Čo je grafén? Tu je to, čo by ste mali vedieť

Ďalšie čítanie

• Deväť úžasných použití grafénu, od filtrovania vody až po inteligentné farby
• Čo je to Hyperloop? Tu je všetko, čo potrebujete vedieť

Dnes má nový materiál potenciál zmeniť budúcnosť. Grafén, nazývaný ako „supermateriál“, sa výskumníkom z celého sveta snaží lepšie porozumieť. Vďaka dlhému zoznamu zázračných vlastností grafénu sa to zdá takmer magické, ale mohlo by to mať veľmi reálne a drastické dôsledky pre budúcnosť fyziky a inžinierstva.

Čo je vlastne grafén?

Najjednoduchší spôsob, ako opísať grafén, je to, že ide o jednu tenkú vrstvu grafitu – mäkkého, vločkovitého materiálu používaného v ceruzke. Grafit je alotrop prvku uhlíka, čo znamená, že má rovnaké atómy, ale sú usporiadané iným spôsobom, čo dáva materiálu odlišné vlastnosti. Napríklad diamant aj grafit sú formy uhlíka, no majú veľmi rozdielnu povahu. Diamanty sú neuveriteľne silné, zatiaľ čo grafit je krehký. Atómy grafénu sú usporiadané v šesťuholníkovom usporiadaní.

Je zaujímavé, že keď sa grafén izoluje z grafitu, získa niektoré zázračné vlastnosti. Ide o hrúbku iba jedného atómu, prvý dvojrozmerný materiál, aký bol kedy objavený. Napriek tomu je grafén tiež jedným z najsilnejších materiálov v známom vesmíre. S pevnosťou v ťahu 130 GPa (gigapascalov) je viac ako 100-krát pevnejšia ako oceľ.

Neuveriteľná sila grafénu napriek tomu, že je taký tenký, je už dostatočná na to, aby bol úžasný, no tým sa jeho jedinečné vlastnosti nekončia. Je tiež flexibilný, transparentný, vysoko vodivý a zdanlivo nepriepustný pre väčšinu plynov a kvapalín. Takmer sa zdá, že neexistuje oblasť, v ktorej by grafén nevynikal.

História grafénu: Zvitok pásky a sen

Grafit je známym množstvom už dlho (ľudia ho používali už od neolitu). Jeho atómová štruktúra je dobre zdokumentovaná a vedci dlho uvažovali, či je možné izolovať jednotlivé vrstvy grafitu. Až donedávna bol však grafén iba teóriou, pretože vedci si neboli istí, či by bolo niekedy možné rozrezať grafit na jediný atóm tenký plát. Prvú izolovanú vzorku grafénu objavili v roku 2004 Andre Geim a Konstantin Novoselov na Univerzite v Manchestri. Dalo by sa očakávať, že legendárnu látku izolovali pomocou nejakého masívneho, drahého strojového zariadenia, ale nástroj, ktorý použili, bol zábavne jednoduchý: zvitok lepiacej pásky.

Pri použití pásky na leštenie veľkého bloku grafitu si výskumníci všimli na páske výnimočne tenké vločky. Pokračovaním v odlupovaní vrstvy a vrstvy z vločiek grafitu nakoniec vytvorili čo najtenšiu vzorku. Našli grafén. Objav bol taký bizarný, že vedecký svet bol spočiatku skeptický. Populárny denník Príroda dokonca dvakrát odmietli ich referát o experimente. Nakoniec bol ich výskum zverejnený a v roku 2010 boli Geim a Novoselov za svoj objav ocenení Nobelovou cenou za fyziku.

Potenciálne aplikácie

Ak by mal grafén len jednu z mnohých superlatívnych vlastností, bol by predmetom intenzívneho výskumu potenciálneho využitia. Grafén, ktorý je v mnohých ohľadoch taký pozoruhodný, inšpiroval vedcov, aby premýšľali o širokom spektre použitia tohto materiálu v takých rozmanitých oblastiach, ako je spotrebná technika a environmentálna veda.

Flexibilná elektronika

Okrem silných elektrických vlastností je grafén tiež vysoko flexibilný a transparentný. Vďaka tomu je atraktívny pre použitie v prenosnej elektronike. Smartfóny a tablety by sa pomocou grafénu mohli stať oveľa odolnejšími a možno by sa dali dokonca zložiť ako papier. Nositeľné elektronické zariadenia sú v poslednej dobe čoraz obľúbenejšie. S grafénom by tieto zariadenia mohli byť ešte užitočnejšie, navrhnuté tak, aby tesne priliehali okolo končatín a ohýbali sa, aby vyhovovali rôznym formám cvičenia.

Flexibilita grafénu a mikroskopická šírka však poskytujú príležitosti nad rámec obyčajných spotrebiteľských zariadení. Mohlo by to byť užitočné aj v biomedicínskom výskume. Malé stroje a senzory by mohli byť vyrobené z grafénu, schopného sa ľahko a neškodne pohybovať ľudským telom, analyzovať tkanivo alebo dokonca dodávať lieky do špecifických oblastí. Uhlík je už v ľudskom tele kľúčovou zložkou; trocha pridaného grafénu nemusí uškodiť.

Solárne články/fotovoltaika

Grafén je vysoko vodivý a transparentný. Ako taký má veľký potenciál ako materiál v solárnych článkoch. Solárne články zvyčajne používajú kremík, ktorý vytvára náboj, keď fotón zasiahne materiály, čím sa uvoľní voľný elektrón. Kremík uvoľňuje iba jeden elektrón na fotón, ktorý ho zasiahne. Výskum ukázal, že grafén môže uvoľniť viacero elektrónov pre každý fotón, ktorý ho zasiahne. Ako taký by grafén mohol byť oveľa lepší pri premene slnečnej energie. Netrvalo dlho a lacnejšie a výkonnejšie grafénové články by mohli spôsobiť masívny nárast obnoviteľnej energie.

Fotovoltaické vlastnosti grafénu tiež znamenajú, že by sa mohol použiť na vývoj lepších obrazových snímačov pre zariadenia, ako sú fotoaparáty.

Polovodiče

Vďaka svojej vysokej vodivosti by sa grafén mohol použiť v polovodičoch na výrazné zvýšenie rýchlosti, ktorou sa informácie šíria. Nedávno ministerstvo energetiky vykonalo testy, ktoré preukázali, že polovodivé polyméry vedú elektrinu oveľa rýchlejšie, keď sú umiestnené na vrstve grafénu ako na vrstve kremíka. To platí, aj keď je polymér hrubší. Polymér s hrúbkou 50 nanometrov, keď sa umiestnil na vrchnú vrstvu grafénovej vrstvy, viedol náboj lepšie ako 10 nanometrová vrstva polyméru. To narážalo na predchádzajúcu múdrosť, ktorá tvrdila, že čím tenší je polymér, tým lepšie môže viesť náboj.

Najväčšou prekážkou použitia grafénu v elektronike je absencia zakázaného pásma, medzery medzi valenčnými a vodivými pásmi v materiáli, ktorý pri prekročení umožňuje tok elektrického prúdu. Pásmová medzera je to, čo umožňuje polovodivým materiálom, ako je kremík, fungovať ako tranzistory; môžu prepínať medzi izoláciou alebo vedením elektrického prúdu v závislosti od toho, či sú ich elektróny tlačené cez zakázaný pás alebo nie.

Výskumníci testovali rôzne metódy, ako dať grafénu zakázané pásmo; v prípade úspechu by to mohlo viesť k oveľa rýchlejšej elektronike postavenej z grafénu.

Filtrácia vody

Pevné atómové väzby grafénu ho robia nepriepustným pre takmer všetky plyny a kvapaliny. Je zvláštne, že molekuly vody sú výnimkou. Pretože voda sa môže odparovať cez grafén, zatiaľ čo väčšina ostatných plynov a kvapalín nie, grafén by mohol byť výnimočným nástrojom na filtráciu. Výskumníci z univerzity v Manchestri testovali priepustnosť grafénu s alkoholom a boli schopní vydestilovať veľmi silné vzorky liehovín, pretože iba voda vo vzorkách bola schopná prejsť cez grafén.

Samozrejme, použitie grafénu ako filtra má potenciál nad rámec destilácie silnejších liehovín. Grafén môže byť tiež nesmierne nápomocný pri čistení vody od toxínov. V štúdii publikovanej The Royal Society of Chemistry výskumníci ukázali, že oxidovaný grafén môže dokonca vtiahnuť rádioaktívne materiály, ako je urán a plutónium prítomné vo vode, a nechať kvapalinu bez nich kontaminantov. Dôsledky tejto štúdie sú obrovské. Niektoré z najväčších environmentálnych rizík v histórii, vrátane jadrového odpadu a chemického odpadu, by sa dali vyčistiť z vodných zdrojov vďaka grafénu.

Keďže preľudnenie je aj naďalej jedným z najnaliehavejších problémov životného prostredia na svete, udržiavanie zásob čistej vody bude len dôležitejšie. Nedostatok vody sužuje viac ako miliardu ľudí na celom svete, pričom toto číslo bude vzhľadom na súčasné trendy len narastať. Grafénové filtre majú obrovský potenciál zlepšiť čistenie vody a zvýšiť množstvo dostupnej sladkej vody. V skutočnosti Lockheed Martin nedávno vyvinul grafénový filter s názvom „Perforene“, o ktorom spoločnosť tvrdí, že by mohol spôsobiť revolúciu v procese odsoľovania.

Súčasné odsoľovacie zariadenia používajú na filtráciu soli z morskej vody metódu nazývanú reverzná osmóza. Reverzná osmóza využíva tlak na pohyb vody cez membránu. Na výrobu veľkého množstva pitnej vody si tlak vyžaduje obrovské množstvo energie. A Tvrdí inžinier Lockheed Martin ich filtre Perforene môžu znížiť spotrebu energie stokrát menej ako iné filtre.

MIT vytvorila grafén s „nanopórmi“

Filtrácia je jedným z najzreteľnejších spôsobov použitia grafénu a inžinieri MIT urobili veľký pokrok v zdokonaľovaní schopnosti grafénu oddeľovať molekuly. V roku 2018, tím z MIT prišiel s metódou na vytvorenie malých „pichnutých“ otvorov v listoch grafénu. Výskumníci MIT používajú na výrobu grafénu prístup „roll-to-roll“. Ich nastavenie zahŕňa dve cievky: Jedna cievka privádza medený plech do pece, kde sa ohrieva pri vhodnej teplote, potom inžinieri pridajú metán a plynný vodík, čo v podstate spôsobuje zásoby grafénu formovať. Grafénový film opúšťa pec a navíja sa na druhú cievku.

Teoreticky tento proces umožňuje, aby sa veľké listy grafénu vytvorili v relatívne krátkom čase, čo je rozhodujúce pre komerčné aplikácie. Výskumníci museli vyladiť proces, aby sa grafén vytvoril dokonale, a zaujímavé je, že nedokonalé pokusy na ceste sa neskôr ukázali ako užitočné. Keď sa tím MIT pokúsil vytvoriť póry v graféne, začali s použitím kyslíkovej plazmy, aby ich vyrezali. Keďže sa tento proces ukázal ako časovo náročný, chceli niečo rýchlejšie a hľadali riešenia vo svojich predchádzajúcich experimentoch. Znížením teploty počas rastu grafénu sa objavili póry. To, čo sa počas procesu vývoja javilo ako defekty, sa nakoniec ukázalo ako užitočný spôsob, ako vytvoriť porézny grafén.

Supravodivosť

Nie dlho po ukázali vedci z Cambridge že grafén môže pôsobiť ako supravodič (materiál bez elektrického odporu), keď je spárovaný s prazeodýmom a oxidom medi céru, vedci z MIT objavil ďalšia ohromujúca vlastnosť: Zjavne môže fungovať ako supravodič sám, v správnej konfigurácii. Vedci naskladali dva plátky grafénu, no vyrovnali ich o uhol 1,1 stupňa. Podľa správy publikovanej v Nature, „Fyzik Pablo Jarillo-Herrero z Massachusettského inštitútu Technology (MIT) v Cambridge a jeho tím nehľadali supravodivosť, keď zakladali svoje experimentovať. Namiesto toho skúmali, ako môže orientácia nazývaná magický uhol ovplyvniť grafén.

Zistili, že keď viedli elektrinu cez mimokilter grafénového zásobníka, fungoval ako supravodič. Tento jednoduchý proces aplikácie elektriny uľahčuje štúdium grafénu ako podobná trieda supravodiče, kupráty, hoci tieto materiály vykazujú supravodivosť oveľa vyššiu teploty. Väčšina materiálov, ktoré vykazujú supravodivosť, to robí len pri teplote absolútnej nuly. Niektoré takzvané „vysokoteplotné supravodiče“ môžu vykazovať supravodivosť pri teplotách okolo 133 Kelvinov (-140 Celzia), čo je relatívne vysoká hodnota; sírovodík, pod dostatočným tlakom, zobrazuje vlastnosť pri zázračných -70 stupňov Celzia!

Usporiadanie grafénu sa muselo ochladiť na 1,7 stupňa nad absolútnou nulou, výskumníci však jeho správanie považujú za podobné ako pri kuprátoch a preto dúfajú, že to bude oveľa jednoduchší materiál na štúdium nekonvenčnej supravodivosti, čo je stále oblasťou veľkých nezhôd medzi fyzikov. Pretože supravodivosť sa zvyčajne vyskytuje iba pri takýchto nízkych teplotách, supravodiče sa používajú iba v nákladných strojoch, ako sú stroje MRI, ale Vedci dúfajú, že jedného dňa nájdu supravodič, ktorý funguje pri izbovej teplote, čo by znížilo náklady odstránením potreby chladenia Jednotky.

In štúdia publikovaná v roku 2019, výskumníci ukázali, ako krútenie vrstiev grafénu v špecifických „magických“ uhloch môže produkovať supravodivé vlastnosti pri nižších teplotách ako predtým.

Obrana proti komárom

Len málo tvorov je tak odporných ako komár, čo sa prejavuje svrbivými uhryznutiami a tendenciou šíriť strašné choroby, ako je malária. Našťastie vedci z Brown University našli možné riešenie pomocou grafénu. Výskum, uverejnené v roku 2019, demonštruje, že grafénový film na koži nielenže blokoval komáre pred uhryznutím, ale dokonca ich odradil od pristátia na koži. Jedným z možných vysvetlení je, že grafén zabránil komárom cítiť korisť.

Budúcnosť výskumu grafénu

Vzhľadom na zdanlivo nekonečný zoznam silných stránok grafénu by sa dalo očakávať, že ho uvidíte všade. Prečo teda grafén nebol široko prijatý? Ako pri väčšine vecí, aj tu ide o peniaze. Výroba grafénu vo veľkých množstvách je stále extrémne drahá, čo obmedzuje jeho použitie v akomkoľvek produkte, ktorý by si vyžadoval masovú výrobu. Okrem toho, keď sa vyrábajú veľké listy grafénu, existuje zvýšené riziko vzniku drobných prasklín a iných nedostatkov v materiáli. Bez ohľadu na to, aký neuveriteľný vedecký objav môže byť, o úspechu vždy rozhodne ekonomika.

Okrem problémov s výrobou sa výskum grafénu v žiadnom prípade nespomalí. Výskumné laboratóriá na celom svete – vrátane Univerzity v Manchestri, kde bol grafén prvýkrát objavený – neustále podávajú patenty na nové metódy vytvárania a používania grafénu. Európska únia schválila financovanie vlajkového programu v roku 2013, ktorý bude financovať výskum grafénu na použitie v elektronike. Medzitým veľké technologické spoločnosti v Ázii vykonávajú výskum grafénu, vrátane Samsungu.

Revolúcie sa nedejú zo dňa na deň. Kremík bol objavený v polovici 19. storočia, ale trvalo takmer storočie, kým kremíkové polovodiče vydláždili cestu k vzostupu počítačov. Môže byť grafén so svojimi takmer mýtickými vlastnosťami zdrojom, ktorý poháňa ďalšiu éru ľudskej histórie? Iba čas ukáže.

Odporúčania redaktorov

• Najlepšie lampy na svetelnú terapiu
• Ako dlho by mali vaše spotrebiče vydržať?
• Najlepšie solárne nabíjačky pre váš telefón alebo tablet
• 17 čiernych vynálezcov, ktorí zmenili svet technológií
• Najlepšie vychytávky pre zdravie a kondíciu