Supermateriál budúcnosti. Aj takto je označovaný materiál tenší ako pavučina, vodivejší ako meď, pevnejší ako oceľ, pružnejší ako guma a tvrdší ako diamant, ktorý má v priebehu nasledujúcich desaťročí opustiť laboratóriá a spôsobiť revolúciu v priemysle. Možnosti jeho využitia sú neobmedzené, či už v oblasti IT, elektroniky, elektrotechniky, strojárstva, medicíny, automobilového a vojenského priemyslu alebo v množstve iných odvetví. Európska komisia preto vyčlenila na jeho ďalší výskum miliardu eur.



Keď zoberieme do rúk ceruzku a urobíme čiaru, priblížime sa doslova na dotyk ku grafénu, čiže jednoatómovej vrstve uhlíka. Grafén je najtenším materiálom, ktorý človek doposiaľ vyrobil. Je taký tenký, že pláty tohto materiálu sú naskladané do formy grafitu s medziplošným odstupom 0,335 nm, čo znamená, že ak by sme 3 milióny takýchto plátov naukladali na seba, bude mať vrstvu hrubú približne iba 1 mm. Jeho potenciál sa uplatní všade tam, kde treba niečo stláčať, ohýbať či len zmenšovať a pri rôznych iných činnostiach.

Skryté vlastnosti sa objavujú iba náhodou

Rovnako tomu tak bolo aj v prípade grafénu. Ako prvý zaviedol tento pojem nemecký chemik Hanns–Peter Boehm a je odvodený od graf (základ slova grafit) a én (koncovka aromatických uhľovodíkov). Grafén bol objavený v roku 2004 skupinou ruských výskumníkov vedenou Andrem Geimom a Konstantinom Novoselovom na univerzite v Manchestri.

Andre Geim a Konstantin Novoselov

Je to planárny (rovinný/dvojrozmerný) materiál vytvorený výlučne len z uhlíkových atómov usporiadaných do pravidelnej šesťuholníkovej štruktúry podobne ako včelí plást. Má hrúbku len jednej atomárnej vrstvy (0,335 nm) tvorenej atómami uhlíka v hybridnom stave a je chemicky stabilný za bežných podmienok aj na vzduchu. Dĺžka väzieb medzi jednotlivými atómami je 0,142 nm. Je základnou štruktúrou grafitu, fullerénov (sférických molekúl vytvorených z uhlíkových atómov s vysokou symetriou) a uhlíkových nanorúrok (alotropická modifikácia uhlíka). Veľa grafénových vrstiev usporiadaných na sebe podľa istého vzoru vytvorí kryštál grafitu. Tento materiál vedci používajú ako model pre výpočet a určenie vlastností grafitu už niekoľko desaťročí. Nikto však nepredpokladal, že by vrstva s hrúbkou jedného atómu bola aj skutočne stabilná. Preto samotný objav grafénu vyvolal značný ohlas vo vedeckej komunite. Do istej miery prispel k tomu aj kuriózny spôsob, akým boli pripravované prvé vzorky.

Išlo o metódu mechanického odlupovania vrstiev z kryštálu grafitu, k čomu stačila lepiaca páska, podložka pre vzorku a veľa trpezlivosti.

V súčasnosti je jednou z najpoužívanejších metód prípravy grafénu metóda chemickej depozície z pár. Plyn, ktorý obsahuje uhlík (napr. metán), sa pri vysokých teplotách rozkladá pri dotyku s niektorými kovmi, ktoré pôsobia ako katalyzátor (napr. meď) a voľné uhlíkové atómy sa usporiadajú na povrchu kovu do šesťuholníkovej grafénovej mriežky. Potom stačí meď rozpustiť a výsledkom je grafénová jednoatomárna vrstva, ktorá sa dá umiestniť na ľubovoľnú podložku podľa potreby. Na graféne boli namerané mnohé „exotické“ fyzikálne javy ako napr. Kleinov paradox (popisuje bizarné správanie rýchlo sa pohybujúcich elektrónov), existencia nehmotných relativistických častíc s veľkou pohyblivosťou, kvantový Hallov jav (popisuje vznik potenciálového rozdielu na elektródach polovodičovej doštičky) pri izbovej teplote a iné.

Výskumy elektrických transportných charakteristík grafénu odhalili jeho obrovský potenciál pre elektroniku. Pracovná frekvencia tranzistorov vyrobených z grafénu je v gigahertzovej oblasti a v blízkej budúcnosti môže prekonať aj rýchlosť najmodernejších počítačov. Dôležité aplikácie grafénu sa predpokladajú pri chemických senzoroch, ktoré využívajú extrémne citlivé zmeny vodivosti pri pôsobení rozličných chemických adsorbentov (nerozpustné látky povrchovo pohlcujúce plyny alebo kvapaliny). Unikátna kombinácia vysokej optickej priehľadnosti a veľkej jednosmernej vodivosti grafénových vrstiev sa môže využiť v celom rade optoelektronických súčiastok, ako sú displeje alebo solárne články. Ďalšou možnosťou ako pripraviť grafén je chemická oxidácia grafitových práškov.

Grafitový prášok

Molekuly obsahujúce kyslík prenikajú medzi grafitové roviny a chemicky sa na ne viažu. Tento proces spôsobuje, že sa vzdialenosť medzi rovinami zväčšuje až do momentu, kedy sa jedna rovina (grafén) odlúpne od materského kryštálu. Je to vlastne chemická analógia pôvodnej metódy mechanického odlupovania. Takýmto spôsobom sa dajú získať jednoatomárne vrstvy s laterálnymi (bočnými) rozmermi rádovo stovky nanometrov až mikrometre. Vrstvy sú silne oxidované, preto v tomto prípade hovoríme o oxide grafénu. Zaujímavou vlastnosťou oxidu grafénu (GO) je, že úroveň jeho oxidácie sa dá meniť redukciou koncentrácie naviazaných kyslíkových molekúl, a to buď chemickou cestou, alebo tepelným žíhaním. Zmena koncentrácie oxidových skupín má významné dôsledky na elektrické transportné vlastnosti redukovaného GO (rGO).

Z hľadiska elektrickej vodivosti sa plne oxidovaný grafén správa ako izolant.

Redukcia vedie k zvýšeniu elektrickej vodivosti o množstvo rádov a takmer úplne zredukovaný GO má podobné vlastnosti ako grafén. Kombinácia poréznej štruktúry (veľkého špecifického povrchu) a relatívne vysokej vodivosti rGO vzoriek implikuje využitie tohto materiálu na niektoré aplikácie. Jednou z nich je napr. využitie rGO ako materiál na výrobu elektród v tzv. superkondenzátoroch.

Grafénový pancier

Vedci z americkej Rice University aj v súčasnosti vykonávajú základný výskum s grafénovým pancierom. Prvé výsledky sú viac než sľubné.

Grafén preukázal až desaťkrát väčšiu schopnosť pohlcovať kinetickú energiu ako oceľ a dvakrát väčšiu ako kevlar.

Ako už bolo spomenuté, grafén je supertenká priehľadná forma uhlíka, ktorú tvorí rovinná sieť o jednej vrstve atómov, predstavujúca najpevnejší známy materiál na svete. Od jeho počiatku sa grafénu zvestovala veľká budúcnosť v materiálnom inžinierstve. Bohužiaľ, doteraz nebola uvedená žiadna sériová technológia využívajúca tento materiál. Dôvod je prozaický – finančne efektívna priemyselná výroba grafénu je doposiaľ neprekonateľný problém. Každopádne vedci nie sú skeptickí a študujú ho už viac ako desať rokov, pričom neustále objavujú jeho jedinečné vlastnosti. Vedelo sa, že grafén je veľmi pevný v ťahu.

Simulácia grafénového panciera

Edwin Thomas z Rice University a asistent Jae–Hwang Lee z University of Massachusetts sa rozhodli vyskúšať, ako pohlcuje kinetickú energiu. Schopnosť pohlcovať kinetickú energiu je dôležitá pri hľadaní materiálov pre balistickú ochranu.

Vedci poskladali z grafénu štít o hrúbke 100 nm, ktorý tvorilo tristo vrstiev grafénovej siete.

Potom proti tomuto štítu vypálili sklenenú mikrogulôčku rýchlosťou 3 km/s. Využili k tomu pokročilú techniku, pri ktorej bombardovali krátkymi laserovými impulzmi tenkú doštičku zlata. Po zásahu laserovým lúčom dôjde k mikroexplózii, ktorá vystrelí sklenené projektily o veľkosti niekoľkých mikrónov do grafénových terčov.

Grafénový terč

Podobnú metódu vyskúšali už v roku 2012 na viacblokových polyméroch, ktoré nielenže mikroprojektily zastavili, ale ich úplne obalili. Vedci následne preskúmali, akým spôsobom grafén absorboval nárazy sklenených projektilov s priemerom 3,7 μm. Tento jedinečný materiál bol schopný na náraz zareagovať rýchlym a vratným pretiahnutím uhlíkového pletiva. Absorbovaná energia bez pretrhnutia štítu pritom bola asi dvakrát väčšia ako u kevlaru, z ktorého sa dnes vyrábajú nepriestrelné vesty a asi desaťkrát väčšia ako u ocele.

Pôsobivá bola najmä rýchlosť (22,2 km/s), s ktorou sa deformačná energia rozplynula z miesta dopadu preč a asi trikrát rýchlejšie ako v oceli.

Grafén dokáže absorbovať 0,92 MJ/kg energie letiaceho projektilu, zatiaľ čo oceľ pri meraniach v podobných rýchlostiach letiacej strely zvládne len 0,08 MJ/kg. Naďalej však platí skutočnosť, že hoci v laboratóriách už vznikli prelomové technológie, ako sú napríklad aj vysokokapacitné batérie, cesta z laboratória je, bohužiaľ, extrémne dlhá a náročná.

Budú v blízkej budúcnosti dostupnejšie prevratné technológie na báze grafénu? :)

Krátky test nepriestrelnosti gráfenu:

Foto: youtube.com