Uhlík je úžasný prvek. Ponecháme-li stranou bezpočet sloučenin s uhlíkem, včetně ohromného množství organických látek, ještě zbývají alotropní formy samotného uhlíku. Do nedávna jsme si vystačili s grafitem, diamantem a řekněme amorfním uhlíkem, dneska už známe i „šesterečný diamant“ lonsdaleit, „bílý uhlík“ chaoit, grafyny, fullereny, karbyn a samozřejmě hvězdu moderních materiálů – grafen. Jak se ale zdá, s poznáváním možností uhlíku stále ještě nejsme u konce.
Jay Narayan ze Státní univezity Severní Karolíny a jeho tým vytvořili úplně novou formu pevného uhlíku. Říkají mu Q‑uhlík a je znatelně odlišný jak od grafitu, tak i od diamantu. Nikde v přírodě jsme Q‑uhlík zatím nepotkali a nejspíš ani nepotkáme. Podle Narayana by mohl být tak možná někde v jádru některých planet. Každopádně, na to, jak obvykle známe uhlík, je Q‑uhlík doopravdy zvláštní.
Za prvé, Q‑uhlík je feromagnetický, což jiné formy pevného uhlíku rozhodně nejsou. Je také tvrdší než samotný diamant, což je, jak jistě uznáte, skandální. Aby toho nebylo málo - když se na Q‑uhlík posvítí byť jen slabým elektromagnetickým zářením, tak světélkuje. A to také není k zahození. Podle Narayana je Q‑uhlík slibným materiálem pro celou řadu technologií, například pro vývoj nové generace elektronických displejů.
Jak takový Q-uhlík vyrobit? Naštěstí k tomu není bezpodmínečně nutné jádro planety. Na začátku je to chce nějaký substrát, což může být safír, sklo, nebo třeba plast. Substrát se pak potáhne amorfním uhlíkem, který nemá, na rozdíl od grafitu nebo diamantu, žádnou pravidelnou strukturu. Pak už jenom stačí do amorfního uhlíku vystřelit laserový pulsem, který trvá například 200 nanosekund. Během laserového pulsu se teplota zasaženého uhlíku zvýší na téměř 4 tisíce stupňů Celsia, a po vypnutí laseru se uhlík zase rychle ochladí.
Podstatné je, že tohle všechno probíhá v relativně normálních podmínkách, při tlaku jedné atmosféry. Jako v obývacím pokoji. Oproti stávající výrobě syntetických diamantů je to dost sympatická změna. Vlastně i pokud jde o teplotu, která je při výrobě diamantů z Q-uhlíku rovněž pokojová.
Výsledkem této vcelku prosté procedury je tenký film Q-uhlíku. Narayan a spol. přitom dovedou regulovat jeho tloušťku, která může být mezi 20 a 500 nanometry. Změnou substrátu a délky laserového pulsu lze také ovlivnit, jak dlouho bude uhlík chladnout. V některých režimech chladnutí se vědcům povedlo ve Q-uhlíku vytvořit krystaly, které důvěrně připomínají diamanty. Tyto krystaly jsou tvořené jediným krystalem a jsou tím pádem odolnější, než polykrystalické materiály.
Narayanův tým prý takhle dokáže vyrobit diamantové nanojehly nebo mikrojehly, nanotečky anebo tenké diamantové filmy. Takové věci by mohly najít využití v medicíně, průmyslové výrobě i v elektronice. Podstatné je, že je lze vyrobit v pokojové teplotě i tlaku, s laserem podobným těm, jaké se běžně používají například v očním lékařství. Očividně je to snadné, rychlé a laciné. Máme tu nový materiál, který už má na kontě nějaké patenty, a teď už je na materiálových vědcích po celém světě, aby důkladně prověřili, k čemu může být dobrý.
Video: 2014 North Carolina Award Winner for Science -- Dr. Jagdish (Jay) Narayan
Literatura
North Carolina State University 30. 11. 2015, Journal od Applied Physics online 30. 11. 2015, APL Materials 3: 100702, Wikipedia (Carbon).