Co je grafen a co umí?

Pokud jste za posledních deset let byli někde poblíž vědeckého časopisu, narazili jste na nějakou formu superlativu o grafenu – dvourozměrném zázračném materiálu, který slibuje transformaci všeho od výpočetní techniky po biomedicínu.

O aplikacích grafenu je velký humbuk díky několika pozoruhodným vlastnostem. Je 1 milionkrát tenčí než lidský vlas, ale 200krát pevnější než ocel. Je flexibilní, ale může fungovat jako dokonalá bariéra a je vynikajícím vodičem elektřiny. Dejte to všechno dohromady a máte materiál s množstvím potenciálně revolučních aplikací.

Co je grafen?

Grafen je uhlík, ale v jednoatomové tlusté voštinové mřížce. Pokud sáhnete zpět do svých starých lekcí chemie, vzpomenete si, že materiály složené výhradně z uhlíku mohou mít drasticky odlišné vlastnosti v závislosti na tom, jak jsou jeho atomy uspořádány (různé allotropy). Například grafit ve vaší tužce je měkký a tmavý ve srovnání s tvrdým a průhledným diamantem ve vašem zásnubním prstenu. Uhlíkové struktury vytvořené člověkem se neliší; Buckminsterfulleren ve tvaru koule působí odlišně od svinutých uspořádání uhlíkových nanotrubic.

Grafen je vyroben z listu atomů uhlíku v hexagonální mřížce. Z výše uvedených je svou formou nejblíže grafitu, ale zatímco tento materiál je vyroben z dvourozměrných plátů uhlíku držených vrstva na vrstvě slabými mezimolekulárními vazbami, grafen má tloušťku pouze jedné vrstvy. Pokud byste byli schopni odloupnout jedinou, jeden atom vysokou vrstvu uhlíku z grafitu, měli byste grafen.

Slabé mezimolekulární vazby v grafitu způsobují, že se grafit jeví měkký a vločkovitý, ale uhlíkové vazby samotné jsou robustní. To znamená, že plech složený výhradně z těchto uhlíkových vazeb je pevný – asi 200krát více než nejpevnější ocel, a zároveň je pružný a průhledný.

O grafenu se teoretizovalo po dlouhou dobu a náhodně se vyráběl v malých množstvích tak dlouho, dokud lidé používali grafitové tužky. Jeho hlavní izolace a objev je však spojen s prací Andre Geima a Konstantina Novoselova z roku 2014 na univerzitě v Manchesteru. Oba vědci údajně pořádali „experimenty v pátek večer“, kde testovali nápady mimo svou denní práci. Během jednoho z těchto sezení vědci použili lepicí pásku k odstranění tenkých vrstev uhlíku z hroudy grafitu. Tento průkopnický kus výzkumu nakonec vedl ke komerční výrobě grafenu.

Poté, co v roce 2010 získali Nobelovu cenu za fyziku, darovali Geim a Novoselov dávkovač pásky Nobelovu muzeu.

K čemu se dá grafen použít?

Jedna důležitá věc, kterou je třeba poznamenat, je, že vědci vyvíjejí nejrůznější materiály založené na grafenu. To znamená, že je pravděpodobně lepší myslet na „grafeny“, stejně jako bychom uvažovali o plastech. Nástup grafenu má v podstatě možnost vést ke zcela nové kategorii materiálů, nikoli pouze k jednomu novému materiálu.

Viz související Co je to turbulence? Rozluštění jedné z fyzikálních otázek za milion dolarů „Diamantový déšť“ nalezený na Uranu byl znovu stvořen na Zemi – a mohl by pomoci vyřešit naši rostoucí energetickou krizi Kvantové počítače dospívají

Pokud jde o aplikace, výzkum se provádí v tak širokých oblastech, jako je biomedicína a elektronika až po ochranu plodin a balení potravin. Schopnost upravit povrchové vlastnosti grafenu by z něj například mohla udělat vynikající materiál pro podávání léků, zatímco vodivost a flexibilita materiálu by mohla být předzvěstí nové generace obvodů dotykové obrazovky nebo skládacích nositelných zařízení.

Skutečnost, že grafen je schopen vytvořit dokonalou bariéru pro kapaliny a plyny, znamená, že jej lze použít také s jinými materiály k filtraci libovolného počtu sloučenin a prvků – včetně helia, což je plyn mimořádně obtížně blokovatelný. To má řadu aplikací, pokud jde o průmysl, ale mohlo by se také ukázat jako velmi užitečné pro environmentální potřeby kolem filtrace vody.

Multifunkční vlastnosti grafenu otevírají dveře obrovskému množství kompozitních použití. I když se hodně uvažovalo o tom, jak může podpořit již existující technologie, neustálý pokrok v této oblasti nakonec povede ke zcela novým oblastem, které by dříve nebyly možné. Mohli bychom vidět vznik zcela nové třídy leteckého inženýrství? A co optické implantáty s rozšířenou realitou? Jak to tak vypadá, zjistíme to ve 21. století.