Supertenký uhlík sliboval revoluci, přinesl jen menší zlepšováky

Článek si také můžete poslechnout v audioverzi.

A jak to tedy po těch dvou dekádách dopadlo? Jinak a možná lépe, než byste očekávali na základě toho, jak málo se o grafenu dnes ve sdělovacích prostředcích mluví.

Grafen je z chemického hlediska čistý uhlík. Zajímavá je ovšem jeho podoba. Uhlíkové atomy jsou v něm zjednodušeně řečeno uloženy v jediné ploché vrstvě, ve které vytváří pravidelné šestiúhelníky. Podobný materiál se v přírodě nevyskytuje pravidelně a podle některých teoretiků minulých desetiletí šlo o teoretickou „zrůdnost“, jež ve skutečném světě nemá nárok na existenci.

V průběhu 20. století se ale objevovaly náznaky, že skutečnost je benevolentnější než někteří teoretici, a podobné „planární“ materiály by mohly existovat. Slávu a také Nobelovu cenu za důkaz jejich existence si odnesli dva rusko-britští fyzici Konstantin Novoselov a Andrej Geim. Došlo k tomu během jednoho pátečního večera, kdy ve volném čase v laboratoři prováděli zajímavé pokusy, na které během běžného provozu nebyl čas.

Jejich laboratoř byla dobře vybavena pro práci s malými vzorky zajímavých materiálů a Geima v roce 2003 napadlo, že by se mohl pokusit rozvinout (a to i doslova) výzkum jednoho z „módních“ materiálů té doby, uhlíkových nanotrubiček. Což jsou opravdu doslova malé trubičky z uhlíku, ideálně se stěnou silnou jen jeden atom.

Geim chtěl trubičky rozvinout a narovnat. Jednomu ze svých studentů zadal úkol vytvořit co nejtenčí kousek grafitu. Ten vytvořil kousek o tloušťce zhruba 1000 vrstev, což bylo zajímavé, ale pořád šlo o „blok“, ne plochu. Tehdy Geima napadlo odlepit vrchní vrstvu pomocí v podstatě běžné lepicí pásky. Vědci poté pásku rozpustili v ředidle, které uhlíkovou šupinu nepoškodilo. Touto jednoduchou metodou se pokusili získat ultratenké vločky grafitu.

Postup nebyl spolehlivý, ale Geim, Konstantinov a jejich kolegové mezi uhlíkovými „vločkami“ našli i kousky silné jen jeden atom. „Oklamali jsme přírodu tím, že jsme nejprve vytvořili trojrozměrný materiál, což je grafit, a pak z něj vytáhli jednotlivou vrstvu,“ komentoval zpětně postup Geim. Na těchto malých kouscích nového materiálu se brzy ukázalo, že je opravdu zvláštní.

Grafen není ani kov, ani izolant, ba ani skutečný polovodič. V podstatě jde o polokov, který se do jisté míry podobá polovodiči – který ovšem stačí jen lehce pošťouchnout, aby začal vést elektřinu. Neobvyklé uspořádání energetických stavů grafenu způsobuje, že se jeho elektrony chovají, jako by neměly žádnou hmotnost, takže jím „prolétají“ prakticky bez odporu a vysokou rychlostí.

Pokusy začaly v roce 2003, na konci října 2004 pak autoři vydali v časopise Science článek, který materiál a jeho přípravu popisuje. Právě toto datum se dnes trochu nepřesně označuje za den „objevu grafenu“.

Autoři objevu byli okouzleni. Během několika týdnů začali s tímto materiálem vyrábět základní tranzistory. Následné zdokonalování techniky nakonec přineslo první grafenové listy, takže mohli podnikat další a další zajímavé experimenty s fascinujícími výsledky.

Velká část kolegů z oboru se po zveřejnění objevu nechala okouzlit stejně. Grafen byl neuvěřitelnou a zajímavou novinkou. Řada vědců se nezdráhala předpovídat převratné objevy a technologie. Objevovaly se prognózy o výrobě supertenkých skládacích obrazovek, vesmírných výtahů či rychlé náhradě křemíku v počítačových čipech grafenem. Sám Geim nedávno pro časopis Science řekl, že „grafenové“ firmy, ve kterých se v prvních letech po objevu angažoval, byly většinou založeny na „hype“, tedy na zveličených očekáváních.

Brzy se ovšem ukázalo, že grafen má své velké nevýhody. V praxi stále nikdo nedokáže vyrábět ve větším množství „pravý“ grafen v uniformní vrstvě o síle jednoho či třeba jen několika atomů. Z tohoto důvodu tak řada společností odešla do byznysového záhrobí a jejich futuristické grafenové sny s nimi.

Postup s trpělivým odlepováním vrstviček uhlíku páskou, kterým byl materiál připraven poprvé, se v průmyslovém měřítku využít nedá. Samozřejmě se zkouší i jiné. V malém měřítku je například poměrně jednoduché využít procesu plynné depozice na vrstvu katalyzátoru (např. mědi) ve vakuu zahřátou na 1000 °C. Destička se poté ofukuje směsí metanu a vodíku. Metan se na povrchu mědi rozloží na vodík a uhlík. Druhý prvek vytvoří grafen, respektive tzv. CVD grafen.

Škálování produkce do větších rozměrů je ovšem těžké. V roce 2010 jihokorejští vědci spolupracující se Samsungem popsali tisk rekordně velkého grafenového plátku s rozměrem řádově v desítkách centimetrů. Očekávali, že se grafen tímto způsobem začne vyrábět během příštích pěti let. Roky uplynuly, ale na trhu stále není.

Nevýhodou CVD je, že grafen vytvořený tímto způsobem není jedna vrstva, ale spíše skládačka malých krystalů grafenu. Tyto krystaly mají mezi sebou hranice, které narušují elektrické a mechanické vlastnosti materiálu. Tato nedokonalost způsobila, že původně velké naděje, jako například použití grafenu v dotykových obrazovkách, se nenaplnily.

Další problém spočívá v tom, že po výrobě je třeba grafen z měděné fólie nějak odstranit a přenést na jiný povrch, což je velmi složité. Při použití polymerových fólií pro přenos se grafen často poškodí, zůstávají na něm nečistoty a výsledný materiál tak ztrácí své „supervlastnosti“. Jiné materiály jsou prostě lepší.

Kvůli problémům s metodou CVD se někteří výzkumníci rozhodli přistoupit k metodám „shora“ („top-down“), což znamená, že začínají s hmotou grafitu a snaží se ji rozbít na menší části. V některých případech jde v podstatě o „mletí“. Jindy se používají silné oxidanty, které grafit rozdělí na tenčí vrstvy.

Takto získaný grafen je ale značně odlišný od „čistého“ grafenu Geima a Novoselova. Obsahuje totiž více vrstev a spoustu defektů, které snižují jejich vodivost a další „supervlastnosti“. Podle některých odborníků je tak vlastně lepší než o grafenu mluvit o grafenech nebo alespoň různých druzích grafenu. „Grafen je dnes stovky, možná dokonce tisíce různých věcí,“ shrnul pro Science Peter Bøggild z Dánské technické univerzity.

Což na druhou stranu znamená, že pro tak různorodou skupinu materiálů lze najít velmi různorodé využití.

Jednou z hlavních oblastí, kde se stále více uvažuje o použití grafenu, je elektronika. Grafen může zlepšit výkon různých polovodičových zařízení. Firma Graphenea ve Španělsku dokáže přenášet grafen získaný metodou chemické depozice z plynné fáze (CVD) na křemíkové destičky o průměru 200 milimetrů. To je velká výhoda, protože takové destičky mohou být použity v plnohodnotných výrobních linkách na polovodiče.

Jedním z konkrétních využití jsou detektory velmi malých změn v elektrických polích. Technologie má potenciál zejména v medicínské diagnostice, protože umožňuje velmi citlivou detekci biologických signálů. Funguje to tak, že pokud jsou molekuly, které grafen pokrývají, ve styku s nějakou konkrétní látkou v našem těle, mění se průchod elektrického proudu grafenem a ejhle, máme signál, který lze měřit.

Na medicínu se zaměřuje i další španělská firma, INBRAIN Neuroelectronics. Ta používá jiný typ grafenu (redukované grafenové oxidy, tzv. rGO) k výrobě elektrod, jež se dají vložit do lidského mozku. Elektrody vyrobené s využitím rGO jsou tenčí než lidský vlas, tedy mnohem menší než konvenční zařízení, a přitom dostatečně citlivé a přesné pro mapování mozkové aktivity.

Zařízení mohou lékařům pomoci lépe rozlišit mezi zdravou a nemocnou tkání, například při odstraňování nádorů. Upravené elektrody pak nemusí jen měřit, ale mohou i vytvářet elektrické signály a stimulovat mozek. Pracuje se na možnosti jejich využití pro léčbu Parkinsonovy choroby.

Další významnou aplikací grafenových oxidů je chlazení elektronických zařízení. Grafenové oxidy totiž dokážou (podobně jako „ušlechtilý“ grafen) velmi dobře odvádět teplo. Největší výrobcem je čínská společnost Sixth Element Materials Technology, která své materiály dodává například pro potřeby firmy Huawei, právě pro odvod tepla z čipů. Díky tomu mohou být tyto telefony tenčí. Bernhard Münzing, evropský obchodní ředitel Sixth Element Materials, nedávno odhadl, že grafenové oxidy už jsou v milionech elektronických zařízení.

Grafen by mohl najít využití také ve stavebnictví, konkrétně v betonu. Britská firma Concretene vyvinula betonovou směs, která obsahuje jen malé množství (0,1 %) grafenových nanoplatelet (další typ grafenu označovaný jako GNP) a grafenových oxidů (GO). Tato směs by měla údajně umožnit snížit množství použitého cementu až o 30 %, aniž by to negativně ovlivnilo pevnost materiálu.

Uplatnění se má najít i na moři. Kanadská společnost GIT Coatings používá GNP k výrobě odolného nátěru, který zabraňuje usazování škeblí a dalších organismů či špíny na trupech lodí. Což snižuje tření a šetří palivo. Výhodou je skutečnost, že není nutné sahat po některých toxických sloučeninách používaných v běžných nátěrech. Finská lodní společnost Finnlines začala tento nátěr používat v roce 2022 a od té doby se k ní připojilo několik dalších provozovatelů.

V automobilovém průmyslu se méně kvalitní grafen (GNP) používá k výrobě pěny zlepšující tepelnou ochranu a zároveň snižující hluk motoru. První společností, která materiál měla začít používat ve svých vozech, se stal Ford. Automobilka spolupracovala s GEIC na vývoji součástek, které obsahují grafenové nanoplatelety (GNPs). Produkt už je údajně zhruba v pěti milionech vozidel v USA.

Ani jedna z těchto aplikací – a ani žádná z dalších, které mají rozumnou šanci na úspěch, ale do článku se nedostaly – není taková revoluce, jakou mnozí od prvního dvourozměrného materiálu očekávali. Příběh „grafenu“ připomíná, že nafouknout očekávání není zdaleka tak těžké, jako je naplnit.

V plné verzi newsletteru TechMIX toho najdete ještě mnohem víc. Přihlaste se k odběru a budete ho dostávat každou středu přímo do své e-mailové schránky.