石墨烯——科技行业的希望和未来

根据许多科学家的说法，未来的经济和技术革命将属于特应性煤炭品种。如今，环碳、富勒烯、纳米管和石墨为全世界所遵循的变化方向设定了方向。然而，一切都表明，石墨烯将演奏“第一把小提琴”，这可能很快就会彻底改变电子产品，并完全取代微处理器的硅。我们讨论了石墨烯中如此不寻常的东西，以及这种材料是否真的会向我们介绍一个新的技术时代，罗兹理工大学材料工程研究所所长Łukasz Kaczmarek教授。

我们怎么能“祛魅”我们对煤炭的思考呢？当大多数人听到“煤”时，想到一件事：毒害我们环境的黑色岩石。我们可以做些什么来开始将煤炭视为可以彻底改变我们生活的元素？

目前，我们不应该将碳视为矿物类型的形式，而应将其视为可以形成各种空间结构的元素：富勒烯或纳米管，以及最近非常流行的石墨烯 – 一种厚度为一个原子的材料。更详细地分析石墨烯，人们可以注意到其独特的功能。碳原子的六边形排列类似于蜂窝结构，其中每个原子与三个相邻的碳形成键。在这种情况下，在每个碳原子上，我们有一个不成对的电子。六边形内的这些电子形成所谓的离域键，这决定了石墨烯的独特性。

煤炭新技术在哪些领域得到应用？它们主要是为满足航天工业的需求而开发的，这是真的吗？

通常，在太空和国防工业中实施新的先进技术。这是因为现代解决方案需要相对较大的财务支出，并且其在第一阶段的生产通常是单独的。然而，就石墨烯而言，我们观察到许多领域的并行实验室工作，包括纳米机器人1，光电子学2和自旋电子学3，以及与可再生能源及其存储相关的技术。在后一种情况下，这些是分散的柔性光伏电池，由于其高透明度，它们有可能将它们用作立面或玻璃覆盖物的元素。这些工作 m.in 罗兹理工大学使用石墨烯量子点的生态合成进行。

据说石墨烯是已经开始工业革命的材料之一。为什么是他？它有什么独特的功能吗？

人们对石墨烯寄予厚望，石墨烯作为一种具有零能量差距、高透明度和化学冷漠以及生物相容性的半导体，可以在生活的许多领域找到应用。目前，许多领域正在进行密集的工作，例如构建检测细菌病原体的纳米传感器，或使用片状石墨烯作为癌细胞的标志物。

该领域的革命也体现在生产超薄厚纸片，电子显示器的可能性上。想象一下这种厚度的手机，显示器或大面积屏幕。事实证明，我们将经历一次技术飞跃，几年后将没有典型的电视，但基于石墨烯电子电路的全息图技术将变得普遍。

世界经济发展的所谓“战略要素”也在寻求之中。例如，在金属价格与其开采和精炼成本相比不成比例地高估的背景下，可以看出这一点。在稀土元素和锂的情况下观察到这种情况。俄罗斯和中国提高了这些元素的价格，这大大限制了对这些元素的获取，并基于它们构建了先进的电子产品。在这种情况下，石墨烯及其功能化品种也可以成为一种有前景的替代品。该研究使用材料工程工具进行，重点关注先进化学，纳米技术和冶金学。

显然，我们已经可以使用石墨烯来构建替代的储氢系统，这怎么可能，为什么它很重要？

人们对使用石墨烯作为H2仓库的可能性寄予厚望。在这种情况下，这些不成对的电子发挥了巨大的作用，这些电子几乎位于石墨烯结构的每个碳上。这些系统可以在接近大气的压力下可逆地储存氢气。这消除了带有压缩氢或液态氢的危险气瓶。这种现代储氢系统不仅可以成功地用于汽车的推进系统，还可以用于轨道车辆，船舶或太空车辆的推进系统。这种坦克的第一个原型是在罗兹理工大学材料科学与工程研究所开发和测试的。

在石墨烯研究中，什么至关重要，以便它可以在工业规模上使用？石墨烯革命将在10年或50年后何时发生？

这场革命正在我们眼前发生，尽管它可能不是每个人都能看到的，因为它发生在实验室里。相比之下，越来越多的人正在直接体验使用基于石墨烯结构的技术的潜力。当然，必须考虑到，随后的发现可能会将石墨烯放在众所周知的架子上，例如MXene4等二维材料。毫无疑问，石墨烯打开了科学家的心扉，点燃了投资者的心，创造了一些以前没有人见过的东西。然而，最大的问题是我们可以从石墨烯中生产什么。请尝试列出您认为有助于经济革命的5件事。它们可以是什么样的产品？它们不可能是改进的东西，而是全新的。一个例子可能不是下一代汽车，而是新的运输系统，例如隐形传态。因此，它构成了一场革命，而不是一场经济演变。世界是由消费需求和技术解决方案变革的飞跃所驱动的。

波兰的石墨烯市场是什么样的？是否有波兰公司处理石墨烯，他们能否与外国公司竞争？波兰有机会成为石墨烯生产中的大亨吗？

我认为我们可以感到自豪，因为波兰拥有巨大的科学潜力。自2010年诺贝尔奖因提取和研究一个微米大小的碳层而获奖以来，其生产工作已在波兰的几个中心开始。罗兹理工大学开发了在液体载体上制造的大面积石墨烯HSMG®技术。该技术已获得世界专利，是对分拆公司Advanced Graphene Products S.A.（AGP）的实物贡献，该公司是欧洲领先的片状和表面石墨烯制造商，于2021年11月在NewConnect市场上首次亮相。目前，AGP提供了许多用于3D打印 m.in 石墨烯半成品，作为油漆，聚合物，过滤器甚至现代电池的添加剂，目前罗兹理工大学也在开发这些产品。我可以完全负责任地说，波兰是石墨烯合成和应用的世界领导者之一。

现代煤炭技术在波兰需要发展什么？这对他们来说容易吗？还是他们面临问题？

答案很简单，而且很平庸。需要有足够的财政支出，使我们能够充分利用科学家的智力潜力。基于碳结构的产品进入市场的主要障碍是控制制造系统的质量，结构的可重复性（甚至缺陷程度）及其纯度的问题。已经达到百分之一的几分之一水平的污染可以从根本上改变材料的性质，例如储氢程度，电池容量，催化性能等。这就是为什么与原子级技术改进有关的下一步如此重要。

供资过程的设计必须使研究中心能够获得最先进的研究设备及其服务。先进设备的成本往往从几百万兹罗提开始，是加强技术开发的主要障碍。

世界各地正在开展大量工作，其中碳元素用于捕获和储存各种技术过程中产生的CO2。这些仍然是昂贵的技术，但许多专家预测，随着技术的进步和规模经济的发展，它可能会变得有利可图。你觉得怎么样？

这个问题极难实施，特别是如果我们希望这一进程在经济上可行的话。最好是我們擺脫嚴格考慮儲存CO2，並嘗試獲得乾淨的碳和氧。不幸的是，该过程的能量平衡不是正的。使用可再生能源产生的能源可以大大改变平衡投入。掌握碳和氧回收的过程可以开辟全新的可能性。在破坏CO2分子中键的那一刻，我们有原子碳，在受控的复合过程中，它可以在结构和化学纯石墨烯，纳米管，富勒烯或其空间杂交体方面创造完美的。当然，这个过程，仍然被认为是“科幻小说”，可以使用仿生学工具5，在这种情况下复制蜘蛛网的生产机制。

因此，必须在全球范围内考虑CO2利用问题，并应将其衰变产物同时用于合成新的，技术先进的材料的前景联系起来，例如用于超快计算机的纳米传感器和纳米处理器。我相信，这种办法在经济上将是平衡的。

3D的想法结合了水 – 氢和碳，这3种资源是相互关联的吗？

情况确实如此。一个例子是具有准2D性质的空间交联石墨烯的结构，它能够以可逆的方式储存氢气。同样的结构，以薄膜的形式应用于碳复合材料制成的电极，是水过滤器。顺便说一句，我们正在谈论我们在罗兹理工大学开发的原型解决方案。想象一下，这些材料是解决缺乏饮用水的潜在解决方案，例如在非洲。同样的水可以用来从风电场产生的多余能量中产生绿色氢气。

你不能单独谈论水，煤或氢气。这代表了相互关联的过程，属性和应用的闭合循环，重点是生态学和经济性。到目前为止，该行业很少将所有这些资源捆绑在一起。现在，我们面临着经济资产负债表的前景，同时保护甚至修复自然环境。

你代表了科学界和商业界 – 在波兰很容易吗？这种合作对于开发创新似乎是必要的，但在实践中它是什么样子的呢？将科学与商业结合起来容易吗？

我有机会，我的专业工作给了我极大的乐趣，我在路上遇到的人大多是实用主义者，重点是科学研究的工业应用。这就是为什么几年前我能够作为联合创始人庆祝Advanced Graphene Products SA的成立。出于这个原因，我很容易通过工业应用的棱镜来看待众所周知的试管。我的妻子经常嘲笑我“我发明的”，这可能是成功的关键，梦想开辟了新的可能性。然而，关键是要有团队，给人们采取行动和接受错误的机会。我试图让第一学期的学生参与科学研究，他们通常已经是年轻的医生，具有快速适应能力的观点。他们还有机会创建分拆公司，其中一个例子是另一个C Cube孩子，你很快就会听到。我将透露，该活动将基于在运动游艇行业，大西洋等运动游艇行业使用改性碳材料。

我们听说科学家正在研究使用石墨烯的各种解决方案，例如带有添加氧化铼的石墨烯层的电极。这听起来有点像科幻小说，但事实证明，这样的解决方案具有巨大的潜力。煤炭还能给我们带来什么惊喜呢？

我们非常清楚，我们只受到想象力的限制，我们年纪越大，我们“幻想”就越少。出于这个原因，科学家经常使用年轻的头脑，问孩子们他们如何想象10年，15年后的世界。他们拥有一系列技术及其发展潜力，试图创造一个通过儿童眼光看的世界。例如，这就是美国关键技术发展（Forsight计划）的定义，这可能会彻底改变全球经济。这就是机器人世界小型化的愿景，以及开发血细胞大小的纳米机器人的尝试，它可以起到检查作用，分析我们细胞的健康状况。

这种“坏的，不光彩的和充满信仰的煤炭”能拯救我们的环境吗？

我假设在阅读我们的采访后，每个读者都可以自己回答这个问题，如果没有，我邀请您进一步讨论。

Łukasz Kaczmarek教授在美国德克萨斯大学奥斯汀分校授予罗兹大学的独家许可的基础上完成了科学和技术商业化硕士（MSSTC）领域的国际管理研究。他毕业于罗兹理工大学化学系，并在罗兹理工大学机械工程学院攻读博士学位。它涉及片状石墨烯的合成和功能化。

他是分拆公司Advanced Graphene Products SA的联合创始人，该公司负责大面积石墨烯的生产和修改，该公司于2021年11月在NewConnect市场上首次亮相。

他是罗兹理工大学机械工程学院发展副院长和罗兹理工大学材料科学与技术研究所所长。他是波兰材料科学学会董事会成员。