Pokud vás zajímá, jaké materiály by mohly v budoucnu hrát klíčovou roli v medicíně nebo při konstrukci elektronických přístrojů, nenechte si ujít Science Café o uhlíkatých materiálech, které se uskuteční 1. 11. 2011 v HUB Prague (Drtinova 10, Praha 5) od 19:30. Vystoupí na něm dva špičkoví čeští vědci – Martin Kalbáč a Otakar Frank z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, kteří budou mimo jiné přímo na místě demonstrovat přípravu grafenu. Následující rozhovor je krátkým představením těchto unikátních materiálů a pozvánkou na diskusi, která bude součástí Science Café.
O grafenu a fullerenech se mluví jako o materiálech se zázračnými vlastnostmi, v čem spočívá jejich výjimečnost?
Martin Kalbáč: Unikátnost těchto materiálů spočívá zejména v jejich rozměrech. Uhlíkové nanotrubičky mají průměr řádově několik nanometrů, avšak jejich délka může dosahovat až několik centimetrů. Tyto materiály mají tak v sobě kousek nanosvěta i kousek makrosvěta. Důsledkem jsou pak překvapivé vlastnosti. Příkladem mohou být právě uhlíkové nanotrubičky. Přestože jsou tvořeny pouze atomy uhlíku, mají v závislosti na průměru a směru sbalení různou barvu. Představte si, že byste srolovali list papíru a v závislosti na průměru by se měnila barva role.
Otakar Frank: Unikátnost a nejzajímavější vlastnosti grafenu vychází mimo jiné z perfektní symetrie v podstatě do nekonečna vedle sebe uspořádaných atomů uhlíku ve tvaru šestiúhelníku, tj. podobně jako včelí plástev. Z těch nejvýznamnějších unikátních vlastností můžeme jmenovat například tepelnou vodivost, ve které je grafen světovým rekordmanem, více než 2x vyšší v porovnání s druhým v pořadí diamantem nebo více než desetkrát vyšší než stříbro či měď. Dále je to nejpevnější materiál, který existuje. Jeho pevnost v tahu je například zhruba 50x vyšší než u kevlaru nebo speciálních ocelí a několik setkrát vyšší než u bežné oceli. A speciální kapitolou jsou elektronické vlastnosti. Například extrémně vysoká pohyblivost nosičů náboje i při pokojové teplotě nebo jejich hustota. V podstatě se jedná o perfektní vodič.
Jak by mohlo vypadat využití těchto materiálů v praxi?
Martin Kalbáč: Již nyní se objevují zprávy o prvních výrobcích z grafenu. Jedná se například o průhledné elektrody pro použití v dotykových obrazovkách. Kromě toho existují velmi sofistikované aplikace, které mohou od základu změnit elektronické přístroje. V poslední době se ukázalo, že grafen může být použit při konstrukci nových typů tranzistorů. Tyto tranzistory by fungovaly na zcela jiném principu než současné křemíkové tranzistory. Jeich obrovskou výhodou je až tisíckát nižší spotřeba elektrické energie než v případě tranzistorů klasické konstrukce. Proto se někdy také nazývají „zelené tranzistory“.
Jakým způsobem lze fullereny a grafen získat? Jde o složitý proces?
Otakar Frank: Fullereny se vyskytují v horninách, například v běžných sazích, ale zdaleka ne v takovém množství, aby byly těžitelné. Takže jsou získávány výhradně v laboratoři. Naopak grafenu je v podstatě v zemské kůře spoustu. Grafit, tedy tuha, je poskládán z jednotlivých lístků grafenu. Grafit v zemské kůře vzniká poměrně jednoduše, buď vysrážením z plynné fáze při vysoké teplotě, nebo pozvolnější přeměnou organické hmoty, tzv. proces grafitizace. V laboratoři se pak pro získávání grafenu buď používá přírodní grafit, který je nějakým způsobem v roztoku roztrhán na šupinky s různým počtem vrstev grafenu. Tato metoda není příliš čistá a například pro elektroniku není zatím použitelná. Druhou možností přípravy grafenu ve velkém je napodobení přírody. Jedná se o katalytickou depozici par, konkrétně se například nechá vysrážet metan na měděném plechu při tisíci stupních Celsia. Takto vzniká celkem kvalitní monovrstva, která v elektronice najít uplatnění může.
Martin Kalbáč: V případě grafenu si myslím, že pokrok jde až neuvěřitelně rychle kupředu. Grafen byl poprvé vědomě připraven v roce 2004. Nicméně už v roce 2010 byl publikován postup jeho přípravy ve velkém pomocí depozice chemických par. Samozřejmě tento postup je potřeba dále vylepšovat, nicméně pro některá použití je tato metoda již dnes dostačující.
Vy osobně patříte mezi úspěšné vědce, kteří se výzkumu uhlíkatých materiálů věnují. Čím konkrétně se ve vašem výzkumu zabýváte?
Martin Kalbáč: Máme štěstí, že můžeme spolupracovat s předními světovými vědci, jež se zabývají uhlíkovými nanomateriály. Například již několik let pracujeme na společném projektu se skupinou Prof. Dresselhausové z MIT. Naše spolupráce vyústila v řadu publikací objasňujích chovaní uhlíkových nanotrubiček a grafenu při elektrickém nabíjení. Tento výzkum je důležitý zejména pro elektronické aplikace těchto materiálů.
Otakar Frank: Kromě elektrického nabíjení v současné době také nově zkoumáme vliv mechanického namáhání těchto materiálů na jejich elektronovou strukturu. Na tomto tématu aktivně spolupracujeme s profesory Novoselovem a Geimem, kteří právě za přípravu grafenu obdrželi v loňském roce Nobelovu cenu. Jako konkrétní příklad jednoho z našich cílů můžeme uvést snahu přípravit z grafenu polovodič. Ale k tomu musíme ještě urazit kus cesty. Musíme uvědomit, že grafen je velmi „mladý“ materiál, respektive byl teprve velmi nedávno fyzicky připraven. Takže jsme z části stále ještě ve fázi základního výzkumu, protože grafen otevřel úplně nové horizonty ve fyzice, o kterých se až donedávna soudilo, že za laboratorních podmínek nemohou existovat. Zároveň je už ale věnováno velké úsilí potenciálním aplikacím. I my se samozřejmě v rámci možností snažíme orientovat náš základní výzkum směrem k možnému využití v praxi.
Martin Kalbáč: Nanotechnologie je na počátku svého rozvoje a důležité objevy nás pravděpodobně ještě čekají. Nechme se překvapit a doufejme, že budeme u toho.
