Na svůj výzkum nyní obdržel jeden milion korun jako Impuls od Nadačního fondu Neuron.
O grafenu vědci říkají, že je to nejpevnější známý materiál – z toho by se zdálo, že jeho pevnost už musíme znát. Tak proč ji měříte?
My nemáme změřené mechanické vlastnosti úplně přesně. Víme, že jde o nejpevnější materiál na světě. Ocel má pevnost „jen“ několik gigapascalů, u grafenu činí 200 až 300 gigapascalů. Ovšem zatím není tato hodnota zcela ověřená, protože se pevnost grafenu určuje nepříliš přesnou metodou.
Otakar FrankDoktor Frank (*1977) absolvoval Přírodovědeckou fakultu Univerzity Karlovy, kde v roce 2005 obhájil titul Ph.D. Jako postdoktorand pracoval v Ústavu chemického inženýrství a vysokoteplotních procesů v Patrasu v Řecku, od roku 2010 působí jako vědecký asistent v Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského Aakademie věd ČR. Zaměřuje se na výzkum uhlíkatých nanomateriálů a materiálům pro uchování a konverzi energie. |
Grafen se při ní položí na podložku s otvorem o průměru několika mikrometrů, pak na toto místo tlačíme hrotem a sledujeme sílu nutnou k prohnutí membrány. Tento typ experimentu je sice relativně jednoduchý, ale má několik problémů. Hlavním nedostatkem je velká koncentrace působící síly v několika málo nanometrech pod hrotem v porovnání s mikrometrovou velikostí namáhané membrány. To má za následek špatně definovatelnou odezvu při větších deformacích. Získané výsledky jsou pak spíše přibližné.
Jak by měl vypadat ideální pokus?
Na membránu netlačit, ale natáhnout ji v rovině a změřit sílu nutnou k jejímu protažení. To se ovšem zatím nikomu nepovedlo.
V čem je potíž?
Okraje membrány není za co chytit, protože se trhají nebo vyklouzávají z uchycení. Hledám se svým týmem řešení tohoto problému. Grafen natahujeme na plastové podložce, měříme její průhyb a pak vypočítáme relativní protažení. Zároveň měříme vlastnosti grafenu. Teoreticky lze grafen protáhnout až o 20 procent, ale na podložce drží jen do protažení několika málo procent, pak sklouzává z podložky. Pro dosažení většího natažení pak s kolegy z Fyzikálního ústavu, ČVUT a Ústavu chemického inženýrství v řeckém Patrasu testujeme další cesty, například použít speciální podložky k velmi citlivému indentačnímu zařízení, které umožňují jemné natažení vzorku, a také zesílit uchycení grafenu.
Až se vám to podaří, co zjistíte?
Určíme pevnost mnohem přesněji než při měření hrotem. Pak bude možné vypočítat, jaké protažení grafen ještě vydrží. Budeme vědět, ve kterém směru se začne membrána trhat. Tato informace je poměrně důležitá k tomu, abychom mohli měnit elektronovou strukturu grafenu pomocí mechanické deformace.
Jak to bude užitečné?
Změnou elektronové struktury lze teoreticky otevřít tzv. zakázaný pás, tedy z grafenu, který je dokonalý vodič, udělat polovodič.
Dal by se pak grafen využívat v elektronice stejně masově jako křemík?
To byla jedna z myšlenek autorů efektivní a jednoduché přípravy grafenu, která jim otevřela cestu k Nobelově ceně za fyziku v roce 2010. Ale u jednovrstvého grafenu to pomocí mechanické deformace asi nepůjde, protože otevření zakázaného pásma nastává až v momentu, kdy se začne membrána trhat. Teoretická možnost existuje u dvouvrstvého grafenu, ale praktické ověření zatím chybí.
To vypadá na slepou uličku. Jaké vidíte řešení?
Kromě toho, že děláme pokusy se vzorky dvouvrstvého grafenu, experimentujeme také se sulfidy a selenidy molybdenu a wolframu. V rámci projektu pro Nadační fond Neuron chceme mechanickou deformací sulfidu molybdeničitého změnit elektronovou strukturu tohoto materiálu.
Nemáte při pokusech podobné problémy s uchycením okrajů jako u grafenu?
Ano, ale dají se zvládnout. Na horní a dolní vrstvě sulfidu molybdeničitého je síra, která dobře drží na zlatě. Takže místo plastové podložky použijeme zlatou. Sulfidy a selenidy zmíněných kovů jsou také mnohem vděčnější, protože stačí i malá deformace a energie zakázaného pásu se začne pohybovat nahoru, nebo dolů. Záleží na směru deformace. Díky tomu dokážeme změnit elektrické vlastnosti těchto materiálů. To může mít praktický význam. Například při vývoji nového typu solárních panelů, které by dokázaly využít energii z širšího spektra slunečních paprsků.
Jak směrem bude váš výzkum pokračovat?
Už umíme měnit elektronovou strukturu sulfidů a selenidů. Nyní pracujeme na konceptu energetického trychtýře, který má ale háček: mechanická deformace a tím i elektronová struktura našeho materiálu musí být plynule měněna z jednoho bodu vrstvy k druhému. Při řešení tohoto problému můžeme zkusit využít znalostí, které jsme získali z těch ne úplně ideálních experimentů. Takže indentace zavěšené membrány či různá přilnavost k různým povrchům jsou směry, které chceme při tvorbě energetického trychtýře zkoušet.
Zmínil jste velká očekávaní spojená s grafenem, jak je naplňuje?
Zatím spíše pomaleji, než se myslelo, ale to je asi běžné. Konkrétní aplikace už existují, ačkoli to nejsou ty z kategorie převratných. Další se blíží, ale dle zástupců průmyslu musíme napřed zvládnout velmi podstatnou věc – připravovat grafen ve velké ploše na v podstatě libovolné podložce. Ne na kovovém katalyzátoru tak jako nyní, protože tento grafen je pak nutné pro naprostou většinu aplikaci přesunout a tento proces zhoršuje vlastnosti grafenu, někdy dost výrazně.
Neptám se také moc brzy? Zvládnutí některých materiálů trvalo desetiletí...
Je pravda, že od objevu grafenu uplynulo teprve 12 let, což je na přechod od základního výzkumu do výroby opravdu málo. Rozhodující je zájem a podpora průmyslu. Ta je sice velká, ale i jejich momentální odhad je dalších 5-10 let, než půjdou na trhy opravdu zajímavé aplikace s grafenem.
A dá se to vůbec objektivně posuzovat, pokud nevidíme tak úplně do kuchyně velkých společností s velkým výzkumem typu Samsungu?
Nedá a raději se o to nepokouším. Navíc ani všechny zprávy z velkých kuchyní není možné brát za úplně stoprocentní. Příkladem je právě Samsung, který před pěti lety přišel s již v podstatě hotovým procesem na výrobu ohebných dotykových obrazovek na bázi grafenu, ale ty stále ještě na trhu nejsou. Příčin je několik, tou základní jsou problémy při přenosu a uchycení grafenu na plastovou podložku – vlastně se jedná o něco podobného, co řešíme v našich úlohách. Oni přišli s částečným řešením problému přenosu, které opravdu funguje, ale bylo a stále ještě je příliš drahé.
Musíme si uvědomit, že jde i o marketing, a kdo udělá něco zajímavého s grafenem, je více vidět, asi se zvedne cena akcií atd. Takže posuzovat zprávy výrobců je třeba vždy s opatrností - a podobné je to vlastně i s „čistě“ vědeckými články. Bohužel současný kvantitativní systém oceňování vědecké práce vede ke snižování její kvality. Při posuzování věrohodnosti zpráv je pak potřeba hlavně zkušenosti v oboru, zdravý rozum a potřebnou dávku skepse. Případně si postup uvedený v publikaci vyzkoušet.
Co další obdobné materiály, které jste zmínil? Které jsou dnes oblíbenými studijními předměty?
Je jich celá řada. K těm nejprozkoumanějším patří zmíněný sulfid molybdeničitý, což je polovodič s velkým potenciálem právě pro přeměnu a uchování energie. Dále například nitrid boru, který je perfektní izolant a počítá se s ním jako s ochranou „aktivních“ vrstev typu grafenu. Nebo vrstevnatý černý fosfor, což je polovodič s velmi slibnými elektronickými vlastnostmi, jehož problémem je malá stabilita na vzduchu, což ovšem můžeme řešit také nitridem boru.
Ale možná nejzajímavější je potenciál ve skládání těchto vrstev s velmi různými vlastnostmi, které se navzájem ovlivňují, a dávají vzniknout úplně novým funkčním materiálům. Zde jsou pak možnosti v podstatě nekonečné. Tím nejdůležitějším z hlediska aplikací bude opět naše schopnost ne tyto vrstvy na sebe manuálně skládat, ale přímo růst jednu na druhé.
Jak se tyhle sendviče zatím daří skládat v laboratoři? Předpokládám, že to nebude nic jednoduchého a problémy zmiňované v případě grafenu se vyskytují i v tomto případě, možná ještě výrazněji...
Samotné skládání extra velký problém není, ale jedná se opravdu jen o laboratorní sendviče. Postupů existuje více, ty jednodušší skládačky děláme i my, na přesnějších metodách nyní pracujeme. Dokonce i některé kombinace vrstev je možné přímo růst jednu na druhé, ale zatím ne univerzálně. Na to si ještě budeme muset počkat.
Informace: Rozhovor vznikl v produkci Nadačního fondu Neuron, byl redakčně upraven a doplněn.
