Supertenký grafén je vyrábaný z uhlíka, ktorý je základným stavebným prvkom všetkých organických zlúčenín. Je tvorený priehľadnou rovinnou sieťou jedinej vrstvy atómov uhlíka usporiadaných do tvaru šesťuholníka. V prírode sa bežne nevyskytuje, získava sa z grafitu.
O jednovrstvovej forme uhlíka boli vedené diskusie už v roku 1962, ale prvého výrobného návrhu sa zhostili až Andre Geim s kolegom Konštantínom Novoselovom (pôsobiaci na Manchesterskej univerzite) v roku 2004. Na obyčajnú lepiacu pásku odtlačili grafit (tuhu ceruzky) a následným opakovaným odlepovaním a prilepovaním získavali čím ďalej tenšie vrstvy grafitu. Izolovali tak vločky grafénu, za čo v roku 2010 obdržali Nobelovu cenu.
Význam objavu grafénu sa nedá zmerať. Odborníci v ňom hľadajú dokonca vyšší potenciál než aký majú prvky ako germánium a kremík. Je dvestokrát pevnejší ako oceľ, pritom je transparentný, extrémne ľahký a flexibilný (rozťažnosť má až 25 %). Výborne vedie elektrinu a teplo – ponúka minimálnu rezistivitu (merný tepelný odpor) na úrovni 1 µΩ*cm pri izbovej teplote – elektróny sa ním šíria rýchlosťou 200 tisíc cm²/(Vs) (na porovnanie: u kremíku, ktorý sa používa aj k výrobe čipov, elektróny dosahujú pohyblivosť asi 1 400 cm²/(Vs)). Za určitých podmienok dosahuje až supravodivých vlastností. Je možné ho preto využiť aj v elektronických obvodoch rôznych prístrojov alebo v solárnych článkoch. Vďaka svojej minimálnej hrúbke a vysokej priehľadnosti nájde možno uplatnenie v dotykových displejoch a pri tlači displejov na bežný kancelársky papier.
Prebiehajú tiež výskumy možného využitia grafénu ako aditíva antikoróznych náterov či kompozitných materiálov, ktoré by spevnil a výrazne znížil ich hmotnosť. Je možné grafén pridávať aj do plastov a rozmanitých konštrukčných materiálov, grafénom je možné vylepšiť aj vlastnosti polyvinylalkoholu (PVA), biokompatibilného polyméru používaného v medicínskych aplikáciách. Veľké očakávania majú tiež zástupcovia stavebného priemyslu, kde sa ako veľmi sľubný javí betón s prímesou grafénu. Nová forma uhlíka by mala tiež poslúžiť ako súčasť systémov skladovania energie, čidiel a pod.
Výroba
V malom meradle je výroba grafénu jednoduchá, ako dokázali aj Geim s Novoselovovom, ktorí si v laboratóriu vystačili s izolepou a rozpúšťadlom. Avšak zatiaľ nedošlo k objavu technológie, ktorá by pri vývoji a testovaní v malom meradle v laboratórnych podmienkach umožňila vyrábať grafén masovo a sériovo. Hoci výskum prebieha už bezmála dvadsať rokov, neboli doposiaľ predstavené efektívne a lacné spôsoby výroby grafénu bez nežiaducej enviromentálnej záťaže (pri výrobe väčšinou vzniká vodný odpad obsahujúci ekotoxické soli ťažkých kovov mangánu a chrómu, ktorých likvidácia zvyšuje výrobné náklady).
Grafén sa najčastejšie získava z vyťaženého grafitu, ale tiež z metánu (na skládkach alebo v oblastiach ťažby ropy), zo starých pneumatiká, z plastov aj z ďalších odpadových uhlíkatých materiálov. Aktuálne základné princípy priemyslovej výroby grafénu sú dva:
• Metóda „zdola nahor“, kedy sa uhlík naparuje na medené doštičky, čo je veľmi zložitý a technologicky náročný proces.
• Metóda syntézy „zhora nadol“, kedy dochádza k postupnému stenčovaniu východiskového materiálu v hrúbke niekoľkých vrstiev a to ideálne až na výšku jedného atómu uhlíku (na monovrstvu). Robí sa takzvaná interkalácia: vhodné látky sú vsunuté medzi vrstvy uhlíku, zahriate a premenené na plyn, ktorý od seba jednotlivé uhlíkové vrstvy odtrhne až dôjde k oxidatívnej exfoliácii. Pri tomto procese však občas vznikajú v graféne diery, čo zhoršuje kvalitu materiálu.
Skepticizmus však snáď nie je na mieste, pretože dopyt po tejto nádejnej surovine stále stúpa, s čím ide ruka v ruke aj rozširujúca sa medzinárodná sieť výskumných centier, ktoré sa grafenovými technológiami zaoberajú a s tým súvisiace následné zvyšovanie dostupnosti materiálu a jeho rýchle zlacňovanie. Zatiaľ čo na začiatku sa cena grafénu pohybovala v hodnotách desaťtisícov dolárov za gram, už teraz je na hodnote okolo sto dolárov/gram.
Výber z doterajších publikovaných štúdií
Jedno z riešení výroby grafénu prináša výskum Jamesa Toura a jeho kolegov z americkej Rice University. Tí tvrdia, že vedia získať vločky grafénu rýchlo a lacno z akéhokoľvek uhlíkového materiálu. Výsledný produkt, ktorý vzniká bleskovým zahriatím vstupného materiálu (napríklad uhlia, ale tiež zvyškov jedla, zvyškov po spracovaní ropy či dreva, plastového odpadu alebo ojazdených pneumatík) na extrémnu teplotu cca 2 730 °C počas 10 ms, nazvali ako „bleskový grafén“ (anglicky flash graphene). Pri tomto procese sa neuvoľňuje žiadny plyn obsahujúci uhlík ani príliš tepla. Výskumníci z Houstonu tento objav navyše nedávno ešte rozvinuli – predstavili metódu výroby grafénu z odpadu vzniknutého pri recyklácii plastov (uhlíkaté monoméry a ďalšie jednoduché uhlíkaté látky).
Úspechy hlásia aj na univerzite v Kansase, kde na výrobu grafénu používajú iba kyslík, plynný uhľovodík napr. propán a zapaľovaciu sviečku. Ďalej na University of Connecticut, vyprodukovali čistú formu grafénu (nie oxid, ako je často bežné), vďaka čomu vyniknú unikátne mechanické, tepelné a elektrické vlastnosti materiálu. Výrobou grafénu sa zaoberajú aj veľké technologické koncerny, ktoré stále pribúdajú…
Výskum prebieha aj na európskej pôde. Zúčastňuje sa ho tiež britská spoločnosť Levidian Nanosystems, ktorá nedávno vyvinula zariadenie (tzv. LOOP), ktoré pomocou plazmovej technológie (patentovaný nízkoteplotný a nízkotlakový proces štiepenia bez potreby katalyzátorov či prísad) rozdeľuje metán na základné atómy: uhlík viazaný na vysoko kvalitný grafén produkt) a vodík, ktorý bude môcť byť ako žiadaný vedľajší produkt ponúkaný za veľmi výhodnú cenu.
Grafén v stavebníctve
Grafén sa skúma tiež v súvislosti so zlepšovaním mechanických parametrov stavebných konštrukcii a materiálov. Odborníci dúfajú predovšetkým v optimalizáciu vlastností betónu, ktorých je možné dosiahnuť použitím povlaku grafénu alebo dokonca jeho priamym pridávaním do zmesí. Touto oblasťou sa zaoberajú napríklad štúdie publikované v časopise Journal of Building Engineering, ktorý skúma ochranný účinok grafénoxidu na betón a jeho schopnosť brániť vode a ióntom prenikať hlbšie do štruktúry betónovej konštrukcie. Bolo zistené, že deväťmiligramové nanopovlaky oxidu grafénu znižujú objemový a kapilárny príjem vody približne o 40, respektíve 57 percent.
Mnoho výskumov takisto preukázalo, že oxid grafénu, ak je pridaný do zmesi, môže zvyšovať odolnosť betónu aj jeho mechanickú pevnosť. V nanotechnologickom časopise AzoBuild bol zverejnený výsledok bádania zameraného na prímes oxidu grafénu v betónových kompozitoch s prírodným jemným a hrubým kamenivom. Bolo zistené, že oxid grafénu ako súčasť zmesi môže síce znížiť spracovateľnosť betónu, ale tiež zvýšiť jeho pevnosť v tlaku (o 21 až 55 percent) a v ťahu (o 16 až 38 percent).
Podobne zameraný je aj výskum spoločnosti Graphitene. Tá sa zameriava na tepelne vodivé cementové škárovacie materiály obsahujúce grafén (určené pre geotermálne vrty) rovnako ako na cementy s grafénovými prísadami. Venuje sa tiež vylepšovaniu asfaltu s grafénom, ktorý by mohol tvoriť a) tepelne odolnejšie a trvanlivé cesty s lepším spätným creepom (čiže elastickým zotavením) a zníženým praskaním alebo b) ohňovzdorné asfaltové strešné materiály.
Snahy o vytvorenie nového typu betónu sú zjavné aj v britskej University of Exeter. Tamojší tím vedcov vyvinul techniku na suspendovanie (rozptýlenie) grafénových vločiek vo vode. Vzniknutá zmes je pridaná k tradičným prísadám – cementu a plnivu a to v počiatočnej fáze výroby betónu. Je tak dosiahnuté zmien jeho chemického zloženia na nanoskopickej úrovni aj obmeny vlastností. V porovnaní s bežným betónom má zvýšenú či už pevnosť v tlaku (o 146 percent), tak pevnosť v ohybe (o 79,5 percent), pričom odolnosť voči vode je o 400 percent. Celý proces výroby takzvaného grafetónu je údajne plne kompatibilný s klasickou technológiou výroby betónu, finančne nenákladný, zvládnuteľný aj v priemyselnom meradle a v súlade s britskými aj európskymi stavebnými normami. Grafetónu je navyše na stavbe potrebného menej ako bežného betónu, oproti ktorému je aj podstatne trvanlivejší. Výborne odoláva aj priesakom vody a možno ho preto využiť napríklad pri výstavbe v záplavových oblastiach či ako súčasť konštrukcií spodných častí stavieb a problematických častí výškových budov.
Grafén do betónových zmesí pridávajú aj na Manchesterskej univerzite, kde prebieha výskum v spolupráci so stavebnou spoločnosťou Nationwide Engineering. Konkreten, ako ho autori štúdie nazývajú, bol dokonca už použitý aj na reálnej stavbe – bola z neho sformovaná základová doska telocvične situovanej neďaleko juhoanglického Stonehenge. Inžinieri najskôr primiešali malé množstvo grafénu do vody a cementu, načo ho spojili so zvyšnými prímesami. Popísaný spôsob výroby umožňuje pridávať grafén do zmesí priamo v betonárni. Telocvičňa teraz funguje ako laboratórium a má poskytnúť cenné dáta o fungovaní materiálu v skutočných podmienkach v priebehu času. Už teraz je zrejmé, že konštrukcia vykazuje o 30 percent vyššiu pevnosť než štandardný betón.
České zelené grafenoidy
O efektívny spôsob výroby grafénu sa pokúšajú aj Česi, konkrétne tím docenta Pavla Pazderu z Ústavu chémie Prírodovedeckej fakulty Masarykovej univerzity, ktorý predstavil riešenie výroby grafénu lacno a bez negatívnych dopadov na životné prostredie. Tunajší výskumníci majú patentovaný proces odohrávajúci sa v kyseline octovej, pričom jeho postupným zlepšovaním dosiahli to, že pri ňom ako vedľajší odpad vzniká iba voda a chlorid sodný (prípadne iba voda). Všetko je vedené v režime utajovaného know-how, Pazdera však prezradil, že pri práci používajú iba bežné oxidačné činidlá či katalyzátory. Majú navyše už navrhnutú plne automatizovanú výrobnú linku, ktorú treba ešte zostrojiť a otestovať. Ako aplikačné možnosti spomínajú oblasť materiálových vlastností alebo sorpčné a desorpčné procesy. Aktuálne hľadajú metódu, ako lístočky grafénu, ktoré sú v materiáli prirodzene rozmiestnené náhodne, vhodne zorientovať. Ak sa im to podarí, získajú špičkový a relatívne lacný produkt.
Zvýšená efektivita využitia solárnej energie
K najoceňovanejším vlastnostiam grafénu patria tie termoelektrické. Vedci z Massachusettského technologického inštitútu (MIT) došli k zisteniu, že pri osvietení grafénovej vrstvy dochádza k rozdielu teplôt, vďaka čomu vzniká prúd. Jedná sa o vzácny jav nazývaný hot carrier, ktorý bolo doposiaľ možné pozorovať iba u niektorých materiálov pri teplote blízkej absolútnej nule. V prípade grafénu sa to však deje aj pri bežnej izbovej teplote, pričom k danému úkazu dochádza aj pri slabom osvetlení (rôznych frekvenciách). Na porovnanie: kremíkové fotovoltaické články reagujú iba pri obmedzených frekvenciách elektromagnetického žiarenia a ich účinnosť (schopnosť premeny energie) je tak pomerne malá. Grafén je teda schopný produkovať elektrickú energiu zo svetla a to lacno.
Revolučný je aj nápad využiť grafén ako materiál do 3D tlačiarní, ktoré by tak mohli tlačiť konštrukčné diely pevnejšie než oceľ. V budúcnosti tak bude zrejme dochádzať k vzniku menších digitálnych manufaktúr, ktoré postupne vytlačia doposiaľ bežné oceliarske alebo železiarske prevádzky.
Spoločnosti CMG a Bosch spolupracujú tiež na vývoji grafénových batérií (aplikovateľných aj v elektromobiloch) a hlási vynikajúce výsledky. Ich akumulátory s elektródami z hliníku a grafénu sa údajne nabíjajú až šesťdesiatkrát rýchlejšie než líthiové batérie, pričom nemajú obmedzenie maximálneho vybíjacieho prúdu. Na trh by mali byť uvedené už v roku 2024.
Vo svete materiálového inžinierstva si získava pozornosť tiež uhlíková štruktúra nazývaná grafyn. Väzby medzi jeho uhlíkovými atómami sú zložitejšie než u grafénu, vďaka čomu bude možné využiť ho v extrémne drobných elektronických zariadeniach. V časopise Nature Synthesis bol zverejnený postup syntetizácie grafynu.
Na záver
Ako je vidieť, nové formy uhlíku, či už sú nazývané ako grafén, grafyn, či jeho produkty ako konkreten, grafetón a ďalšie, môžu v budúcnosti – blízkej aj vzdialenejšej – priniesť mnohé technologické vylepšenia a zjednodušenia. Grafén je sľubnou surovinou, ktorá snáď napomôže optimalizovať výrobu elektriny z obnoviteľných zdrojov, zjednoduší jej uskladnenie v batériách, zníži množstvo použitého materiálu na stavbách.. Popri svojom využití v stavebníctve či elektrotechnike nachádza navyše uplatnenie napríklad aj v lekárskej diagnostike (kalifornská firma Nanomedigal Diagnostics z neho vyrába senzory) alebo napríklad pri výrobe superľahkých cestných kolies (česká značka Festka vyrába v spolupráci so sušickým CompoTechom rámy, ktoré vážia iba 700 gramov). Je možné predpokladať, že nás s grafénom čaká ďalšia technologická revolúcia.
Zdroje:
• https://www.ctt.muni.cz/aktualne/interface/clanky-z-casopisu-interface/chemici-prisli-s-levnou-a-setrnou-metodou-vyroby-grafenu
• https://archiv.hn.cz/c1-65912290-budoucnost-patri-nanosvetu-pozadu-nejsou-ani-ceske-firmy
• https://www.e15.cz/magazin/grafen-zazracna-forma-uhliku-prekvapuje-709145
• https://www.nationwideengineering.co.uk/wp-content/uploads/Concretene-Graphene-Enhanced-Concrete.pdf
• https://www.eon.cz/byznys-energie/zazrak-jmenem-grafen/
• https://www.levidian.com/
• https://news.rice.edu/news/2022/graphene-gets-enhanced-flashing
• https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2352710218314335
• https://www.nature.com/articles/s44160-022-00068-7
• http://dspace.mit.edu/bitstream/handle/1721.1/98062/Hot-carrier.pdf;sequence=1
• https://adamson.ims.uconn.edu/research/
• https://www.k-state.edu/media/newsreleases/2022-03/graphene-hydrogen-research-leads-to-hydrograph.html
• https://www.graphitene.com/about-us/
• https://www.concrene.com/
• https://www.researchgate.net/publication/
• 324698627_Ultrahigh_Performance_Nanoengineered_Graphene-Concrete_Composites_for_Multifunctional_Applications
