Izolat pentru prima oară în 2004 de cercetătorii Andre Geim și Konstantin Novoselov de la Universitatea din Manchester, ulterior laureați ai Premiului Nobel, acest nou material alcătuit dintr-un singur strat de atomi de carbon a stârnit imediat interesul lumii științifice datorită proprietăților sale excepționale.
Rezistent, ușor, flexibil și bun conducător de căldură și electricitate, grafenul are numeroase aplicații potențiale, inclusiv în electronica avansată, baterii, materialele compozite de înaltă performanță și dispozitivele și senzorii medicali inovatori.
Proiectul Graphene Flagship, o inițiativă finanțată de UE, a fost lansat în 2013 și s-a întins pe zece ani.
A fost în avangarda impulsionării dezvoltării de tehnologii bazate pe grafen și a încurajat colaborarea între mediul academic și industrie.
Implicând peste 178 de parteneri din cercetarea academică și industrială, proiectul a reprezentat unul dintre cele patru eforturi de cercetare și inovare colaborativă la scară largă organizate de UE ca parte a programului său Tehnologii viitoare și emergente (TVE), conceput să susțină cercetarea colaborativă în stadiu incipient în domeniul noilor tehnologii revoluționare.
Celelalte trei au fost Human Brain Project, Quantum Technologies Flagship și Battery2030+.
Obiectivul proiectului Graphene Flagship a fost să creeze noi tehnologii bazate pe grafen și alte materiale bidimensionale conexe, precum și să asigure că aceste noi tehnologii sunt transpuse din laborator în societate sub forma unor noi produse, companii și oportunități de angajare.
Proiectul a ajutat Europa să devină un lider mondial în domeniul grafenului și al materialelor stratificate, a creat o comunitate puternică bazată pe colaborare și a deschis calea unor standarde în reglementările privind siguranța și politicile de producție.
Prof. Patrik Johansson, directorul proiectului Graphene Flagship, răspunde întrebărilor adresate de revista Horizon despre unicitatea grafenului, câte progrese s-au făcut în ultimii zece ani și ce urmează.
De ce este atât de special grafenul?
Grafenul este deopotrivă simplu și frumos. Este cel mai subțire material din lume, un strat de carbon de grosimea unui atom, de un milion de ori mai subțire decât părul uman. În același timp, este foarte rezistent, mai rezistent decât oțelul și diamantul.
De asemenea, grafenul este foarte flexibil și un excelent conductor de electricitate și căldură. Și, desigur, este ușor – până la urmă, vorbim despre doar un strat de atomi de carbon!
Îmbinarea tuturor acestor proprietăți într-un singur material este cu adevărat unică, de aceea, vedem un potențial atât de uriaș, în atât de multe sectoare foarte diferite ale pieței.
Cât de departe am ajuns în a aduce grafenul din laborator în societate?
Grafenul a parcurs o cale lungă, având în vedere că a fost izolat în urmă cu doar 20 de ani.
În prezent, grafenul este produs în cantități comerciale și este utilizat în mod activ într-o gamă diversă de materiale compozite, pentru aplicații care variază de la echipamente sportive până la mașini și avioane, dar și în oleoducte și apeducte.
Aplicațiile în electronică, baterii, filtrele de purificare a apei și aerului, senzorii biomedicali și alte tipuri de senzori sunt, de asemenea, deja lansate sau foarte aproape de a fi lansate pe piață. Piața mondială a grafenului a ajuns la venituri anuale estimate de 350 de milioane de euro în 2022 și se preconizează că va crește la 1,38 miliarde de euro până în 2027.
În ce domenii contribuie cel mai mult grafenul și materialele bidimensionale la inovarea și competitivitatea europene?
Grafenul și alte materiale bidimensionale promit să revoluționeze aplicațiile în multe dintre industriile esențiale ale Europei. Să luăm doar un exemplu: principalii parteneri ai Graphene Flagship, cum ar fi Airbus, Lufthansa și Leonardo, au demonstrat posibilitățile oferite de grafen și materialele bidimensionale în aeronautică. Grafenul este utilizat deja în materialele compozite care fac avioanele mai ușoare și mai rezistente.
De asemenea, cercetătorii noștri au dezvoltat prototipuri de filtre de aer din grafen care pot elimina impuritățile mai eficient decât filtrele HEPA, precum și materiale compozite bune conductoare de electricitate care pot preveni formarea gheții pe aeronave.
O altă perspectivă este aceea că grafenul va revoluționa industria semiconductorilor, îmbunătățind performanța plachetelor clasice din siliciu.
Progresele europene în acest domeniu ar putea contribui la reducerea dependenței Europei de aprovizionarea externă cu materiale rare și dăunătoare pentru mediu, făcând Europa mai sigură, în cele din urmă.
Ce rol pot juca materialele bidimensionale în progresele către atingerea obiectivelor de sustenabilitate ale Europei?
Materialele bidimensionale pot susține obiectivele de sustenabilitate atât prin promovarea unei mai bune utilizări a materiilor prime, cât și prin contribuția la captarea, conversia și stocarea energiei din surse regenerabile. Acestea vor face ca tehnologia să devină mai ecologică.
Datorită conductivității sale electrice, grafenul este un substitut potrivit pentru unele materii prime rare, iar prin eliminarea firelor de cupru din aparatura electronică și componentele electronice ale mașinilor și avioanelor, va facilita reciclarea acestor produse.
Cercetătorii proiectului Graphene Flagship au demonstrat că panourile solare îmbunătățite cu grafen sunt mai eficiente și mai durabile.
De asemenea, grafenul poate contribui la producția de baterii cu o durată mai lungă de viață și mai eficiente pentru mașinile electrice și alte aplicații.
Filtrele de apă cu grafen de la punctele de utilizare pot filtra chiar și noii contaminanți, care sunt tot mai prezenți în sursele de apă europene.
În plus, grafenul în sine poate fi obținut din carbonul din deșeuri, cum ar fi pneurile uzate și reziduurile organice, fiind un produs ideal pentru economia circulară verde.
Cât de sigure sunt aceste materiale noi?
Sănătatea și siguranța au fost o preocupare-cheie a proiectului Graphene Flagship încă de la început, de acestea ocupându-se un grup de lucru specializat.
Datorită metodelor de producție diferite implicate și a diverselor forme pe care le poate lua, grafenul nu este un singur material, ci, mai degrabă, o familie de materiale.
Deși trebuie să se efectueze mai multe cercetări cu privire la efectele grafenului asupra sănătății, toate dovezile adunate până acum sugerează că acesta nu este dăunător oamenilor și este biodegradabil în corpul uman.
De asemenea, investigăm efectele grafenului asupra mediului. Proiectul Graphene Flagship a colaborat cu organismele REACH/ECHA ale Comisiei Europene pentru a evalua proprietățile concrete ale grafenului în toate formele sale, precum și orice probleme de sănătate și siguranță sau de mediu asociate cu acesta.
Care sunt principalele realizări ale primilor zece ani?
Simpla aducere a grafenului din laborator în aplicațiile comerciale într-un interval de timp atât de scurt este o mare realizare. Dincolo de aceasta, Graphene Flagship a creat un adevărat ecosistem pentru cercetarea și inovarea în domeniul grafenului în Europa.
Acesta se extinde dincolo de partenerii finanțați de UE ai Graphene Flagship. Modelul nostru, care include membri asociați și proiecte de parteneriat, ne-a permis să includem un număr și mai mare de parteneri din mediul academic și industrial cu care să interacționăm și să colaborăm. Perspectiva pe termen lung și susținerea financiară de care am beneficiat au constituit un factor esențial pentru a facilita toate acestea.
De asemenea, Graphene Flagship a fost o investiție remarcabil de eficientă pentru Europa. Pentru proiectele TVE în general, UE a stabilit obiectivul de a genera 1 cerere de brevet per 10 milioane de euro finanțare. În decembrie 2023, Graphene Flagship ajunsese la 3,5 cereri de brevet per 10 milioane de euro finanțare.
De asemenea, Graphene Flagship a depășit cu mult ținta pentru publicațiile științifice. Un raport privind impactul economic, realizat de Institutul independent WifOR, a constatat că Graphene Flagship va fi contribuit cu 3,8 miliarde de euro la PIB-ul economiei europene între 2014 și 2030 și la crearea a 38.400 de locuri de muncă în țările UE.
Ce este unic la Graphene Flagship?
Graphene Flagship este unic în rândul proiectelor finanțate de UE prin amploarea și longevitatea sa. Având un singur proiect care a acoperit întregul spectru al cercetării în domeniul grafenului și al altor materiale bidimensionale, a fost posibil schimbul de date între un număr mare de parteneri și s-au evitat suprapunerile și redundanțele.
Finanțarea garantată pentru o perioadă mai lungă de timp a fost, de asemenea, importantă, astfel că partenerii noștri s-au putut implica într-o activitate mai ambițioasă.
Cadrul temporal mai generos a ajutat la clădirea unei comunități reale pentru cercetarea și inovarea în domeniul grafenului în Europa și a făcut posibilă dezvoltarea încrederii între parteneri.
Acest lucru a facilitat colaborările și schimbul de cunoștințe, ceea ce a adus, în cele din urmă, rezultate mai bune.
De asemenea, în decursul perioadei de zece ani, am putut evalua mai bine impactul pe termen lung al proiectului, într-un mod care nu este posibil cu un proiect obișnuit cu durata de trei ani.
De exemplu, aprobarea brevetelor poate dura ani buni, iar produsele necesită iterații multiple și verificări de siguranță înainte de a fi pregătite pentru lansarea pe piață. Graphene Flagship a avut timpul necesar pentru a dezvolta tehnologiile și a le urmări progresele, cu beneficii reale, până la urmă, pentru industria europeană și pentru societate.
Ce rezervă viitorul proiectului Graphene Flagship și materialelor bidimensionale?
Graphene Flagship își continuă acum drumul sub o nouă formă, în cadrul Orizont Europa. Sub umbrela Graphene Flagship, se finanțează, dintr-un buget de peste 62 milioane de euro, 12 proiecte de cercetare și inovare în derulare, având ca scop realizarea de noi progrese în domeniile energiei, electronicii și fotonicii, aplicațiilor biomedicale și materialelor compozite, precum și în dezvoltarea de noi materiale bidimensionale.
De asemenea, ducem la nivelul următor 2D-Experimental Pilot Line (2D-EPL) – unul dintre proiectele Graphene Flagship – cu o propunere de linie-pilot reală care va transforma modul în care materialele bidimensionale sunt introduse în aplicații în Europa.
Mai mult, parteneriatul Materiale inovatoare avansate pentru Europa (IAM4EU), realizat cu contribuții din partea comunității Graphene Flagship și a Inițiativei privind materialele avansate (AMi2030), va forma acum un nou parteneriat public-privat (PPP) în cadrul celui de-al doilea plan strategic pentru Orizont Europa pentru perioada 2025-2027.
Prin aceste evoluții în curs, Graphene Flagship va continua să aibă un impact asupra tranziției verzi și digitale a UE, precum și asupra construirii unei Europe mai reziliente, mai competitive, mai incluzive și mai democratice.
Opiniile persoanei intervievate nu reflectă neapărat opiniile Comisiei Europene.
Mai multe informații
- Graphene Flagship
- Inițiative emblematice ale UE în domeniul tehnologiilor viitoare și emergente (TVE)
- Cercetarea și inovarea finanțate de UE în domeniul substanțelor chimice și al materialelor avansate
Acest articol a fost publicat inițial în Horizon, revista de cercetare și inovare a UE.