες τσιμέντου και σκυροδέματος. Το τσιμέντο είναι υπεύθυνο για το 8-10% των εκπομπών CO2, γεγονός που εξηγεί γιατί ήταν στόχος μείωσης του CO2 στο COP26. Σαράντα από τις μεγαλύτερες εταιρείες τσιμέντου και σκυροδέματος στον κόσμο ένωσαν τις δυνάμεις τους για να επιταχύνουν τη μετάβαση σε πιο πράσινο σκυρόδεμα, δεσμεύοντας να μειώσουν τις εκπομπές άνθρακα κατά 25% έως το 2030.
Το κλίνκερ χρησιμοποιείται ως συνδετικό μέσο για το τσιμέντο. Για κάθε τόνο κλίνκερ που παράγεται, χρησιμοποιούνται τεράστιες ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας, περίπου 800-900 kg CO2 ανά τόνο. Το First Graphene αντιμετωπίζει το τελικό στάδιο λείανσης όπου το γραφένιο μπορεί να βελτιώσει την αποτελεσματικότητα της διαδικασίας λείανσης τσιμέντου. Το γραφένιο μειώνει τις επιφανειακές ενεργειακές δυνάμεις που οδηγούν σε συσσωμάτωση ή συσσώρευση των πρόσφατα σπασμένων σωματιδίων τσιμέντου.
Για να γίνει αυτό, παράγουν γραφένιο με βάση την ηλεκτροχημική απολέπιση, στην οποία το γραφένιο λαμβάνεται από τον γραφίτη με την εφαρμογή τάσης. Αντί να χρησιμοποιείτε ταινία για να αποκόψετε τα στρώματα γραφενίου, χρησιμοποιήστε ηλεκτρική ενέργεια για να ξεκολλήσετε τα στρώματα γραφενίου. Βασικά αποβάλλει ένα στρώμα γραφενίου κάθε φορά. Μπορούν να παράγουν αιμοπετάλια γραφενίου μεγέθους μεταξύ 5 και 70 μικρομέτρων, τα οποία στη συνέχεια μπορούν εύκολα να διασκορπιστούν σε υλικά όπως το σκυρόδεμα.
Η προσθήκη μικρής ποσότητας του προϊόντος γραφενίου PureGRAPH® AQUA (μόλις 0,01% του συνολικού μίγματος σκυροδέματος) στο σκυρόδεμα βελτιώνει την αντοχή σε εφελκυσμό και θλίψη, ενώ παράλληλα μειώνει το βάρος και τον κίνδυνο ρωγμών. Στη συνομιλία μου με την εταιρεία, εξήγησαν πώς προκύπτουν αυτές οι βελτιώσεις:
«…Το γραφένιο είναι ένας οπλισμός νανοκλίμακας – όπως μια ράβδος ενίσχυσης από χάλυβα, αλλά σε ατομικό επίπεδο. Το γραφένιο μπορεί να διεισδύσει στο πήκτωμα τσιμέντου και να αποτρέψει το σχηματισμό ρωγμών νανοκλίμακας…” – First Graphene
Σύμφωνα με μια μελέτη περίπτωσης που διεξήχθη από την εταιρεία, το PureGRAPH αυξάνει τη θλιπτική αντοχή του σκυροδέματος κατά 34% και την αντοχή σε εφελκυσμό κατά 27% όταν δοκιμάζεται με διεθνείς πρότυπες μεθόδους. Επιπλέον, παρατείνει τη διάρκεια ζωής των κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα καθώς αποτρέπει τη διάβρωση και επίσης μειώνει το σχηματισμό κλίνκερ κατά 20%. Εδώ παίζει ρόλο η μείωση του CO2 καθώς βοηθά με το κλίνκερ. Οι εκπομπές CO2 μπορούν να μειωθούν κατά 18-20%. Ας ελπίσουμε ότι, καθώς οι εμπορικές εφαρμογές αυτού του μηχανικού θαύματος ωριμάζουν με την πάροδο του χρόνου, θα δούμε μια σημαντική αλλαγή προς το καλύτερο.