Kdy nastane grafenová revoluce?
Poté, co byla v roce 2010 udělena Nobelova cena za fyziku Andre Geimovi a Konstantinu Novoselovovi za experimenty s grafenem, všichni čekali na začátek nové éry elektroniky. Zázračný materiál však zatím nenašel široké uplatnění. Zjistili jsme proč.
Grafen je vrstva grafitu o tloušťce jednoho atomu. Černá čára zanechaná obyčejnou tužkou na papíře obsahuje tisíce vrstev grafenu. Stoh 3 milionů listů grafenu není tlustší než 1 mm. Navíc je materiál 200krát pevnější než ocel. Před více než půl stoletím byla existence grafenu předpovězena teoretickými výpočty. Ale nikomu se nepodařilo izolovat nejtenčí vrstvu a dokázat, že je schopna existovat ve volné formě. Teprve v roce 2004 získali vědci z Manchesterské univerzity Andre Geim a Konstantin Novoselov v laboratoři grafen. Navíc k tomu použili materiály, které měli po ruce – lepicí pásku a kus grafitu, jako jsou tužky. Vědci odlepili nejjemnější grafitové vločky lepicí páskou a přenesli je na substrát z oxidu křemíku a poté pomocí mikroskopu hledali oblasti, kde se vytvořila monoatomární vrstva, od té doby začala skutečná grafenová horečka: univerzity a výzkumná centra po celém světě zahájily programy pro studium nového materiálu. V Singapuru bylo otevřeno centrum pro studium dvourozměrných materiálů, mezi které patří grafen, a ve Spojeném království byl vytvořen National Graphene Institute.
Záležitost budoucnosti
Grafen má unikátní dvourozměrnou strukturu – atomy uhlíku tvoří rovinu. Grafen tvoří další modifikace uhlíku: 0D kuličky (fullereny), 1D nanotrubice a 3D grafit. Vazby mezi atomy v ploché struktuře jsou velmi pevné: dva pláty grafenu položené na sebe vydrží i střelu. Přitom je grafen neuvěřitelně lehký. Aerogel vytvořený na jeho základě se skládá z 99,8 % ze vzduchu a odolá hmotnosti 4 tisíckrát větší, než je jeho vlastní.
Tyto vlastnosti už posoudili vědci z University of Cambridge: krmili pavouky grafenem a začali vyrábět sítě desítkykrát pevnější než obvykle. Beijing Institute of Aviation Materials spolupracuje s National Graphene Institute na vývoji superslitin na bázi grafenu pro lehká letadla. Grafen je elektricky vodivý a lze jej použít v elektronice. Samsung nedávno představil nové baterie, které pojmou o 45 % více energie než současné lithium-iontové baterie a nabíjejí se pětkrát rychleji. Know-how: potažení katody grafenovými kuličkami.
Kromě pevnosti a elektrické vodivosti má grafen ještě jednu vlastnost: je schopen sám vytvářet energii. Tento materiál, i když je dvourozměrný, není zcela plochý. Struktura grafenu připomíná vlnění na vodě – náhodné vibrace atomů vytvářejí „vlny“, které se střídavě ohýbají jedním a poté druhým směrem. Výzkumníci z University of Arkansas umístili mezi dvě elektrody list grafenu a vytvořili malý zdroj energie. 20 tisíc těchto generátorů dokáže nekonečně dobíjet malé zařízení, jako jsou elektronické náramkové hodinky. Tato baterie by se vešla na špičku špendlíku.
ruský vývoj
Svět dvourozměrných materiálů je bohatý na ruská jména. Výzkumníci z MIPT vytvořili biosenzor na bázi oxidu grafenu pro preklinické testování léků proti HIV, hepatitidě a rakovině. Pomocí čipu potaženého tímto materiálem je možné sledovat, jak probíhá konkrétní chemická reakce mezi lékem a živou tkání, a zjistit, jak látka ovlivňuje viry a patogenní bakterie. Citlivost tohoto čipu je třikrát vyšší než u jeho analogů.
Nedávno vědci z Petrohradské státní univerzity upravili grafen a dali mu vlastnosti „magnetického zlata“. Po interakci s kobaltem a zlatem získal tento již unikátní materiál vlastnosti kovů – magnetismus a spin-orbitální interakci. Tyto vlastnosti umožní použití grafenu ke zlepšení kvantových počítačů.
Podle databáze vědeckých publikací Web of Science jsou ve výzkumu grafenu nejaktivnější Číňané: 43 % prací publikovali vědci z Říše středu. Následují Američané s 18 % a Korejci s 8 %. Rusko je v tomto žebříčku na 14. místě s pouhými 2 % publikací.
Graphene Brothers
Objev grafenu dal impuls ke vzniku obrovské rodiny dvourozměrných materiálů. Zvláště zajímavé jsou ty vytvořené na bázi kovů. Pro ně je dvourozměrný stav nepřirozený, v přírodě by prostě neměli existovat. Předpokládalo se, že takové materiály jsou nestabilní ve formě monovrstvy a mohou existovat pouze ve formě silných filmů. Výzkum ale ukázal, že tomu tak není vždy.
Jedním z nedávných objevů v této oblasti je dvourozměrný oxid mědi. Loni ji vytvořil tým vědců z Ruska a Japonska. Materiál, na rozdíl od svého objemového feromagnetického analogu, má antiferomagnetismus – nízkou magnetizaci. To umožňuje zaznamenat jeden bit informace na pouhých 12 atomů, zatímco dnešní technologie vyžaduje několik tisíc atomů. To znamená, že můžeme mluvit o vytvoření magnetické paměti.
Problém získat
Proč se tento úžasný vývoj nepoužívá v masovém měřítku? Jde o to, že vyrobit velké množství grafenu není tak snadné. Metoda, kterou ji Geim a Novoselov získali, se nazývá mechanická exfoliace. Je velmi jednoduchý a vyrábí materiál nejvyšší kvality. Odloupnutí tuny grafenu páskou však potrvá roky.
Za posledních 10 let vědci navrhli mnoho průmyslových výrobních metod: chemický peeling, peeling v kapalné fázi a termální peeling, chemické nanášení par, epitaxe molekulárním paprskem, laserová ablace. Dosud však nebylo možné dosáhnout tak vysokých charakteristik jako u mechanické exfoliace. Metody se ale neustále zdokonalují a éra grafenu je za dveřmi.
Pro ty, kteří si chtějí zopakovat výkon Geima a Novoselova doma, nabízíme metodu podobnou peelingu v tekuté fázi. Vezměte mixér o výkonu alespoň 400 W, do misky nalijte 500 ml vody a 10 ml libovolného saponátu, přidejte 20 g drcené tužky. Poté by mělo zařízení fungovat 10 minut až půl hodiny, dokud se neobjeví suspenze grafenových vloček.