Denník N

Vedci odomkli supravodivosť, skrytú vlastnosť grafénu

Foto – Unibas.ch
Foto – Unibas.ch

Vedci vyvolali v graféne supravodivosť, čiže vedenie elektrického prúdu bez odporu. Zoznam jeho možných aplikácií sa tak opäť rozrastie.

V roku 1884 napísal anglický riaditeľ školy Edwin Abbott knihu Flatland (Plochozem, nepliesť s Pratchettovou Plochozemou).

Kniha opisuje príbeh odohrávajúci sa vo svete, ktorý má len dva rozmery. Dá sa chodiť doľava, doprava, dopredu aj dozadu, no nie hore ani dole. Ubrať svetu jeden rozmer má drastické dôsledky: organizmy napríklad nemôžu mať tráviacu sústavu. Skúste si to nakresliť (všetko z Flatlandu sa dá nakresliť na papier). Ak postavičke pri pohľade zboku nakreslíte ústa, hltan, žalúdok, rozdelíte ju na dve časti.

Samozrejme, ide len o zábavnú fikciu. No existuje materiál, ktorý posledné roky púta obrovskú pozornosť a ktorý ako keby pochádzal priamo z Flatlandu: ide o grafén, čiže dvojrozmernú uhlíkovú vrstvu.

Supravodivosť

Jeho význam pre Denník N opísal aj vedec Martin Hegner z Univerzity v Dubline. Podľa neho „ten, kto posledné roky neprežil v jaskyni odrezaný od sveta, vie, že grafén a jeho deriváty patria medzi veľmi obľúbené materiály so širokým spektrom uplatnenia“.

Grafénu, aj keď sa dá použiť rôznym spôsobom, chýbala jedna vlastnosť. Ide o supravodivosť, čiže vedenie elektrického prúdu bez odporu. To však platilo iba do minulého štvrtka, keď nanovedci z Univerzity v Cambridgei s kolegami uverejnili v časopise Nature Communications štúdiu, v ktorej túto vlastnosť grafénu po prvý raz opísali.

Materiál ako z iného sveta

Grafén je planárna dvojrozmerná štruktúra tvorená vzájomne poprepájanými atómami uhlíka. Usporiadané sú do šesťuholníkových štruktúr podobných včelím plástom. Grafén je miliónkrát tenší než papier, silnejší než diamant a vodivejší než meď.

V roku 2010 bola za jeho prípravu udelená Nobelova cena za fyziku (Andremu Geimovi a Konstantinovi Novoselovovi). Ide o peknú úkažku toho, že aj na špičkovú vedu stačí niekedy málo. Andre Geim a Konstantin Novoselov získali grafén tak, že lepiacou páskou odlúpli jednu vrstvu atómov z grafitu, teda ceruzkovej tuhy. Neskôr ho stabilizovali na povrchu kremíka.

Grafén má mnohé výnimočné vlastnosti. Je 200-krát pevnejší než oceľ a výborne vedie teplo aj elektrinu. Jeho potenciálne aplikácie majú vlastné (veľmi rozsiahle) heslo na Wikipédii.

V budúcnosti budeme pomocou grafénu napríklad merať množstvo glukózy v krvi, filtrovať vodu, liečiť zubné kazy, vyrábať superpevné (no stále ľahké) materiály, tenké žiarovky, alebo vysoko efektívne solárne články. Grafén je ako materiál z iného sveta.

Spájanie materiálov

Jedna z vlastností, ktorá grafénu pri bežných podmienkach chýba, je supravodivosť, čiže vedenia prúdu bez odporu. Odpor spôsobuje, že sa časť energie mení na teplo, a to nechceme. Spomeňte si na staré žiarovky: chceli sme, aby svietili, no ony aj hriali.

Supravodivosť sa darí dosiahnuť len pri veľmi nízkych teplotách, súčasný rekord je –70 ˚C (aj to len pri extrémne vysokom tlaku). Jednou z výziev modernej fyzike je nájsť materiál, ktorý je supravodivý aj pri izbovej teplote. Vedcom sa podarilo ukázať, že grafén dokáže byť supravodivý, no tiež vyžaduje nízke teploty.

Napriek tomu je tento objav krokom vpred. To, že by mal byť grafén za istých podmienok supravodivý, sa predpokladalo už dlho, no nedarilo sa ho k tomu prinútiť. Podarilo sa to až vedcom z Univerzity v Cambridgei a ich kolegom. Ako to spravili? Tak, že vrstvu grafénu položili na iný supravodivý materiál, ktorý sa označuje PCCO (z angl. praseodymium cerium copper oxide).

Ťažkou úlohou bolo dokázať, že je supravodivý aj grafén, nielen kov pod ním. Aby toho nebolo málo, javí sa, že ide o novú formu supravodivosti, ktorá doteraz nebola pozorovaná (takzvané p-wave).

Už aj beztak úžasnému materiálu takto pribudla ďalšia významná vlastnosť. Zoznam jeho možných aplikácií sa preto naďalej rozrastá. Zdokonaľovanie technológií tlačí jeho ceny dole, a tak sa dá očakávať, že sa v dohľadnej budúcnosti stane úplne bežným, no stále výnimočným, materiálom.

Dostupné z doi: 10.1038/ncomms14024.

Teraz najčítanejšie