Otkriven u mrlji od olovke, može li grafen biti novi super materijal koji transformiše industriju bicikala?
Na prvi pogled, grafen je jednostavan materijal. To je jedan sloj atoma ugljika debljine 0,3 nanometra - milion puta tanji od papira ovog časopisa. Ipak je 150 puta jači od čelika i 20% elastičniji. Provodi električnu energiju bolje od bakra ili zlata, brzinom od milion metara u sekundi. Brzo odvaja toplotu. Prozirna je i potpuno nepropusna i trebala bi imati isti uticaj u 21. vijeku kao karbonska vlakna u 20. i čelik u 19. stoljeću. Nije ni čudo što su dvojica naučnika o materijalima na Univerzitetu u Mančesteru koji su ga otkrili 2003. godine, Andre Geim i Konstantin Novoselov, brzo stigli do Nobelove nagrade i viteških zvanja. Ali kakve to veze ima sa biciklima?
Grapheneovi rani korisnici
Prvi proizvodi za biciklizam koji sadrže grafen počinju izlaziti na tržište. Vittoria koristi grafen u svojim najnovijim karbonskim Qurano felgama (vidi str. 20), a Catlike ga također koristi u svojoj vrhunskoj Mixino kacigi. Izrađivač karbonskih okvira Richard Craddock iz Craddock Cycles kaže: „Trenutno postoji mnogo uzbuđenja oko grafena, ali ovo su samo prvi napadi. Kao i svaki novi materijal, njegov puni potencijal još nije poznat, ali najvjerovatnije maksimalna korist nije kao zamjena za ugljik već kao poboljšanje. Koristio bih ga kada se dokaže.’
Paul Wiper, istraživač-saradnik na Nacionalnom institutu za grafen na Univerzitetu u Mančesteru, kaže: 'Grafen može poboljšati mehanička svojstva kompozita, jer može podijeliti naprezanje kada se doda u matricu epoksidne smole i učiniti je čvršćom. Ipak, morate da uspostavite pravi balans. Mnogo grafena, recimo 10 ili 20% matrice, učinilo bi je stvarno krutom, ali bi također bila krhka.’
Njegove kolege trenutno usavršavaju upotrebu grafena u kompozitnim okvirima za vazduhoplovstvo, a španski proizvođač automobila Spania ga već uključuje u svoju GTA šasiju superautomobila. Dakle, mogu li okviri za bicikle biti sljedeći? 'Ne postoji nikakav razlog zašto se ne bi mogao koristiti u okvirima bicikala i siguran sam da neko već radi na njima', predviđa Wiper. Vitorija ima takvu veru u grafen, da je stavila svoj novac tamo gde su joj usta. 'Slučajno sam večerao prije pet godina s osnivačem Directa Plus, jedne od prvih fabrika grafena u Europi, i došao sam na ideju da koristim grafen u našim proizvodima', kaže predsjednik Vittorie Rudie Campagne. 'Onda smo odlučili da ulažemo u njih, da budemo na vrhuncu.'
Vittoria tvrdi da je korištenjem grafena u novim Qurano karbonskim kotačima povećala snagu otvora za krakove i bočnu krutost naplatka do 30%. Ali iznad svega, Campagne oduševljava: 'Poboljšano odvođenje topline grafena smanjuje akumuliranu temperaturu naplatka [pri kočenju], držeći je znatno ispod praga gdje bi se karbonska vlakna počela raspadati.’
Dodavanje grafena ugljeniku ipak nije tako jednostavno kao dodavanje šećera u kafu. Directa Plus opskrbljuje Vittoria grafen kao "nano-trombocite", koje su debele samo tri do sedam atoma. „Veliki izazov je bio postići skoro savršenu disperziju grafena u glavnoj seriji epoksidne smole za prepreg karbonske ploče“, kaže Campagne.
Delić inspiracije
'Ljudi su decenijama nagađali da grafen postoji unutar alotropa ugljičnih materijala kao što su grafit, ugalj i dijamant, ali niko nije znao kako da ga napravi kao jedan dvodimenzionalni sloj', kaže Wiper. U nadahnutom trenutku, Geim i Novoselov su počeli sa mrljom kristalnog grafita – zapravo znakom olovke – koji se sastoji od više, naslaganih slojeva grafena, i pomoću ljepljive trake skinuli su dio grafita. Budući da su radoznali, radili su to iznova i iznova, dok konačno nisu izolovali jedan sloj – čisti grafen. Onda su ga testirali.
‘Obično kada pravite materijale sve tanje i tanje, njihova svojstva se pogoršavaju’, kaže sam Geim. „Ali s grafenom smo otkrili da su stvari postale samo bolje.“
Laboratorije širom svijeta sada proizvode grafen na mnogo načina, različite čistoće, različitih veličina uzoraka i serija. Na primjer, Catlike kaže da koristi nano-vlakna kako bi održao snagu svojih Mixino kaciga, koji su sada 10 g lakši od prethodnih modela. Drugi ga koriste u obliku nano traka, a Samsung i Sony tvrde da su izmislili načine za pravljenje neprekinutih listova. Ono što je možda iznenađujuće je da nije preskupo. Možete kupiti kilogram nano-trombocita za manje od 150 funti. Kako se stvara više verzija materijala, sigurno je da će upotreba riječi 'grafen' u marketinškom materijalu stvoriti zabunu kod potrošača. Biće teško utvrditi da li proizvod koji tvrdi da je 'poboljšan grafenom' zaista sadrži sub-mikroskopski materijal ili je od njega dobar. To je rupa koju beskrupulozni mogu iskoristiti.
‘Laboratorija bi mogla testirati materijal da vidi da li radi kako se tvrdi, ali morate napraviti hemijski test da biste bili sigurni da je grafen prisutan’, kaže Wiper. A kako grafen postoji u većini oblika ugljika, čak i u ugljenoj prašini, to bi mogao biti pakao iz Zakona o trgovinskom opisu. Ali u pravim rukama, njegovo obećanje za biciklističku industriju je ogromno. Potencijalne upotrebe grafena uključuju sprečavanje korozije na izloženim dijelovima kao što su felge, lančanici i žbice, ili, ako su ugrađena u karbonske komponente, grafenska nanovlakna mogu provoditi električnu energiju ili čak prenositi podatke. To bi smanjilo kablove za elektronsko mijenjanje brzina i biciklističke kompjutere. Alternativno, može formirati mjerače naprezanja u karbonskim glavčinama, polugama, pedalama, lančanicima ili potplatima za cipele, gdje bi njegova nano vlakna smanjila složenost i potencijalno smanjila cijenu mjerača snage.
Nano-dijamanti su već presvučeni grafenom kako bi se stvorila super-maziva, koja bi mogla eliminirati gotovo svo trenje ležajeva, a super svijetle, grafenom poboljšane LED diode obećavaju se već sljedeće godine. Grafenski superkondenzator potencijalno može pohraniti više energije od bilo koje postojeće baterije, pa bi stoga bile moguće i znatno lakše elektronske komponente za pomicanje. Štaviše, u toku su i ispitivanja ugradnje grafenskih elektroda u polipropilenska vlakna, tako da čak postoji i određeni potencijal za buduće uključivanje u odjevne predmete. U ovoj fazi je hipotetički, ali može doći do trenutka kada vaš dres i šorc postanu pametni, osjetivši otkucaje srca, krvni tlak, temperaturu, stopu znojenja, pa čak i aktivnost pojedinih mišića. Zaista se čini da njegove upotrebe i prednosti imaju nekoliko granica.
‘Grafen je očito toliko nov da se njegove primjene tek počinju proučavati’, kaže Campagne. „Biće potrebno mnogo godina fundamentalne i primijenjene studije da se dođe do velikih novih poboljšanja postojećih proizvoda ili novih aplikacija i poboljšanja. Putovanje tek počinje.’
