Ak ste za posledné desaťročie boli niekde blízko vedeckého časopisu, narazili ste na nejakú formu superlatívu o graféne – dvojrozmernom zázračnom materiáli, ktorý sľubuje transformáciu všetkého od výpočtovej techniky po biomedicínu.
O aplikáciách grafénu je veľký humbuk vďaka niekoľkým pozoruhodným vlastnostiam. Je 1 milión krát tenší ako ľudský vlas, ale 200 krát pevnejší ako oceľ. Je flexibilný, ale môže pôsobiť ako dokonalá bariéra a je vynikajúcim vodičom elektriny. Dajte to všetko dohromady a máte materiál s množstvom potenciálne revolučných aplikácií.
Čo je grafén?
Grafén je uhlík, ale v jednoatómovej hrubej voštinovej mriežke. Ak siahnete späť do svojich starých hodín chémie, spomeniete si, že materiály zložené výlučne z uhlíka môžu mať drasticky odlišné vlastnosti v závislosti od toho, ako sú usporiadané jeho atómy (rôzne alotrópy). Napríklad grafit vo vašej ceruzke je mäkký a tmavý v porovnaní s tvrdým a priehľadným diamantom vo vašom zásnubnom prsteni. Uhlíkové štruktúry vytvorené človekom sa nelíšia; Buckminsterfulleren v tvare gule pôsobí odlišne od zvinutých usporiadaní uhlíkových nanorúrok.
Grafén je vyrobený z listu atómov uhlíka v šesťuholníkovej mriežke. Z vyššie uvedeného je vo forme najbližšie ku grafitu, ale zatiaľ čo tento materiál je vyrobený z dvojrozmerných vrstiev uhlíka držaných vrstva na vrstve slabými medzimolekulovými väzbami, grafén má hrúbku iba jedného listu. Ak by ste boli schopní odlúpnuť jednu vrstvu uhlíka vysokú jeden atóm z grafitu, mali by ste grafén.
Slabé medzimolekulové väzby v grafite spôsobujú, že sa zdá mäkký a vločkovitý, ale samotné uhlíkové väzby sú robustné. To znamená, že plech zložený výlučne z týchto uhlíkových väzieb je pevný – asi 200-krát viac ako najsilnejšia oceľ, pričom je zároveň pružný a priehľadný.
O graféne sa už dlho teoretizovalo a náhodne sa vyrábal v malých množstvách tak dlho, ako ľudia používali grafitové ceruzky. Jeho hlavná izolácia a objav je však spojený s prácou Andreho Geima a Konstantina Novoselova z roku 2014 na univerzite v Manchestri. Dvaja vedci údajne uskutočnili „experimenty v piatok v noci“, kde testovali nápady mimo svojej dennej práce. Počas jedného z týchto sedení vedci použili lepiacu pásku na odstránenie tenkých vrstiev uhlíka z hrudky grafitu. Tento priekopnícky výskum nakoniec viedol ku komerčnej výrobe grafénu.
Po získaní Nobelovej ceny za fyziku v roku 2010 darovali Geim a Novoselov dávkovač pásky Nobelovmu múzeu.
Na čo všetko sa dá použiť grafén?
Jedna dôležitá vec, ktorú treba poznamenať, je, že vedci vyvíjajú najrôznejšie materiály založené na graféne. To znamená, že je pravdepodobne lepšie myslieť na „grafény“ rovnakým spôsobom, akým by sme uvažovali o plastoch. Nástup grafénu má v podstate možnosť viesť k úplne novej kategórii materiálu, nielen k jednému novému materiálu.
Pozri súvisiace Čo je to turbulencia? Rozlúštenie jednej z fyzikálnych otázok za milión dolárov „Diamantový dážď“ nájdený na Uráne bol znovu vytvorený na Zemi – a mohol by pomôcť vyriešiť našu rastúcu energetickú krízu Kvantové počítače starnúPokiaľ ide o aplikácie, výskum prebieha v takých širokých oblastiach, ako je biomedicína a elektronika až po ochranu plodín a balenie potravín. Schopnosť upraviť vlastnosti povrchu grafénu by z neho napríklad mohla urobiť vynikajúci materiál na podávanie liekov, zatiaľ čo vodivosť a flexibilita materiálu by mohla byť predzvesťou novej generácie obvodov dotykovej obrazovky alebo skladacích nositeľných zariadení.
Skutočnosť, že grafén je schopný vytvoriť dokonalú bariéru pre kvapaliny a plyny, znamená, že ho možno použiť aj s inými materiálmi na filtrovanie akéhokoľvek množstva zlúčenín a prvkov – vrátane hélia, čo je plyn mimoriadne ťažko blokovateľný. To má celý rad aplikácií, pokiaľ ide o priemysel, ale môže sa ukázať ako veľmi užitočné aj pre environmentálne potreby okolo filtrácie vody.
Multifunkčné vlastnosti grafénu otvárajú dvere obrovskému množstvu kompozitných použití. Aj keď sa veľa premýšľalo o tom, ako môže podporiť už existujúce technológie, neustály pokrok v tejto oblasti nakoniec povedie k úplne novým oblastiam, ktoré by predtým boli nemožné. Mohli by sme vidieť vznik úplne novej triedy leteckého inžinierstva? A čo optické implantáty rozšírenej reality? Keď to tak vyzerá, zistíme to v 21. storočí.