Grafen na cestě z laboratoře do praxe

„Grafen je rychle stoupající hvězda na obzoru materiálových věd a fyziky pevných látek“. Jen během posledních dvaceti let bylo takových hvězd povícero, jmenovat můžeme například vysokoteplotní supravodiče (YBCO) nebo nanočástice jako součást nanotechnologií. Každá taková nová hvězda umožňuje efektivnější a cílenější financování výzkumu, a ačkoli se nikdy nenaplní všechny naděje do nich vkládané, mnoho dobrého při té práci vznikne. Bez vysokoteplotních supravodičů by byly přístroje pro magnetickou rezonanci mnohem těžší a energeticky náročnější a Maglevy, vlaky pohybující se na „magnetickém polštáři“, by byly pomalejší a rovněž náročnější na spotřebu. Nanočástice oxidů kovů daly vzniknout novým terapeutickým metodám pro léčbu některých nádorů a dnes existuje obor zvaný nanomedicína.

Proč je dnes novou hvězdou právě grafen, což je modifikace jednoho z nejběžnějších chemických prvků v našem okolí, uhlíku? Nejznámějšími a taky nejběžnějšími formami uhlíku jsou diamant, grafit a amorfní uhlík, např. saze. Z grafitu (tuhy) lze připravit další formu uspořádání uhlíku zvanou grafen. Jde vlastně o izolovaný plošný strukturní motiv grafitu: připomíná velmi jemné šestiúhelníkové rovinné pletivo, v jehož uzlech se nacházejí jednotlivé atomy uhlíku (obr. 1). V současné době lze pro případnou komerční výrobu použít pouze metodu katalytického ukládání z chemických par (CVD), kdy se plynný metan vede při nízkém tlaku a vysoké teplotě nad měděnou fólií, na které se pak vytvoří tenký grafenový film. Tuto metodu úspěšně zvládli a používají k přípravě grafenu vědci z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR (Vesmír 90, 209, 2011/4). Příprava grafenu pomocí CVD je také plně kompatibilní se současnou technologií výroby tranzistorů, integrovaných obvodů a dalších elektronických součástek. Metodou CVD ale těžko můžeme připravit větší, abychom tak názorně řekli, „objemové“ množství grafenu.

Grafen ve větším množství se určitě nejčastěji připravuje oklikou přes oxid grafenu (GO), který je dále redukován na grafen například hydrazinem při teplotě nad 600 °C. Doposud používaným postupem přípravy oxidu grafenu je Hummersova metoda a její modifikace, které vycházejí ze syntézy grafit oxidu. Postupem publikovaným v roce 1859 B. C. Brodiem se grafit oxiduje kyselinou dusičnou a chlorečnanem draselným; Hummers a Offeman použili v roce 1957 směs kyseliny sírové, dusičnanu sodného a manganistanu draselného. Konečný výtěžek oxidu grafenu se pohybuje v řádu desítek až stovek miligramů. Vzhledem k exotermnímu charakteru reakce a faktu, že jeden z meziproduktů reakce, oxid manganistý, se při teplotě nad 50 °C explozivně rozkládá, není tento postup přípravy vhodný pro výrobní podmínky.

Ve spolupráci Ústavu anorganické chemie AV ČR, v. v. i., a firmy Nanogies, s. r. o., se při řešení společných projektů Ministerstva průmyslu a obchodu ČR podařilo vyvinout doposud nepublikovaný a originální postup přípravy grafenu. Tato bezoxidační metoda je založena na působení vysoce intenzivního kavitačního pole na přírodní grafit ve vysokotlakém ultrazvukovém reaktoru. Jak je vidět na obr. 2a, touto metodou lze připravit rovné a nedeformované grafenové částice, podobné vrstvám grafenu připraveným metodou CVD. Tento výsledek je ale dost odlišný od grafenu připraveného redukcí GO, který lze nejlépe přirovnat ke zmačkané hedvábné látce (obr. 2b). V současné době jsme schopni připravit grafen ve výtěžku desítek gramů a kvantitativně ho převést na oxid grafenu bezpečnějším postupem s možností zvětšování měřítka, protože oxidace grafenu probíhá při podstatně mírnějších a bezpečnějších podmínkách než oxidace grafitu.

Příprava grafenu nebo jeho oxidu v kvantitativním měřítku umožňuje připravit takové množství vzorku, které je potřebné pro různé aplikační testy a zkoušky v průmyslu. Jako příklad lze uvést kompozitní materiál na bázi grafenu a oxidu titaničitého pro fotokatalytické aplikace nebo kompozitní materiál K₂MnF₅(OH)-GO, který má intenzivní červenou luminiscenci po excitaci modrým nebo UV světlem (obr. 3).

Domníváme se, že grafen umožní podstatné zlepšení současných nanočásticových pigmentů, katalyzátorů, sorbentů a „chytrých tenkých vrstev“. Využije se přitom jeho dobré tepelné a elektrické vodivosti a mechanické pevnosti v tahu. Významný je i unikátní tvar grafenu: velikosti jeho částic jsou o mnoho řádů větší než jejich tloušťka, takže je to jedinečný templát, tj. činitel, který může řídit vnitřní strukturu kompozitních materiálů. Částečnou oxidací na oxid grafenu se tato jedinečná, ale hydrofobní struktura upraví na hydrofilní. Ústav anorganické chemie AV ČR společně s Univerzitou Jana Evangelisty Purkyně v Ústí nad Labem a firmami Nanogies, s. r. o., TechemCZ, s. r. o., Stachema Kolín, spol. s r. o., a Radka, spol. s r. o., Pardubice uspěl v programu Centra kompetence Technologické agentury ČR (TA ČR) v konkurenci 127 projektů s projektem TE01020018 s názvem CEVANG – „CEntrum pro Vývoj a Aplikace Nanokompozitů na bázi Grafenu“ s dobou trvání 8 let. V rámci tohoto centra se předpokládá příprava materiálů pro fotokatalytické aplikace, pro sorpci persistentních organických polutantů, pro stechiometrické degradace látek znečišťujících životní prostředí, bariérové transparentní barvy nebo pro uchovávání vodíku. Dále budou připravovány sofistikované materiály obsahující funkcionalizovaný nebo interkalovaný grafen, tenké vrstvy grafenu s nanokrystalickými oxidy kovů, fotocitlivé tenké vrstvy, signální prvky nebo selektivní optoelektrochemické senzory.