Co je grafen? Zde je to, co byste měli vědět

Další čtení

• Devět úžasných využití grafenu, od filtrování vody po chytré barvy
• Co je to Hyperloop? Zde je vše, co potřebujete vědět

Dnes má nový materiál potenciál změnit budoucnost. Grafen, kterému se přezdívá „supermateriál“, se vědci z celého světa snaží zakódovat, aby mu lépe porozuměli. Díky dlouhému seznamu zázračných vlastností Graphene se to zdá téměř magické, ale mohlo by to mít velmi reálné a drastické důsledky pro budoucnost fyziky a inženýrství.

Co je to vlastně grafen?

Nejjednodušší způsob, jak popsat grafen, je ten, že se jedná o jedinou tenkou vrstvu grafitu – měkkého, vločkovitého materiálu používaného v tužce. Grafit je alotrop prvku uhlíku, což znamená, že má stejné atomy, ale jsou uspořádány jiným způsobem, což dává materiálu různé vlastnosti. Například diamant i grafit jsou formy uhlíku, přesto mají velmi rozdílnou povahu. Diamanty jsou neuvěřitelně pevné, zatímco grafit je křehký. Atomy grafenu jsou uspořádány v šestiúhelníkovém uspořádání.

Je zajímavé, že když je grafen izolován z grafitu, získává některé zázračné vlastnosti. Je to pouhý jeden atom tlustý, první dvourozměrný materiál, který kdy byl objeven. Navzdory tomu je grafen také jedním z nejpevnějších materiálů ve známém vesmíru. S pevností v tahu 130 GPa (gigapascalů) je více než 100krát pevnější než ocel.

Neuvěřitelná síla grafenu, přestože je tak tenký, je již dostatečná k tomu, aby byl úžasný, tím však jeho jedinečné vlastnosti nekončí. Je také flexibilní, průhledný, vysoce vodivý a zdánlivě nepropustný pro většinu plynů a kapalin. Skoro to vypadá, jako by neexistovala oblast, ve které by grafen nevynikal.

Historie grafenu: Svitek pásky a sen

Grafit je známou veličinou již dlouhou dobu (lidé jej používali již od neolitu). Jeho atomová struktura je dobře zdokumentována a vědci dlouhou dobu přemýšleli, zda by bylo možné izolovat jednotlivé vrstvy grafitu. Až donedávna byl však grafen pouze teorií, protože vědci si nebyli jisti, zda by bylo někdy možné rozřezat grafit na jediný atom tenký plát. První izolovaný vzorek grafenu objevili v roce 2004 Andre Geim a Konstantin Novoselov na univerzitě v Manchesteru. Dalo by se očekávat, že bájnou látku izolovali pomocí nějakého masivního, drahého zařízení, ale nástroj, který použili, byl zábavně jednoduchý: role lepicí pásky.

Při použití pásky k leštění velkého bloku grafitu si výzkumníci všimli na pásce výjimečně tenkých vloček. Pokračováním v odlupování vrstvy a vrstvy z vloček grafitu nakonec vytvořili vzorek co nejtenčí. Našli grafen. Objev byl tak bizarní, že vědecký svět byl zpočátku skeptický. Populární deník Příroda dokonce dvakrát odmítli jejich referát o experimentu. Nakonec byl jejich výzkum zveřejněn a v roce 2010 byli Geim a Novoselov za svůj objev oceněni Nobelovou cenou za fyziku.

Potenciální aplikace

Pokud by měl grafen pouze jednu z mnoha superlativních vlastností, byl by předmětem intenzivního výzkumu potenciálních využití. Tím, že je grafen v mnoha ohledech tak pozoruhodný, inspiroval vědce k přemýšlení o širokém spektru použití tohoto materiálu v oblastech tak rozmanitých, jako je spotřební technologie a environmentální věda.

Flexibilní elektronika

Kromě svých silných elektrických vlastností je grafen také vysoce flexibilní a transparentní. Díky tomu je atraktivní pro použití v přenosné elektronice. Chytré telefony a tablety by se pomocí grafenu mohly stát mnohem odolnějšími a možná by se daly dokonce složit jako papír. Nositelná elektronická zařízení v poslední době roste na popularitě. S grafenem by tato zařízení mohla být ještě užitečnější, navržena tak, aby těsně obepínala končetiny a ohýbala se, aby vyhovovala různým formám cvičení.

Flexibilita a mikroskopická šířka grafenu však poskytují příležitosti přesahující pouhá spotřebitelská zařízení. Mohlo by to být také užitečné v biomedicínském výzkumu. Malé stroje a senzory by mohly být vyrobeny z grafenu, schopného se snadno a neškodně pohybovat lidským tělem, analyzovat tkáň nebo dokonce dodávat léky do konkrétních oblastí. Uhlík je již klíčovou složkou v lidském těle; trocha přidaného grafenu nemusí uškodit.

Solární články/fotovoltaika

Grafen je vysoce vodivý a transparentní. Jako takový má velký potenciál jako materiál v solárních článcích. Solární články obvykle používají křemík, který vytváří náboj, když foton narazí na materiály a uvolní volný elektron. Křemík uvolňuje pouze jeden elektron na foton, který jej zasáhne. Výzkum ukázal, že grafen může uvolnit více elektronů pro každý foton, který jej zasáhne. Jako takový by grafen mohl být mnohem lepší při přeměně sluneční energie. Netrvalo dlouho a levnější a výkonnější grafenové články by mohly způsobit masivní nárůst obnovitelné energie.

Fotovoltaické vlastnosti grafenu také znamenají, že by mohl být použit k vývoji lepších obrazových snímačů pro zařízení, jako jsou fotoaparáty.

Polovodiče

Díky své vysoké vodivosti by mohl být grafen použit v polovodičích k výraznému zvýšení rychlosti, kterou se informace šíří. Nedávno ministerstvo energetiky provedlo testy, které prokázaly, že polovodivé polymery vedou elektřinu mnohem rychleji, když jsou umístěny na vrstvě grafenu než na vrstvě křemíku. To platí, i když je polymer tlustší. Polymer o tloušťce 50 nanometrů, když byl umístěn na vrchní vrstvu grafenu, vedl náboj lépe než 10 nanometrová vrstva polymeru. To naráželo na předchozí moudrost, která tvrdila, že čím tenčí je polymer, tím lépe může vést náboj.

Největší překážkou pro použití grafenu v elektronice je nedostatek zakázaného pásu, mezera mezi valenčními a vodivými pásy v materiálu, který při překročení umožňuje tok elektrického proudu. Pásmová mezera je to, co umožňuje polovodivým materiálům, jako je křemík, fungovat jako tranzistory; mohou přepínat mezi izolací nebo vedením elektrického proudu v závislosti na tom, zda jsou jejich elektrony tlačeny přes pásmovou mezeru nebo ne.

Výzkumníci testovali různé metody, jak dát grafenu zakázané pásmo; v případě úspěchu by to mohlo vést k mnohem rychlejší elektronice postavené s grafenem.

Filtrace vody

Pevné atomové vazby grafenu jej činí nepropustným pro téměř všechny plyny a kapaliny. Zvláštní je, že molekuly vody jsou výjimkou. Protože se voda může odpařovat přes grafen, zatímco většina ostatních plynů a kapalin nikoli, grafen by mohl být výjimečným nástrojem pro filtraci. Vědci z University of Manchester testovali propustnost grafenu s alkoholem a byli schopni destilovat velmi silné vzorky lihovin, protože pouze voda ve vzorcích byla schopna projít skrz grafen.

Použití grafenu jako filtru má samozřejmě potenciál i nad rámec destilace silnějších lihovin. Grafen může být také nesmírně užitečný při čištění vody od toxinů. Ve studii zveřejněné The Royal Society of Chemistry vědci ukázali, že oxidovaný grafen může dokonce vtáhnout radioaktivní materiály, jako je uran a plutonium přítomné ve vodě, a nechat kapalinu bez kontaminanty. Důsledky této studie jsou obrovské. Některá z největších ekologických rizik v historii, včetně jaderného odpadu a chemického stékání, by mohla být z vodních zdrojů odstraněna díky grafenu.

Vzhledem k tomu, že přelidnění je i nadále jedním z nejnaléhavějších problémů životního prostředí na světě, udržování zásob čisté vody bude stále důležitější. Nedostatek vody trápí více než miliardu lidí na celém světě, což je počet, který bude vzhledem k současným trendům dále narůstat. Grafenové filtry mají obrovský potenciál zlepšit čištění vody a zvýšit množství dostupné sladké vody. Ve skutečnosti Lockheed Martin nedávno vyvinul grafenový filtr s názvem „Perforene“, o kterém společnost tvrdí, že by mohl způsobit revoluci v procesu odsolování.

Současná odsolovací zařízení používají k filtraci soli z mořské vody metodu zvanou reverzní osmóza. Reverzní osmóza využívá tlak k pohybu vody přes membránu. Aby bylo možné vyrobit velké množství pitné vody, vyžaduje příslušný tlak obrovské množství energie. A Inženýr Lockheed Martin tvrdí jejich filtry Perforene by mohly snížit spotřebu energie stokrát méně než jiné filtry.

MIT vytvořil grafen s „nanopóry“

Filtrace je jedním z nejzřejmějších použití grafenu a inženýři z MIT udělali velké pokroky ve zdokonalování schopnosti grafenu oddělovat molekuly. V roce 2018, tým z MIT přišel s metodou, jak vytvořit malé, „píchnuté“ dírky v listech grafenu. Výzkumníci MIT používají k výrobě grafenu přístup „roll-to-roll“. Jejich nastavení zahrnuje dvě cívky: Jedna cívka přivádí plát mědi do pece, kde se ohřívá při vhodné teplotě, pak inženýři přidají metan a plynný vodík, což v podstatě způsobuje hromady grafenu tvořit. Grafenový film opouští pec a navíjí se na druhou cívku.

Teoreticky tento proces umožňuje vytvoření velkých listů grafenu v relativně krátkém čase, což je klíčové pro komerční aplikace. Výzkumníci museli vyladit proces, aby se grafen dokonale vytvořil, a zajímavé je, že nedokonalé pokusy na cestě se později ukázaly jako užitečné. Když se tým MIT pokoušel vytvořit póry v grafenu, začali pomocí kyslíkové plazmy k jejich odstranění. Protože se tento proces ukázal jako časově náročný, chtěli něco rychlejšího a hledali řešení ve svých předchozích experimentech. Snížením teploty během růstu grafenu se objevily póry. To, co se během procesu vývoje objevilo jako defekty, se nakonec ukázalo jako užitečný způsob, jak vytvořit porézní grafen.

Supravodivost

Nedlouho po té prokázali vědci z Cambridge že grafen může fungovat jako supravodič (materiál bez elektrického odporu), když je spárován s praseodymovým oxidem ceričitým, vědci z MIT objevil další ohromující vlastnost: Zjevně může fungovat jako supravodič sám, ve správné konfiguraci. Vědci naskládali dva plátky grafenu, ale vyrovnali je o úhel 1,1 stupně. Podle zprávy zveřejněné v Nature, „Fyzik Pablo Jarillo-Herrero z Massachusetts Institute of Technology (MIT) v Cambridge a jeho tým nehledali supravodivost, když nastavovali své experiment. Místo toho zkoumali, jak může orientace nazývaná magický úhel ovlivnit grafen.

Zjistili, že když vedli elektřinu skrz off-kilter grafenový zásobník, fungoval jako supravodič. Tento jednoduchý proces aplikace elektřiny usnadňuje studium grafenu než u podobné třídy supravodiče, kupráty, ačkoli tyto materiály vykazují supravodivost mnohem vyšší teploty. Většina materiálů, které vykazují supravodivost, tak činí pouze v blízkosti teploty absolutní nuly. Některé takzvané „vysokoteplotní supravodiče“ mohou vykazovat supravodivost při teplotách kolem 133 Kelvinů (-140 Celsia), což je relativně vysoká hodnota; sirovodík, pod dostatečným tlakem, zobrazuje vlastnost at zázračných -70 stupňů Celsia!

Grafenové uspořádání muselo být ochlazeno na 1,7 stupně nad absolutní nulou, nicméně vědci považují jeho chování za podobné chování kuprátů a takže doufají, že to bude mnohem snazší materiál pro studium nekonvenční supravodivosti, což je stále oblast velkých neshod mezi fyzikové. Protože k supravodivosti obvykle dochází pouze při tak nízkých teplotách, supravodiče se používají pouze v nákladných strojích, jako jsou přístroje MRI, ale vědci doufají, že jednoho dne najdou supravodič, který bude fungovat při pokojové teplotě, což by snížilo náklady tím, že by nebylo potřeba chlazení Jednotky.

v studie zveřejněná v roce 2019, výzkumníci ukázali, jak zkroucení vrstev grafenu ve specifických „magických“ úhlech může produkovat supravodivé vlastnosti při nižších teplotách než dříve.

Obrana proti komárům

Jen málo tvorů je tak odporných jako komár, což se projevuje svědivými kousnutími a tendencí šířit strašné nemoci, jako je malárie. Naštěstí vědci z Brown University našli možné řešení pomocí grafenu. Výzkum, zveřejněno v roce 2019, demonstruje, že grafenový film na kůži nejen blokoval komáry v kousání, ale dokonce je odradil od přistání na kůži. Jedním z možných vysvětlení je, že grafen zabránil komárům cítit kořist.

Budoucnost výzkumu grafenu

Vzhledem ke zdánlivě nekonečnému seznamu silných stránek grafenu by se dalo očekávat, že ho uvidíte všude. Proč tedy grafen nebyl široce přijat? Jako u většiny věcí jde o peníze. Výroba grafenu ve velkém množství je stále extrémně drahá, což omezuje jeho použití v jakémkoli produktu, který by vyžadoval hromadnou výrobu. Kromě toho, když se vyrábí velké listy grafenu, existuje zvýšené riziko vzniku drobných prasklin a jiných vad v materiálu. Bez ohledu na to, jak neuvěřitelný vědecký objev může být, o úspěchu vždy rozhodne ekonomika.

Pomineme-li problémy s výrobou, výzkum grafenu se v žádném případě nezpomaluje. Výzkumné laboratoře po celém světě – včetně University of Manchester, kde byl grafen poprvé objeven – neustále přihlašují patenty na nové metody vytváření a používání grafenu. Evropská unie schválila financování vlajkového programu v roce 2013, který bude financovat výzkum grafenu pro použití v elektronice. Mezitím velké technologické společnosti v Asii provádějí výzkum grafenu, včetně Samsungu.

Revoluce se nedějí přes noc. Křemík byl objeven v polovině 19. století, ale trvalo téměř století, než křemíkové polovodiče vydláždily cestu pro vzestup počítačů. Může být grafen se svými téměř mýtickými vlastnostmi zdrojem, který pohání další éru lidských dějin? Pouze čas ukáže.

Doporučení redakce

• Nejlepší lampy pro světelnou terapii
• Jak dlouho by měly vaše spotřebiče vydržet?
• Nejlepší solární nabíječky pro váš telefon nebo tablet
• 17 černých vynálezců, kteří změnili svět technologií
• Nejlepší vychytávky pro zdraví a fitness