Magický grafen, který neopustí laboratoř

Grafen je materiál s úžasnými vlastnostmi a obtížností těžby. Protože byl poprvé získán v britské laboratoři v roce 2004 lidmi z Ruska, nebylo možné rozšířit výrobu. Svět produkuje buď nepatrná množství vysoce kvalitního grafenu, nebo průmyslová množství nízké kvality s nuancemi, které částečně vypařují kouzlo materiálu budoucnosti.

Proč je tak těžké získat čistý grafen? Jaké technologie existují pro extrakci grafenu? Kde už jsou experimenty prokazující jeho úžasné vlastnosti? A proč tyto magické vlastnosti vzrušují vědce natolik, že nevzdávají pokusy o jejich komercializaci?

Vlastnosti jakéhokoli materiálu závisí nejen na tom, jaké chemické prvky jsou přítomny v jeho složení. Důležité je také prostorové uspořádání atomů. Diamant a grafit se skládají ze stejných atomů uhlíku, ale první se používá k řezání kamene a betonu, zatímco druhý se používá jako tuha. Tvrdost diamantu je způsobena hustou čtyřstěnnou strukturou atomů. Na atomární úrovni je grafit tvořen pláty různých rovin, ve kterých atomy tvoří šestiúhelníky.

Grafen je dvourozměrný. Má délku a šířku, ale žádnou hloubku. Je to rovina atomů uhlíku, které tvoří krystalovou mřížku. A právě tato úprava zajišťuje jeho mechanickou pružnost, optickou průhlednost, vysokou tepelnou vodivost a mobilitu elektronů. Tato ultratenká látka je schopná vést elektřinu a v budoucnu by mohla být použita jako náhrada křemíku v nanoelektronice.

Například super beton

Široké spektrum možných aplikací grafenu dokazuje studie vědců z UK Graphene Research Center na University of Exeter. V roce 2018 skupina výzkumníků vyrobila beton mnohem pevnější než tradiční beton přidáním grafenu. Výsledný kompozitní materiál byl o 146 % pevnější v tlaku a měl o 88 % vyšší tepelnou kapacitu.

Vědci v laboratoři pomocí vysokorychlostního stroje oddělili vrstvy grafenu od částic grafitu. Ze získaného grafenu a kapaliny byla vyrobena suspenze. Aby se zabránilo slepování grafenu do velkých shluků, byla do této suspenze přidána povrchově aktivní látka.

Tato grafenová suspenze byla smíchána s nejpoužívanějším portlandským cementem, pískem a kamenivem. Výsledný beton byl nalit do kostek o stranách 10 centimetrů a poté udržován ve vodě. Ve srovnání s kontrolními betonovými kostkami, které místo grafenové suspenze používaly vodu, měly průlomové kostky vyrobené v laboratoři řadu zajímavých a slibných vlastností.

Za prvé, Youngův modul – schopnost odolávat natažení a stlačení během elastické deformace – vzrostl o 80,5 % a pevnost v tlaku dosáhla již avizovaných 146 %. Vodopropustnost kostek grafenového betonu se několikanásobně snížila, tepelná kapacita naopak vzrostla o 88 %. Všechny tyto parametry se měnily v závislosti na koncentraci grafenu v počáteční suspenzi.

Vzhledem k tomu, jak převládá beton v moderní výstavbě budov, slibuje zlepšení vlastností kompozitního materiálu velké výhody. Ano, už jsme si řekli, že získat čistý grafen je extrémně obtížné. Ale i ve své „špinavé“ podobě může být užitečné pro beton.

Grafen lze také použít jako senzorovou vrstvu pro dotykové obrazovky díky své vysoké elektrické vodivosti a průhlednosti. Ultratenké filmy z oxidu india a cínu se široce používají pro dotykové obrazovky smartphonů, skleněné dveře mrazničky a dokonce i okna kokpitu Airbusu. Pokud se nezlepší účinnost využití india nebo stupeň jeho recyklace, zásoby tohoto vzácného kovu mohou být v příštích desetiletích vyčerpány.

A grafen by mohl převzít štafetu a zachránit svět, když ne před zmizením dotykových displejů, tak před znatelným zdražením smartphonů, protože jiné alternativy k oxidu india a cínu nejsou levné.

A to vše je jen malá část toho, kde se vědci snaží magické vlastnosti grafenu uplatnit. Experimentujte s barvou na vlasy, která zůstane na místě po 30 umytích. Velké naděje ve sluneční energii díky lepší schopnosti zachycovat fotony. Zpevnění struktury asfaltu grafenovými přísadami k vyřešení jednoho z věčných problémů Ruska. Materiál se používá v bateriích, vzduchových filtrech a odsolovacích zařízeních, superkondenzátorech, neprůstřelných vesty a civilních oděvech.

Ale to všechno jsou experimenty na extrémně malých objemech nebo se špinavým grafenem, očekáváními a přáními. Je příjemné číst úvahy vědců, že sci-fi se brzy stane realitou a metr čtvereční grafenu bude vážit tolik jako vousek čtyřkilogramové kočky spočívající na takové grafenové houpací síti. Svět budoucnosti, který chce používat grafen, stojí před nelehkým úkolem vyrobit jej v průmyslovém měřítku, v čisté formě a za rozumnou cenu.

Grafenové nanotrubičky?

Dalším slibným směrem jsou uhlíkové nanotrubice. Jedná se o jednostěnné trubice, které jsou vytvořeny z plátu grafenu svinutého do válce. V takové struktuře vykazují elektrony neobvyklý pohyb, přeskakují z místa na místo a zanechávají kladně nabité díry. Ale vodivost takové nanotrubice se dá regulovat. A protože proud je usměrněný pohyb elektronů, pak lze na bázi nanotrubice získat vysoce citlivý senzor nebo fotodetektor, který převede optický signál na usměrněný pohyb elektronů – elektrický signál.

Za tímto účelem byli ruští vědci z National Research University MIET pomocí femtosekundového laseru (laser s ultrakrátkými pulzy) schopni upravit strukturu grafenové nanotrubice tak, že jedna její část má téměř kovové vlastnosti a druhá má vlastnosti polovodiče. Vodivost této druhé části nanotrubice závisí na světle. Když do něj narazí, elektrony z kovové části se vrhnou na druhý konec a vytvoří elektrický impuls.

Tento fotodetektor vykazuje vysokou citlivost a rychlost odezvy. A vývojáři technologie věří, že by mohla najít uplatnění v nanoelektrických optoelektronických zařízeních, kamerách s vysokým rozlišením a kvantových počítačích.

Uhlíkové nanotrubice se již vyrábějí. Někdy je možné v laboratoři vypěstovat celý les dosahující rekordní výšky 14 centimetrů na substrátu, na který se ukládá uhlík z plynné fáze. V Rusku společnost „Oxial“ vyrábí uhlíkové nanotrubice v obrovském množství a úspěšně s nimi obchoduje. Ale podle Konstantina Novoselova, jednoho z objevitelů grafenu, to není úplně ten správný materiál. Přesněji řečeno, vůbec ne totéž. Úžasné vlastnosti grafenu poskytuje jeho dvourozměrná struktura. Uhlíkové nanotrubice jsou v průmyslovém měřítku množstvím poněkud neuspořádaných fragmentů nanotrubiček. Nemají stejnou pevnost v tahu jako jednotlivé nanotrubice, ale mají praktické využití: používají se k výrobě komponentů jízdních kol a silnější nanoepoxidové pryskyřice.

Obtížné, drahé, malé

Není to tak, že by metody výroby grafenu nepokročily od doby, kdy jej Andre Geim a Konstantin Novoselov poprvé sloupli z grafitu pomocí jednoduché lepicí pásky. Cesta z laboratoře ke skutečné a efektivní technologii se ale ukazuje jako dlouhá.

Získání grafenu doma je téměř jednodušší než výroba velkoplošné grafenové desky v laboratoři. Sem tam se těží pro studium, ale pro skutečnou revoluci je potřeba automatizovaná produkce několika kilogramů za den nebo tun za rok.

Na univerzitách se například grafen extrahuje z grafitu pomocí kyseliny sírové nebo dusičné. Oxidační proces způsobuje, že se mezi grafenovými listy v grafitu objevují atomy kyslíku. Vrstvy se štěpí a v kyselině vzniká oxid grafenu. Po filtraci zůstanou lehké vločky oxidu grafenu. Kyslík z nich musí být odstraněn pomocí extrémně toxického hydrazinu.

Dalším způsobem je použití metanu. Při vysokých teplotách (kolem 1000 stupňů Celsia) reaguje metan s mědí za vzniku grafenu. Tento proces se nazývá chemická depozice par. Malá plocha grafenu, jejíž kvalita ponechává mnoho přání, trvá dlouho. Tato metoda se zdokonaluje přidáváním nečistot do plynu, což snižuje výrobní teploty a zlepšuje kvalitu grafenu. Niklová fólie se také používá jako katalyzátor.

Mimochodem, nezapomíná se ani na sekvenční odlepování grafitu a grafenu pomocí lepicí pásky. Byly vyvinuty pásky, které se snadněji rozpouštějí ve vodě. Automatizovat tuto ruční práci je ale téměř nemožné.

Chemici z Rice University letos představili technologii výroby grafenu z vyřazených pneumatik automobilů. Recyklace pneumatik je samostatný a vážný problém, takže jejich využití k získání grafenu vypadá slibně.

Chemici navrhli spalování pneumatik pomocí silných krátkých (až sekundových) elektrických výbojů. Vlivem výboje se mění v turbostratický grafen s velkým počtem defektů.

Tento grafen byl testován po přidání do portlandského cementu v množství od pouhých 0,1 do 0,5 hmotnostních procent. Po sedmi dnech zrání beton vykazoval pevnost v tlaku o 30 % vyšší než tradiční beton.

Ve vědecké literatuře lze najít tisíc a jeden další způsob, jak získat grafen (například pomocí 10 000 litrové kádě, mixéru a grafitu s výkonem grafenu až několik set gramů za hodinu). Všechny tyto metody však mají několik společných faktorů: složitost, energetickou náročnost, nízkou výtěžnost a nestabilní kvalitu grafenu.

Elektronické vlastnosti grafenu jsou extrémně citlivé na vady materiálu. Objevení se dalších atomů ve struktuře grafenu vede k prudké a nečekané změně jeho vlastností. Aby se grafen stal magnetickým, stačí pouze jeden atom vodíku. A oxidace uhlíkových vazeb v materiálu ho činí zranitelným vůči životnímu prostředí.

Některé analytické metody vyžadují zničení části grafenu, což je naprosto nepřijatelné vzhledem k tomu, jak je obtížné jej získat. Jiné metody vyžadují drahé vybavení a speciálně vyškolené specialisty. A optické mikroskopy ne vždy stačí. K získání úplného obrazu grafenu je potřeba elektronová mikroskopie.

Je 17 let hodně nebo málo? Od objevu grafenu o něm byly napsány desítky tisíc vědeckých článků, jak z teoretického hlediska, tak i na základě praktických prací a experimentů. Zvenčí se může zdát, že toto odvětví nikdy nebude moci opustit laboratoř. Do grafenu se ale vkládá příliš mnoho nadějí. A člověk, který to může dát světu, bude stát ve stejných řadách jako Haber a Bosch, kteří přišli na to, jak syntetizovat čpavek v průmyslovém měřítku.

Náš telegramový kanál. Připoj se k nám!

Je k tomu co říct? Napište našemu telegramovému robotovi. Je to anonymní a rychlé

Reprodukce textu a fotografií z Onliner bez svolení redakce je zakázána. [email protected]