Współczesne systemy magazynowania energii opierają się głównie na dwóch rozwiązaniach – bateriach i kondensatorach. Te pierwsze potrafią gromadzić ogromne ilości energii, ale ich ładowanie trwa długo. Te drugie działają błyskawicznie, lecz nie są w stanie przechować dużych zasobów energii. Naukowcy od lat próbują połączyć zalety obu technologii, a diafit może być kluczem do tego celu.
Ten niezwykły materiał powstaje w wyniku połączenia dwóch form węgla – diamentu i grafenu. Z jednej strony zyskuje nadzwyczajną trwałość i odporność, z drugiej – wysokie przewodnictwo elektryczne. Jak podkreśla prof. Robert Bogdanowicz z Katedry Metrologii i Optoelektroniki na Wydziale Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki PG:
Struktury diafitowe mają wyższe przewodności niż struktury grafenowe, co potencjalnie pozwala na to, by materiał ten ładować szybciej. Co więcej, jest on bardziej stabilny i nie degraduje tak, jak inne struktury.
Czym jest diafit?
Prace nad diafitem prowadzone są w ramach międzynarodowego projektu realizowanego przez Politechnikę Gdańską, belgijski Uniwersytet Hasselt oraz California Institute of Technology (Caltech) w USA. W laboratoriach FutureLAB PG powstają pierwsze próbki materiału, które następnie poddawane są analizom strukturalnym i elektrochemicznym. Belgijscy badacze prowadzą szczegółowe badania obrazowe i kinetyczne, a amerykański zespół prof. W.A. Goddarda wspiera projekt od strony teoretycznej i symulacyjnej, wykorzystując narzędzia sztucznej inteligencji.
Czytaj też: Paradoks idealnego materiału. Wady grafenu mogą być kluczem do jego sukcesu
Prof. Robert Bogdanowicz dodaje:
Poprzez precyzyjną inżynierię tego materiału w nanoskali, a więc pracując ze strukturami tysiące razy mniejszymi niż ludzki włos, chcemy przebadać struktury diafitowe i na tej bazie zbudować model takiego materiału. Proces syntezy będziemy wspierać zaawansowanymi technikami plazmowymi i laserowymi, a także symulacjami opartymi na AI. Zbadamy również, czy domieszkowanie materiału borem lub azotem pozwoli zwiększyć jego wydajność.
Projekt otrzymał prawie 1,5 mln zł dofinansowania z Narodowego Centrum Nauki w ramach konkursu OPUS 28+LAP/Weave na badania realizowane we współpracy polsko-belgijskiej. Stronę belgijską finansuje tamtejsza agencja narodowa.
Zastosowanie diafitu może wykraczać daleko poza eksperymentalne laboratoria. Potencjalne możliwości obejmują ultraszybkie ładowanie pojazdów elektrycznych, magazynowanie energii z farm fotowoltaicznych i wiatrowych, a także miniaturowe układy zasilające w elektronice użytkowej. Urządzenia oparte na takich materiałach mogłyby łączyć zalety baterii i kondensatorów – oferując zarówno dużą pojemność, jak i błyskawiczny czas ładowania.
Prof. Robert Bogdanowicz wyjaśnia:
Liczymy na to, że nasze badania przyniosą przełom w zrozumieniu działania hybrydowych materiałów łączących diament z grafenem i sposobu ich efektywnej produkcji. Ta wiedza będzie kluczowa dla rozwoju urządzeń magazynujących energię nowej generacji, które mogą zmienić sposób, w jaki wykorzystujemy energię w życiu codziennym.
Jeśli wizja naukowców się spełni, samochody elektryczne będzie można ładować w czasie porównywalnym z tankowaniem benzyny, a baterie w laptopach czy smartfonach staną się mniejsze, trwalsze i bardziej odporne na zużycie.
Zespół prof. Roberta Bogdanowicza jest jedyną grupą badawczą w Polsce zajmującą się półprzewodnikowymi diamentami i ich potencjalnymi zastosowaniami w technologii, energetyce i medycynie. W Laboratorium Syntezy Innowacyjnych Materiałów i Elementów PG powstają diamentowe elektrody i sensory zdolne do wykrywania śladowych ilości zanieczyszczeń chemicznych, a także komponenty dla nowoczesnej optoelektroniki i mikroenergoelektroniki.
Zespół opracowuje rozwiązania, które mogą znaleźć zastosowanie w diagnostyce środowiskowej i medycznej, np. w wykrywaniu toksyn w oczyszczalniach ścieków czy detekcji biomarkerów chorób. Publikacje naukowców z Gdańska trafiają do międzynarodowych czasopism z najwyższej półki, a prowadzone prace umacniają pozycję Politechniki Gdańskiej jako jednego z europejskich liderów w dziedzinie badań nad nowymi materiałami węglowymi.