Grafén - revolučný materiál, ktorý transformuje 21. storočie
Čo je to grafén?
Grafén je zložený výhradne z uhlíka, rovnako ako diamant a uhlie. Na rozdiel od týchto materiálov sú atómy uhlíka, ktoré tvoria grafén, umiestnené v dvojrozmerných „pásoch“, vďaka čomu je tento materiál mimoriadne pevný a pružný.
Grafén je doposiaľ najtenší identifikovaný materiál - grafénový „plát“ má iba hrúbku atómu, a preto vedci tvrdia, že ide o prvý 2D materiál identifikovaný ľudstvom. Grafén je lepší elektrický vodič ako meď, je 300-krát silnejší ako oceľ a má jedinečné optické vlastnosti. Aj keď je grafén takmer priehľadný, je taký hustý, že ním nemôže prechádzať ani hélium, najmenší atóm plynu.
Metóda, pomocou ktorej Andre Geim a Kostya Novoselov získali grafén, je veľmi jednoduchá: dvaja vedci z Manchesterskej univerzity naniesli na kúsok grafitu lepiacu pásku, ktorá sa od nej odlepila pásom grafitových vločiek. Pomocou ďalších kúskov lepiacej pásky odstránili po sebe nasledujúce vrstvy grafitu a vločky zriedili. Potom sa lepiaca páska rozpustila v acetóne a výsledná grafitová vrstva sa nalepila na silikónovú platňu. Niektoré vločky s hrúbkou iba jedného atómu boli pripevnené k kremíkovej doske.
Grafit je najlepšie známy ako materiál, z ktorého je vyrobený olovený ceruzka, pozostávajúci z navrstvených vrstiev uhlíka. Vedci odhadujú, že jeden milimetr grafitu tvoria asi tri milióny vrstiev grafénu. Ceruzky pri písaní vytvárajú čierny pruh, pretože trenie vedie k odlupovaniu grafitových vločiek. Profesor Geim preto tvrdí, že je veľmi pravdepodobné, že všetci, ktorí kedy písali ceruzkou, vyrobili grafén, ale bez toho, aby si všimli výsledok.
Ako by sa dal použiť grafén?
„Vynikajúce vlastnosti grafénu odôvodňujú prezývku„ zázračný materiál “,“ uviedol profesor Kosťa Novoselov, ktorý tento materiál izoloval prvýkrát v roku 2004 spolu s Andreom Geimom z Manchesterskej univerzity.
Výnimočné vlastnosti grafénu umožňujú jeho použitie v nespočetných poliach. Profesor Geim považuje za nemožné určiť najsľubnejšiu zmenu, ktorú môže priniesť. „Rozsah možných použití je taký široký a rastie takou rýchlosťou, že zameranie sa na jedno by znamenalo podcenenie rozsahu prebiehajúceho vedeckého úsilia,“ uviedol laureát Nobelovej ceny.
V elektronike by sa mohol grafén použiť na výrobu ultrarýchlych tranzistorov, flexibilných displejov alebo LED diód. Materiál by mohol zvýšiť účinnosť laserov a fotodetektorov a transformovať oblasti výroby a skladovania energie, čo by prispelo k úprave mnohých zariadení, ako sú batérie a solárne články. Tiež použitie grafénu v kompozitných materiáloch by zlepšilo štruktúru krídel lietadla, čo by znížilo ich hmotnosť. V medicíne by sa grafén mohol použiť na návrh umelých tkanív a sietníc a na transport liekov do tkaniva, ktoré ich potrebuje.
„Dotykové obrazovky, ktoré majú ako vodivý prvok grafén, je možné namiesto skla tlačiť na veľmi tenký plast, takže by boli ľahké a pružné. Mobilné telefóny mohli byť tenké ako hárok papiera a dali sa tak ľahko ohýbať, aby sa zmestili do každého vrecka. Kvôli mimoriadnej odolnosti grafénu by bolo ťažké tieto telefóny zničiť, “vysvetľujú špecialisti Americkej chemickej spoločnosti.
Supratik Guha, vedúci divízie výskumu fyziky IBM, uviedol, že špecialisti americkej spoločnosti pracujú na vysokofrekvenčných tranzistoroch a zariadeniach na báze grafénu, ktoré využívajú terahertzovú oblasť elektromagnetického spektra. Táto oblasť, ktorá sa nachádza medzi infračervenými a mikrovlnnými frekvenciami, sľubuje, že ponúkne množstvo aplikácií v lekárskom zobrazovaní a komunikácii na krátku vzdialenosť. Terahertzové vlny prechádzajú plastmi a živými tkanivami, zatiaľ sa ich však vedcom nepodarilo ovládnuť. „Pomocou grafénu dokážeme modulovať a riadiť terahertzové žiarenie,“ hovorí Guha.
Grafén by tiež mohol umožniť návrh ľahkých a flexibilných solárnych panelov, ktoré by mohli pokryť všetky vonkajšie povrchy budov, nielen strechu. Grafén absorbuje iba 2% svetla, ktoré sa k nemu dostane, bez ohľadu na vlnovú dĺžku. Je to tiež veľmi dobrý elektrický vodič. Ak je teda fotovoltaický článok umiestnený medzi dve vrstvy grafénu, svetlo by prešlo grafénom a dotklo by sa fotovoltaického článku. Takto by sa vyrobila elektrina, ktorá by sa transportovala pomocou grafénových vrstiev. Táto kombinácia by umožnila vytvorenie flexibilných solárnych panelov, ktoré je možné použiť nespočetnými spôsobmi: na automobiloch, odevoch, taškách, elektronických zariadeniach alebo na akomkoľvek inom povrchu dotknutom svetlom. Vďaka grafénu by sa teda solárna energia mohla stať oveľa ľahšie použiteľnou a rozšírenejšou, ako si dnes vieme predstaviť.
Medicína je ďalšou oblasťou, ktorá sľubuje transformáciu grafénom. Pretože tento materiál je tenký, pružný a odolný voči slaným roztokom, ktoré tvoria živé tkanivá, je grafén ideálnym materiálom pre návrh bionických zariadení. Na rozdiel od kovových prvkov, ktoré v ľudskom tele vydržia iba niekoľko rokov, sa dajú grafénové prístroje používať po celý život. Pretože grafén je elektrický vodič, mohol by sa tiež použiť na prenos elektrických impulzov do neurónov, čo paralyzovaným ľuďom umožní znovu získať kontrolu nad končatinami po nehode, ktorá vyústi do poranenia miechy. Rovnaký mechanizmus by sa dal použiť na ovládanie umelých končatín pomocou grafénu na prenos elektrických signálov do motorov, ktoré ich uviedli do pohybu.
Preteky o patenty a mimoriadne investície do grafénu
Mimoriadny potenciál grafénu stimuloval vlády a organizácie na celom svete, aby investovali značné sumy do výskumu tohto materiálu, a to z túžby nezmeškať „grafénovú revolúciu“. Profesor Andre Geim odhaduje, že ročne sa na výskum zázračného materiálu vynakladá viac ako 1 miliarda dolárov.
Objav grafénu viedol k skutočnej „patentovej súťaži“ spoločností, univerzít a iných výskumných inštitúcií. Analýza spoločnosti CambridgeIP ukazuje, že z celkovo 7 351 patentových prihlášok na grafén zaregistrovaných v roku 2012 pochádza 2 204 patentov z Číny, 1 754 z USA a 1 160 z Južnej Kórey. Medzi spoločnosti s najväčším počtom patentov patria Samsung (407) a IBM (134). Európa však naďalej hrá kľúčovú úlohu pri vývoji grafénu. „Európa nebola na patenty taká agresívna, ale práve tu prebieha najdôležitejší výskum v tejto oblasti,“ uviedol pre Financial Times Luigi Colombo, expert na grafén.
Spojené kráľovstvo chce zostať centrom výskumu grafénu, a preto sa ostrovná vláda rozhodla minúť 61 miliónov libier na vytvorenie Národného grafénového inštitútu, národného výskumného centra, ktoré sa v Manchestri otvorí v roku 2015. v Manchestri oznamuje, že chce mať tento inštitút „svetového lídra vo výskume grafénu“. Pozadu nezostala ani Cambridge University, ktorá oznámila, že otvorí Cambridge Graphene Center, do ktorého sa bude investovať 30 miliónov libier.
Európska únia nedávno oznámila plány na financovanie projektu v hodnote miliárd eur venovaného grafénu a jeho potenciálnemu použitiu, ktorý bude koordinovať profesor Jari Kinaret z Chalmers University of Technology vo švédskom Göteborgu. „Na tento obrovský fond sa môžete pozerať ako na spôsob, ako povzbudiť spoločnosti, aby sa viac zapájali do úsilia európskych univerzít,“ hovorí Andre Geim.
Podpredsedníčka Európskej komisie Neelie Kroes hovorí: „Príbeh grafénu ukazuje, že vo vede stále existujú úžasné veci. Objav tohto materiálu bol ako zázrak. ““ „Z materiálu objaveného pomocou hrotu ceruzky a lepiacej pásky je dnes grafén blízko k zrodu nového odvetvia,“ dodal Kroes.
Kroes verí, že tento materiál bude v nadchádzajúcich desaťročiach hrať mimoriadnu úlohu pri rozvoji európskeho kontinentu. Preto európsky úradník spustil porovnanie so slávnym kalifornským regiónom Silicon Valley, kde pôsobí mnoho úspešných technologických spoločností (vrátane Apple, Facebook alebo Google). „Počuli ste o Silicon Valley? Európa chce byť známa ako „Grafénové údolie“, uviedol Kroes v oznámení európskych úradníkov o investovaní do výskumu grafénu. Vedci očakávajú, že grafén v budúcnosti nahradí kremík v mnohých oblastiach.
Nokia je jednou zo 74 európskych spoločností, ktoré tvoria združenie Graphene Flagship Consortium, do ktorého pôjdu prostriedky v hodnote 1 miliardy EUR ponúkané Európskou úniou. Medzi projektmi, na ktorých fínska spoločnosť pracuje, je ľahší a mimoriadne odolný telefón, ktorý sa nezahrieva. Jani Kivioja, jeden z výskumníkov v Nokia Research Center, vysvetľuje všeobecné nadšenie pre tento mimoriadny materiál: „S grafénom sme začali pracovať v roku 2006 a odvtedy sme identifikovali veľa oblastí, kde by sme ho mohli použiť. Verím však, že k najdôležitejším objavom ešte nedošlo. Dosiahli sme kritický prah, ale až teraz začína grafénová revolúcia. Priemyselná revolúcia sa odohrala potom, čo sme sa naučili vyrábať železo za nízke náklady. Potom sme mali kremíkovú éru. Teraz prichádza grafén “.
Profesor Geim zmiernil veľmi vysoké očakávania grafénu od ľudí, keď uviedol, že „obvykle trvá asi 40 rokov od objavenia nového materiálu po jeho použitie vo výrobkoch určených pre širokú verejnosť. Pomysli na polyméry: chvíľu trvalo od ich objavenia do okamihu, keď sa plast stal v našich životoch všadeprítomným “. Jedna vec sa zdá byť istá: grafén bude hrať mimoriadnu úlohu v technologickom vývoji, ktorý bude charakterizovať 21. storočie a spôsobí revolúciu v najdôležitejších oblastiach.