Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Fenomén grafen

Proč mám psát právě o grafenu? Protože dostal Nobelovu cenu.
 |  7. 4. 2011
 |  Vesmír 90, 191, 2011/4

Zeptáme-li se Googla na kombinaci „graphene Nobel“, dostaneme přibližně 250 000 odpovědí. Tolikrát nějaká variace na naše motto přivedla dalšího autora, aby psal o grafenu. Udělení Nobelovy ceny má vždycky magický účinek a odměněnému tématu i laureátům dodává výjimečného postavení, v případě grafenu a nobelistů A. Geima a K. Novoselova však vyvolalo mimořádnou vlnu zájmu a sympatie v celém světě. Tři texty věnované grafenu v tomto čísle Vesmíru1) to aspoň zčásti objasňují. Jsou psány zdejšími autory, kteří se sami grafenem zabývají a s oběma nobelisty se setkali nebo s nimi dokonce mají pracovní kontakt. Ze všech tří článků dýchá jedno: radost z bádání, přesvědčení o jeho smyslu i vnitřní jistota a uspokojení z přímé účasti na cestě za novými objevy. Vypadá to, že rozhodnutí Nobelova komitétu pro fyziku bylo v roce 2010 zdařilé.

Jak vlastně probíhá výběr nobelovských laureátů? Zdá se mi, že se o tom u nás málo ví. Soudím tak i z toho, že Luděk Frank se mimo jiné zmiňuje, že jeho a ani jeho kolegy nenapadlo, že by „Kosťa“ Novoselov mohl aspirovat na Nobelovu cenu. Přitom ve světě si o tom vrabci povídali již pár let. Agentura Thomson Reuters, která mimo jiné vydává každoroční tabulky hodnocení univerzit celého světa, pravidelně zveřejňuje své tipy, kdo by mohl jako nobelista v daném roce přicházet v úvahu. Geim a Novoselov tam rozhodně byli uvedeni již v r. 2008. Cena za fyziku v tom roce nakonec připadla trojici Yoichiro Nambu, Makoto Kobayashi, Toshihide Maskawa - kterou agentura Thomson Reuters ani nevyslídila - za objevy týkající se spontánního narušení symetrie v subnukleární fyzice. Dost lidí z obecného publika bylo jaksi zklamáno a my si na tom můžeme ozřejmit problémy, před kterými Nobelův komitét stojí. Jsou to problémy z nadbytku. Každoročně se ve Stockholmu sejde mnoho návrhů a z nich několik bývá srovnatelně oprávněných a vhodných. Některé se opakují po více let – jejich navrhovatelé neumdlévají. A před komitétem vyvstávají dichotomické volby. První a nejvážnější rozštěp je mezi fyzikou směřující ke konečnému poznání podstaty hmoty a světa („teorie všeho“) a fyzikou mundánní, týkající se světa kolem nás, tedy například atomovou fyzikou, optikou anebo, jako v případě grafenu, fyzikou pevných látek - v dnešním žargonu kondenzovaných systémů. Skutečně, co je důležitější, objev spontánního narušení symetrie, které vysvětluje, populárně řečeno, čím to, že tu jsme,2) spolu s celým vesmírem (… kosmem!), jak ho známe, anebo objev a probádání nového nanoskopického systému, který slibuje jednou v budoucnosti být užitečný? Jen heslovitě uvádím dvě další vidličky pro rozhodování: „teoretická nebo experimentální práce“ a „retrospektivní uznání nebo nový objev“. To výběrová komise musí vyvažovat. V roce 2008 zvolila třikrát AAA, v roce 2010 třikrát BBB – a to jistě zvažovala mnoho dalších ohledů.

Bez hlubšího komentáře ještě upozorním na něco zcela nového ve spojení s Nobelovou cenou. Je to ruská diaspora, přesněji diaspora z Ruska, složená z nejlepších vědců bývalého SSSR. Tato diaspora významným způsobem ovlivnila a dále ovlivňuje fyziku v Evropě i v Americe a nyní se jí poprvé dostalo také vnějškového uznání nejvyššího stupně. Nobelova cena byla udělena dvěma jejím příslušníkům, kteří odešli po rozpadu Sovětského svazu, a odměněné dílo vykonali již v zahraničí.3) Je to významný signál, který Nobelův komitét vyslal. Postoj obou laureátů k této okolnosti je ambivalentní, jak lze vyčíst z jejich nobelovských přednášek.4) A. Geim se však nakonec ostře ohradil proti možnosti návratu do Ruska i za výhodných podmínek.5) Tento problém vazeb s bývalou vlastí bude působit i v nadcházejících letech, a to nejen v případě Ruska, ale i Česka, možná právě v souvislosti s grafenem.

Laureáti prokázali vitalitu a tvůrčí sílu evropského kontinentu, ať již sami sebe pokládají za Rusy nebo za Nizozemce a Brita. Celý ceremoniál byl tak přehlídkou síly a role Evropy jako nositele civilizační tradice a kulturních hodnot. Svět s uznáním přijímá rozhodnutí Nobelova komitétu a ten cenu letos předává nejlepším synům Evropy. Je to dílčí krok a zároveň vzor odpovědi na šíření pocitu, že žijeme v období, kdy se opakuje, mutatis mutandis, dějinný proces, který vedl k úpadku a pádu říše římské: že Evropa je v rozkladu a v koncích svého civilizačního konceptu a že jí nezbývá, než buď přijmout nastupující islámskou nadvládu, anebo se uchýlit k násilným obranným krokům, diktovaným psychózou strachu a vedoucím ke ztrátě demokracie i svobody v evropském pojetí. Plasticky o tom píše Zdeněk Müller v tomto čísle.6)

Zaměřme se raději na samotný grafen. Podrobně o něm vypráví O. Frank a obraz, který nám podává, můžeme vhodně zarámovat. Podívejte se na schéma na prostřední dvojstraně. Uhlík je pozoruhodný prvek, hmotná podstata pozemského života a důležitá součást životního cyklu organismu Země (neodvažuji se použít slova Gaia), jak jímavě popisuje Primo Levi.7) Schopnost uhlíku řetězit se vede i k bohaté tvorbě polymorfů, na jedné straně trojrozměrných mřížek diamantu a jeho druhů, na druhé straně grafitu složeného z dvojrozměrných vrstev, atomárních „slepičích sítí“.8) Po dobu paměti lidstva tím byl seznam polymorfů uhlíku vyčerpán. Teprve před 25 lety byla udělena Nobelova cena za chemii za objev nového polymorfu, fullerenu C60 - kousíčku slepičí sítě svinuté do tvaru fotbalového míče. Následovaly další útvary se stejnou uzavřenou topologií, C70, C84, …, pak nanotrubičky a jejich rozvětvení. Až jsme došli ke grafenu, kousku rovinné slepičí sítě.9) Tato planární geometrie je velmi výhodná například pro vytváření tranzistorů a integrovaných obvodů z nich. Hodí se také na potahování senzorů, tlačítek, obrazovek atd. Všimněte si, jak „nenápadně“ podsouvám význam grafenu pro aplikace místo otázek základního fyzikálního bádání. Tak byl však grafen vědeckou komunitou přijat, a proto na něj byla odezva tak spontánní a široká: ke dni udělení Nobelovy ceny prý bylo první sdělení o grafenu citováno 3350krát. Chcete-li dnes pracovat na grafenu, nemusíte si jeho lístečky odlupovat pomocí izolepy, stačí si jej objednat u některé z četných firem. První z nich, Graphene Industries, vznikla přímo v Manchesteru jako tzv. spin-off firma při univerzitě, kde pracují Geim a Novoselov. Slibných aplikací bylo navrženo mnoho a denně nějaká přibude, přenesení do skutečné praxe a do výroby však zatím naráží na nečekané dílčí překážky. Jejich překonání je nevděčná a obtížná práce s tím růžovým lemem, že nejde o prosté technologické řešení, ale že je nutno pracovat metodami základního výzkumu, jinými slovy, je to skutečná fyzika a skutečná chemie. Z velkých firem se, pokud je známo, jen IBM zabývá hledáním funkčního grafenového tranzistoru.10) Těmito brýlemi čtěme optimistický text M. Orlity. Ano, souhlasím, že i dnes je možno dosáhnout významných výsledků metodami „malé“ vědy jako protikladu té známé big science, pracující s velkými instalacemi a s rozpočty v řádu třeba desítek milionů (nebo dokonce miliard) dolarů. To je však rezervováno nemnoha vyvoleným, kteří dokáží jít ne mimo směr hlavního rozvoje, ale právě ten správně odhadnout a na něm být o krok vpředu, tedy svůj základní objev provést včas a s malými náklady sil i finančních prostředků. Někteří si myslí, že i tomu se dá naučit. Zájemci se mohou hlásit na červnovou letní školu o grafenu11) pořádanou GSAS (Globální škola pokročilých studií), která si klade za cíl vykládat ne o grafenu jako takovém, ale jako o tématu, pro které budou mladí vědci cvičeni jako „vůdčí osobnosti globálních výzkumných iniciativ“. Ti s nejlepšími projekty budou pak v r. 2012 pověřeni jejich realizací. Nevím jistě, ale odhaduji, že radosti z tvůrčí badatelské práce na té škole mnoho nebude.

Poznámky

1) O. Frank (Vesmír 90, 209, 2011/4), M. Orlita (Vesmír 90, 217, 2011/4) a L. Frank (Vesmír 90, 216, 2011/4).

2) Vysvětluje převahu hmoty nad antihmotou; kdyby obou bylo stejně, došlo by k jejich vzájemné anihilaci.

3) Již r. 2003 dostal Nobelovu cenu A. A. Abrikosov, nejznámější následovník L. D. Landaua, působící nyní v USA. Ta byla ovšem udělena retrospektivně za dílo vytvořené dávno za časů Sovětského svazu.

4) Viz nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2010/geim-lecture.htmlnobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2010/novoselov-lecture.html.

5) O tom píše Petra Procházková, viz www.lidovky.cz/nobelovka-pro-genetickou-chatruda7-/ln_noviny.asp?c=A101008_000054_ln_noviny_sko&klic=239293&mes=101008_0.

6) Vesmír 90, 231, 2011/4.

7) Primo Levi: Prvky života, Odeon, Praha 1981, kap. Uhlík

8) V angličtině chicken wire, nejsme tedy sami s touto asociací.

9) Nemluvím o karbynu, nitkách uhlíkových atomů - nekonečných polyynech. Wesley A. Chalifoux, Rik R. Tykwinski: Synthesis of polyynes to model the sp-carbon allotrope carbyne, Nature Chemistry 2, 967-971 (2010)

10) Je zajímavé si přečíst, jak a proč A. Geim nakonec upustil od patentování grafenu, viz např. science.slashdot.org/story/10/10/08/1536242/Why-Geim-Never-Patented-Graphene?from=rss

11) www.gsasprogram.org

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Nanotechnologie
RUBRIKA: Úvodník

O autorovi

Bedřich Velický

Prof. Bedřich Velický (*1938) vystudoval teoretickou fyziku na Matematicko-fyzikální fakultě UK. Na této fakultě se zabývá fyzikou pevných látek. Přednáší rovněž na Přírodovědecké fakultě Masarykovy univerzity v Brně.

Doporučujeme

Tajemná „Boží země“ Punt

Tajemná „Boží země“ Punt uzamčeno

Břetislav Vachala  |  4. 12. 2017
Mnoho vzácného zboží starověkého Egypta pocházelo z tajemného Puntu, kam Egypťané pořádali časté obchodní výpravy. Odkud jejich expedice...
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...
Hranice svobody

Hranice svobody uzamčeno

Stefan Segi  |  4. 12. 2017
Podle listiny základních práv a svobod, která je integrovaná i v Ústavě ČR, jsou „svoboda projevu a právo na informace zaručeny“ a „cenzura je...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné