Denník N

Bórom obohatený grafén bude chrániť životné prostredie

Takto vyzerajú bórom obohatené grafénové nanostužky pod mikroskopom. Foto – Univerzita v Bazileji
Takto vyzerajú bórom obohatené grafénové nanostužky pod mikroskopom. Foto – Univerzita v Bazileji

Vedci z Univerzity v Bazileji pripravili úplne nový druh grafénu napustený atómami bóru. Slúžiť bude ako senzor pre oxidy dusíka v ovzduší. Boli sme sa pozrieť do ich laboratória.

Grafén predstavuje jeden z najsľubnejších materiálov s veľmi zaujímavými vlastnosťami. Svojou pevnosťou, odolnosťou, vodivosťou a antibakteriálnymi účinkami tvorí materiál budúcnosti, ktorý vylepší rôzne elektronické zariadenia.

Samotný grafén je plochou dvojrozmernou štruktúrou, ktorú tvoria atómy uhlíka. Na rozdiel od klasických polovodičov jeho elektronické vlastnosti spôsobujú, že v ňom neexistuje takzvané zakázané pásmo (energia medzi valenčným a vodivostným pásmom, kde sa elektróny nemôžu vyskytovať).

Dôsledkom toho neexistuje pre bežný grafén situácia, keď by sa vyskytoval vo „vypnutom“ stave. Lenže pre prípravu molekulárnych prepínačov pre čipy a počítače je možnosť zapnutia a vypnutia kľúčová.

Riešením tohto problému je rozstrihanie grafénu na úzke pásy – grafénové nanostužky.

Na ďalšiu úpravu vlastností tohto zakázaného pásu zvyknú vedci do štruktúry nanostužiek vkladať atómy iných prvkov ako nečistoty, napríklad dusík. Iné prvky, napríklad bór, neboli dosiaľ prebádané.

Bórom obohatený grafén

„Doteraz nebolo možné pripraviť bórom obohatený grafén, sme prví na svete. Tieto materiály totiž neboli dostatočne stabilné, najmä pre ich citlivosť na vzduch a vlhkosť,“ vysvetlil pre Denník N Shigeki Kawai, hlavný autor štúdie uverejnenej v Nature Communications.

„Ešte pred prípravou tohto materiálu sme vedeli, že bór by dokázal viazať oxidy dusíka. Rozhodli sme sa preto vyrobiť materiál pre plynný senzor, ktorý by tieto oxidy dokázal detegovať.“

Oxidy dusíka v ovzduší

Monitorovanie oxidov dusíka v ovzduší je veľmi dôležité, najmä z hľadiska ochrany životného prostredia. Dokážu totiž narúšať ozónovú vrstvu a spôsobujú smog, kyslé dažde a skleníkový efekt. Oxidy dusíka preto patria medzi najčastejšie monitorované zložky ovzdušia.

Z biologického hľadiska môžu oxidy dusíka prenikať hlboko do dýchacieho traktu a zhoršiť, prípade dokonca spôsobiť ochorenia ako astma či bronchitída. Ak tieto plyny zreagujú s ozónom, môžu vzniknúť nebezpečné mutácie v DNA.

Bórom obohatený grafén vedci pozorovali pomocou špeciálnych skenovacích mikroskopov, ktoré operujú pri veľmi nízkej teplote (len päť kelvinov, teda -268,15 °C) a v ultravysokom vákuu. Pomocou nich určili, že materiál obsahuje len necelých päť atómových percent bóru v porovnaní v uhlíkom. Aj napriek pomerne nízkemu množstvu bóru dokáže materiál adsorbovať oxidy dusíka s veľmi vysokou účinnosťou.

Dr. Kawai vo svojom laboratóriu pri skenovacom tunelovom mikroskope, na ktorom merali novopripravené grafénové nanostužky. FOTO - Martina Hestericová
Shigeki Kawai vo svojom laboratóriu pri skenovacom tunelovom mikroskope, na ktorom merali novopripravené grafénové nanostužky. Foto – Martina Hestericová

„Podľa mňa sa budú senzory na oxidy dusíka do pár rokov vyrábať priemyselne, práve s využitím nášho nového materiálu – bórom obohatených grafénových nanostužiek. Musíme len nájsť vhodnú spoluprácu,“ dodáva Shigeki Kawai.

Dostupné z doi:10.1038/ncomms9098 a tlačovej správy Univerzity v Bazileji

Veda

Teraz najčítanejšie