Grafén – čo to je a na čo sa používa?

Grafén – čo to je a odkiaľ pochádza

Prelomový charakter grafénu spočíva predovšetkým v jeho dvojrozmernosti. Fyzicky je to vrstva jednotlivých atómov uhlíka usporiadaná do šesťuholníkového vzoru, ktorý je vizuálne podobný plástu. Grafén je teda alotróp uhlíka. V štyridsiatych rokoch minulého storočia Phillip Russel Wallace vyvinul teoretickú koncepciu vytvorenia jednoatómovej uhlíkovej štruktúry. Túto myšlienku však väčšina vedcov dlhé roky odmietala. Až o šesť desaťročí neskôr sa z neho mohol stať skutočný, hmatateľný materiál. Dvojici Gejm a Nowosiolow z univerzity v Manchestri sa podarilo izolovať grafén z hrudky grafitu prenesením atómov uhlíka na vrstvu oxidu kremičitého (SO ₂ ) pomocou lepiacej pásky. Oxid kremičitý zohral v tomto procese dôležitú úlohu, pričom izoloval grafénovú vrstvu s neutrálnym elektrickým nábojom. Táto metóda sa v súčasnosti používa len v malom rozsahu na výskumné účely.

Nezvyčajné vlastnosti grafénu

Čo je to na tejto ultratenkej vrstve uhlíkových atómov, ktorá fascinovala vedecký svet? Grafén sa ukázal ako mimoriadne dobrý vodič tepla a elektriny. Vyznačuje sa tiež nízkym aktívnym odporom. V tomto smere je konkurentom medi a kremíka. Pri izbovej teplote vykazujú elektróny grafénu mobilitu bezprecedentnú v iných materiáloch. Ich vysoká rýchlosť dosahujúca 1/300 rýchlosti svetla otvára zaujímavé možnosti využitia v diagnostike. Grafén je tiež takmer priehľadný – absorbuje 2,3 %bieleho svetla. Jeho výnimočný elektrický potenciál ide preto ruka v ruke s tým optickým. Napriek extrémne tenkej štruktúre je grafén až 100-krát pevnejší ako oceľ. Zároveň si zachováva vysokú úroveň flexibility (až 20%rozťažnosť na dĺžku alebo šírku). Oxidovaná grafénová membrána je úplne nepriepustná pre plyny, no zároveň je priepustná pre vodu, preto ju možno použiť na filtráciu. Pozoruhodné sú aj antimikrobiálne vlastnosti materiálu.

Perspektívny grafén – aplikácie v rôznych priemyselných odvetviach

Elektronické, optické, tepelné a mechanické vlastnosti grafénu otvorili dvere jeho mnohým praktickým komerčným aplikáciám, ktoré sa podľa odborníkov budú v nasledujúcich desaťročiach dynamicky rozvíjať. Už dnes je grafén považovaný za nástupcu kremíka v elektronickej oblasti. Tento priehľadný a flexibilný vodič je možné použiť na výrobu fotovoltaických článkov, rolovateľných displejov a dotykových panelov, ako aj LED svetiel. Tiež výrazne zvyšuje frekvenciu elektromagnetických signálov, čo umožňuje výrobu rýchlejších tranzistorov. Značný záujem vzbudzujú aj grafénové senzory. Vďaka výnimočnej citlivosti dokážu rozpoznať jednotlivé molekuly nebezpečných látok a uľahčujú tak monitorovanie prostredia. Oxid grafénu distribuovaný vo vzduchu má tiež schopnosť odstraňovať rádioaktívne kontaminanty. Perspektíva vývoja nových produktov s grafénom sa každým rokom zvyšuje. Existujúce aplikácie s najväčším potenciálom zahŕňajú:

• moderné energetické siete;
• energeticky účinné svetelné zdroje;
• polovodiče používané v spintronických zariadeniach;
• účinnejšie antikorózne nátery;
• filtrácia vody na čistenie a odsoľovanie;
• optoelektronické komunikačné systémy.

Okrem toho sa špekuluje o perspektívnom použití grafénu na výrobu ľahších a odolnejších konštrukčných komponentov pre autá, lietadlá, lode a zariadenia. V kombinácii s umelými materiálmi (napr. gumou) by sa z nej dala vytvoriť napríklad tepelne vodivá guma. Na základe grafénu už bol vyvinutý mimoriadne pevný papier schopný viesť elektrinu.

Biokompatibilný grafén – medicínske aplikácie

Pozoruhodná je aj možnosť využitia grafénu v oblasti biomedicíny, a to v diagnostickej aj terapeutickej oblasti. Ako nosič liekov sa oxid grafénu vyznačuje vysokou biokompatibilitou a vynikajúcou rozpustnosťou. To umožňuje presné dávkovanie protizápalových a protirakovinových látok, ako aj enzýmov a minerálnych látok. Keďže grafén je dokonalý tepelný vodič, používa sa aj na ničenie rakovinových nádorov. Fenomén termolézie umožňuje využiť ňou nahromadené teplo na zníženie bolesti v tkanivách. Na výrobe vyhrievaných zdravotníckych doplnkov a odevov sa už pracuje. Grafénové dosky sa používajú aj ako biosenzory a môžu pomôcť pri diagnostike rakoviny a neurologických ochorení (napr. epilepsie alebo Parkinsonovej choroby) pomocou prenosných zariadení. Očakáva sa, že grafénová sonda vyvinutá Poliakmi prinesie revolúciu v testovaní EKG tým, že umožní merania z úrovne srdca. Antibakteriálne vlastnosti grafénu tiež poskytujú príležitosť na vyriešenie krízy súvisiacej s rastúcou necitlivosťou baktérií na antibiotiká. Grafén môže byť použitý ako základ pre vývoj prostriedkov určených na lokálnu kontrolu infekcií a dezinfekciu rán. Veľmi sľubne vyzerá možnosť využitia grafénu v tkanivovom inžinierstve. Mechanická pevnosť inovatívneho uhlíkového lešenia je extrémne vysoká. Štúdie ukazujú, že urýchľuje diferenciáciu kmeňových buniek a podporuje rýchlejšie zotavenie.

Výroba grafénu

Od roku 2014 sa grafén vyrába vo väčšom meradle na komerčné účely. Nové mikromechanické techniky umožnili výrazné zníženie ceny materiálu. V súčasnosti sú jej poprednými producentmi USA a Čína, kde možno nájsť značné množstvá lacného amorfného grafitu. Prémiový grafén, žiadaný v oblasti elektroniky, musí byť vyrobený z dostatočne kvalitného grafitu a to si vyžaduje ploché, usporiadané kryštály získané špeciálnym spracovaním. Cena materiálu je potom úmerne vyššia. Kórejským výskumníkom sa podarilo vyvinúť efektívny a nákladovo efektívny spôsob výroby grafénu chemickou depozíciou pár (CVD). Nevýhodou tohto riešenia je nižšia kvalita materiálu a vyššia frekvencia defektov. V niektorých aplikáciách to však nepredstavuje problém. Poliaci tiež prispeli k rozvoju inovatívnych metód výroby grafénu. Inštitút technológie elektronických materiálov vo Varšave vlastní patent na výrobu materiálu z karbidu kremíka. V roku 2015 vedci z poľskej univerzity v Lodži vyvinuli prelomovú technológiu HGSM umožňujúcu výrobu vysokokvalitných veľkoformátových listov z tekutej fázy.

Je grafén bezpečný?

Ako relatívne nový materiál vyvoláva grafén v kontexte možných účinkov na ľudské zdravie pochopiteľné pochybnosti. Existujú dokonca tvrdenia, že tenká a ľahká štruktúra grafénu sa ľahko dostane do pľúc, čo predstavuje hrozbu porovnateľnú s prachom či dokonca azbestovými vláknami. Čínske štúdie dokonca naznačujú, že nanočastice dvojrozmerného uhlíka sa môžu usadzovať vo vnútorných orgánoch. Existuje tiež teoretické riziko, že grafén môže byť prenikaním do povrchových a podzemných vôd škodlivý pre rastliny a živočíchy. Jemné častice sa môžu usadzovať na okrajoch vodných plôch a zvyšovať tvrdosť vody. Podľa súčasných poznatkov však grafén nie je toxický a nemá žiadnu afinitu k nebezpečným látkam. Jeho množstvá, a tým aj potenciálna expozícia, sú tiež extrémne nízke alebo dokonca zanedbateľné. Pri kontakte s pokožkou nevykazuje dráždivé vlastnosti. Medzinárodné štúdie tiež ukazujú, že inhalácia nespôsobuje nežiaduce imunologické reakcie. Vo vedeckej komunite panuje všeobecný konsenzus o potrebe ďalšieho výskumu vlastností a aplikácií grafénu, vrátane jeho bezpečnosti. To umožní optimalizáciu metód využívania inovatívneho materiálu s ohľadom na dlhodobé účinky na človeka a životné prostredie.