Ogniwa elektryczne to serca nowej gospodarki. Polscy naukowcy chcą je turbodoładować za pomocą grafenu.
Sceptyczni czytelnicy z pewnością pomyślą teraz, że grafen jest jak piłkarz, który zapowiadał się na drugiego Lewandowskiego, lecz ostatecznie skończył w lidze okręgowej. Nic bardziej mylnego: bo jedną rzeczą jest odkryć taki materiał jak grafen, lecz znalezienie dla niego zastosowań to zupełnie inna bajka. To dlatego „Lewandowski-bis” jeszcze nie ukazał swojego pełnego potencjału.
Miejsca parkingowe
Grafen zachwycił jako doskonały przewodnik, więc większość zastosowań, jakich poszukują naukowcy, ma związek z przepływem prądu. Tak jest i w przypadku róż grafenowych. Te już mają zastosowanie – to urządzenia do przechowywania energii, jednak nieoptymalne są procesy ich produkcji. Zupełnie nową metodę opracował dr Piotr Kamedulski we współpracy z mgr. Wojciechem Zielińskim pod okiem prof. Jerzego Łukaszewicza (wszyscy z Wydziału Chemii Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu). – Nasz sposób jest prosty i tani, a do tego wydajny i zapewnia wysokiej klasy produkt – cieszy się dr Kamedulski.
Urządzenia do magazynowania energii, gdzie można wykorzystać róże grafenowe, to m.in. niektóre typy baterii (baterie metal-powietrze) oraz superkondensatory. Te drugie też są rodzajem baterii, tyle że nie są w stanie przechowywać znacznej ilości energii. Są za to bardziej trwałe i potrafią bardzo szybko (nawet w ułamku sekundy) oddać składowaną energię.
Z zastosowaniem grafenu w tych urządzeniach jest jednak pewien problem: to materiał dwuwymiarowy, składający się z jednej warstwy atomów. A tutaj potrzebne są materiały trójwymiarowe, o dużej powierzchni wewnętrznej. Aby zrozumieć po co, wystarczy przypomnieć sobie zasadę działania „zwykłej” baterii litowo-jonowej: wędrujące przez nią jony litu muszą mieć gdzie „zaparkować”. Im bardziej porowaty jest materiał, tym więcej „miejsc parkingowych”, a tym samym większa pojemność elektryczna ogniwa.
Nie olej i nie laser
Naukowcy starają się znaleźć sposoby na to, żeby nadać grafenowi dodatkowy wymiar (nieco metaforycznie mówiąc). Powstałe w ten sposób struktury często przypominają kwiaty róży (oczywiście w odpowiednim powiększeniu), stąd nazwa – róże grafenowe. Dotychczas naukowcy otrzymywali je za pomocą dwóch metod. – W jednej potrzebny jest olej, w drugiej wykorzystuje się laser. Obydwie mają wady – tłumaczy dr Kamedulski.
W pierwszej metodzie róże trzeba oczyścić z oleju, co wymaga dużej ilości wody i detergentów. W drugiej z kolei część grafenu reaguje z powietrzem, w związku z czym tracimy surowiec. Z problemem można byłoby poradzić sobie, przeprowadzając reakcję w hermetycznej komorze, ale każdy dodatkowy element powoduje podwyższenie kosztów.
Tymczasem w opracowanej przez zespół metodzie takich komplikacji nie ma. Wystarczy z grafitu zrobić płatki grafenowe, a te następnie w kontakcie z wysoką temperaturą (bez przesady – wystarczy 150–300 st. C) same spontanicznie zorganizują się w róże grafenowe. Co więcej, opracowana przez dr. Kamedulskiego metoda ma jeszcze jedną zaletę: jest niezwykle wydajna. – Co z tego, że uda nam się opracować innowacyjny proces, jeśli ten na pożądany materiał zamienia nam tylko 10 proc. surowca, a reszta staje się odpadem? – pyta młody badacz.
Doktor Kamedulski z rozbrajającą szczerością wspomina, że prace nad wynalazkiem trwały dwa miesiące („trzy, żeby to było w odpowiedni sposób wydajne i miało pożądane przez nas parametry”). Pomysłodawcą był promotor, prof. Jerzy Łukaszewicz. Naukowiec miał doskonałego nosa: wynalazek został obsypany licznymi nagrodami, w tym czterema złotymi i jednym srebrnym medalem na Międzynarodowych Targach Wynalazczości.
KOMENTARZ
Zastrzeżenia patentowe kluczem do skutecznego zgłoszenia
Małgorzata Trejgis, rzecznik patentowy, Kancelaria JWP Rzecznicy Patentowi
Od wielu lat grafen pobudza wyobraźnię naukowców, wizjonerów oraz przedsiębiorców jako jeden z materiałów przyszłości, zapewniających nieograniczone niemal zastosowanie. Związane jest to przede wszystkim z niezwykłymi właściwościami tego materiału, do których zaliczyć można wysokie parametry przewodności elektrycznej i termicznej czy też niespotykaną dotąd wytrzymałość mechaniczną. Nie dziwi zatem, że w celu przyspieszenia rewolucji grafenowej świat nauki nieustannie dąży do opracowywania nowych, bardziej dostępnych technologicznie oraz tańszych metod jego otrzymywania. W trend ten doskonale wpisuje się dokonane przez Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu zgłoszenie wynalazku dotyczące innowacyjnego sposobu otrzymywania trójwymiarowych róż grafenowych.
Opracowana przez zespół prof. dr. hab. Jerzego P. Łukaszewicza w pełni bezolejowa i bezlaserowa metoda otrzymywania trójwymiarowych struktur grafenowych bazuje na zjawisku samorzutnej agregacji separowanych płatków grafenowych, uzyskiwanych wcześniej na drodze mokrej eksfoliacji komercyjnego grafitu czy proszku grafenowego. Rozwiązanie pozwala z jednej strony na uzyskanie pożądanej z punktu widzenia właściwości grafenu postaci trójwymiarowej, a z drugiej wykorzystanie w procesie wytwarzania łatwych do utylizacji surowców, które w znikomy sposób oddziałują na środowisko naturalne. Rozwiązanie to bez wątpienia wykazuje wysoki potencjał komercjalizacyjny – dlatego jego zgłoszenie w celu uzyskania ochrony patentowej stanowi słuszną strategię.
Zgłoszenie wynalazku musi spełniać przesłanki zdolności patentowej: nowości, poziomu wynalazczego oraz przemysłowej stosowalności. Na etapie zgłoszenia kluczową rolę odgrywa prawidłowe sformułowanie opisu zgłoszeniowego, w tym przede wszystkim zastrzeżeń patentowych definiujących de facto zakres ochrony prawnej rozwiązania. W przypadku ewentualnych błędów w dokumentacji merytorycznej zgłoszenia, nawet w zakresie najbardziej innowacyjnych rozwiązań, źle sformułowane zastrzeżenia mogą stanowić problem na etapie rozpatrywania przez Urząd Patentowy. Dlatego prawidłowe skonstruowanie dokumentacji zgłoszeniowej wynalazku zawsze warto skonsultować z rzecznikiem patentowym, zwłaszcza mającym wykształcenie zgodne z dziedziną zgłaszanego rozwiązania.
