Co je tenčí než vlas, ale pevnější než ocel?

Představte si materiál, který je pevnější než ocel, průhlednější než sklo a tenčí než lidský vlas. Nápověda: není to kryptonit. Vysvětluje Aida Rafatová, asistentka inženýra ve společnosti ConocoPhillips, která vyhrála katarské finále naší mezinárodní soutěže v komunikaci o vědě FameLab.

Co je grafen?

Je to nejneobyčejnější materiál, který by teoreticky měl být sci-fi. Má nespočet aplikací a fenomenálních vlastností a vědce velmi nadchl.

Tato dvourozměrná zázračná látka pochází z jednoduchého zdroje. Grafen je základní stavební jednotkou grafitu, základní formy uhlíku a hojně se vyskytujícího minerálu. Grafit se skládá z tisíců vrstev grafenu, které jsou naskládány na sebe. Známe ho jako olovo do tužek. Technicky vzato tedy každý člověk, který kdy kreslil tužkou čáru, vytvořil grafen.

Jak ho vědci objevili?

Náhodou. A to díky lepicí pásce. V roce 2004 pracovali v laboratoři dva výzkumníci z Manchesterské univerzity, Andre Geim a Kostantin Novoselov. Zkoumali elektrické vlastnosti grafitu a rozhodli se použít lepicí pásku, aby zjistili, zda se jim podaří odlepit tenčí vločky. Pokračovali v odlupování dalších a dalších vrstev z původní rozštěpené vločky grafitu, až zjistili, že skončili u vrstvy o tloušťce jednoho atomu. To, co vytvořili, byl grafen a za svůj objev později získali Nobelovu cenu za fyziku za rok 2010.

Čím je grafen tak výjimečný?

Grafén má úžasné a jedinečné mechanické, elektrické, tepelné a optické vlastnosti.

Především je silný. Lidé si dříve mysleli, že dvourozměrné materiály se prostě rozpadnou. Ve skutečnosti je však grafen nejpevnějším materiálem, který byl kdy testován: je asi 200krát pevnější než ocel. Houpací síť z jednoho metru čtverečního grafenu by udržela váhu podsadité čtyřkilogramové kočky, ale vážila by jen tolik, co jeden kočičí fousek 0,77 mg (asi 100 000krát lehčí než jeden metr čtvereční papíru).

Zdruhé, navzdory své obrovské pevnosti si grafen zachovává pružnost a elasticitu. Můžete ho ohýbat a je průhledný: obě tyto vlastnosti jsou v elektronice velmi důležité, protože to znamená, že byste ho mohli použít k výrobě ohýbatelných, průhledných dotykových obrazovek pro počítače a mobilní zařízení.

Zatřetí, skvěle vede elektřinu. Ve skutečnosti se elektrony grafenem pohybují rychleji než jakýmkoli jiným testovaným materiálem. Vědci mohou grafen „dopovat“ tím, že do něj chemicky přidávají nebo odebírají elektrony. Čím více elektronů se do něj přidá, tím větší proud může produkovat. „Dopovaný“ grafen by mohl vést elektřinu ještě lépe než měď.

Ze čtvrté, grafen je supernepropustný, takže se do něj nedostanou ani ty nejmenší molekuly, jako je helium. To by mohla být velmi důležitá vlastnost, protože by nám umožnila použít grafen k oddělení kapaliny a plynu.

Co je jiného na struktuře grafenu?

Grafen má velmi unikátní strukturu, jako voštinová mřížka atomů uhlíku. Neobvyklé je, jak spolu tyto atomy interagují.

Atom uhlíku má šest elektronů, z nichž čtyři se nacházejí v jeho vnější slupce a jsou připraveny se spojit s jinými atomy a vytvořit molekuly. V grafenu se však pouze tři z těchto elektronů pevně vážou k sousedním atomům, čímž vzniká extrémně silná a těsná vazba. Čtvrtý elektron zůstává bez vazby. Tyto nevázané elektrony se chovají zcela jinak než obvykle. Chovají se jako částice světla neboli fotony a ve skutečnosti se nad grafenovým listem pohybují rychlostí světla, což dává grafenu jeho fenomenální elektrické vlastnosti.

Jak grafen vypadá?

Pouhým okem grafen nevidíme. Je to nejtenčí materiál, jaký byl kdy objeven. List grafenu je 1000krát tenčí než lidský vlas. Vědci, kteří ho objevili, byli ve skutečnosti schopni vidět grafenové plátky jen proto, že je umístili na destičku oxidu křemičitého. Kdyby použili jiný materiál, možná by ho ani neviděli.

Používá se již grafen k něčemu?

Mnoho velkých společností, například IBM a Samsung, se grafenem podrobně zabývá. Jedním z hlavních problémů, kterým nyní čelí elektronický průmysl, je, že posouváme hranice křemíkových tranzistorů (které zesilují a vedou elektrické signály). Jinými slovy, jak můžeme vyrábět stále menší a menší křemíkové tranzistory, aby společnosti mohly vyrábět tenčí, a přitom výkonnější chytré telefony, tablety a počítače?“

Problém je v tom, že jsme již dosáhli hranice možností křemíkových tranzistorů. Už je prostě nedokážeme zmenšit. S grafenem však máme velký potenciál jít ještě dál, a dokonce vyrábět průhledné dotykové obrazovky a elektroniku.

Nejde jen o počítače. Jednou ze současných komerčních aplikací, která obsahuje grafen, je tenisová raketa od společnosti HEAD. Zdá se, že raketa je mnohem výkonnější a mnohem lehčí – dvě základní věci, které by ideální tenisová raketa měla mít!

K čemu dalšímu by se grafen mohl v budoucnu využít?

Dopravní průmysl by mohl smíchat grafen se stávajícím kompozitním materiálem a vyrobit tak pevnější a lehčí letadla a auta. Díky své nepropustnosti by byl grafen také vynikajícím nátěrovým materiálem, který by odolával korozi.

Přiložte vrstvu grafenu na plast a získáte elektricky vodivý plast. Nebo by elektronická společnost mohla využít pružnosti grafenu a vyrobit z něj tablet, který byste mohli složit jako noviny, nebo malý chytrý telefon, který byste si mohli přilepit na tričko.

Grafén může výrazně zlepšit životnost tradiční lithiové baterie a výrazně zkrátit dobu nabíjení. Lze jej využít k ukládání solární energie nebo k výrobě superkondenzátorů (obřích baterií používaných v elektromobilech a výtazích).

Vědci také hovoří o využití grafenových filtrů k odsolování, k přeměně mořské vody na vodu pitnou a jako systému pro doručování léků při léčbě rakoviny.

Je grafen patentovatelný?

Patentování grafenu je jedním z nejžhavějších témat ve vědě. Samotný grafen nelze patentovat, protože je odvozen z uhlíku – přirozeně se vyskytujícího materiálu. Navíc vědci o grafenu vědí již od 20. století, jen nevěděli, jak ho izolovat.

Mnoho organizací si však nechalo patentovat grafenová zařízení a postupy výroby grafenu. Nevím, zda dva vědci, kteří grafen objevili, díky tomu zbohatli. Stali se však nesmírně slavnými a získali Nobelovu cenu. Jejich vědecký článek o převratném objevu grafenu byl nakonec publikován v časopise Science a samotný článek byl zařazen mezi 100 nejcitovanějších článků všech dob. To je úspěch, o kterém sní každý vědecký pracovník.

Aida Rafat je asistentkou inženýra ve společnosti ConocoPhillips. Její soutěž v mezinárodním finále FameLab můžete sledovat 8. a 9. června 2016.