Vlastnosti grafenu jsou hodnoceny pouze v superlativech, v podstatě jsou všechny nejlepší. Jeho praktický význam je přirovnáván k revolučnímu využití kovu člověkem.
Co je grafen? Je to první známý dvourozměrný krystal s listovitou strukturou. Fyzikálně se jedná o vrstvu jednotlivých atomů uhlíku uspořádaných do šestiúhelníků, podobně jako plástev. Tento krystal je tvořen atomy uhlíku v jediné vrstvě, která je tisíckrát tenčí než lidský vlas. Tyto atomy jsou sestaveny do šestiúhelníkové mřížky s ideálními osami.
Každý z nás už někdy držel v ruce grafen, protože se jedná o obyčejnou grafitovou tuhu do tužky. Skládá se z milionů vrstev grafenu, které byly odděleny teprve nedávno.
Monoatomová vrstva byla oddělena metodou lepicí pásky.
Předpokládanou monatomickou strukturu grafenu a jeho vlastnosti popsal ve 1940. letech 60. století kanadský fyzik Philip Russell Wallace. Skutečný hmatatelný materiál však byl získán až o 2004 let později. Kdo objevil grafen? Jeho první vzorky získali vědci z Manchesterské univerzity, Andre Geim a Konstantin Novoselov. V roce XNUMX jej izolovali z kusu grafitu pomocí lepicí pásky.
Tato metoda je jasně popsána na webu HowStuffWorks Science, který se zabývá vysvětlením vědeckých jevů:
- Na kus grafitu byl nalepen proužek lepicí pásky.
- Spolu s páskou byla odstraněna i vrstva grafitu.
- Páska byla poté přeložena napůl, což způsobilo rozdělení grafitových vloček na ní na dvě části.
Proces skládání lepicí pásky se opakoval 10–20krát. Při tomto procesu se grafitové vločky oddělovaly do stále tenčích vrstev, dokud nebyla izolována jediná atomová vrstva. V roce 2010 Andrej Geim a Konstantin Novoselov za tento objev obdrželi Nobelovu cenu za fyziku.
Složitá a drahá výroba
Mnoho vědců nevěřilo, že je možné oddělit jedinou vrstvu atomů grafenu. Podle fyzikálních zákonů jsou interakční síly mezi atomy tak velké, že by měly takovou tenkou vrstvu jednoduše rozdrtit. Grafen se však ukázal být vzácnou výjimkou.
V současné době jsou k dispozici následující metody pro získání grafenu:
- Metoda mechanického štěpení nebo odlupování vrstev grafitu. Touto metodou se získají velmi kvalitní vzorky grafenu, ale vyžaduje se přesná ruční práce ve vědeckých laboratorních podmínkách.
- Další metoda zahrnuje tepelné a chemické procesy, které jsou možné v průmyslové výrobě.
Druhá metoda se již používá k výrobě grafenu pro praktické využití. Jedná se o metrové desky drahého materiálu.
Extrémně hustá a zároveň flexibilní
Kde se grafen používá? Vlastnosti nového materiálu otevírají široké perspektivy pro jeho využití v elektronice, energetických a komunikačních sítích, při tvorbě nových kompozitních materiálů, v diagnostice a medicíně. Tyto jedinečné vlastnosti grafenu jsou popsány na webových stránkách projektu Cambridge Graphene Center s názvem Graphene Flagship. Staly se důvodem četných diskusí o tomto materiálu v různých oblastech.
Online vzdělávací web Study Mind poukazuje na extrémní hustotu grafenu. To je způsobeno mnoha vazbami mezi atomy uhlíku. Tyto vazby je obtížné překonat a vyžadují značné množství energie. Ultratenká vrstva atomů je 100 až 200krát pevnější než ocel. Zároveň je grafen velmi ohebný. Jeho vrstvu lze natáhnout o 10 % a poté obnovit. Lze jej také ohnout bez poškození.
Tyto vlastnosti jsou slibné při tvorbě flexibilních nebo rolovacích obrazovek, dotykových panelů, různých čipů, kvalitnějších prvků v konstrukci automobilů, letadel, kosmických lodí. Je známo, že 1 g grafenového prášku přidaný k 5 kg cementu zvyšuje jeho pevnost o 35 %.
Nejtenčí, nejlehčí a nejprůhlednější materiál
Časopis o řízení rizik Mapfre Global Risks označuje grafen za nejtenčí materiál, jaký kdy člověk vytvořil. Grafen je milionkrát tenčí než list papíru. Je to také nejlehčí materiál. Grafen o rozměrech 1 m² váží pouhých 0,77 miligramů. Takové vlastnosti jsou slibné pro tvorbu nových kompozitních materiálů. Přidáním grafenu se získají materiály s výjimečnou tuhostí a odolností, aniž by se zvýšila jejich hmotnost.
Grafen je téměř průhledný: jeho průhlednost je 97 %, tj. zadržuje pouze 2–3 % světla. Tato vlastnost je velmi důležitá při výrobě fotobuněk, LED lamp, flexibilních obrazovek, dotykových panelů a různých senzorů.
Má supravodivost
Server HowStuffWorks Science uvádí, že grafen vede elektřinu lépe než jakýkoli jiný známý materiál. Bylo také zjištěno, že za určitých podmínek má jedinečnou supravodivost. Pokud se dvě vrstvy grafenu otočí o 1,1° v opačných směrech, povedou elektřinu prakticky bez odporu.
Tuto vlastnost lze využít k vytvoření rychlejších tranzistorů, protože frekvence elektromagnetických signálů se výrazně zvyšuje. To otevírá ještě větší perspektivy pro výrobu baterií. S grafenem se mohou nabíjet rychleji a vydrží déle, což zvyšuje autonomii elektronických zařízení.
Vysoká vodivost grafenu ovlivní životnost baterií, která by se mohla prodloužit o 10 let. V kombinaci s lehkostí grafenu to otevírá možnost vývoje pokročilejších baterií pro drony.
Netoxický a bezpečný
Grafen je netoxický a nepatří mezi nebezpečné látky, skládá se z jedné z nejběžnějších látek v přírodě – uhlíku, tedy je šetrný k životnímu prostředí. Jedinečné vlastnosti grafenu doplňují jeho antimikrobiální vlastnosti. To pomůže vyřešit lékařský problém spojený se závislostí bakterií na antibiotikách.
Grafen má vysokou biokompatibilitu a rozpustnost, což je nezbytné pro nosiče léčiv. Jako biosenzor může být použit pro čipy v krevním řečišti a monitorování lidského zdraví. Grafen otevírá nové možnosti v diagnostice a terapii, zejména pro ničení rakovinných bujení.
Grafen je jeden z nejfuturističtějších materiálů. Jeho reálné využití se teprve začalo a možnosti tohoto materiálu jsou stále předmětem výzkumu.
Našli jste v publikaci chybu? Dejte nám vědět.
Grafen je jedním z nejslibnějších materiálů objevených v posledních desetiletích. Jde o monatomickou vrstvu uhlíku, která má neuvěřitelné vlastnosti, jako je vysoká pevnost, jedinečná vodivost tepla a elektřiny. V tomto článku se podíváme na základní vlastnosti grafenu a jeho potenciální budoucí aplikace.
Zveřejněno Hi-Tech Mail
Co je grafen a proč je jedinečný
Grafen je monoatomická vrstva uhlíku, která je dvourozměrným materiálem s hexagonální krystalovou strukturou. Je milionkrát tenčí než lidský vlas a 200krát pevnější než ocel (samozřejmě, pokud srovnáte ocel stejné tloušťky), má nejlepší tepelnou a elektrickou vodivost ze všech známých materiálů a za určitých podmínek může být dokonce lehčí. než vzduch.
Díky těmto vlastnostem je použitelný pro širokou škálu aplikací, včetně elektroniky, energetiky, lékařství, dopravy a mnoha dalších oborů.
Kdo objevil grafen
Grafen objevili v roce 2004 britští vědci ruského původu Andrei Geim a Konstantin Novoselov. Při práci na univerzitě v Manchesteru studovali vlastnosti uhlíkových materiálů včetně grafitu. Experimentováním s grafitem se jim podařilo izolovat monatomickou vrstvu uhlíku, která se nazývala grafen. Zajímavé je, že při své práci použili obyčejnou pásku, která umožnila oddělit vrstvu grafitu o tloušťce jednoho atomu uhlíku. Výsledky výzkumu byly publikovány v časopise Science. Geim a Novoselov získali za svou práci mnoho vědeckých ocenění, včetně Nobelovy ceny za fyziku v roce 2010.
Je grafen bezpečný?
Grafen je vyroben z uhlíku, přírodního prvku, který nemá žádné toxické vlastnosti. Vzhledem k tomu, že se však jedná o relativně nový materiál, vlastnosti grafenu a jeho účinky na člověka je třeba teprve dlouhodobě studovat. V současné době existují studie, které jednak prokazují bezpečnost grafenu a jednak vedou k jiným závěrům. Zejména oxid grafenu představuje určité nebezpečí, například byste se měli vyhnout tomu, aby se dostal do plic.
Při práci s grafenem je navíc nutné dodržovat příslušná bezpečnostní opatření. Jakýkoli materiál se může stát nebezpečným, pokud je používán nesprávným nebo neodborným způsobem.
Neobvyklé vlastnosti grafenu
Materiál má jedinečné vlastnosti, díky kterým je užitečný pro vytváření různých zařízení a technologií. Mezi jeho hlavní přednosti patří vysoká pevnost, elektrická vodivost, tepelná vodivost a průhlednost.
- Vysoká síla. Jedná se o tenký a odolný materiál, který vydrží působivou váhu, aniž by se zlomil. Jeho pevnost v tahu je 55 N m−1. Například grafenová houpací síť o ploše 1 metr čtvereční unese kočku vážící 4 kilogramy, zatímco houpací síť bude prakticky neviditelná.
- Vysoká elektrická vodivost. V tomto ukazateli předčí například měď. Navíc mobilita nosičů náboje v grafenu je vyšší než v křemíku. To je užitečné pro vytváření elektronických zařízení.
- Vysoká tepelná vodivost. Materiál dokáže přenášet teplo velmi rychle a efektivně (10x lépe než měď), díky čemuž je užitečný pro vytváření chladičů a zařízení pro řízení teploty, jako je tepelná pasta nebo chlazení pro CPU počítače.
- Průhlednost. Takto tenký materiál je špatně vidět a pohltí 2,3 % dopadajícího světla, takže je prakticky průhledný.
- Flexibilita. Dá se ohýbat do různých tvarů bez ztráty svých vlastností. V kombinaci s elektrickou vodivostí a průhledností lze materiál použít například k vytvoření flexibilní elektroniky.
Kde se již grafen používá?
Nový materiál se již používá v různých oblastech a někdy najde zcela nečekané uplatnění: od výroby lehčích a pevnějších tenisových raket až po použití v oděvech, k napájení externích LED diod a solárních panelů.
- Elektronika. V prodeji můžete najít širokou škálu elektronických produktů. Kanadská společnost Ora Graphene Audio tak vydala grafenová sluchátka. Vzhledem k tomu, že materiál dobře vede teplo, nachází se v chladicích systémech pro chytré telefony a přidává se i do teplovodivé pasty. Jednou z populárních oblastí jsou dnes baterie. Existují dokonce i grafenové žárovky, které jsou ekonomičtější a odolnější než jejich LED protějšky.
- Medicína. Využití tohoto inovativního materiálu v medicíně je široké: od nejjednodušších produktů, jako jsou lékařské masky, až po náramky pro sledování a boj s cukrovkou a jako prostředek pro dodávání léků do rakovinných buněk.
- Doprava Materiál lze použít k vytvoření lehkých, pevných a flexibilních materiálů pro letectví a automobilové aplikace. Například v roce 2018 bylo představeno první bezpilotní letadlo na světě s grafenovým povlakem. A běžní občané si už mohou koupit pneumatiky na kola s grafenem, nástřikem na ochranu karoserie a aditivem do motorového oleje.
- Ochrana. Díky své vysoké pevnosti se tento materiál používá k vytváření ochranných povlaků: neprůstřelné vesty, helmy, pancéřování pro vybavení atd. Čínský útočný vrtulník Z-10 tak dostal grafenové brnění a thajská armáda nakupuje inovativní neprůstřelné vesty na ochranu vojáků.
Kde se dá grafen v budoucnu využít?
Tento materiál lze použít k vytvoření nových technologií a produktů. Zkoumají ji vědci z různých zemí a zajímají se o ni velké společnosti jako Airbus, Samsung, IBM a mnoho dalších. Níže jsou uvedeny pouze některé z možných budoucích aplikací materiálu a jeho potenciál může být dále zkoumán prostřednictvím výzkumu a vývoje.
- Kvantové počítání. Vytvořit kvantové počítače, které budou pracovat mnohem rychleji a efektivněji než moderní počítače. Zejména finští vědci vyvinuli bolometr (přístroj pro měření energetického stavu qubitů) na bázi grafenu, který má rekordní citlivost, což může výrazně snížit spotřebu energie kvantových počítačů a učinit je kompaktnějšími.
- Robotika. Výroba flexibilních a odolných materiálů pro roboty, které se budou moci pohybovat a přizpůsobovat různým podmínkám. Indičtí vědci mluví například o samoopravné kůži pro androidy a v Austrálii vyvinuli grafenový biosenzor, který umožňuje ovládat roboty.
- Vesmírný výzkum. Výroba lehkých a odolných materiálů pro kosmické lodě, vesmírné stanice a družice. V Číně tak vědci navrhli pohyb ve vesmíru pomocí solárních plachet vyrobených z grafenu a grafenové brnění by mohlo chránit kosmické lodě před mikrometeority.
- Ekologie. Grafenové filtry lze použít k čištění vody a vzduchu a také k vytvoření účinnějších a ekologičtějších zdrojů energie. Může být také použit v jaderných elektrárnách ke zvýšení účinnosti a snížení škodlivých emisí oxidu uhličitého.
Proč grafen stále není široce používán
Přestože má tento materiál obrovský potenciál v mnoha oblastech, jeho použití v průmyslovém měřítku je stále omezeno technologickými problémy a vysokými výrobními náklady. Od roku 2020 byly náklady na tunu grafenu až 200 000 dolarů, vědci však neustále nacházejí nové způsoby výroby, například pomocí odpadů obsahujících uhlík jako suroviny k výrobě grafenu, což snižuje náklady. Některé nápady však přicházejí zcela náhodou.
Pro průmyslové využití grafenu je nutné provést další výzkum a testování, investovat čas a peníze, takže nepočítejte s tím, že všechny velké společnosti budou moci spustit výrobu přes noc. Například Ford začal studovat grafen v roce 2014 v roce 2022, společnost jej používá ve výrobě, používá jej jako přísadu do polyuretanové pěny, která se používá k ošetření karoserií automobilů za účelem snížení hluku a vibrací. Výzkum berou vážně i další velké společnosti, jako je chemický gigant BASF nebo jihokorejský výrobce elektroniky LG.
Grafen se tedy dříve nebo později začne masově používat, ale nemůže se tak stát okamžitě.
Co ještě číst a sledovat o grafenu
- „Prehistorie grafenu“ je článek na webu For Science, který popisuje historii objevu a vývoje myšlenek o dvourozměrných materiálech ve fyzice.
- „Metody pro výrobu grafenu“ je článek na webu Rusgrafen, ruské společnosti, která zahájila výrobu CVD grafenu.
- „The Essential Element of Life“ je video na kanálu Droider, které hovoří o uhlíku a dalších materiálech na bázi uhlíku.
- Grafen – co to je? — Článek v angličtině na webových stránkách společnosti Graphenea, jedné z předních společností vyrábějících grafen.
Toto je také zajímavé:
- Kdo jsou humanoidi
- Interakce softwarových systémů
- Unikátní dalekohledy: jak Čína začíná pátrat po mimozemském životě
