Svět, v němž žijeme, je trojrozměrný. Ale objev grafenu, nové strukturní formy uhlíku, otevřel vědcům i dvourozměrný svět nových materiálů. Do něj se ponořil i fyzikální chemik Michal Otyepka. Před pěti lety stál při objevu fluorografenu, s prestižním ERC grantem se teď chystá dál, „hlouběji proniknout do světa 2D materiálů, pochopit jeho chemická pravidla. A také předpovědět vlastnosti nových struktur, připravit je a také aplikovat v unikátních technologiích.“

Co si vlastně pod pojmem dvourozměrný svět materiálů představit?

Uhlíkové nanomateriály jsou totiž tak malé, že v našem trojrozměrném světě nemá smysl některé jejich dimenze brát v úvahu. U fullerenů nemluvíme o objemu, považujeme je za body, tedy dokonce bezrozměrný materiál, uhlíkové nanotrubičky považujeme za „vlákna“, čili formálně jednodimenzionální materiály a grafen se svou obrovskou plochou povrchu – gram grafenu by pokryl plochu hokejového hřiště -­ je dvourozměrný. Vědci ho proto označují jako 2D materiál.

Hypotetický hybridní materiál složený z fluorografenu a uhlíkové kvantová tečky s navázanou molekulou RNA . Autor Michal Otyepka

Hypotetický hybridní materiál složený z fluorografenu a uhlíkové kvantová tečky s navázanou molekulou RNA . Autor Michal Otyepka

Čeho chcete na tomto poli dosáhnout vy?

Máme vizi, že pochopíme pravidla chemie 2D materiálů, což nám umožní cíleně připravovat grafenové deriváty. Jinými slovy budeme schopni připravovat širokou rodinu chemických sourozenců grafenu, superfunkčních materiálů, možná s mnohem zajímavějšími vlastnostmi, než má grafen samotný. Bez zajímavosti není ani možnost zpětně vytvářet z grafenových derivátů trojrozměrné materiály s novými vlastnostmi.

Jako například?

Chtěli bychom těmto lehkým materiálům cíleně vtisknout několik žádoucích vlastností zároveň. Věříme, že budeme řídit jejich vodivost, elektronické a optické vlastnosti, magnetismus, rozpustnost v různých prostředích a podobně. Je jedno, jestli budou jednoho dne tyto nové materiály detekovat molekuly v lidském těle, toxické látky v životním prostředí nebo se budou využívat v katalytických či elektronických aplikacích, jestli utiší hlad po nových nekovových materiálech. Možných aplikací je nekonečně mnoho.

Před pěti lety jste už s jedním sourozencem přišel: ve vaší laboratoři se zrodil fluorografen. Jaké má vlastnosti?

Když ke každému uhlíkovému atomu navíc připojíme atom fluoru, vznikne fluorografen. Coby fluorovaný uhlovodík je podobný teflonu, jehož výborné povrchové vlastnosti všichni využíváme v kuchyni. Je ale také nejtenčím izolantem na světě. Nedávno jsme dokázali, že jej můžeme chemicky, za „něžných“ podmínek přeměnit a vytvořit řadu dalších grafenových derivátů s unikátními senzorickými, magnetickými i hydrofilními vlastnostmi.

V čem se fluorografen liší od grafenu?

Grafen je velmi lehký, pevný, mimořádně dobře vede elektřinu a teplo. Ale přeci jen má drobné nevýhody. Nemá příliš rád vodu, je velmi málo reaktivní a má nulovou šířku zakázaného pásu, tedy chová se trošku jako kov, což omezuje jeho využití v klasických elektronických zařízeních. Fluorografen je vynikající izolátor, ale dnes se ukazuje, že jeho nejzajímavější vlastností je jeho reaktivita. Z fluorografenu se podařilo připravit už několik grafenových derivátů. Například thiofluorografen je zajímavý elektrochemický senzor. U fluorografenů je fascinující, jak se jednotlivé vazby uhlík-fluor liší v závislosti na svém okolí. Toho lze využít při cílené náhradě atomů fluoru jinými funkčními skupinami, které pak materiálu vtiskávají nové vlastnosti. S tím si teď „hrajeme“.

Nové materiály: Fluorografen, na němž plave grafen. Žlutou barvou jsou zvýrazněny funkcionalizované uhlikové trubičky a fialově několik molekul fullerenu. Ilustrace Martin Pykal

Nové materiály: Fluorografen (zeleně), na němž plave grafen (fialově). Žlutou barvou jsou zvýrazněny funkcionalizované uhlikové trubičky a růžovou několik molekul fullerenu (v pozadí). Ilustrace Martin Pykal

Celý rozhovor s prof. Michalem Otyepkou z Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého a z Regionálního centra pokročilých technologií a materiálů v Olomouci si můžete přečíst v březnovém vydání časopisu Vesmír. Právě vychází.

 Titulní foto: Michal Otyepka, autor Viktor Čáp 

 

Print Friendly