Je milionkrát tenčí než papír, pevnější než diamant a vodivější než měď – co je to? Před 20 lety objevili fyzici revoluční materiál jménem grafen. Potřebovali k tomu blok grafitu, kousek lepicí pásky a pořádnou dávku trpělivosti. První článek popisující zázračný materiál vyšel v roce 2004. O šest let později dostali jeho autoři, fyzici z manchesterské univerzity, Nobelovu cenu.
Grafen objevili pracovníci Univerzity v Manchesteru, prof. Andre Geim (* 1958) a jeho mladší kolega Kostantin Novoselov (* 1974). Andre Geim vystudoval Moskevský fyzikálně-technický institut a doktorát získal na Institutu fyziky pevných látek v ruské Černogolovce. Dva roky pracoval jako výzkumný pracovník Institutu pro technologii mikroelektroniku, než získal stipendium na univerzitě Nottinghamu. V roce 1994 přesídlil na nizozemskou Univerzitu v Nijmegenu, aby se o sedm let později, v roce 2001, vrátil zpátky do Anglie, tentokrát na manchesterskou univerzitu, kde se stal ředitelem Centra pro mesovědu a nanotechnologie.
Od anticeny k nobelovce
Andre Geim je znám tím, že se často pouští do neobvyklých výzkumných projektů, využívá dostupná zařízení a snaží se s nimi udělat něco nového. Už v roce 1997 způsobil rozruch, když nechal za pomoci magnetického pole levitovat žábu. Za tento pokus získal v roce 2000 Ig Nobelovu cenu, ironické ocenění, které uděluje komise složená z laureátů skutečných Nobelových cen za neobvyklé nebo triviální výsledky vědeckého výzkumu. Geim si svoje „ocenění“ převzal během tradičního ceremoniálu na Harvardově univerzitě.
Hlavním tématem Geimova výzkumu je ovšem fyzika materiálů, přesněji uhlíkové nanotrubice. K objevení grafenu ho přivedl nápad zbrousit blok grafitu na tloušťku pouhých 10 nebo 100 vrstev atomů uhlíku. S Novoselovem, který byl Geimův student, chtěli nejprve vyrobit o něco silnější kousek a ten potom zbrousit na kýženou tloušťku několika desítek atomových vrstev. Během experimentu ale Geima napadlo použít lepicí pásku, s jejíž pomocí z grafitového bloku odstranil pouze horní vrstvu uhlíku. Rozpuštěním lepicí pásky v roztoku experimentátorům zůstaly ultratenké vločky grafitu o tloušťce pouhých 10 vrstev.
Jenom pár týdnů poté začal tým prof. Geima s využitím takto získaných grafitových vrstev vyrábět jednoduché tranzistory. Dalšími úpravami a díky perfektnímu zvládnutí techniky separace grafitových vrstev vznikly v Geimových laboratořích první grafenové listy o tloušťce jednoho uhlíkového atomu. Článek oznamující objev grafenu vyšel v říjnu 2004 v časopise Science, a z Andreho Geima se tak stal jeden z nejcitovanějších materiálových fyziků vůbec. Za objev grafenu získal společně s Novoselovem v roce 2010 Nobelovu cenu. Prof. Geim se tak stal prvním držitelem jak Nobelovy ceny, tak i její ironické obdoby.
Grafenová revoluce?
Grafen je se svou tloušťkou pouhého jednoho atomu možná vůbec nejtenčím materiálem ve vesmíru. Uhlík v grafenové konfiguraci tvoří vysoce kvalitní krystalovou mřížku bez defektů či dislokací. Nově objevená struktura má zajímavé vlastnosti pro další využití – je vysoce pevná a zároveň velmi vodivá. Geim a Novoselov tak otevřeli dveře celému spektru nového fyzikální výzkumu a aplikací grafenových struktur.
Grafen se díky svým vlastnostem přímo nabízí stát se náhradou za křemíkové čipy. Technologie výroby polovodičů totiž při rozměrech struktur pod 10 nanometrů začíná narážet na své fyzikální limity. Grafen je vhodným materiálem nejen díky své jednoatomové tloušťce, ale i díky možnosti vyrábět grafenové vrstvy technologií epitaxiálního růstu – na odpovídajícím substrátu může vyrůst jednoatomová vrstva grafenu, a vznikne tak grafenový wafer pro elektronické aplikace. Grafen se tedy dá použít k výrobě vysokofrekvenčních tranzistorů v terahertzovém pásmu nebo pro výrobu miniaturních desek plošných spojů o rozměrech několika nanometrů.
Velkou technickou překážkou pro polovodičovou budoucnost grafenu je ale jeho kovová vodivost. I přesto, že letos na jaře vyšel v Nature článek americko-čínské vědecké skupiny představující první funkční grafenový polovodič, k jeho průmyslovému využití povede ještě dlouhá cesta. Aby byla produkce schopná pokrýt neustále rostoucí potřeby polovodičového průmyslu, bude zapotřebí vyvinout cenově dostupnou technologii výroby grafenových listů v dostatečné kvalitě a ve velkých množstvích.
Mohlo by vás také zajímat:
Torricelliho
vakuum
Záření,
které oslepilo vědce
Sudoku:
Jak se z jednoduchého rébusu stal fenomén