Otkriven u mrlji od olovke, može li grafen biti novi super materijal koji transformira industriju bicikala?
Naizgled, grafen je jednostavan materijal. To je jedan sloj ugljikovih atoma debljine 0,3 nanometra - milijun puta tanji od papira ovog časopisa. Ipak je 150 puta jači od čelika i 20% elastičniji. Provodi struju bolje od bakra ili zlata, brzinom od milijun metara u sekundi. Brzo oslobađa toplinu. Proziran je kao i potpuno nepropusn, i trebao bi imati isti učinak u 21. stoljeću kao karbonska vlakna u 20. i čelik u 19. stoljeću. Nije ni čudo što su dva znanstvenika za materijale sa Sveučilišta u Manchesteru koji su ga otkrili 2003., Andre Geim i Konstantin Novoselov, brzo došli do Nobelove nagrade i vitezova. Ali kakve to veze ima s biciklima?
Rani korisnici grafena
Prvi biciklistički proizvodi koji sadrže grafen počinju se pojavljivati na tržištu. Vittoria koristi grafen u svojim najnovijim karbonskim Qurano naplatcima (vidi str. 20), a Catlike ga također koristi u svojoj vrhunskoj Mixino kacigi. Graditelj karbonskih okvira po narudžbi Richard Craddock iz Craddock Cycles kaže: 'Trenutačno je puno uzbuđenja oko grafena, ali ovo su samo prvi pohodi. Kao i kod svakog novog materijala, njegov puni potencijal još nije poznat, ali najvjerojatnije najveća korist nije kao zamjena za ugljik, već kao poboljšanje. Koristio bih ga kad se dokaže.’
Paul Wiper, znanstveni suradnik na Nacionalnom institutu za grafen na Sveučilištu Manchester, kaže: 'Grafen može poboljšati mehanička svojstva kompozita, jer može podijeliti naprezanje kada se doda matrici epoksidne smole i učiniti ga krućim. Ipak, morate uspostaviti pravu ravnotežu. Puno grafena, recimo 10 ili 20% matrice, učinilo bi je stvarno krutom, ali bi također bila krta.'
Njegovi kolege trenutno usavršavaju upotrebu grafena u kompozitnim okvirima za zrakoplovstvo, a španjolski proizvođač automobila Spania već ga uključuje u svoju šasiju GTA superautomobila. Pa mogu li okviri za bicikle biti sljedeći? 'Nema nikakvog razloga zašto se ne bi mogao koristiti u okvirima bicikala i siguran sam da netko već radi na njima', predviđa Wiper. Vittoria ima toliko vjere u grafen da je stavila svoj novac kamo god govori. 'Slučajno sam večerao prije pet godina s osnivačem Directa Plus, jedne od prvih tvornica grafena u Europi, i došao sam na ideju korištenja grafena u našim proizvodima', kaže predsjednik Vittorije Rudie Campagne. 'Tada smo odlučili uložiti u njih, kako bismo bili na vrhuncu.'
Vittoria tvrdi da je upotrebom grafena u novim karbonskim kotačima Qurano povećala čvrstoću žbica i bočnu krutost ruba do 30%. No iznad svega, oduševljeno ističe Campagne, 'Poboljšana disipacija topline grafena smanjuje akumuliranu temperaturu naplatka [kod kočenja], držeći je znatno ispod praga na kojem bi se karbonska vlakna počela raspadati.'
Dodavanje grafena ugljiku ipak nije tako jednostavno kao dodavanje šećera u kavu. Directa Plus isporučuje grafen Vittorii kao 'nano-pločice', koje su debele samo tri do sedam atoma. 'Veliki je izazov bio postići gotovo savršenu disperziju grafena u glavnoj seriji epoksidne smole za prepreg karbonske ploče', kaže Campagne.
Delić inspiracije
'Ljudi su desetljećima nagađali da grafen postoji unutar alotropa ugljikovih materijala kao što su grafit, ugljen i dijamant, ali nitko nije znao kako ga napraviti kao jedan dvodimenzionalni sloj,' kaže Wiper. U nadahnutom trenutku, Geim i Novoselov započeli su s mrljom kristalnog grafita – zapravo tragom olovke – koji se sastoji od više naslaganih slojeva grafena, a pomoću ljepljive trake skinuli su dio grafita. Budući da su bili znatiželjni, radili su to opet i opet, dok konačno nisu izolirali jedan sloj – čisti grafen. Zatim su ga testirali.
'Obično kada materijale činite sve tanjim i tanjim, njihova se svojstva pogoršavaju', kaže sam Geim. 'Ali s grafenom smo ustanovili da su stvari postale samo bolje.'
Laboratoriji diljem svijeta sada proizvode grafen na mnogo načina, s različitim čistoćama, različitim veličinama uzoraka i količinama serija. Na primjer, Catlike kaže da koristi nano-vlakna za održavanje čvrstoće svojih Mixino kaciga, koje su sada 10 g lakše od prethodnih modela. Drugi ga koriste u obliku nano-vrpci, a Samsung i Sony tvrde da su izmislili načine za izradu kontinuiranih listova. No, ono što možda iznenađuje jest da nije pretjerano skup. Možete kupiti kilogram nano-pločica za manje od £150. Kako se stvara više verzija materijala, sigurno je da će upotreba riječi 'grafen' u marketinškom materijalu stvoriti zabunu za potrošače. Bit će teško utvrditi sadrži li proizvod za koji se tvrdi da je 'poboljšan grafenom' stvarno submikroskopski materijal ili ima li ikakve koristi. To je rupa u zakonu koju bi beskrupulozni mogli iskoristiti.
‘Laboratorij bi mogao testirati materijal da vidi radi li kako se tvrdi, ali morali biste napraviti kemijski test kako biste bili sigurni da je grafen prisutan,’ kaže Wiper. A budući da grafen postoji u većini oblika ugljika, čak i u ugljenoj prašini, to bi mogao biti pakao. Ali u pravim rukama, njegovo obećanje za biciklističku industriju je veliko. Potencijalne upotrebe grafena uključuju sprječavanje korozije na izloženim dijelovima kao što su naplatci, lančanici i žbice ili, ako su ugrađena u karbonske komponente, grafenska nanovlakna mogu provoditi električnu struju ili čak prenositi podatke. To bi smanjilo kabliranje za elektronički mjenjač i biciklistička računala. Alternativno bi mogao formirati mjerače naprezanja u karbonskim glavčinama, ručkama, pedalama, lančanicima ili potplatima cipela, gdje bi njegova nano-vlakna smanjila kompleksnost i potencijalno smanjila cijenu mjerača snage.
Nano-dijamanti su već presvučeni grafenom kako bi se stvorila super-maziva, koja bi mogla eliminirati gotovo sva trenja od ležajeva, a super-svijetle LED diode poboljšane grafenom obećavaju se sljedeće godine. Grafenski superkondenzator potencijalno može pohraniti više energije nego bilo koja postojeća baterija, pa bi stoga bile moguće i značajno lakše elektroničke komponente za mijenjanje stupnjeva prijenosa. Štoviše, u tijeku su i ispitivanja ugradnje grafenskih elektroda u polipropilenska vlakna, tako da postoji čak i određeni potencijal za buduće uključivanje u odjevne predmete. U ovoj je fazi to hipotetski, ali moglo bi doći vrijeme kada će vaš dres i kratke hlače postati pametni, osjetiti otkucaje vašeg srca, krvni tlak, temperaturu, brzinu znojenja, pa čak i aktivnost pojedinih mišića. Doista se čini da njegova upotreba i dobrobiti nemaju granica.
'Grafen je očito toliko nov da se njegove primjene tek počinju proučavati,' kaže Campagne. 'Bit će potrebne mnoge godine temeljnih i primijenjenih studija da se dođe do velikih novih poboljšanja postojećih proizvoda ili novih aplikacija i poboljšanja. Putovanje tek počinje.’
