Objevuji dvourozměrný svět

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, na další výzkum dostal před nedávnem prestižní ECR grant. „Nyní můžeme hlouběji proniknout do světa 2D materiálů, pochopit jeho chemická pravidla. A také předpovědět vlastnosti nových struktur, připravit je a aplikovat v unikátních technologiích.“

Co si vlastně pod pojmem dvourozměrný svět materiálů představit? — Uhlíkové nanomateriály jsou 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.

Čeho chcete na tomto poli dosáhnout vy? — Máme vizi, že pochopíme pravidla chemie 2D materiálů, což nám umožní cíleně syntetizovat 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 přece 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“.