Novákoviny

Je to materiál zcela mimořádných fyzikálních vlastností - uhlíková struktura, o níž někteří vědci tvrdí, že odstartuje novou technologickou revoluci. Grafen má vysokou tepelnou vodivost, rekordní mechanickou pevnost, rekordní specifický povrch a mnoho dalších unikátních vlastností. Výzkumu tohoto materiálu se nyní věnují i čeští vědci.

Představte si fólii, která je silná pouhý jeden atom: abychom z ní získali desku o síle jednoho milimetru, museli bychom na sebe položit několik milionů vrstev. Přitom je ale 200krát pevnější než ocel, takže ani hrot tužky zatížené celým slonem by nepropíchl plát o síle papíru - je to nejpevnější materiál na světě. Je také dokonale průhledná a současně naprosto neprostupná pro plyny. Ještě ke všemu je stejně dobrý vodič elektřiny jako měď a teplo vede vůbec nejlépe za všech známých materiálů. A jaksi mimochodem také likviduje baktérie...

obr: Grafen je materiál zcela mimořádných vlastností

Něčím takovým obvykle začínaly klasické sci-fi romány - jenže tentokrát to není výmysl. Ovšem způsob, jak grafen přišel na svět, by si do svého románu nejspíš neodvážil použít ani ten nejodvážnější autor. Stačila k tomu totiž obyčejná tužka a kousek izolepy. Ale nepředbíhejme, ostatně i historie objevu tohoto materiálu je docela zajímavá.

Už ve 40. letech významný fyzik Linus Paulig uvažoval o tom, jak by vypadal materiál, který by - velmi zjednodušeně řečeno - vznikl z uhlovodíkových organických molekul, kdyby z nich zmizel všechen vodík. Výsledkem té představy byla jakási nekonečná molekula z atomů uhlíku uspořádaných po šesti do kruhů vzájemně propojených do dvourozměrné struktury podobné včelímu plástu. Ve stejné době se tímto problémem zabýval také Phlip R. Wallace, který roku 1947 teoreticky předpověděl některé vlastnosti grafenů. Dalo se čekat, že budou fantastické, protože uhlíkové atomy v grafenu pojí stejné vazby jako v diamantu.

Tehdy to ale nikoho moc nezaujalo. Předpokládalo se, že v praxi by grafeny byly velmi nestabilní. Zájem začal až s rozvojem nanotechnologií koncem 20. století, kdy vědci objevili mimořádné vlastnosti uhlíkových nanotrubic - a zejména poté co v roce 1996 za jejich výzkum získali Nobelovu cenu Robert F. Curl, Harold W. Kroto a Richard R. Smalley. Grafen totiž v podstatě není nic jiného než uhlíková nanotrubice rozříznutá na boku a rozvinutá do plochy.

Kouzla s izolepou

Problém ale bylo, jak grafeny izolovat tak, aby je šlo zkoumat. Dlouho se zdálo, že získat jedinou vrstvu atomů uhlíku je téměř nemožné, protože tento prvek má silný sklon se seskupovat do trojrozměrných struktur. Ruští vědci Andrej Geim a Konstantin Novoselov pracující v západní Evropě se tím ale nenechali odradit - a roku 2010 získali za výzkum grafenů Nobelovi cenu.

obr: Grafeny je možné získat pomocí obyčejné izolepy - bohužel jen ve zcela nepatrném množství

Přitom na jejich získávání vypracovali postup, který je tak jednoduchý, že to můžete zkusit sami. Nepotřebujete přitom nic víc než kousek obyčejné tuhy z tužky a izolepu. Co nejtenčí úlomek rozdrcené tuhy přilepíte na izolepu, tu přehnete a přimáčknete lepivou stranou na úlomek z jeho ještě volné strany. Když pak přeloženou pásku zase rozevřete, máte na ní už dva tenké plátky grafitu. Ty pak stejným způsobem dělíte znovu a znovu - až získáte grafeny. Na YouTube po zadání hesla "graphene" najdete hned několik názorných návodů, jak na to. Kdybyste tento primitivní postup zveřejnili jako první, možná jste se teď radovali z Nobelovy ceny.

Má to jen dva malé háčky. Ten první spočívá v tom, že abyste grafeny získané pomocí izolepy našli, potřebujete ještě elektronový mikroskop, který asi doma nemáte. Druhý problém pak je, že těch pár neviditelných vloček, které na izolepě možná uvízly, vám k ničemu nebude. Opakovat postup tolikrát, abyste mohli postavit kosmickou superloď, nezvládnete ani za několik životů. Takže kdybyste přišli na to, jak grafen levně vyrábět ve velkém, možná by vás ta nobelovka přece jen neminula.

Pro ověřování vlastností grafenů ale stačilo i nepatrné množství z izolepy - a ukázalo se, že jsou opravdu fantastické. Vyjmenovat tady všechny obory, v nichž by mohly nalézt uplatnění, nejde, tak jen namátkou: superrychlé čipy, mimořádně účinné akumulátory, ohebné displeje, filtry, mimořádně citlivé senzory, nanotechnologické konstrukce, účinnější a citlivější fotovoltaické články... Některé vize jsou ještě odvážnější: pokud jste četli Clarkův román Rajské fontány, kde se popisuje výtah na oběžnou dráhu, pak právě grafeny nabízejí naději pro výrobu lan takového výtahu.

Tak daleko ale věda ještě není - momentálně je hlavním úkolem prozkoumat všechny vlastnosti fantastického materiálu. Čeští vědci z pracovišť akademie věd proto ohýbají tyčinky s naneseným grafenem a za pomoci spektrometru zkoumají jeho chování. 

"Je to materiál zcela mimořádných fyzikálních vlastností," říká profesor Ladislav Kavan z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského o grafenu . "Má vysokou tepelnou vodivost, rekordní mechanickou pevnost, rekordní specifický povrch a mnoho dalších unikátních vlastností. Grafen nám například umožnil zkonstruovat solární článek, jehož účinnost převodu světla na elektrickou energii je opravdu rekordní." 

Jan A. Novák

You have no rights to post comments