W 2010 roku za wyizolowanie i opisanie grafenu przyznano Nagrodę Nobla, a rok później naukowcy z polskiego ITME opracowali metodę jego produkcji w skali przemysłowej. Można odnieść wrażenie, że od tamtej pory sprawa ucichła, a sam materiał odszedł w niepamięć jako niespełniający oczekiwań – w końcu były one ogromne. Nie byłoby to jednak słuszne. Co prawda nadal nie spotykamy na co dzień grafenowych akumulatorów, wyświetlaczy ani czujników, ale naukowcy z całego świata w dalszym ciągu pracują nad tym, aby wykorzystać w praktyce niezwykłe możliwości tej struktury.

Jednym z ważnych czynników ograniczających komercyjne wykorzystanie grafenu jest niewystarczająca jakość dostępnych materiałów. Teoretycznie, zgodnie z definicją powinien być pojedynczą warstwą atomów węgla o hybrydyzacji sp² połączonych w strukturę przypominającą plaster miodu. W praktyce dostępne na rynku produkty określane tym mianem często posiadają dodatkowe grupy funkcyjne, więcej niż jedną warstwę, a niekiedy nawet okazują się zwykłym sproszkowanym grafitem. W konsekwencji ich właściwości elektryczne, cieplne i mechaniczne okazują się dalekie od spodziewanych. Nie istnieją przepisy prawne, które regulowałyby, co można sprzedawać jako grafen, a co nie. Ba, nawet w literaturze naukowej często określa się tym mianem materiały niespełniające ścisłej definicji. Mimo że już od wielu lat podejmuje się próby uporządkowania nazewnictwa (wytyczne IUPAC, zalecenia redakcji czasopisma „Carbon”, norma ISO z 2017 roku), to wciąż autorzy wielu artykułów prezentują dość swobodne podejście do określenia „grafen”.

Konsekwencją tego zamieszania jest konieczność znalezienia sposobów weryfikacji struktury kupionego materiału. Znane jest co najmniej kilka metod określania, czy mamy do czynienia z węglową monowarstwą. Najwcześniej uznaną za miarodajną była użyta przez noblistów Geima i Novoselova w ich słynnej pracy mikroskopia sił atomowych (AFM). Polega ona na skanowaniu badanej powierzchni sondą w postaci mikroskopijnej igły na dźwigience, która odpowiednio odchyla się pod wpływem oddziaływania z podłożem. W efekcie otrzymuje się mapę obrazującą topografię badanego obszaru, która może pomóc określić, jak gruby jest badany płatek materiału i czy jest monowarstwą. Jak można się jednak domyślić, ta technika pozwala na zbadanie bardzo małej powierzchni, która może nie być reprezentatywna dla całej objętości partii materiału. Ta sama uwaga dotyczy wielu innych stosowanych współcześnie technik określania liczby warstw atomowych, między innymi mikroskopii świetlnej (na specjalnym podłożu), transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM) i spektroskopii ramanowskiej. Ta cecha sprawia, że trudno byłoby zastosować którąś z nich do kontroli jakości takiej ilości grafenu, jaka byłaby używana w rzeczywistej produkcji detali czy materiałów kompozytowych. Nadal poszukiwane są metody, które pozwoliłyby szybko i wiarygodnie ocenić liczbę warstw w większych ilościach materiału.

Jedną z proponowanych technik jest ocena powierzchni właściwej badanego materiału na podstawie fizysorpcji gazu, na przykład azotu (metoda BET – Brunaera-Emmeta-Tellera). Następnie uzyskana wartość jest porównywana z teoretyczną wynoszącą 2630 m²/g. Innym skutecznym sposobem może być analiza termograwimetryczna, która polega na pomiarze masy substancji (jej ubytku) w rosnącej temperaturze. Stwierdzono, że piki na wykresie pochodnej zmiany masy (DTG) są inne dla struktur węglowych o małej liczbie warstw (few-layer graphene, FLG), tlenku grafenu, zredukowanego tlenku grafenu i grafitu. Położenie tych pików i pole powierzchni pod nimi pozwala odróżnić od siebie te struktury.

Metody badania materiałów, które mogą pozwolić określić, czy mamy do czynienia z monowarstwą, nadal są rozwijane. W tym roku opublikowano również nową normę ISO/TS 21356-1:2021, która opisuje sposoby charakteryzacji struktury i właściwości proszków grafenowych. Ma ona pomóc porównywać dostępne na rynku produkty i przyczynić się do lepszej kontroli ich jakości. Miejmy nadzieję, że stanie się również spodziewanym krokiem naprzód w komercjalizacji grafenu.

Bibliografia:

• K. S. Novoselov i in., „Two-dimensional atomic crystals”, “Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.” 102 (30) (2005) 10451-10453, doi: 10.1073/pnas.0502848102
• F. Farivar i in., Unlocking thermogravimetric analysis (TGA) in the fight against “Fake graphene” materials, “Carbon” 179 (2021) 505-513, doi: 10.1016/j.carbon.2021.04.064
• S. Marchesini i in., Gas physisorption measurements as a quality control tool for the properties of graphene/graphite powders, “Carbon” 167 (2020) 585-595, doi: 10.1016/j.carbon.2020.05.083
• https://www.graphene-info.com

 
Zdjęcie:  

• Tiamduangtawan, P.; Saenboonruang, K. Environmental-friendly synthesis of reduced graphene oxide (rGO) using gamma irradiation. J. Phys. Conf. Ser. 2019, 1285, 012034, doi:10.1088/1742-6596/1285/1/012034.