Grafen – zázračný materiál budoucnosti

Bez uhlíku se neobejdeme – tvoří podstatnou část celé živé přírody i nás samotných. Nyní by se mohl stát naším ještě lepším pomocníkem. Učíme se totiž uhlík přetvářet na nanotrubičky, nanodestičky, nanokuličky a nanopásky a odhalujeme nové a nové možnosti jeho uplatnění.

Uhlík se rád spojuje

Potenciální význam uhlíku pramení z toho, že se jeho atomy mohou navzájem spojovat, vytvářet dlouhé řetězce nebo tvořit různé struktury a pojit se přitom i s jinými prvky, především vodíkem a kyslíkem za vzniku organických látek. Ale i zcela samotný uhlík vytváří zajímavé struktury. Dávno jsme znali amorfní saze, šupinkový grafit a zářivý diamant. V posledních desetiletích se lidstvo seznámilo i se strukturami zcela novými: s mikrokuličkami podobajícími se fotbalovému míči, poté přišly nanotrubičky připomínající drátěné pletivo. V současné době dochází k jejich spojování do podoby grafenu, což jsou vlastně destičky uhlíku tlusté jeden atom. Ano, čtete správně –pouhý atom. Z mnoha různých materiálů vyvolal zvláštní pozornost právě on. Za objev grafenu a jeho dlouholetý výzkum obdrželi někdejší sovětští vědci Andre Geim a Konstantin Novoselov v roce 2010 Nobelovu cenu za fyziku. Oba nyní pracují na universitě v Manchesteru.

Podle redaktora časopisu New Scientist, Michaela Brookse, objevili a vyrobili grafen v podstatě tak, že si hráli s lepicí páskou a tuhou z tužky. Novoselov potvrdil, že velmi dlouho nepoužívali žádnou technologii, jen několik kusů grafitu pokrytého stříbrnou barvou a snažili se získat výsledky, které by mohly naznačit, že by grafit mohl být použit jako tranzistor a měl i jiné užitečné vlastnosti. Tato práce podle něj skutečně připomínala spíše hru.

Zázračné vlastnosti grafenu

Na otázku, co činí grafen tak speciálním materiálem, odpověděl Andre Geim, že je to jeho dvojrozměrná mřížka atomů uhlíku. Modul pružnosti grafenu podél základní roviny je skoro stejně velký jako u diamantu, přesto však může být roztažena jako guma o čtvrtinu své délky. Přitom její pevnost v tahu je asi 125krát větší než u oceli; je to zatím největší známá pevnost. (Pruh široký 1 m a tlustý pouhých 3,35.10^‑10 m – jedna atomová vrstva – udrží sílu 42 N.) Je velmi tenká, ale pro plyny a kapaliny neprostupná. Takové vlastnosti nemá žádný jiný materiál. Jednotlivé vrstvy atomů uhlíku jsou uspořádány do šestihranné mřížky. Grafen má nejnižší plošnou hustotu ze všech známých materiálů. Vede elektřinu a teplo lépe než měď, ale jeho nanopásky mohou být polovodivé a lze z nich zkonstruovat tranzistor, který je rychlejší než tranzistor křemíkový. Při takovém spektru vlastností si lze jen těžko představit, čeho všeho bychom mohli s grafenem dosáhnout. Až dosud jsme byli zvyklí na náš trojrozměrný svět, který má šířku, délku a výšku. Tato představa ale přehlíží celou třídu materiálů – krystaly o tloušťce jednoho atomu nebo jedné molekuly, v podstatě „roviny atomů“, se od konvenčních krystalů dost odlišují.

Budoucnost grafenu

Výzkumníci společnosti Samsung nalezli již dnes 50 různých aplikací grafenu. Některé z nich by se mohly realizovat během deseti let (například dotekové obrazovky, tranzistory, čidla). Přitom jsme pouze na začátku. I jednotlivé vlastnosti grafenu – optické, mechanické, elektrické – jsou skutečně neobvyklé. Navíc je můžeme kombinovat pro použití v elektromechanických a elektrooptických zařízeních. Nejlepší experimenty nás ale teprve čekají. K získání grafenu stačí načmárat něco na papír grafitovou tužkou. Tímto jednoduchým způsobem vzniká hromádka grafenu – jednotlivé vrstvy atomů uhlíku uspořádané do šestihranné struktury.

Grafen velmi dobře vede elektřinu a teplo, a proto je nadějným materiálem pro elektronické součástky, které se neustále zmenšují. Vědecké týmy ve světě pracují na metodách jeho výroby; vrstvy grafenu získané psaním grafitových tužek jsou ještě příliš tlusté. Např. Klaus Müller, ředitel Ústavu Maxe Plancka pro výzkum polymerů, patentoval řadu metod, včetně pyrolýzy. Ta spočívá v zahřívání prekursových molekul na skleněném podkladu, které již obsahují malé grafenové disky a také větve uhlíkových řetězců. Díky tepelnému zpracování můžeme získat průhledný grafenový film o tloušťce menší než 10 nanometrů.

Grafenové filmy nabízejí levnou alternativu k indium‑cínovému oxidu, který slouží jako průhledná elektroda pro sluneční články. I když je tento oxid průhledný a je dobrý vodič, je příliš drahý pro vysokou cenu india. Průhledné grafenové elektrody mohou také zvýšit účinnost fotovoltaických článků. Na rozdíl od indium‑cínového oxidu jsou grafenové elektrody průhledné i pro určitou část infračerveného světla, které tvoří až polovinu slunečního záření dopadajícího na Zemi. Grafenové elektrody se již osvědčily v prvních FV článcích vyrobených v Mainzu.

Využití v elektronice

Po pěti letech vývoje je výroba grafenu mnohem snadnější a zahájení průmyslové výroby je pouze otázkou poptávky. Specifické vlastnosti grafenu by mohly radikálně změnit elektronické přístroje díky tomu, že elektrony „cestují“ grafenem s minimálními ztrátami energie. V obvyklých vodičích a polovodičích, jako jsou měď a křemík, se elektrony srážejí s atomy a rozptylují svou energii ve formě tepla. Typický počítačový čip ztrácí tímto způsobem 70‑80 % svého elektrického výkonu. To znamená, že se materiály mohou přehřát natolik, že naruší nebo zničí své okruhy. U grafenu je to jiné. Energie elektronů se nerozptyluje, což je velkou výhodou zejména pro elektronické vysokofrekvenční okruhy. Elektronická zařízení, například mobilní telefony, vyžadují stále vyšší frekvence, protože se technici snaží do signálu vložit více informací. Grafen v této souvislosti nabízí nejnadějnější řešení. Ještě větší využití slibuje na trhu fotonových čidel, která detegují informace přenášené optickými telekomunikačními vlákny. První grafenový fotodetektor byl v USA avizován v říjnu 2009.

Fotovoltaika

Dnes se uvažuje o použití grafenu i pro fotovoltaické články a LCD obrazovky. Protože elektrody vyrobené z grafenu jsou průhledné, umožňují snadnější vstup a výstup světla, což znamená vyšší účinnost zařízení. Grafen ve formě nanopásků má polovodičové vlastnosti, tj. má zakázaný pás přiměřené šířky – oproti vodičům (grafit), které ho nemají a nevodičům (diamant), které ho mají příliš široký. Nejvhodnější polovodič učinila z křemíku právě vhodná šířka zakázaného pásu spolu s možností nepatrnou příměsí jiných prvků do tohoto pásu vsouvat hladiny – „azyly“ pro elektrony (tím se právě liší polovodiče od nevodičů). Protože grafen zakázaný pás nemá (je tedy vodič), dlouho to vypadalo tak, že nemůže existovat „Carbon Valley“, které by dokázalo konkurovat „Silicon Valley“. To se však změnilo v roce 2008, když se zjistilo, že nanopáskový grafen zakázaný pás přece jen má a to ho řadí mezi perspektivní polovodiče budoucnosti.

Jak vyrobit nanopásky

Výroba nanopásků byla problematická, protože s použitím prvních technologií bylo možné získat jen malá množství grafenu (například s využitím chemikálií narušujících vazbu uhlík‑uhlík nebo pomocí ultrazvuku). V červnu 2009 ukázal Pablo Jarillo‑Herrero z MIT, že s použitím niklových nanočástic lze odřezávat nanopásky z grafenových filmů. Byly vyrobeny tak čisté řezy, že umožnily vytvářet grafenové nanoobvody. V roce 2009 HangjiDaize standfordské univerzity v PaloAlto najemno rozřezal uhlíkové nanotrubičky na nanopásky svazkem argonového plazmatu.

Dnes se nanotrubičky již vyrábějí v masovém měřítku, jde tedy o nadějnou cestu k hromadné výrobě grafenových nanopásků. Společnost Mitsubishi již např. vyrábí nanotrubičky v tunových množstvích.

Supertvrdý grafit

Podle odborníků jsme jen krůček od toho, že materiálem tvrdším než diamant se stane nová forma supertvrdého grafitu. Při experimentech v roce 2003 vytvořil grafit protlačovaný mezi dvěma diamantovými čelistmi tlakem 170 000 atm v diamantu trhlinky.

Počítačové simulace, uskutečněné výzkumníky z Nankai University v Tianjin pod vedením Hui‑Tian Wanga, ukázaly, že stlačený materiál by mohl být přinejmenším zčásti tvořen BCC‑uhlíkem, sestaveným z prstenců čtyř atomů uhlíku. BCC‑uhlík má atributy jak diamantu, který má kubickou strukturu, tak grafitu, který je složen z volně spojených pásů atomů uhlíku v šestihranné mřížce. U BCC‑uhlíku jsou vrstvy uhlíkových prstenců spojeny velmi silnými vertikálními vazbami.

Výzkumníci modelovali různé krystalické struktury, které by mohly vzniknout při stlačení grafitu, a zjistili, že BCC‑uhlík k tomu potřebuje nejméně energie. To zvyšuje vyhlídky na výrobu neobvykle tvrdých materiálů bez extrémního zahřívání. Většina jiných materiálů, o kterých se domníváme, že jsou tvrdší než diamant, vyžaduje k výrobě jak vysokou teplotu, tak vysoký tlak.

Směry dalšího vývoje

Výzkum grafenu pokračuje. Jedná se například o výrobu grafanu, což je grafen doplněný atomy vodíku namísto některých dvojných vazeb benzenových kruhů grafenu. Vazba uhlík‑vodík působí jako past na elektrony a zabraňuje tomu, aby byl materiál elektricky vodivý.

Zájem o grafan má však málo společného s jeho elektrickými vlastnostmi, protože se výzkum soustřeďuje hlavně na to, jak ho obalit jinými novými molekulami. Změny, které vyvolá přidání atomů vodíku, nejsou ničím ve srovnání s tím, co by s grafenem mohlo učinit přidávání jiných prvků. Nové materiály na bázi chemicky modifikovaného grafenu by mohly být ještě stabilnější, spolehlivější a užitečnější než samotný grafan. Do hry se postupně dostanou i magnetické, supravodivé nebo mechanické vlastnosti. To vše však vědu teprve čeká.

Prameny:
Michael Brooks: It´s super carbon. New Scientist, 2009, č. 2736, s. 49‑51
Max Planck Research, special, 2009, s. 31
Michael Brooks: The fun way to win a Nobel prize. New Scientist, 2010, č. 2787, s. 32‑33
New Scientist, 2010, č. 2782, s. 33
How a softy turns hard under pressure. New Scientist, 2010, č. 2785, s. 12