Fenomén grafen

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.