Zázračný materiál 21. století

Struktura grafenu se dá odvodit od známějšího materiálu grafitu neboli tuhy, kterou dobře známe z hrotu tužky. Tuto strukturu máme znázorněnou na obrázku. Vidíme, že se skládá z jednotlivých vrstev, které tvoří atomy uhlíku uspořádané do pravidelných šestiúhelníků. Tyto vrstvy jsou k sobě poutány slabými vazebnými interakcemi – van der Waalsovými silami. To, že jsou tyto vazby opravdu slabé, dokazuje fakt, že tužka píše. Když tužku otřeme o papír, porušíme tyto slabé vazby a na papír se odloupne slabá grafitová vrstva. Pokud by se nám tímto způsobem podařilo odloupnout pouze jednu vrstvu grafitu, získáme grafen.

Obr. 1: Srovnání struktury grafitu a grafenu

Grafen je tedy rovinná síť tvořená z atomů uhlíku, které jsou uspořádány do vrcholů pravidelných šestiúhelníků. Z každého atomu uhlíku vychází tři jednoduché vazby σ, které jsou velmi pevné, a jedna vazba π. Atomy uhlíku mají hybridizaci sp² a jsou od sebe vzdáleny 1,42 Å.

Za objevem grafenu stojí André Geim a Konstantin Novoselov, kterým se v roce 2004 na Manchesterské univerzitě podařilo poprvé získat grafen. Jak to udělali? Pomocí metody, které se říká exfoliace. Vzali lepicí pásku a přitiskli na ní krystalek grafitu. Poté pásku opatrně oddělili a získali na ní tenkou grafitovou vrstvu. Následným opakovaným odlepováním a přilepováním pásky dostávali tenčí a tenčí vrstvy grafitu. Tuto vrstvu pak z lepicí pásky přitiskli na první podklad, který jim přišel pod ruku. Byla to křemíková destička, na které byla vrstvička oxidu křemičitého. Na ni se pak podívali pod mikroskopem a měli štěstí, protože mezi různě silnými vrstvami grafitu objevili jednoatomovou vrstvu grafenu.

Historie grafenu však začíná dříve než jeho vlastní přípravou v roce 2004. Například v 60. letech dvacátého století se jednomu expertovi na elektronovou mikroskopii podařilo získat, pomocí mikromechanické exfoliace, grafitovou vrstvu tenkou pouze 5 nm, což by odpovídalo asi 15 vrstvám grafenu. Vědci tedy věděli, že tato jednoatomová vrstva existuje, ale mysleli si, že není termicky stálá. Používali ji pouze pro výpočty a popis složitějších uhlíkatých struktur, např. fullerenů nebo nanotrubiček. Tento historický výčet ukončíme v roce 2010, kdy André Geim a Konstantin Novoselov dostali Nobelovu cenu za fyziku „Za průkopnické experimenty týkající se dvourozměrného materiálu grafenu“. Na fotografii níže vidíte předměty, které věnovali Nobelovu muzeu ve Stockholmu (grafit, lepicí páska a grafenový kondenzátor).

Obr. 2: Grafit, lepící páska a grafenový kondenzátor

A proč je grafen tak výjimečný? To kvůli kombinaci jeho jedinečných vlastností, díky kterým si vysloužil přezdívku „zázračný“ materiál. Ačkoli je grafen lehký a tenký (jedná se o nejtenčí známý materiál), vykazuje unikátní tuhost a extrémní mechanickou pevnost. Plátek grafenu je stokrát pevnější než stejně široký plátek té nejpevnější oceli, zároveň je však velmi pružný. Elektrony se v grafenu pohybují se téměř rychlostí světla. Díky tomu je grafen výborný tepelný i elektrický vodič, a to dokonce lepší než kovy. Teplo vede šedesátkrát lépe než železo a desetkrát lépe než měď. Další jeho mimořádnou vlastností je, že dokáže vydržet extrémně vysoké elektrické proudy, a to asi milionkrát vyšší než měď. Grafen výborně propouští světlo. Absorbuje pouze 2,3 % dopadajícího světla a jeví se nám proto téměř neviditelný. Zároveň je nepropustný pro všechny plyny. Všechny tyto vlastnosti dělají grafen unikátním materiálem. Pro přiblížení některých těchto vlastností lze uvést jeden příklad. Představte si, že máme grafenovou síť o velikosti jeden metr čtvereční. Tu bychom pověsili mezi dva stromy jako houpací síť. Nosnost sítě by byla asi 4 kg, takže by se v ní mohla pohoupat třeba kočka. Zároveň by tato síť vážila méně než jeden miligram, což je hmotnost, která odpovídá jednomu kočičímu vousku.

Mechanická exfoliace je metoda, kterou byl grafen poprvé objeven. Je založená na mechanickém odlupování jednotlivých vrstev. Tímto způsobem můžeme vyrobit velmi kvalitní grafen a v některých výzkumných laboratořích se tato metoda používá dodnes. Její nevýhodou je, že získáme směs různě silných grafitových vrstev a musíme mezi nimi grafen najít. Druhou nevýhodou je, že můžeme vyrobit pouze malý kousek tohoto materiálu, který ještě s největší pravděpodobností bude popraskaný. Jihokorejským vědcům se podařilo vyrobit grafenovou folii o úhlopříčce 76 cm. Jedná se o světový rekord a metoda, kterou na tuto výrobu použili, se nazývá chemická depozice z plynné fáze (CVD). Principem je usazování tenké uhlíkové vrstvy na měděné podložce za vysokých teplot. Tyto dvě metody však nejsou jedinou možností, jak grafen vyrobit. V dnešní době existuje asi 200 různých způsobů přípravy, pomocí kterých můžeme vyrobit grafen různé kvality a velikosti. Liší se také náklady na tuto výrobu.

Kompozitní materiály, automobilový a letecký průmysl, výroba satelitů a kosmických zařízení, transparentní elektrody, dotykové obrazovky, solární články, vodiče a polovodiče, tranzistory, kondenzátory, citlivé senzory, fotodetektory, obalový materiál, grafenové LED diody, vodivé inkousty nebo například materiál pro uskladnění vodíku. Tady všude se dá grafen, díky svým unikátním vlastnostem, teoreticky využít. Teoreticky proto, že spousta z nich doposud nebyla realizována. Vědci sice ví, že by grafen v budoucnu mohl nahradit některé nynější materiály, ale budeme si na to muset ještě počkat. Předpokládá se, že tyto aplikace budou zavedeny do výroby po roce 2020 nebo 2025.

Grafen by například mohl nahradit transparentní elektrody z běžně používaného ITO (oxidy india a cínu) v dotykových obrazovkách a fotovoltaických článcích. Prvním důvodem by mohly být náklady na výrobu těchto oxidů. Dalším důvodem je, že grafen je mnohem ohebnější, pevnější a mechanicky odolnější. Pokud bychom chtěli ohnout náš mobilní telefon, obrazovka by nejspíše praskla. Naproti tomu obrazovky, které by obsahovaly grafen, bychom mohli klidně ohýbat. Představte si například mobilní telefon, který má všechny funkce dnešního mobilu a navíc si ho po dotelefonování můžeme nasadit na ruku místo hodinek. Pokud byste si chtěli tento telefon koupit, tak klidně můžete, protože jedna firma v Číně minulý rok uvedla na trh 30 000 těchto mobilních telefonů, které obsahují grafen v dotykových obrazovkách. To, že firma tyto výrobky uvedla na trh, je však spíše prestižní záležitostí a marketingový tah. Sice se může pyšnit, že vyrábí obrazovky z grafenu, ale finančně se jí to vůbec nevyplatí. Náklady na výrobu těchto zařízení jsou totiž mnohem vyšší než jejich prodejní cena.

Obr. 3: Využití grafenu - ohebné dotykové obrazovky

Využití grafenu však nespočívá pouze v elektronice. Jeho výjimečných vlastností si všimla i jedna sportovní firma, která ho začala používat při výrobě tenisových raket. Tenisové rakety, které obsahují ve svém jádru grafen, jsou díky tomu lehčí, pevnější a pružnější. Celkově se s těmito raketami lépe manévruje a mají větší energii úderu. To, že jsou tyto rakety unikátní, dokazuje fakt, že s nimi hraje i první muž světového tenisového žebříčku Novak Đoković.

Objev grafenu vyvolal velkou vlnu zájmu vědců o tyto struktury. Dnes už víme, že grafen není jediným dvourozměrným materiálem. Rodina těchto 2D krystalů je mnohem větší a neomezuje se pouze na uhlíkaté struktury. Jako příklad těchto materiálů si můžeme uvést BN (nitrid bóru) nebo MoS₂ (disulfid molybdenu nebo molybdenit). Tyto látky mají velký potenciál a někdy se zdá, že dokonce větší než samotný grafen. Zjistilo se, že kombinací těchto krystalů a grafenu se dá dosáhnout ještě výhodnějších vlastností. Zjistila to i skupina vědců, která kombinací polovodiče MoS₂ a výborného vodiče grafenu vyrobila převratnou flash paměť. Její výhodou je především to, že může být opravdu miniaturní.

Největším producentem grafenu je Asie, konkrétně Čína. Čína vlastní i nejvíce patentů týkajících se grafenu, a to asi 45 %. Zajímavé je, že většinu těchto patentů má pouze v rámci své země. Pouze asi jedno procento jsou patenty mezinárodní. Na druhém místě ve výrobě grafenu je pak Amerika. Za poslední roky výroba tohoto materiálu velmi vzrostla. Tyto údaje jsou shrnuty v následujícím grafu.

Obr. 4: Světová produkce grafenu v roce 2012 a 2015

Nejmenší modrý šestiúhelník představuje zisk za prodej grafenu v roce 2013, který byl asi 300 milionů korun. Předpokládá se, že do roku 2025 se prodá grafen za více než 8,5 miliardy korun. Naproti tomu celkové náklady na výzkum tohoto materiálu činí do letošního roku 60 miliard korun. Nabízí se proto otázka, zda se tyto obrovské náklady na výzkum vyplatí a jestli grafen opravdu je a bude „zázračným“ materiálem 21. století?

Obr. 5:. Bude grafen zázračným materiálem 21. století?

Literatura

1. GEIM, Andre K. a NOVOSELOV, Konstantin S. The rise of graphene. Nature materials, 2007, 6(3): 183-191.

2. NOVOSELOV, K. S. Nobel lecture: Graphene: Materials in the flatland. Reviews of Modern Physics, 2011, 83(3): 837.

3. Převratná flash paměť kombinuje grafen s molybdenitem. MIHULKA, Stanislav. www.osel.cz. [online]. ©2013 [cit. 2015-11-12]. Dostupné z: http://www.osel.cz/6797-prevratna-flash-pamet-kombinuje-grafen-s-molybdenitem.html

4. SVOBODOVÁ, Petra, 2012: Materiály blízké i vzdálenější budoucnosti – nanotechnologie a nanomateriály. Bakalářská práce, PdF MU, Brno, 118 pp.

5. JELÍNEK, Petr, 2014: Příprava a vlastnosti grafénu. Diplomová práce, PřF MU, Brno, 95 pp.

6. FRANK, Otakar a KALBÁČ, Martin. Levitující žába, křeček spoluautor, gekonovy tlatky… a grafen. Vesmír. 2011,90(4): 209-211.

7. HÁJKOVÁ, Zděnka a FEJFAR, Antonín. Grafen – zázračný materiál 21. století. Časopis pro výuku přírodovědných předmětů na základních a středních školách. 2014, 23(4): 171-175.

8. NOVOSELOV, Konstantin S., et al. Plán pro grafen. Příroda. 2012, 490(7419): 192-200.