Zvětšit obrázek

Gejm a Novoselov - Андрей Гейм a Константин Новосёлов – před šesti lety získali první miniaturní šupinku grafenu, odhalili jeho překvapující vlastnosti a dnes patří mezi vědecké celebrity oceněné Nobelovkou.

Pojem grafen nevstoupil, ale před šesti lety vtrhl do vědy a vzápětí i do nových technologií jako kulový blesk a způsobil malou revoluci, jež se šíří jako lavina. První miniaturní plátek této stabilní monoatomární uhlíkové vrstvy se objevil na obyčejné izolepě v roce 2004. Letos Andrej Gejm a Kosťa Novoselov (Novosjolov) byli oceněni Nobelovou cenou nejen za netradiční a kreativní metodu, kterou ho z obyčejné tuhy získali, ale zejména za rozsáhlý výzkum jeho obdivuhodných vlastností. V nejnovějším čísle odborného časopisu Small vyšel článek, ve kterém oba čerství laureáti jsou v seznamu mezinárodního týmu autorů z Británie, Číny, Nizozemí, Polska a Ruska. Nejde sice o žádný převratný objev, ale výzkum další z mnoha modifikací grafenu. Nový materiál – fluorografen - by prý mohl zcela nahradit teflon a některými vlastnostmi ho i předčit.

Zvětšit obrázek

Chemicky mezi teflonem a fluorografenem není velký rozdíl. Ten první je řetězcem, ve kterém je každý uhlík vázán ke dvěma jiným uhlíkům a dvěma atomům fluoru. Ten druhý je monovrstvou, ve které se na každý uhlík napojují tři další atomy uhlíku a jeden fluor. I mnohé vlastnosti jsou podobné. Fluorografen se ale může nanášet v podstatně tenčí průhledné vrstvě.

Jednoatomární grafenovou vrstvu, ve které jsou atomy uhlíku uspořádány do pravidelných šestiúhelníků, není potřeba představovat. I slovo teflon zná každý, málokdo ale ví, že jde o polytetrafluorethylen. Srozumitelněji toto chemické zaklínadlo vypadá ve tvaru poly(tetra-fluor etylén) – tedy polymér etylénu (C₂H₄), ve kterém byly všechny čtyři vodíky nahrazeny atomy fluoru, takže jde o řetězení molekul C₂F₄ (obrázek vlevo). To osvětluje cestu k myšlence prozkoumat vlastně chemicky téměř identický materiál s jinou vnitřní strukturou - grafen nadopovaný atomy fluoru - fluorovaný grafen, neboli fluorografen. Na rozdíl od teflonu, v němž jsou na každém atomu uhlíku navázané dva atomy fluoru, ve fluorografenu je jenom jeden. Obrázek vpravo prozrazuje, jak se tím změní vnitřní struktura. Šestiúhelníky se v důsledku změny prostorového rozložení náboje deformují a celá vrstva se ve dvou planárních rozměrech scvrkne a tím zvětší svojí tloušťku. I když fluorografen ve schematickém znázornění vypadá jednoduše, cesta k jeho monovrstvě není snadná. Pokusy mechanicky ji oddělit z fluorovaného grafitu (tuhy), jenž se využívá například v bateriích nebo jako technické mazivo, často selhávaly. Vědcům se touto cestou podařilo získat jen několik vhodných, asi mikrometr velkých vzorků pro laboratorní testy fyzikálních vlastností. Mnohem perspektivnější je druhá odzkoušená cesta - fluorizace samotného grafenu pomocí fluoridu xenonatého (XeF₂) při teplotě 70 ^oC. Přesný popis přípravy uvádí odborný článek, který je do 5. prosince volně přístupný na stránce Wiley On-line Library.

Zvětšit obrázek

Struktura grafenu a fluorografenu – červená lomená čára vizualizuje mírnou prostorovou deformaci šestiúhelníku.

A jak laboratorní testy dopadly? Podle očekávání velmi nadějně. Grafen je vynikajícím vodičem elektrického proudu, nepoměrně lepším nežli měď nebo stříbro. Za tuto vlastnost vděčí povrchovým „oblakům“ elektronů po obou stranách dvojrozměrné monoatomární vrstvy. Atomy fluoru tento povlak elektronového plynu narušují a znemožňují přesun nábojů natolik, že z fluorografenu dělají za běžných podmínek vynikající elektroizolátor s povrchovým odporem (u dvojrozměrných krystalů se měří v Ohmech) větším než 10 bilionů Ohmů. Jeho hodnota ohřevem nad 200 ^oC klesá a při 350 ^oC se pohybuje okolo jedné miliardy Ohmů. Tepelná vodivost ale zůstává zachována, podobně jako mechanická pevnost, jež je v podstatě stejná jako u grafenu - Youngův modul pružnosti v tahu je 100 N/m. S teflonem podobná je vysoká chemická stabilita až do teploty asi 400 ^oC. Monovrstva fluorografenu je opticky průhledná pro celé spektrum záření až po fialový konec viditelného světla, kde od vlnové délky asi 413 nm níže (tedy od energie fotonů 3 eV a víc) začíná docházet k částečné absorpci. Fluorografen tak představuje nejtenčí možnou průhlednou, elektricky nevodivou a v širokém rozsahu tepelných a chemických podmínek stabilní, mechanicky odolnou vrstvu. Její praktické využití se bude odvíjet od toho, jak bude dobývat trh základní surovina - grafen. Je to spirála, ve které poptávka umožňuje i rozvoj grafenových výrobních technologií, jeho cenovou dostupnost a další výzkum. To pak vede k novým aplikacím a tedy i k dalšímu zvýšení poptávky.

Zdroje: Small , The University of Manchester