Novákoviny

stránky publicisty Jana A. Nováka

Grafen: stojíme na počátku revoluce

graphene, grafenLetošní Nobelova cena za fyziku ještě nebyla stará ani den, když kolem ní vypukl první skandál. Zatímco její čerství nositelé Andrej Geim a Konstantin Novoselov si ve Velké Británii užívali první hodiny světové slávy, v Rusku se vynořil jakýsi Viktor Petrik, který tvrdí, že cena patří jemu. Výzkum grafenu, za který byla udělena, prý je jeho práce a zabýval se jí dávno před Geimem a Novoselovem. K jeho smůle se mu o tom ale nepovedlo nic publikovat, protože ruská akademie věd jeho články údajně odmítla. Teď nařkl čerstvé laureáty z plagiátorství.

"Mohu předložit dokumenty, které ukáží, že Nobelova cena patří mě - a také to udělám," prohlásil Petrik na stránkách webového portálu politické strany Jednotné Rusko.

Případ učeného křečka

 Petrik není postava úplně neznámá, názory na něj se ale diametrálně rozcházejí. Zatímco jedni tvrdí, že tento vystudovaný psycholog a někdejší vězeň sovětského režimu je druhým Edisonem, jiní jej považují za šarlatána. Podle některých zdrojů je přítelem Vladimíra Putina a řady dalších politiků, většinou právě z vládnoucí strany Jednotné Rusko. Na výzkumy v oblasti nanotechnologií dostal milionové granty, přestože několik akademických komisí v jeho vynálezech nenašlo po nanotechnologiích ani stopy.

grafen, graphene, andrei geimGeim a Novoselov Petrikovo nařčení zatím nekomentovali. Ani nemuseli, protože na britské University of Manchester, kde pracují, jim může být obskurní atmosféra současného Ruska ukradená.

 

obr: Čerstvý nositel Nobelovy ceny Andrej Geim nařčení z plagiátorství nekomentoval. Foto: Wikipedie

 

Andrej Geim se ostatně skandálů zřejmě nebojí. Sám má jeden na svědomí - a docela povedený. Roku 2001 se zabýval takzvanou magnetickou levitací a jejím využitím při konstrukci přesných gyroskopů. Spoluautorem jeho zprávy pro odborný časopis Physica byl i jakýsi pan H.A.M.S. ter Tischa - a nikomu z jinak přísných vědeckých recenzentů nepřipadalo divné, že "hamster" anglicky znamená "křeček". Geim tehdy zrovna vlastnil křečka jménem Tiša. Později pro něj údajně na University of Nijmegen údajně požádal i o titul PhD.

Mimo vědecký svět se stal Geim poprvé známější, když nechal v magnetickém poli poletovat žábu. Pak se ale přeorientoval na grafen a byla to dobrá volba. Nejen proto, že za ně dostal Nobelovu cenu - je to především materiál, který nejspíš odstartuje další technickou revoluci, takže jejich výzkum nejspíš kromě slávy přinese i patenty a hmotné statky. Petrik zřejmě nebude poslední, kdo se k otcovství začne hlásit.

 

Materiál snů

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 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...

graphene, grafenNěčím takovým obvykle začínaly klasické sci-fi romány - jen proto, aby pak autor mohl nechat své hrdiny sestrojit něco, čím mohli ovládnout svět, dostat se na druhý konec vesmíru, pokořit největší hlubiny oceánu, proniknout do nitra mikrosvěta, nebo dělat jiné nepravděpodobné věci. Samozřejmě jen na stránkách knih, které nikdo nebral moc vážně. Jenže tentokrát to není žádný výmysl. Grafen je realita - a Nobelova cena ukazuje, že realita velmi sledovaná.

 

obr: Uspořádání atomů uhlíku v grafenu. Foto: Georgia Tech/Kohuth

 

Ovšem způsob, jak grafen přišel na svět, by si do svého románu nejspíš neodvážil použít ani ten nejodvážnější autor. Žádné superlaboratoře, urychlovače, reaktory a milióny kilovoltů. Stačila k tomu obyčejná tužka a kousek izolepy. A chytrá hlava.

Ve skutečnosti ovšem Geim s Novoselovem grafen neobjevili. Už ve 40. letech významný fyzik Linus Paulig uvažoval o tom, jak by vypadal materiál, který by - velmi zjednodušeně řečeno - vznikl z uhlovodíkových 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.

 

S izolepou pro Nobelovou cenu

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. Geim s Novoselovem na to šli překvapivě jednoduše - tak jednoduše, že si to můžete zkusit sami.

graphene, grafen, airship, vzducholoďK výrobě grafenu nepotřebujete nic víc než pár kousků grafitu (tedy obyčejné tuhy) a izolepu. Co nejtenčí úlomek rozdrcené tuhy přilepíte na izolepu, tu přehnete a přimáčknete lepivou stranou na úlomek z jeho ještě volné strany.

 

obr: Grafen nepropouští plyny, mohl by tedy být ideálním materiálem pro nosná tělesa vzducholodí budoucnosti. Kresba: Massaud Studio

 

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.

graphen, grafen, raketoplánMá 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.

 

obr: Grafeny by mohly otevřít cestu k nové generaci kosmických dopravních systémů. Kresba: NASA

 

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, zbraň pro ovládnutí světa nebo jiný atribut ze sci-fi, nezvládnete ani za několik životů.

Vědcům to ale stačilo. Konečně měli možnost, jak si fantastické vlastnosti jednovrstevných grafenů ověřovat prakticky. A také začít spekulovat, k čemu všemu by se hodily, až se podaří vyřešit jejich výrobu ve velkém.

 

Moorův zákon na věčné časy

První na co vědci při využití grafenu myslí, většinou jsou tranzistory, mikročipy, superrychlé počítače a další elektronika. Díky nepatrné tloušťce jejich atomové struktury, se pohyb elektronů v nich řídí zákony kvantové mechaniky, které se zdánlivě vymykají zdravému rozumu. Kombinací grafenu s jinými atomy tak lze vyrobit takzvané balistické tranzistory - tedy tranzistory s mimořádně vysokou rychlostí sepnutí. Nepatrné rozměry a další vlastnosti grafenů pak nejspíš umožní z nich skládat supervýkonné počítačové čipy.

grafen, graphen,nanobotUž několik desetiletí straší počítačové odborníky tzv. Moorův zákon - pravidlo tvrdící, že počet tranzistorů na čipu i výkon počítačových čipů se bude zdvojnásobovat v pravidelných intervalech.

 

obr: Jedna z možných aplikací: nanoboti pohybující se v krevním řečišti a léčící choroby i zranění. Kresba: archiv

 

 Mnozí poukazovali na to, že jde jen o lidský výmysl, který nemá s exaktní fyzikou nic společného a že mikročipy se už blíží k hranicím svých možností. Grafeny ale možná téměř půl století starému Moorovu zákonu znovu prodlouží život.

Průhlednost grafenu kombinovaná s elektrickou vodivostí umožní vytvářet z nich tenké ohebné displeje a nakonec třeba i celé mobily a počítače, které si budete moci otočit kolem zápěstí jako náramek nebo zmačkat do kapsy jako kapesník. Umožní také naplnit sen o tzv. e-papír: tiskopisy, noviny nebo časopisy už se nebudou po použití vyhazovat, ale jejich grafický obsah se jednoduše aktualizuje elektronickou cestou. Průhlednost společně s elektrickou vodivostí se také nejspíš uplatní při výrobě lehkých ohebných fólií, které budou vyrábět elektřinu ze slunečního světla.

Ale nejen to.

 

Od kosmického výtahu k nanorobotům

"Seznam toho, kde všude by grafeny mohly způsobit převrat, je velmi dlouhý," kostatují materiály Nobelovské nadace. "Myslím, že to bude podobná revoluce, jako příchod plastů," dodal k tomu Andej Geim.

Příměs pouhého jednoho procenta grafenu do běžných plastických hmot z nich udělá elektrické vodiče. Mohou také sloužit jako senzory, které zaznamenají i přítomnost jediné molekuly hledané látky. Jako součást kompozitních materiálů nejspíš povedou ke vzniku mimořádně pevných a přitom odolných letadel, karoserií aut a jiných dopravních prostředků.

Tak by se dalo pokračovat velmi dlouho. Omezíme se tři proto už jen několik obzvlášť fantastických aplikací.

grafen, graphen, kosmický výtah, space elevatorJednou z nejzajímavějších je tzv. kosmický výtah. Princip je velmi jednoduchý: z hmotného tělesa pohybujícího se po tzv. geostacionární dráze lze na povrch Země spustit lano a vytahovat po něm do vesmíru náklady. Většina problémů současné kosmonautiky by tím byla vyřešena. Jenže to lano by muselo být dlouhé nejméně 36 tisíc kilometrů - ale i nejlepší ocelové lano se vlastní vahou přetrhne už při délce několika set kilometrů. Grafen by mohl být řešením.

 

obr: Kosmický výtah pro levnou dopravu ze Země na geostacionární dráhu, Díky grafenům by se možná mohl ze stránek sci-fi literatury přestěhovat do reality. Kresba: NASA

 

Hodně si od tohoto principu slibují také konstruktéři nových akumulátorů pro elektromobily. Zajímavým směrem jejich vývoje jsou tzv. ultrakapacitory, které nepracují na chemickém principu, jako ty dnešní, ale ukládají elektřinu v podobě náboje. Zjednodušeně řečeno: energii do nich lze "nalévat" a zase "vylévat" stejně snadno jako vodu do sklenice. Zatím však trpí nízkou kapacitou a vysokou cenou. Grafen by to mohl změnit.

Možná ale díky němu akumulátory ani nebudou potřeba. Bruce Kane z University of Maryland dokázal roztočit grafenovou vločku na 60 milionů otáček za minutu. Každý jiný materiál by přitom roztrhala odstředivá síla. Vědci proto připouštějí, že by z tohoto materiály mohly vzniknout setrvačníky, které by se nejdřív roztočily do vysokých otáček a poté by svou energii předávali dopravnímu prostředku. Tak by bylo možné sestrojit automobily, vlaky, ale možná i letadla, která by se obešla bez motoru, paliva i akumulátorů.

A nakonec to nejfantastičtější: badatelé už přemýšlejí jak grafen formovat do struktur využitelných v nanotechnologiích. Na konci tohoto vývoje by mohly být i neviditelné miniponorky - nanoroboti pohybující se tkáněmi lidského těle a napravující chyby.

 

Jan A. Novák

Psáno pro Hospodářské noviny

Přidat komentář


Bezpečnostní kód
Obnovit

 
Joomla Templates: by JoomlaShack