„Grafenas galėtų būti vadinamas XXI a. medžiaga. Jis labai įdomus, mįslingas, o jį tirdamas kaskart randi kažką naujo. Grafeno tyrimai yra sritis, kurioje dar laukia labai daug darbo, taip pat ir galimybių prisidėti prie mokslinių atradimų ir technologinės pažangos“, – sako Vilniaus universiteto (VU) Chemijos ir geomokslų fakulteto Chemijos instituto mokslininkė doc. Justina Gaidukevič. Dar bakalauro studijų metu prisijungusi prie Anglinių medžiagų laboratorijos, mokslininkė gilinasi į grafeninių medžiagų sintezės tobulinimą, struktūrinę analizę, naujų modifikavimo metodų paiešką ir grafeninių medžiagų taikymą.

Grafenas – viena ploniausių ir tvirčiausių medžiagų pasaulyje

Grafenas yra viena iš naujausiai atrastų anglies alotropinių atmainų. Nuo seno yra žinomi grafitas ir deimantas, o grafenas buvo atrastas tik 2004 m.

„Mokslininkai Andre Geimas ir Konstantinas Novoselovas atsluoksniavo grafitą, mums gerai žinomą pieštuko šerdį, su paprasta lipnia juosta. Tokiu būdu jie gavo vieno sluoksnio grafeną. Už šios medžiagos atradimą ir tolesnį jos savybių tyrinėjimą šie mokslininkai 2010 m. pelnė Nobelio premiją fizikos srityje. Gražus sutapimas, kad tais pačiais metais prisijungiau prie prof. Jurgio Barkausko vadovaujamos Anglinių medžiagų laboratorijos, kur jau buvo pradėti tyrimai su grafeninėmis medžiagomis“, – pasakoja doc. J. Gaidukevič.

Iki šiol, nepaisant daugybės atliktų tyrimų, grafenas ir grafeninės medžiagos vis dar stebina viso pasaulio mokslininkus savo savybėmis, kurios tarsi paslaptingos lobių skrynios atveriamos atliekant įvairius mokslinius tyrimus.

„Grafenas yra sudarytas iš vieno anglies atomo sluoksnio. Tai yra ploniausia ir tvirčiausia kada nors dirbtiniu būdu atrasta anglies alotropinė medžiaga. Ji yra milijoną kartų plonesnė už žmogaus plauką ir 200 kartų tvirtesnė už plieną. Mokslininkai juokauja, kad, norint suplėšyti grafeno sluoksnį, reikėtų ant to sluoksnio uždėti adatą ir pasodinti dramblį“, – pasakoja mokslininkė.

Grafeno oksido kvantiniai taškai. Asmeninio archyvo nuotr.

Neribotos pritaikomumo galimybės

Išskirtines grafeno savybes nulemia jo struktūra. Grafene kiekvienas anglies atomas kovalentiniais ryšiais yra susijungęs su trimis kitais šalia esančiais anglies atomais, o ketvirtojo elektrono tankis yra delokalizuotas, t. y. jis nėra fiksuotas ir gali laisvai judėti per visą grafeno lakštą.

„Grafeno struktūra primena bičių korį. Dėl tokios struktūros grafenas turi labai didelį paviršiaus plotą, tad yra patraukli medžiaga adsorbentams ir membranoms gaminti. Tokios membranos gali būti taikomos aplinkosaugos srityje, valant orą ir vandenį nuo kenksmingų medžiagų. Grafenas pasižymi ir geru šilumos laidumu bei dideliu elektronų judriu. Ši jo savybė leidžia sukurti greitaeigius tranzistorius, kurie dabar intensyviai tobulinami, siekiant pakeisti silicio pagrindu sukurtą elektroniką. Grafenas gali būti taikomas ir medicinoje, kuriant cheminius ir biologinius jutiklius, o dėl savo lankstumo ir skaidrumo galėtų būti puiki medžiaga lankstiems liečiamiesiems vaizduokliams“, – platų grafeno pritaikomumą pristato docentė.

Kol kas plačiai naudojamos kitos anglies alotropinės atmainos, o komerciškai naudojamo grafeno yra labai mažai. Vis dėlto doc. J. Gaidukevič pripažįsta, kad šios srities patentų yra labai daug, tad tikėtina, jog, atpigus šios medžiagos gamybai, galėtų įvykti staigus šuolis.

„Yra daug perspektyvių sričių, kur galėtų būti pritaikytas grafenas, tik reikia rasti būdų atpiginti jo sintezę. Mane labiausiai dominanti sritis – elektrocheminių jutiklių plėtra. Siekiama sukurti elektrocheminį jutiklį, kuris būtų nešiojamasis prietaisas ir kuris sugebėtų greitai, nenaudodamas spektroskopinių metodų, nustatyti ieškomą elektroaktyvią medžiagą mėginyje. Kurdami tokius jutiklius bendradarbiaujame su VU Gyvybės mokslų centro mokslininkės dr. Julijos Razumienės ir Fizinių ir technologijos mokslų centro profesorės Rasos Pauliukaitės mokslinėmis grupėmis“, – pasakoja doc. J. Gaidukevič.

Doc. Justina Gaidukevič. Asmeninio archyvo nuotr.

Mokslinių tyrimų lauke – redukuotas grafeno oksidas

Mokslininkė sako, kad jų grupė tyrinėja ne vieno sluoksnio grafeną, o termiškai redukuotą grafeno oksidą, kurį sintetina iš grafito.

„Pradžioje grafitą veikiame stipriais oksidatoriais. Taip gauname grafeno oksidą, arba kitaip tariant – daugiasluoksnį (dviejų, trijų sluoksnių) grafeną, kurio paviršiuje yra daug deguoninių funkcinių grupių. Nors grafitas yra geras elektros laidininkas, tačiau jį oksiduojant gaunamas grafeno oksidas jau yra izoliatorius. Nepaisant to, prie aktyvių deguonies funkcinių grupių mes galime prijungti įvairias molekules, taip modifikuodami grafeno oksido paviršių ir praplėsdami jo pritaikymo galimybes. Pavyzdžiui, modifikuotą grafeno oksidą būtų galima naudoti kaip katalizatorių biodyzelino gamyboje ar kituose technologiniuose procesuose“, – aiškina mokslininkė.

Toliau tiriant grafeno oksidą, deguoninės funkcinės grupės yra pašalinamos aukštoje temperatūroje inertinėje aplinkoje arba hidroterminiu būdu. Taip gaunamas termiškai redukuotas grafeno oksidas, kuris vis dar turi mažą kiekį deguoninių funkcinių grupių ir struktūrinių defektų, netobulumų, bet jau yra geras elektros laidininkas.

„Redukuotas grafeno oksidas ne tik yra elektros laidininkas, bet ir turi didelį paviršiaus plotą, o dėl išlikusių deguoninių funkcinių grupių yra hidrofiliškesnis – draugiškesnis vandeniui, palyginti su grafitu ar vieno sluoksnio grafenu. Tad prie aktyvių deguonies funkcinių grupių galime prijungti azoto, sieros, fosforo ar boro funkcines grupes ir keisti tiek elektronines, tiek chemines medžiagos savybes“, – sako doc. J. Gaidukevič.

Iš pradžių mokslininkai kėlė hipotezę, kad kuo daugiau tokių funkcinių grupių prijungiama, tuo daugiau atsiranda aktyvių centrų, kurie suteikia junginiui pranašumą. Atlikti tyrimai įrodė, kad tam tikru metu įvyksta įsisotinimas.

„Tyrinėdami, ar modifikuotas grafenas yra tinkamas katalizatorius biodyzelino gamyboje, o galbūt efektyvi elektrodinė medžiaga elektrocheminiams jutikliams, mes pastebėjome, kad ne tik funkcinių grupių kiekis, bet ir jų pobūdis turi labai didelę reikšmę galutinėms savybėms. Dabartinis mūsų tikslas yra rasti būdą, kaip kontroliuoti funkcinių grupių kiekį ir pobūdį“, – pasakoja docentė.

Redukuotas grafeno oksidas. Asmeninio archyvo nuotr.

Pagrindiniai iššūkiai – didelės gamybos sąnaudos ir nepastovios medžiagos savybės

Nepaisant plačių grafeno panaudojimo galimybių, iki šiol didžiausiomis problemomis išlieka šios medžiagos gamybos sąnaudos ir per maži gaunami jos kiekiai.

„Norėdami panaudoti grafeną pramonėje, turime gauti labai didelį jo kiekį. Kol kas, kiek man teko skaityti, didžiausias plotas, ant kurio buvo susintetinta vieno sluoksnio grafeno plėvelė, buvo 20 x 20 cm dydžio plokštelė. Be to, grafeno sintezei šiuo metu plačiausiai naudojamas cheminis garų nusodinimas, o šio proceso laiko ir finansinės sąnaudos labai didelės. Tad viena iš šiandienos mokslinių tyrimų krypčių – tvari grafeno gamybos plėtra, kuri leistų atpiginti procesą“, – pristato tyrėja.

Be didelių sąnaudų susiduriama ir su kita problema – net ir naudojant brangią technologiją, dažnai nepavyksta gauti vieno sluoksnio grafeno, kuris turėtų visas geriausias savybes.

„Šios medžiagos savybės labai priklauso nuo struktūros parametrų. Tarkim, vieno sluoksnio grafenas – tvirtas, stiprus, elastingas, o štai kelių sluoksnių grafenas jau gali nepasižymėti šiomis savybėmis. Šiuo metu yra nemažai įmonių, deklaruojančių, kad parduoda vieno sluoksnio grafeno mėginius, bet pradėjus juos tirti paaiškėja, kad tai visai kita medžiaga su kitomis savybėmis“, – sako mokslininkė.

Ne mažiau svarbu ir tai, kad grafeno gamyboje labai sunku kontroliuoti sintezės procesą, kad, atlikus tą patį bandymą 10 kartų, būtų gaunamas tas pats rezultatas.

„Per 20 metų nuo grafeno atradimo atlikta daug mokslinių tyrimų, parengta daug straipsnių, bet apčiuopiamo komercinio produkto vis dar neturime. Grafenas – mįslinga medžiaga, kurios savybes labai sunku kontroliuoti. Kol vieni mokslininkai ieško būdų, kaip tvariai pasigaminti vieno sluoksnio grafeną, kiti bando rasti medžiagų mišinį su labai artimomis grafenui savybėmis. Laikas parodys, kuris kelias tinkamesnis“, – sako doc. J. Gaidukevič.

Grafeno pritaikymą galėtų paspartinti mokslo ir verslo bendradarbiavimas

Docentės teigimu, grafeninių medžiagų tyrimai ir pritaikymas reikalauja ne tik mokslinių žinių, bet ir finansinių resursų.

„Dažniausiai nutinka taip, kad norėdamas, jog įmonės investuotų į mokslinius tyrimus, turi joms pasiūlyti ką nors išskirtinio ir jau pritaikomo jų sektoriuje. Grafeninių medžiagų tyrimai šiuo požiūriu nėra paranki sritis. Kita vertus, su verslu tikrai galėtume bendradarbiauti vykdydami bendrus projektus. Tokie projektai leistų mokslininkams pritaikyti savo žinias, o verslui galėtų pasiūlyti problemų sprendimus“, – sako tyrėja.

Kita niša mokslo ir verslo bendradarbiavimui – personalo mainai. Įmonės darbuotojai galėtų įsitraukti į universitete vykdomus tyrimus, o studentai galėtų pamatyti įmonių darbą iš vidaus.

„Tokie mainai skatintų komunikaciją tarp mokslo ir verslo, padėtų geriau vieniems kitus suprasti. Tad naudinga būtų ne tik studentų praktika, bet ir platesni personalo mainai. Tai leistų įgyvendinti mokslu grįstus sprendimus greičiau ir paprasčiau“, – sako doc. J. Gaidukevič.