Grafen – materiál, který může změnit celý svět

Vědci po celém světě svádějí boj o to, komu se podaří najít průmyslový způsob výroby a využití nového materiálu, který je pružný, ohebný, stokrát pevnější než ocel a má tloušťku jediné atomové vrstvy. Pokud budou úspěšní, grafen může změnit náš svět natolik převratným způsobem, jaký přinesl nástup plastů nebo dokonce i železa.

Grafen - slovo, které si zapamatujte

Nový materiál, který existuje teprve necelé desetiletí, může být stejně velkým příslibem, jakým byly v době svého objevu plasty, nebo by dokonce mohl mít schopnost přinést tak převratné změny, jako železo, které kdysi v pozici nejdůležitějšího kovu nahradilo bronz a umožnilo vytvoření nových civilizací.

Grafen byl objeven teprve nedávno, v roce 2004, a vědci, kterým se ho podařilo izolovat, získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 2010. Díky svým ohromujícím vlastnostem, uchvátil tento nanomateriál vědce, podnikatele i high-tech společnosti po celém světě.

Co to vlatně grafen je?

Ve své podstatě se jedná o uhlíkovou vrstvu tvořenou pouze jedinou atomovou rovinou. Odhaduje se, že 3 miliony takových jednoatomových vrstev grafenu složených na sebe, bude mít tloušťku zhruba 1 milimetr. Je ohebný a pružný, ale zároveň extrémně tvrdý, a je stokrát pevnější než ocel. Je vynikajícím elektrickým vodičem a jeho teplota tavení je více než 3000 stupňů Celsia.

Různá odvětví zpracovatelského průmyslu v současnosti pracují s některými velmi důmyslnými materiály, jako jsou titanové slitiny, monokrystalické materiály nebo uhlíková vlákna. Tyto materiály jsou předmětem nepřetržitého výzkumu, který má za cíl dosažení jejich vyšší tepelné odolnosti, flexibility a zlepšení řady dalších vlastností. Pokud grafen dokáže naplnit dřívější očekávání, může hladání těchto vlastností značnou měrou napomoci. Může otevřít cestu k mnohem lehčím, tenčím a pevnějším konstrukcím a potenciálně jej bude možné použít prakticky pro cokoliv, od superlehkých letadel až po závody na odsolování vody nebo hyperrychlé počítače.

Komerční využití grafenu

Výroba tohoto materiálu v jiném množství, než pro vědecké účely, zůstává stále velice drahá, a na trhu se až doposud neobjevily žádné komerční produkty. Soukromé společnosti i státy po celém světě investují stovky milionů dolarů do výzkumu. Evropská komise vytvořila pro grafen speciální projekt, na který poskytla více než 1 miliardu amerických dolarů, aby pomohla financovat deset let výzkumu a vývoje prováděného předními výzkumnými ústavy a velkými podniky v 17 zemích Evropy. (http://www.graphene-flagship.eu)

Časově náročný proces

Zavedení nových materiálů v hromadné výrobě může trvat celá desetiletí. Například vynález uhlíkových vláken pochází z doby před půl stoletím. Firma Rolls-Royce se v šedesátých letech snažila o využití uhlíkových vláken u lopatek kompresorů leteckých motorů, ale ukázalo se, že lopatky jsou citlivé na srážky s ptáky, a plány společnosti tím byly zhaceny.

Očekává se, že první, širšího komerčního využití schopné produkty vyrobené z grafenu, by se na trhu mohly objevit už v roce 2015. Může se jednat o elektronická zařízení značek IBM, Nokia nebo Samsung, které patří mezi společnosti soupeřící o to, komu se jako prvnímu podaří vstoupit s těmito produkty na trh. Pokud budou úspěšné, jednalo by se o příklad extrémně rychlého uvedení do praxe s velmi krátkou dobou mezi zásadním objevem a jeho uvedením na trh.

Vysoce odolné materiály:

Titanové slitiny jsou tvořeny směsí titanu a dalších chemických prvků. Jsou pevné, lehké a odolné proti korozi a působení vysokých teplot. Jejich výroba je drahá, což limituje jejich použití. Můžeme se s nimi setkat u součástí letadel, sportovních automobilů nebo vojenských zařízení a používají se také pro výrobu dentálních a ortopedických implantátů.

Monokrystalické materiály mají kontinuální a neporušenou krystalovou strukturu, ve které se nevyskytují žádné hranice zrn. Díky tomu, že neobsahují žádné poruchy, se mohou pochlubit jedinečnými vlastnostmi. Používají se pro výrobu polovodičů nebo laserových čidel pro kontrolu vysokopevných materiálů s nízkými hodnotami vysokoteplotního tečení (creepu), jako např. lopatek turbín.

Žárovzdorné a žárupevné slitiny (HRSA), jsou nejčastěji na bázi niklu, kobaltu nebo železa v kombinaci s niklem. Jsou pevné a odolné proti tečení, vyznačují se dobrou povrchovou stabilitou a jsou odolné proti korozi a oxidaci. Tyto materiály jsou také velice obtížně obrobitelné a používají se pro výrobu různých součástí leteckých motorů, včetně kompresoru, spalovacího systému a turbíny.

Grafen je ze všech zde uvedených materiálů nejtenčí, nejpevnější a nejodolnější proti působení vysokých teplot, ale možnosti jeho využití jsou zatím stále ve fázi laboratorního zkoumání. Jedná se o formu uhlíku tvořeného rovinnými jednoatomovými vrstvami. Jeho krystalová mřížka je, podobně jako včelí plástev, uspořádaná do tvaru šestiúhelníků. Prakticky všechna průmyslová odvětví doufají, že tento materiál radikálním způsobem změní užitné vlastnosti jimi vyráběných produktů.