Grafitbányákat nyitna újra Románia, ahonnan a 20. század reménységének számító grafénből is sok kerülhet piacra

Románia múlt héten két EU-s pályázatot nyújtott be, összesen közel félmilliárd euró értékben, melyből két, az ország déli részén fekvő grafitbányát nyitna újra. Emellett az is szerepel a tervek között, hogy egy további, 92 millió eurós projektből grafit újrahasznosító üzemet létesít. A kitermelőket egyébként, mint a Cursdeguvernare.ro írja, azért zárták be, mert nem voltak gazdaságosak, a támogatás révén modern technológiára állnának át.

A grafit, és ennek egy atom vékony változata, a grafén a 21. század egyik nagy technológiai reménységének számít, mivel úgy tartják számon, mint lehetőséget a nagy környezeti lábnyommal rendelkező Lítium-alapú akkumulátorok kiváltására. De nem csak ezért izgalmas ez az anyag. A grafén a grafit egyik megjelenési formája, lényegében egy kétdimenziós kristály, melyben a szénatomok egyetlen rétegbe rendeződve helyezkednek el.

Bár a grafént grafitkristályból nyerik különféle eljárásokkal, a tulajdonságai jelentősen eltérnek, például sokkal jobb vezetőképességgel rendelkezik, de egyéb olyan sajátosságai is vannak, melyek miatt a tudományos kutatások fókuszába került.

A grafitkristályból való kinyerési módjának kidolgozása miatt 2010-ben fizikai Nobel díj járt, 2012-ben pedig az EU jelentős összeget írt ki a grafén technológiai felhasználási módozatainak kutatására a Grafit Flagship programja keretében.

Mint a kezdeményezés honlapján írják, azért támogatta az unió a grafén kutatását, mert ez a világ legvékonyabb anyaga, mindössze egy atom vastagságú, és egymilliószor vékonyabb, mint egy emberi hajszál. Ugyanakkor nagyon erős, erősebb, mint az acél vagy a gyémánt. Ez számos alkalmazást tesz lehetővé a kiemelkedő merevségű és tartósságú kompozit anyagokban. A grafén emellett nagyon rugalmas is, ami viselhető eszközökben, például védőruhákban való felhasználást, és az összehajtható elektronikában való alkalmazásokat is lehetővé tesz. Emellett a grafén kiválóan vezeti az elektromosságot és a hőt, így hosszabb élettartamú akkumulátorok készítéséhez is felhasználható. És mivel nagyon könnyű, az autó- és repülőgépiparban is vizsgálják a grafén felhasználását, hogy könnyebb járműveket gyárthassanak, ami csökkentené az üzemanyag-fogyasztást és a szén-dioxid-kibocsátást.

Mivel várhatóan születnek majd olyan eredmények, melyeket az ipari termelésben is felhasználnak, vélhetően megnő a kereslet a grafén iránt. Azonban Európában egyedül Norvégiában bányásznak jelenleg grafitot, a világpiacot pedig Kína uralja. És mivel Kína korlátozza az exportját, a grafit a nehezen beszerezhető anyagok listájára került.

Mire használjuk jelenleg a grafént, jelen van a hétköznapjainkban?

Erről Nemes-Incze Péter erdélyi származású fizikust kérdeztük, aki a HUN-REN Energiatudományi Kutatóközpont Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézetének keretében a csapatával maga is pályázott a Grafen Flagship programra, melyből a kétdimenziós grafénkristály tulajdonságait kutatták. Elmondta, ez egy óriási, egész Európát felölelő kutatásfinanszírozási projekt volt, és főleg az alkalmazásokat célozta meg. Számos technológiai demonstrációs projekt született, pl. nagyfeszültségű kapcsolók feljavítására, különböző tulajdonságú polimerek készítésére.

Hozzátette, egyéb szén nanoszerkezeteket, mint például a szénszálakat több évtizede használják polimerek tulajdonságainak feljavítására. Ezen anyagokhoz grafént hozzáadva további módosítását lehet elérni a fizikai tulajdonágoknak, mint például az elektromos vezetőképesség javítását.

„Nemcsak alkalmazási lehetőségeket kell hozzon egy újdonság, de sokkal jobb is kell legyen annál, mint ami a piacon van. Nem elég, hogy az új anyag 10 százalékkal jobb, ennyi nem elég ahhoz, hogy átállítsák az ipari termelést, hogy lecseréljék a technológiai láncokat. Ehhez legalább kétszer, de inkább tízszer kell jobbnak lennie az újnak” – fejtette ki Nemes-Incze Péter. Úgy vélte, számos gazdasági tényező is közrejátszik abban, hogy egy új anyagot használni kezd-e az ipar.

Példaként elmondta, hogy körülbelül 10 éve már készítettek grafénből mobiltelefon kijelzőt. Bár elektromosan vezető, ugyanakkor átlátszó alapanyagként megfelelt, de azóta sem használják, mert valószínűleg nem volt annyival jobb a hagyományos eljárásnál, hogy a gyártók átálljanak.

„Napjainkban szinte zéró a graféntartalmú termék használata a hétköznapokban. Hozzáadják polimerekhez például. Én vettem olyan bicikligumit, amiben grafén van, de semmivel sem tűnt jobbnak, mint amiben nincs grafén. Gyanítom, hogy ez csak egy marketingfogás volt. Az effajta marketingtrükkökből az látszik, hogy egy nagyon ígéretes anyaggal van dolgunk, de még nincs erősen elterjedve a hétköznapokban. Jelenleg a grafén és egyéb hozzá hasonló kétdimenziós anyagok vizsgálata a felfedező kutatás szintjén van” – magyarázta.

A grafén kutatása közelebb vihet a nanotechnológia álmának megvalósulásához

Nemes-Incze Péter szerint nem az az igazán érdekes, hogy mire használjuk jelenleg a grafént, hanem az, hogy milyen lehetőségek rejlenek benne. A grafén a grafit kristály egyetlen egy atomi rétege, mások a tulajdonságai, mint egy vastag kristályé, például az elektromos és optikai tulajdonságai nagyon eltérnek.

„Nem is maga a grafén az, ami igazán izgalmas, hanem az, hogy ez egy olyan anyag, amit nagyon egyszerű módszerekkel tudunk előállítani egy atom vastagságban. És körülbelül ezer másik kristályt ismerünk, amely vastag állapotában teljesen más tulajdonságokkal rendelkezik, mint az egyetlen atomi réteg belőle. Ezeket pedig laboratóriumi körülmények között, nagyon könnyen egymásra tudjuk helyezni. Mi is az anyagtudománynak a legvégső célja? A legmélyrehatóbb, legfontosabb dolog, amit tudnánk csinálni az, hogy egy kristályszerkezetben az atomokat olyan helyre tegyük, ahová akarjuk, ha atomi szintről tudnánk az anyagokat felépíteni. Mintha legókockákból építenénk fel, persze, erre nem vagyunk egyelőre képesek, ez egy utópia” – magyarázta a kutatófizikus.

Kifejtette viszont, hogy erre a fajta atomi szintű építkezésre némi lehetőséget nyújtanak az egyetlen atom vastagságú kristályok, ezek segítségével ha nem is 3D-ben, de legalább egy irányban lehetőség nyílik az atomi szinten megtervezett anyagépítésre. Egymásra helyezve a kristálylapokat, mint egy szendvicset. „Ha az új, mesterséges kristálynak megismerem a tulajdonságait, meg is tudom majd tervezni a szerkezetét, ezen dolgozunk mi is” – vázolta a lehetőségeket.

Nemes-Incze Péter szerint még a legegyszerűbb rendszerekben is nagy lehetőségek rejlenek. „Például itt a grafit. Leveszek róla két grafén réteget, majd egymásra teszem őket újra, de nem úgy, ahogy az eredeti kristályban voltak, hanem elforgatva egymáshoz képest. Ezáltal pedig tejesen új fizikai tulajdonságokra tesznek szert. A két különálló grafénréteg nem szupravezető, a belőlük származó új anyag viszont már igen. A szupravezetés azt jelenti, hogy adott hőmérséklet alatt az elektromos ellenállás nulla, tehát a végtelenségig kering, ha elindítok benne egy áramot” – magyarázta a fizikus. Aki szerint egyes, technológiailag is fontos, magas hőmérsékletű szupravezetési jelenségeket nem ért egyelőre a tudomány. Az egyszerű szerkezetű grafén és más kristályok viszont lehetőséget adhatnak a tanulmányozására.

Kifejtette, a szupravezetés jelenségét használják különféle készülékek működtetésénél – ilyen például a kórházakban használt MRI – viszont az eljárás költséges, mert a szupravezetéshez nagyon alacsony, mínusz 270 fok körüli hőmérsékletet kell biztosítani, ami eléggé sokba kerül. Ha viszont sikerülne olyan anyagot építeni, ami szobahőmérsékleten is szupravezető, az jelentősen olcsóbbá és elérhetőbbé tenné pl. az MRI készülékeket.

„A csoportomban az anyagtermészetet próbáljuk megérteni, az anyagok viselkedését. A hosszú távú cél arról szól, hogy meg tudjuk könnyen csinálni azt az atomi építkezést, melynek révén teljesen forradalmi, új anyagokat tudunk létrehozni. És ez nemcsak a szupravezetőkre vonatkozik, hanem jobb napelemeket, jobb elektronikai eszközöket és sok minden mást jelenthet” – tette hozzá Nemes-Incze Péter.