Co je grafen? Tohle byste měli vědět o materiálu, který by mohl být dalším křemíkem

• Tweet
• Sdílet
• Příspěvek

Grafen, nový materiál, který by mohl změnit způsob výroby elektronických součástek a napomoci dalšímu růstu výpočetního výkonu, je v těchto dnech všude ve světě výzkumu.

Jen tento měsíc pokroky naznačily, že by mohl zvýšit rychlost internetu, sloužit jako nátěr citlivý na dotyk a prodloužit životnost počítačů. Je pevnější než diamant a vede elektřinu a teplo lépe než jakýkoli dosud objevený materiál a v budoucnu bude pravděpodobně hrát důležitou roli v mnoha výrobcích a procesech.

Co je grafen?

Grafen je tvořen jednou vrstvou atomů uhlíku, které jsou spojeny do opakujícího se vzoru šestiúhelníků. Grafen je milionkrát tenčí než papír; tak tenký, že je vlastně považován za dvourozměrný.

Uhlík je neuvěřitelně univerzální prvek. Podle toho, jak jsou jeho atomy uspořádány, může vytvářet tvrdé diamanty nebo měkký grafit. Plochá voštinová struktura grafenu mu propůjčuje mnoho neobvyklých vlastností, včetně statusu nejpevnějšího materiálu na světě. Profesor strojního inženýrství na Kolumbijské univerzitě James Hone kdysi prohlásil, že je „tak pevný, že by bylo zapotřebí slona, balancujícího na tužce, aby prorazil list grafenu o tloušťce saranové fólie“, uvádí univerzita.

Tyto jednotlivé vrstvy atomů uhlíku poskytují základ pro další důležité materiály. Grafit – neboli tužkové olovo – vzniká při skládání grafenu na sebe. Uhlíkové nanotrubičky, které jsou dalším nově vznikajícím materiálem, jsou tvořeny svinutým grafenem. Ty se používají v jízdních kolech, tenisových raketách a dokonce i v živém tkáňovém inženýrství.

Jak byl objeven?

Je pravděpodobné, že jste si grafen v životě mnohokrát vyrobili. Nakreslete tužkou čáru a malé kousky grafenu se odloupnou. Ale až do začátku roku 2000 neměl nikdo nástroje ani zájem spolehlivě izolovat volně stojící grafen.

Grafen byl poprvé teoreticky studován ve 40. letech 20. století. Vědci se tehdy domnívali, že je fyzikálně nemožné, aby existoval dvourozměrný materiál, a proto se izolací grafenu nezabývali. O desítky let později se zájem zvedl a vědci začali vymýšlet techniky, jak grafit odloupnout. Zkoušeli vklínit molekuly mezi vrstvy grafenu a škrábat a třít grafit, ale nikdy se nedostali k jediné vrstvě. Nakonec se jim podařilo izolovat grafen na jiných materiálech, ale ne samostatně.

V roce 2002 se o grafen začal zajímat výzkumník z Manchesterské univerzity Andre Geim a vyzval doktoranda, aby vyleštil kus grafitu na co nejméně vrstev. Studentovi se podařilo dosáhnout 1 000 vrstev, ale Geimova cíle 10 až 100 vrstev nedosáhl. Geim zkusil jiný přístup: pásku. Přiložil ji na grafit a odlepil ji, aby vytvořil vločky vrstveného grafenu. Další odlepování pásky vytvářelo tenčí a tenčí vrstvy, až měl kousek grafenu o tloušťce 10 vrstev.

Geimův tým pracoval na zdokonalování své techniky a nakonec vytvořil jedinou vrstvu atomů uhlíku. Své výsledky publikovali v časopise „Science“ v říjnu 2004. Geim a jeho kolega Kosťa Novoselov získali za svou práci v roce 2010 Nobelovu cenu za fyziku.

Od těchto prvních vloček vyrobených pomocí pásky se výroba grafenu rychle zlepšuje. V roce 2009 se vědcům podařilo vytvořit vrstvu grafenu o průměru 30 palců.

Proč je to neobvyklé?

Práce Geima a Novoselova byla pro ostatní vědce nesmírně zajímavá, protože popisovala zvláštní fyzikální vlastnosti grafenu. Elektrony se v grafenu pohybují neuvěřitelně rychle a začnou se chovat, jako by byly bez hmoty, což napodobuje fyziku, kterou se řídí částice v super malých měřítkách.

„Tento druh interakce uvnitř pevné látky, pokud je někomu známo, je u grafenu jedinečný,“ napsali Geim a další slavný výzkumník grafenu Philip Kim v článku v Scientific American v roce 2008. „Díky tomuto novému materiálu z tužky se relativistická kvantová mechanika už neomezuje jen na kosmologii nebo fyziku vysokých energií; nyní vstoupila do laboratoře.“

Speciální vlastnosti grafenu nekončí u podivné fyziky. Je také:

• Vodivý: Elektrony jsou částice, z nichž se skládá elektřina. Takže když grafen umožňuje rychlý pohyb elektronů, umožňuje rychlý pohyb elektřiny. Je známo, že pohybuje elektrony 200krát rychleji než křemík, protože se pohybují s tak malým přerušením. Je také vynikajícím vodičem tepla. Grafen je vodivý nezávisle na teplotě a funguje normálně při pokojové teplotě.
• Silný: Jak již bylo zmíněno, k proražení listu grafenu by bylo zapotřebí slona s vynikající rovnováhou. Je velmi pevný díky své neporušené struktuře a silným vazbám mezi atomy uhlíku. I když jsou políčka grafenu sešita dohromady, zůstává nejpevnějším materiálem na světě.
• Pružný: Tyto silné vazby mezi atomy uhlíku v grafenu jsou také velmi pružné. Lze je do určité míry kroutit, tahat a ohýbat, aniž by se porušily, což znamená, že grafen je ohýbatelný a roztažitelný.
• Transparentní:

K čemu se dá využít?

Využití grafenu v každodenním životě není daleko, částečně díky stávajícímu výzkumu uhlíkových nanotrubiček – svinuté, válcové verze grafenu. Trubičky byly zpopularizovány článkem z roku 1991 (vyžadováno předplatné) a vychvalovány pro své neuvěřitelné fyzikální vlastnosti, z nichž většina je velmi podobná grafenu. Je však snazší vyrábět velké listy grafenu a lze je vyrábět podobným způsobem jako křemík. Mnoho současných a plánovaných aplikací uhlíkových nanotrubiček se nyní přizpůsobuje grafenu.

Některé z největších nově vznikajících aplikací jsou:

• Solární články: Solární články jsou založeny na polovodičích, které absorbují sluneční světlo. Polovodiče jsou vyrobeny z prvku, jako je křemík, a mají dvě vrstvy elektronů. V jedné vrstvě jsou elektrony klidné a zůstávají u polovodiče. Ve druhé vrstvě se elektrony mohou volně pohybovat a vytvářet tok elektřiny. Solární články fungují tak, že přenášejí energii ze světelných částic na klidné elektrony, které se vyburcují a přeskočí do volně proudící vrstvy, čímž vytvoří další elektřinu. Vrstvy elektronů grafenu se ve skutečnosti překrývají, což znamená, že k přeskoku elektronů mezi vrstvami je zapotřebí méně světelné energie. Tato vlastnost by v budoucnu mohla vést ke vzniku velmi účinných solárních článků. Použití grafenu by také umožnilo výrobu článků, které by byly stotisíckrát tenčí a lehčí než ty, které se spoléhají na křemík.

  

• Tranzistory: Počítačové čipy se spoléhají na miliardy tranzistorů, které řídí tok elektřiny v jejich obvodech. Výzkum se většinou zaměřuje na zvýšení výkonu čipů osazením většího počtu tranzistorů a grafen by jistě mohl dát vzniknout dosud nejtenčím tranzistorům. Tranzistory však mohou být výkonnější také díky zrychlení toku elektronů – částic, které tvoří elektřinu. Vzhledem k tomu, že se věda blíží k hranici toho, jak malé tranzistory mohou být, grafen by mohl tuto hranici posunout zpět jak rychlejším pohybem elektronů, tak zmenšením jejich velikosti na několik atomů nebo méně.
• Transparentní obrazovky: Zařízení, jako jsou plazmové televizory a telefony, se běžně pokrývají materiálem zvaným oxid india a cínu. Výrobci aktivně hledají alternativy, které by mohly snížit náklady a zajistit lepší vodivost, pružnost a průhlednost. Jednou z nových možností je grafen. Neodráží světlo a je velmi průhledný. Jeho vodivost ho také kvalifikuje jako povlak pro vytváření zařízení s dotykovou obrazovkou. Protože je grafen pevný a zároveň tenký, může se ohýbat, aniž by se zlomil, což z něj činí vhodnou součást ohýbatelné elektroniky, která se brzy dostane na trh.

Grafen by také mohl mít využití pro senzory fotoaparátů, sekvenování DNA, snímání plynů, zpevňování materiálů, odsolování vody a další.

Jaké jsou kritické připomínky?

Grafen je ve srovnání s rozvinutými materiály, jako je křemík a ITO, stále v dětském stadiu. Aby se mohl široce prosadit, bude třeba, aby se dal vyrábět ve velkých množstvích s náklady stejnými nebo nižšími než u stávajících materiálů. Nově se rozvíjející techniky výroby typu roll-to-roll, vapor deposit a další naznačují, že je to možné, ale ještě nejsou připraveny na to, aby se grafen dostal na všechny obrazovky mobilních zařízení. Výzkumníci budou muset také nadále pracovat na zlepšení průhlednosti a vodivosti grafenu v jeho komerční podobě.

Ačkoli je grafen příslibem pro tranzistory, má jeden zásadní problém: nedokáže „vypnout“ tok elektřiny jako materiály, jako je křemík, což znamená, že elektřina bude proudit neustále. To znamená, že grafen nemůže sám o sobě sloužit jako tranzistor. Vědci nyní zkoumají způsoby, jak jej upravit a kombinovat s jinými materiály, aby toto omezení překonali. Jedna z technik zahrnuje umístění vrstvy nitridu boru – dalšího materiálu o tloušťce jednoho atomu – mezi dvě vrstvy grafenu. Výsledný tranzistor lze zapínat a vypínat, ale rychlost elektronů je poněkud zpomalena. Další technika spočívá v zavádění nečistot do grafenu.

Grafén se také může objevit příliš pozdě pro mnoho svých možných aplikací. Baterie pro elektromobily a uhlíková vlákna by se mohly vyrábět z grafenu, ale ty už se spoléhají na aktivní uhlí, respektive grafit – dva velmi levné materiály. Grafen zatím zůstane dražší a možná nikdy nebude dostatečně levný na to, aby přesvědčil výrobce k přechodu.

Svět teprve deset let zkoumá, co všechno se dá s grafenem dělat. Naproti tomu křemík je na světě již téměř 200 let. Při tempu, jakým výzkum postupuje, bychom mohli velmi brzy vědět, zda se grafen stane všudypřítomným, nebo jen dalším krokem v objevování dalšího zázračného materiálu.

.