Komerční prezentace
Registrace uživatele

Přihlašte se k odběru informací, novinek, získejte přístup do diskuzního fóra.

Vesmír č. 9
Vesmír č. 9
Toto číslo vychází
1. 9. 2017
Novinky
Zdarma jedno celé číslo Vesmíru v pdf.
• Zářijové číslo Vesmíru
reklama

Co se děje v plochém světě

Publikováno: Vesmír 94, 508, 2015/9
Obor: Chemie

Od publikace klíčových experimentů A. Geima a K. Novoselova už uběhlo 11 let. Žádná výrazná aplikace grafenu nepřišla na běžný trh. Proč dosud nebyl grafen využit v elektronice?

Brzy tomu bude již pět let, co byla udělena Nobelova cena fyzikům Geimovi a Novoselovovi za jejich přelomové experimenty, které se týkaly dvojrozměrných materiálů, zejména grafenu. Grafen, což je dvojrozměrná síť uhlíkových atomů, která svou strukturou připomíná včelí plástev, byl znám do té doby jako komponenta, která vrstvením vytváří grafit čili tuhu. Fyzikální zákony ale samostatnou existenci 2D materiálů v 3D světě nedovolují, takže příprava grafenu a fyzikální experimenty na něm provedené byly považovány za naprosto průlomové (viz Vesmír 90, 209, 2011/4 a další dva komentáře v témže čísle). Grafen tedy otevřel cestu do zcela nové dimenze zejména materiálových věd.

Vzhledem k vlastnostem tohoto materiálu, jako jsou např. mimořádná pevnost, chemická odolnost, obrovská plocha povrchu, vysoká transparentnost a vynikající vodivost elektřiny a tepla, hledají tisícovky vědců po celém světě možnosti jeho uplatnění od leteckého průmyslu až po biomedicínu. Dosud však žádná výrazná aplikace grafenu nepřišla na běžný trh. To může být dáno i tím, že teprve nedávno byly vyvinuty levné postupy pro přípravu velkých grafenových fólií (velkých = o ploše v řádech čtverečných centimetrů) či suspenzí grafenových nanovloček. Významné aplikace grafenu tak stále zůstávají více příslibem než skutečností.

Po přípravě grafenu v roce 2004 se brzo objevily i další 2D materiály s uhlíkovým skeletem. Za zmínku stojí zejména grafen oxid a fluorografen (neboli grafen fluorid). Název grafen oxid pokrývá širokou škálu derivátů grafenu, na jehož uhlíkovou páteř jsou kovalentní vazbou připojeny kyslíkaté funkční skupiny, zejména oxo (= O), hydroxo (–OH) či karboxy (–COOH). Přítomnost těchto hydrofilních skupin dovoluje vysokou dispergovatelnost grafen oxidu ve vodě, což je velká výhoda, neboť disperze (koloidní roztoky) grafenu ve vodě (i v mnoha dalších běžných rozpouštědlech) mají velkou tendenci aglomerovat zpět na grafit. Snadná dispergovatelnost oxidů grafenu ve vodě ho předurčuje pro řadu aplikací, kde je vyžadováno vodní prostředí, a to např. pro detekci specifických úseků DNA a RNA.

Vnesení funkčních skupin do struktury grafenu výrazně ovlivní jeho elektronovou strukturu. Elektrony v grafenu vytvářejí jakýsi kompaktní oblak, který se vznáší nad a pod rovinou uhlíkových atomů a který je odpovědný za výborné vodivostní vlastnosti grafenu. Tento oblak je narušen, pokud se na uhlíkový atom, v sp2 hybridním stavu, naváže substituent, neboť elektron, který byl součástí oblaku, je využit na vytvoření kovalentní vazby. Dále dochází k tomu, že se planární grafenová struktura lokálně prolomí, neboť uhlík nesoucí substituent je strukturně uhlíkem diamantovým, v sp3 hybridním stavu, který si vynucuje uspořádání okolních atomů do vrcholů čtyřstěnu. V elektronovém oblaku se v daném místě vytvoří díra, což grafenu sníží např. vodivost.

Z hlediska elektronických vlastností klasifikujeme materiály jako vodiče, polovodiče a izolanty, přičemž základní rozdíl mezi zmíněnými materiály je, zjednodušeně řečeno, dán šířkou zakázaného pásu. Zakázaný pás odpovídá energii, kterou musíme dodat elektronům, aby byly schopné vést proud, tj. přenést je do vodivostního pásu. Z tohoto hlediska je grafen vodič (přesněji polokov), neboť šířka jeho zakázaného pásu je nulová. Moderní elektronické obvody jsou založené na polovodičích, jejichž šířka zakázaného pásu se pohybuje okolo 1–1,5 eV, a byly vyvinuty technologie, jak řídit tok elektronů v polovodičích. Právě nulová šířka zakázaného pásu u grafenu brání jeho přímočarému nasazení v současných polovodičových technologiích. Široké využití grafenu v elektronice by vyžadovalo změnu konstrukce operačních prvků elektronických obvodů. Dlužno podotknout, že grafen by byl velmi šikovný obvodový prvek, protože při průchodu proudu dochází jen k velmi malým tepelným ztrátám, a tedy případnému zahřívání obvodů. Nasazení grafenu v elektronice tedy vyžaduje buď zásah do konstrukce elektronických prvků, nebo naopak zásah do struktury grafenu tak, aby bylo možné vytvořit dvojrozměrný polovodič.

Fluorografen, který byl poprvé připraven v roce 2010, je 2D struktura, která vznikne připojením atomu fluoru ke každému uhlíkovému atomu grafenu, a jeho vzorec lze zapsat jako (C1F1)n, popř. se v literatuře často uvádí jen zkráceně C1F1 či CF. Tento materiál již nedisponuje žádnými volnými elektrony pro snadné vedení proudu a šířka jeho zakázaného pásu dosahuje několika eV (přesné výpočty naznačují až 8 eV), a proto je fluorografen považován za dvojrozměrný izolant. Známe tedy materiál, který má na rozdíl od grafenu příliš široký zakázaný pás. Proto se objevují úvahy, zda a jak zakázaný pás fluorografenu dále ladit a snížit. Nabízí se řada možných cest a ne všechny jsou dosud prozkoumané. Pojďme si několik z nich projít.

Jistě už někoho při čtení těchto řádků napadlo, že jednou z možností je připojit atom fluoru jen k některým atomům uhlíku a vytvářet tak různě pokryté deriváty grafenu, např. (C2F)n, (C4F)n atp. Takové materiály byly již připraveny a dokonce se podařilo fluor připojit pouze na jednu stranu grafenu a druhou nechat nedotčenou. Bohužel se ukazuje, že tyto materiály jsou méně stabilní než fluorografen či grafen a mají tendenci fluor ze své struktury ztrácet. Navíc šířka zakázaného pásu vzroste velmi rychle z nulové hodnoty (pro grafen) už při připojení malého množství atomů fluoru.

Druhou možností je zvolit jiný halogen či sáhnout po pseudohalogenech, tedy např. skupinách –CN, –SCN atp. Dosud byly připraveny pouze nestechiometrické deriváty grafenu s chlorem a bromem a jde o poměrně nestabilní materiály. Pevnost kovalentní vazby mezi halogenem a uhlíkem totiž klesá s rostoucím protonovým číslem halogenu. Nakonec byla vazba mezi jódem a grafenem zachycena pouze jako přechodná. Navrženy byly i různé směsné halogenované grafeny, které měly zakázaný pás v požadované oblasti 1–1,5 eV, avšak řízená příprava těchto materiálů zůstane asi snem.

Třetí možností je využít fluorografen jako výchozí materiál a některé atomy fluoru v jeho struktuře nahradit, což se na první pohled může zdát jako myšlenka z říše bláhových nápadů. Vždyť chemicky je fluorografen perfluorovaný uhlovodík (např. jako teflon) a ten, jak známo, příliš reaktivní není. Avšak nedávné experimenty ukázaly, že zahřejeme-li fluorografen s jodidem draselným, připravíme grafen. Situace tedy není tak černobílá, C-F vazba ve fluorografenu je velmi polární, což vede k její vyšší reaktivitě. Díky reaktivitě C-F vazby ve fluorografenu byl nedávno připraven další derivát fluorografenu, thiofluorografen. Reaktivita fluorografenu tak otevírá nové cesty k dalším dvojrozměrným derivátům grafenu. Pokud se ukážou schůdnými, podaří se připravit nepřebernou plejádu grafenových derivátů s požadovanými vlastnostmi, např. požadovanou šířkou zakázaného pásu. Nové grafenové deriváty také mohou nabídnout stavební skelet pro řízenou přípravu funkčních 3D materiálů. Zdá se, že díky dvojrozměrným grafenovým derivátům stojíme na prahu nové dimenze uhlíkové chemie.

Soubory

článek ve formátu pdf: 201509_508-509.pdf (395 kB)

Diskuse

Žádné příspěvky