Grafen, odkrit v madežu svinčnika, je lahko nov supermaterial, ki spreminja industrijo koles?
Na prvi pogled je grafen preprost material. To je ena sama plast ogljikovih atomov, debela 0,3 nanometra – milijonkrat tanjša od papirja te revije. Kljub temu je 150-krat močnejši od jekla in 20 % bolj elastičen. Prevaja elektriko bolje kot baker ali zlato, s hitrostjo milijon metrov na sekundo. Hitro odvaja toploto. Je prozoren in popolnoma neprepusten, v 21. stoletju pa bi moral imeti enak učinek, kot so ga imela ogljikova vlakna v 20. in jeklo v 19. stoletju. Nič čudnega, da sta dva znanstvenika za materiale na Univerzi v Manchestru, ki sta ga odkrila leta 2003, Andre Geim in Konstantin Novoselov, hitro prišla do Nobelove nagrade in viteškega naziva. Ampak kaj ima to opraviti s kolesi?
Zgodnji uporabniki grafena
Prvi kolesarski izdelki, ki vsebujejo grafen, začenjajo prihajati na trg. Vittoria uporablja grafen v svojih najnovejših karbonskih platiščih Qurano (glej stran 20), Catlike pa ga uporablja tudi v svoji vrhunski čeladi Mixino. Izdelovalec karbonskih okvirjev po meri Richard Craddock iz podjetja Craddock Cycles pravi: Trenutno je veliko navdušenja nad grafenom, vendar so to le prvi napadi. Kot pri vsakem novem materialu tudi njegov polni potencial še ni znan, vendar najverjetneje največja korist ni kot nadomestek za ogljik, temveč kot izboljšava. Uporabil bi ga, ko se bo izkazal.'
Paul Wiper, raziskovalni sodelavec na Nacionalnem inštitutu za grafen na Univerzi v Manchestru, pravi: Grafen lahko izboljša mehanske lastnosti kompozita, saj lahko deli obremenitev, ko je dodan matriksu epoksidne smole, in ga naredi tršega. Vendar moraš doseči pravo ravnovesje. Veliko grafena, recimo 10 ali 20 % matrike, bi jo naredilo res togo, a bi bilo tudi krhko.'
Njegovi kolegi trenutno izpopolnjujejo uporabo grafena v kompozitnih okvirjih za letalstvo in španski proizvajalec avtomobilov Spania ga že vključuje v svojo šasijo superšportnika GTA. Torej bi lahko bili naslednji okvirji koles? "Sploh ni razloga, zakaj ga ne bi bilo mogoče uporabiti v okvirjih koles, in prepričan sem, da nekdo že dela na njih, " napoveduje Wiper. Vittoria ima tako veliko zaupanje v grafen, da je dala svoj denar za usta. "Pred petimi leti sem imel večerjo z ustanoviteljem Directa Plus, ene prvih tovarn grafena v Evropi, in prišel sem na idejo o uporabi grafena v naših izdelkih," pravi predsednik Vittoria Rudie Campagne. "Potem smo se odločili vlagati vanje, da bomo na vrhuncu."
Vittoria trdi, da je z uporabo grafena v novih karbonskih kolesih Qurano povečala trdnost napere in bočno togost platišča za do 30 %. Predvsem pa Campagne navdušuje: »Izboljšano odvajanje toplote grafena zmanjša akumulirano temperaturo platišča [pri zaviranju] in jo ohranja precej pod pragom, kjer bi ogljikova vlakna začela razpadati.'
Dodajanje grafena ogljiku pa ni tako preprosto kot dodajanje sladkorja vaši kavi. Directa Plus dobavlja grafen Vittorii kot "nanoplošče", ki so debele le tri do sedem atomov. "Velik izziv je bil doseči skoraj popolno disperzijo grafena v glavni seriji epoksi smole za prepreg ogljikove plošče," pravi Campagne.
Delec navdiha
'Ljudje so desetletja špekulirali, da grafen obstaja v alotropih ogljikovih materialov, kot so grafit, premog in diamant, vendar nihče ni vedel, kako ga narediti kot eno samo dvodimenzionalno plast,' pravi Wiper. V navdihnjenem trenutku sta Geim in Novoselov začela z madežem kristalnega grafita – pravzaprav znakom svinčnika –, ki je sestavljen iz več naloženih plasti grafena, in z lepilnim trakom odstranila nekaj grafita. Ker so bili radovedni, so to počeli znova in znova, dokler niso končno izolirali ene same plasti – čistega grafena. Nato so ga preizkusili.
'Običajno, ko tanjšate materiale, se njihove lastnosti poslabšajo,' pravi Geim sam. "Toda z grafenom smo ugotovili, da gredo stvari le na bolje."
Laboratoriji po vsem svetu zdaj izdelujejo grafen na številne načine, z različnimi čistostmi, različnimi velikostmi vzorcev in količinami serij. Catlike na primer pravi, da uporablja nanovlakna za ohranjanje trdnosti svojih čelad Mixino, ki so zdaj 10 g lažje od prejšnjih modelov. Drugi ga uporabljajo v obliki nano-trakov, Samsung in Sony pa trdita, da sta izumila načine za izdelavo neprekinjenih listov. Kar pa je morda presenetljivo, je, da ni pretirano drago. Kilogram nanotrombocitov lahko kupite za manj kot 150 funtov. Ko bo ustvarjenih več različic materiala, bo uporaba besede "grafen" v marketinškem gradivu zagotovo povzročila zmedo pri potrošnikih. Težko bo ugotoviti, ali izdelek, ki trdi, da je "izboljšan z grafenom", res vsebuje submikroskopski material ali pa je kaj dobrega. To je vrzel, ki bi jo brezvestni lahko izkoristili.
"Laboratorij bi lahko preizkusil material, da bi ugotovil, ali deluje, kot je navedeno, vendar bi morali opraviti kemični test, da bi se prepričali o prisotnosti grafena," pravi Wiper. In ker grafen obstaja v večini oblik ogljika, celo v premogovem prahu, bi to lahko bil pekel po Zakonu o opisu trgovanja. Toda v pravih rokah je njegova obljuba za kolesarsko industrijo velika. Potencialne uporabe grafena vključujejo preprečevanje korozije na izpostavljenih delih, kot so platišča, verižniki in napere, ali, če so vdelana v karbonske komponente, bi lahko grafenska nanovlakna prevajala elektriko ali celo prenašala podatke. To bi zmanjšalo kable za elektronsko prestavljanje in kolesarske računalnike. Lahko pa oblikuje merilnike napetosti v karbonskih pestih, gonilkah, pedalih, verižnikih ali podplatih čevljev, kjer bi njegova nanovlakna zmanjšala zapletenost in potencialno znižala ceno merilnikov moči.
Nano-diamanti so že bili prevlečeni z grafenom, da bi ustvarili super maziva, ki bi lahko odpravila skoraj vse trenje ležajev, super svetle, z grafenom izboljšane LED diode pa obljubljajo že naslednje leto. Grafenski superkondenzator lahko potencialno shrani več energije kot katera koli obstoječa baterija, zato bi bile omogočene tudi znatno lažje elektronske prestavne komponente. Še več, v teku so tudi poskusi vdelave grafenskih elektrod v polipropilenska vlakna, tako da obstaja celo možnost za prihodnjo vključitev v oblačila. Na tej stopnji je to hipotetično, vendar lahko pride trenutek, ko vaš dres in kratke hlače postanejo pametni, zaznavajo vaš srčni utrip, krvni tlak, temperaturo, stopnjo potenja in celo aktivnost posameznih mišic. Res se zdi, da ima njegova uporaba in koristi malo meja.
'Grafen je očitno tako nov, da se njegove uporabe šele začenjajo preučevati,' pravi Campagne. „Potrebnih bo veliko let temeljnih in uporabnih študij, da pridemo do velikih novih izboljšav obstoječih izdelkov ali novih aplikacij in izboljšav. Potovanje se šele začenja.’
