W sierpniu 2019, podczas konferencji prasowej w gorzowskiej Akademii im. Jakuba z Paradyża, mgr Krzysztof Jankowski zaprezentował przestrzenne struktury grafenowe otrzymane za pomocą łuku elektrycznego w oleju rzepakowym.
Grafen jest materiałem quasi dwuwymiarowym. Quasi, ponieważ ma trzeci wymiar, którym jest rozmiar atomu. Od lat najsłynniejsze instytuty i wyższe szkoły politechniczne pracują nad otrzymywaniem struktur przestrzennych. Wielokrotnie ukazywały się naukowe newsy z doskonale wyposażonych, bogatych, głównie amerykańskich uniwersytetów, o otrzymaniu grafenowych struktur 3D w skomplikowanych i kosztownych procesach chemicznych.
W 2018 roku, w prostym procesie, do którego użyty został prekursor w formie oleju rzepakowego (rozpatrujemy olej rzepakowy jako donor pierwiastków – węgiel, wodór i tlen), doszło do wytworzenia nanostruktur węgla w postaci pręta. Zanim jednak tak się stało, zaobserwowano pewien osobliwy efekt.
Dwa pręty wykonane z czystego grafitu, które stanowią elektrody, zanurza się w oleju i doprowadza na odległość wytworzenia łuku; dochodzi wówczas do przebicia i ze stanu rezystancji przechodzi się do natychmiastowego stanu przewodzenia. Łuk jest generowany przy użyciu transformatora z kuchenki mikrofalowej (MOT transformator), dlatego że wysokie napięcie zapewnia podtrzymanie wyładowania łukowego.
Po pięciu minutach procesu widoczne są początki krystalizacji materiału na końcach grafitowych elektrod. Gdy tylko zauważono takie zjawisko, natychmiast dodano moduł odchylania elektrod względem siebie. Wynikiem tego udoskonalenia jest równomierny rozrost elektrod i możliwość tworzenia długich prętów grafenowych.
Materiał ten został dokładnie przebadany przy użyciu metod analitycznych ciała stałego: SEM z EDX, XPS, XRD, spektroskopii Ramana oraz STEM. Rdzeń materiału jest wykonany z grafenu, a płaszcz otaczający jest redukowanym tlenkiem grafenu. Prace badawcze Międzynarodowego Laboratorium Badawczego AJP w Gorzowie Wielkopolskim prowadzone są przy w kooperacji z University of Utah (USA) i Rhodes University (RPA).
Krzysztof Jankowski już na początku rozmowy dał do zrozumienia, że równie bliska jak chemia i fizyka jest mu filozofia mówiąc:
– Jest taka teoria, że aby coś zrobić trzeba mieć podejście humanistyczne, trzeba do tego materiału nawet czasem zagadać. Podobnie uważał zresztą Niels Bohr.
Krzysztof Jankowski (ur. 1985) jest absolwentem Politechniki Poznańskiej (fizyka techniczna), Politechniki Łódzkiej (inżynieria materiałowa) i Uniwersytetu Zielonogórskiego (filozofia). Odbył staże naukowe w Stanach Zjednoczonych (University of Utah), Południowej Afryce (Rhodes University), Nowej Zelandii (Auckland). Prowadzi badania w obszarze chemii fizycznej i biotechnologii. Jest oficerem Państwowej Straży Pożarnej, służy w Komendzie Wojewódzkiej Państwowej Straży Pożarnej w Gorzowie Wielkopolskim.
Pan Krzysztof podkreślił, że finanse i tytuły naukowe nie mogą być pierwszoplanowymi motywami pracy naukowej. Następnie opowiedział o początkach prac nad przestrzennymi strukturami grafenu.
– Cała historia rozpoczęła się w roku 2017, gdy razem z kolegą polecieliśmy na staż do USA, na uniwersytet Utah w Salt Lake City. Podczas prac wpadłem na pomysł, aby wykorzystać łuk elektryczny, ale nie tak jak robili to inni, przy użyciu prądu stałego DC. Pomyślałem o prądzie zmiennym i wprowadzeniu różnych udogodnień. Głównie jednak chodziło o użycie prądu zmiennego. Należało zastosować odpowiednie zasilacze i posługiwać się odpowiednimi częstotliwościami. Otrzymaliśmy zgodę na eksperymenty.
Zostały zakupione elektrody, bo tak naprawdę mają one potężne znaczenie. Od nich zależy, jakie otrzymamy nanocząstki. Należało dodać rozpuszczalnik i doprowadzić do tego, aby powstał w nim łuk elektryczny. Rozpuszczalnikiem zawsze była woda. Zaczęliśmy produkować micelarne nanocząstki składające się z atomu centralnego, do którego były podołączane grupy OH. Wpadliśmy na pomysł, aby zmodyfikować olej za pomocą tych nanocząstek. Umówiliśmy się na wydziale mechanicznym, aby trybologicznie zbadano powstałe próbki.
Następnie doprowadziliśmy do takiego samego procesu jak poprzednio, tyle że założyliśmy elektrody grafitowe. W efekcie węgiel zamiast rozkładać się na elektrodach zaczął się na nich osadzać. To był szok. Zastanawialiśmy się dlaczego tak się dzieje. Hipotez powstało kilka. Zobaczyłem, że osadzające się na elektrodach struktury rosną i przerywają łuk. Powstał wtedy problem jak zapewnić ciągłość łuku. Przyczyny jego przerwania były bardzo zagadkowe. Dodaliśmy układ rozchylania elektrod względem siebie. Efektem było to, że pomiędzy elektrodami zaczęły równomiernie rozrastać się struktury węglowe.
Trzeba było próbkę przebadać i tu zrobiłem duży błąd. Wchodząc do laboratorium po prostu ją połamałem. Na tym się wszystko na razie skończyło. Widzieliśmy efekt, ale materiał nie został przebadany.
Ciąg dalszy badań podjęto po kilku miesiącach już na innym kontynencie.
– Mieliśmy ten sam układ i polecieliśmy do Afryki na przełomie stycznia i lutego 2018 roku. Tym razem od razu wytworzyliśmy takie same jak w USA struktury i daliśmy je do szczegółowych badań analitycznych. Przede wszystkim próbkę zbadano spektroskopią laserową, która od razu jest w stanie odpowiedzieć z czym mamy do czynienia. Ku naszemu zdziwieniu wszystkie dane pokrywały się z opisanymi w literaturze grafenami. Byliśmy po raz kolejny w szoku. W RPA zrobiliśmy badania bezobrazowe, bo mikroskop elektronowy, który tam był, nie dawał tak dużych powiększeń. Próbki trafiły do USA, gdzie zrobiono wszystkie badania mikroskopem o potężnej zdolności rozdzielczej.
Na zdjęciach pokazała się struktura dotąd nieopisywana w literaturze. Lity materiał, grafen, jest jakby rozpakowany. Rdzeń jest grafenem, a jego otoczka zredukowanym tlenkiem grafenu. Gdybyśmy chcieli uzyskać typowy grafen, to należałoby go jeszcze w wysokiej temperaturze wygrzać.
Zastosowanie naszego materiału jest potężne. Niestety w Gorzowie nie możemy sobie pozwolić na pewne rzeczy. Aby robić elektronikę na bazie tych struktur, to trzeba być wielkim koncernem, z doskonale wyposażonymi laboratoriami. Zrobimy to, co możemy zrobić. Na pewno ogniwo. Wytworzymy baterię oraz filtr wodny. Filtr w zasadzie już jest zrobiony. Filtruje w taki sposób, że uzyskuje się wodę destylowaną.
To co zrobiliśmy nie kończy doświadczeń. Uzyskane struktury poddane zostaną kolejnym doświadczeniom. Oczywiście struktury ograniczone są szerokością zbiornika, ale takie do 5 cm możemy spokojnie robić. Są to nasze metody z Ziemi Lubuskiej. Chcemy aby Gorzów stał się technologicznie mocny – powstają tu materiały, które według powszechnych opinii powinny powstawać w Dolinie Krzemowej.
Krzysztof Jankowski zamierza dalej pracować nad strukturami grafenowymi, równolegle zajmując się innymi technologiami, o czym zapewne niedługo usłyszymy. A poza tym – jest… strażakiem i pracuje w Lubuskiej Komendzie Wojewódzkiej Państwowej Straży Pożarnej.
Ryszard Romanowski
artykuł pochodzi z wydania 9 (144) wrzesień 2019
