Grafen – co to je a k čemu se používá?

Grafen – co to je a odkud pochází

Průlomový charakter grafenu spočívá především v jeho dvourozměrnosti. Fyzicky se jedná o vrstvu jednotlivých atomů uhlíku uspořádaných do šestiúhelníkového vzoru, který je vizuálně podobný voštině. Grafen je tedy alotrop uhlíku. Ve 40. letech 20. století Phillip Russel Wallace vyvinul teoretický koncept vytvoření uhlíkové struktury s jedním atomem. Tuto myšlenku však většina vědců po mnoho let odmítala. Teprve o šest desítek let později z něj mohl být vytvořen skutečný, hmatatelný materiál. Dvojici Gejm a Nowosiolow z univerzity v Manchesteru se podařilo izolovat grafen z hroudy grafitu přenesením atomů uhlíku na vrstvu oxidu křemičitého (SO ₂ ) pomocí lepicí pásky. V tomto procesu hrál důležitou roli oxid křemičitý, který izoloval grafenovou vrstvu s neutrálním elektrickým nábojem. Tato metoda se v současné době používá pouze v malém měřítku pro výzkumné účely.

Neobvyklé vlastnosti grafenu

Co je na této ultratenké vrstvě uhlíkových atomů, co fascinovalo vědecký svět? Grafen se ukázal jako extrémně dobrý vodič tepla a elektřiny. Vyznačuje se také nízkým aktivním odporem. V tomto ohledu je konkurentem pro měď a křemík. Při pokojové teplotě vykazují elektrony grafenu mobilitu bezprecedentní v jiných materiálech. Jejich vysoká rychlost dosahující 1/300 rychlosti světla otevírá zajímavé možnosti využití v diagnostice. Grafen je také téměř průhledný – pohltí 2,3 %bílého světla. Jeho výjimečný elektrický potenciál jde proto ruku v ruce s tím optickým. Navzdory své extrémně tenké struktuře je grafen až 100krát pevnější než ocel. Zároveň si zachovává vysokou míru pružnosti (až 20%roztažitelnost na délku nebo šířku). Oxidovaná grafenová membrána je zcela nepropustná pro plyny, přesto propustná pro vodu, lze ji tedy použít k filtraci. Pozoruhodné jsou také antimikrobiální vlastnosti materiálu.

Perspektivní grafen – aplikace v různých průmyslových odvětvích

Elektronické, optické, tepelné a mechanické vlastnosti grafenu otevřely dveře jeho mnoha praktickým komerčním aplikacím, které se podle odborníků budou v příštích desetiletích dynamicky rozvíjet. Již dnes je grafen považován za nástupce křemíku v elektronické oblasti. Tento průhledný a flexibilní vodič lze použít k výrobě fotovoltaických článků, rolovatelných displejů a dotykových panelů i LED světel. Výrazně také zvyšuje frekvenci elektromagnetických signálů, což umožňuje výrobu rychlejších tranzistorů. Značný zájem přitahují také grafenové senzory. Díky výjimečné citlivosti dokážou detekovat jednotlivé molekuly nebezpečných látek a usnadňují tak sledování prostředí. Oxid grafenu distribuovaný ve vzduchu má také schopnost odstraňovat radioaktivní kontaminanty. Vyhlídky na vývoj nových produktů s grafenem se každým rokem zvyšují Mezi stávající aplikace s největším potenciálem patří:

• moderní elektrické sítě;
• energeticky účinné světelné zdroje;
• Polovodiče používané ve spintronických zařízeních;
• účinnější antikorozní nátěry;
• filtrace vody pro čištění a odsolování;
• optoelektronické komunikační systémy.

Navíc se spekuluje o perspektivním využití grafenu pro výrobu lehčích a odolnějších konstrukčních součástí pro automobily, letadla, lodě a zařízení. V kombinaci s umělými materiály (např. gumou) by z něj mohla vzniknout např. tepelně vodivá guma. Na základě grafenu byl již vyvinut extrémně pevný papír schopný vést elektřinu.

Biokompatibilní grafen – lékařské aplikace

Pozoruhodná je také možnost využití grafenu v oblasti biomedicíny, a to jak v diagnostické, tak terapeutické oblasti. Jako lékový nosič se oxid grafenu vyznačuje vysokou biokompatibilitou a vynikající rozpustností. To umožňuje přesné dávkování protizánětlivých a protirakovinných látek i enzymů a minerálních látek. Protože je grafen dokonalým tepelným vodičem, používá se také k ničení rakovinných nádorů. Fenomén termoléze umožňuje využít jím akumulovaného tepla ke snížení bolesti ve tkáních. Na výrobě vyhřívaných zdravotnických doplňků a oděvů se již pracuje. Grafenové desky se také používají jako biosenzory a mohou pomoci diagnostikovat rakovinu a neurologická onemocnění (např. epilepsii nebo Parkinsonovu chorobu) pomocí přenosných zařízení. Očekává se, že grafenová sonda vyvinutá Poláky způsobí revoluci v testování EKG tím, že umožní měření z úrovně srdce. Antibakteriální vlastnosti grafenu také poskytují příležitost k řešení krize související s rostoucí necitlivostí bakterií na antibiotika. Grafen může být použit jako základ pro vývoj prostředků určených pro lokální kontrolu infekcí a dezinfekci ran. Velmi slibně vypadá možnost využití grafenu v tkáňovém inženýrství. Mechanická pevnost inovativního uhlíkového lešení je extrémně vysoká. Studie ukazují, že urychluje diferenciaci kmenových buněk a podporuje rychlejší zotavení.

Výroba grafenu

Od roku 2014 se grafen vyrábí ve větším měřítku pro komerční účely. Nové mikromechanické techniky umožnily výrazné snížení ceny materiálu. V současnosti jsou jejími předními producenty USA a Čína, kde lze nalézt značné množství levného amorfního grafitu. Prémiový grafen, žádaný v oblasti elektroniky, musí být vyroben z dostatečně kvalitního grafitu a to vyžaduje ploché, uspořádané krystaly získané speciálním zpracováním. Cena materiálu je pak odpovídajícím způsobem vyšší. Korejským výzkumníkům se podařilo vyvinout účinný a nákladově efektivní způsob výroby grafenu chemickou depozicí z plynné fáze (CVD). Nevýhodou tohoto řešení je nižší kvalita materiálu a vyšší četnost defektů. V některých aplikacích to však nepředstavuje problém. Poláci také přispěli k rozvoji inovativních metod výroby grafenu. Institut technologie elektronických materiálů ve Varšavě vlastní patent na výrobu materiálu z karbidu křemíku. V roce 2015 vyvinuli vědci z univerzity v polské Lodži průlomovou technologii HGSM umožňující výrobu vysoce kvalitních velkoformátových archů z tekuté fáze.

Je grafen bezpečný?

Jako relativně nový materiál vyvolává grafen pochopitelné pochybnosti v souvislosti s možnými účinky na lidské zdraví. Objevují se dokonce tvrzení, že tenká a lehká struktura grafenu se snadno dostane do plic, což představuje hrozbu srovnatelnou s prachem nebo dokonce azbestovými vlákny. Čínské studie dokonce naznačují, že nanočástice dvourozměrného uhlíku se mohou usazovat ve vnitřních orgánech. Existuje také teoretické riziko, že by grafen, který se dostane do povrchových a podzemních vod, mohl být škodlivý pro rostliny a zvířata. Jemné částice se mohou usazovat na okrajích vodních ploch a zvyšovat tvrdost vody. Podle současných znalostí však grafen není toxický a nemá žádnou afinitu k nebezpečným látkám. Jeho množství a tím i potenciální expozice jsou také extrémně nízké nebo dokonce zanedbatelné. Při kontaktu s pokožkou nevykazuje dráždivé vlastnosti. Také mezinárodní studie ukazují, že inhalace nezpůsobuje nežádoucí imunologické reakce. Ve vědecké komunitě panuje všeobecná shoda na potřebě dalšího výzkumu vlastností a aplikací grafenu, včetně jeho bezpečnosti. To umožní optimalizovat metody využití inovativního materiálu s ohledem na dlouhodobé účinky na člověka a životní prostředí.