Grafen je jednovrstvá struktura uhlíkových atomů uspořádaných do šestiúhelníkové (včelí plástové) mřížky. Jde o dvourozměrný materiál s výjimečnými fyzikálními a chemickými vlastnostmi. Grafen byl poprvé izolován v roce 2004 vědci Andre Geimem a Konstantinem Novoselovem, kteří za svůj objev získali Nobelovu cenu za fyziku v roce 2010.
Chemické složení a struktura
Grafen je dvourozměrná alotropická forma uhlíku, která se skládá z jediné vrstvy atomů uhlíku uspořádaných v hexagonální (včelí plástev) struktuře. Každý atom uhlíku je spojen kovalentními vazbami se třemi sousedními atomy, přičemž elektronová delokalizace přispívá k jeho mimořádným elektrickým vlastnostem.
Fyzikální vlastnosti
Grafen se vyznačuje několika unikátními fyzikálními vlastnostmi:
- Vysoká pevnost – je asi 200krát pevnější než ocel při stejné tloušťce.
- Nízká hmotnost – je extrémně lehký, protože se skládá pouze z jedné atomové vrstvy.
- Vynikající elektrická vodivost – grafen umožňuje extrémně rychlý pohyb elektronů, což jej činí výborným materiálem pro elektroniku.
- Vysoká tepelná vodivost – efektivně odvádí teplo, což je užitečné v chlazení elektronických součástek.
- Průhlednost – propouští až 97 % dopadajícího světla, což jej činí vhodným pro optické aplikace.
- Ohebnost – lze jej ohýbat a deformovat bez ztráty vodivosti.
Způsob získávání
Grafen lze získat několika způsoby:
Mechanická exfoliace – odštěpování vrstev grafitu, nejčastěji pomocí lepicí pásky (tzv. metoda Scotch Tape).
Chemická depozice z plynné fáze (CVD) – syntéza grafenu na kovovém substrátu, což umožňuje produkci velkých ploch materiálu.
Chemická redukce grafenoxidu – metoda využívající chemickou modifikaci oxidu grafenu pro získání grafenu.
Elektrochemické metody – umožňují syntézu grafenu pomocí elektrického pole ve speciálních elektrolytech.
Využití v průmyslu
Díky svým jedinečným vlastnostem nachází grafen široké uplatnění v mnoha průmyslových odvětvích:
- Elektronika – vývoj vysoce výkonných tranzistorů, flexibilních displejů a dotykových obrazovek.
- Energetika – využití v bateriích nové generace, superkondenzátorech a palivových článcích.
- Letecký a automobilový průmysl – díky nízké hmotnosti a vysoké pevnosti se zkoumá jako materiál pro lehčí a odolnější konstrukce.
- Biomedicína – výzkum zaměřený na využití v biosenzorech, cílené dodávce léčiv nebo tkáňovém inženýrství.
- Vodní filtrace – díky schopnosti propouštět vodu a blokovat nečistoty může být využit k čištění vody.
- Antikorozní povlaky – ochrana kovových povrchů před korozí.
Budoucnost grafenu
Grafen je stále předmětem intenzivního výzkumu a jeho komerční využití se neustále rozšiřuje. Díky svým revolučním vlastnostem má potenciál změnit mnoho průmyslových odvětví a přispět k vývoji pokročilých technologií.
Grafen tak představuje materiál budoucnosti s neomezenými možnostmi a jeho další výzkum a vývoj mohou vést k převratným inovacím ve vědě i průmyslu.