Keď sú vrstvy grafénu naskladané jedna na druhú, tvoria grafit. Jeden milimeter grafitu obsahuje približne 3 milióny vrstiev grafénu. Ľahký ťah ceruzkou po papieri zanecháva stopy, ktoré môžu byť len niekoľkými vrstvami alebo dokonca jednou vrstvou grafénu. Vďaka svojej dokonalej dvoj-rozmernej štruktúre slúži ako funkčná prísada v mnohých inovatívnych produktoch.
Keď hovoríme o graféne, najznámejšou zmienkou je nepochybne Nobelova cena za fyziku z roku 2010, ktorú zdieľali dvaja vedci za ich prelomový výskum grafénu. Univerzita Fudan nedávno oznámila, že jej výskumníci v spolupráci s odborníkmi z Národnej univerzity v Singapure vyvinuli úplne-novú, vysoko{3}}účinnú metódu prípravy grafénu, ktorej základnú technológiu možno ľahko rozšíriť na priemyselnú výrobu.
Pozoruhodné je, že výskumný tím zvolil úplne opačný prístup k tradičnej ceste najprv publikovať články a potom spolupracovať s podnikmi. V roku 2013 dosiahli inovatívne výsledky, v roku 2014 podali patent, v roku 2015 previedli patent na domáci podnik a svoje zistenia zverejnili online až v r.Prírodné komunikácie8. januára Lu Hongbin, jeden z vedúcich tímu z Katedry makromolekulárnych vied a Štátneho kľúčového laboratória molekulárneho inžinierstva polymérov na Fudan University, s úsmevom povedal: "Na dobré veci sa oplatí čakať; často sa ukážu lepšie až po určitom čase, kým dozrejú."
Snímka z transmisnej elektrónovej mikroskopie s atómovým rozlíšením (a), Ramanovo spektrum (b), spektrum z röntgenovej fotoelektrónovej spektroskopie (c) a veľkorozmerné zobrazenie z mikroskopie atómovej sily (d) takto pripraveného grafénu; grafy distribúcie hrúbky grafénu (e) a štatistiky laterálnej veľkosti (f).
Autor fotografie: Dong Lei
Málokto si uvedomuje, že grafén nie je len meno na zozname Nobelových cien -, ale je už úzko začlenený do každodenného života. Vo svete existuje prirodzene, hoci izolovať jedno-vrstvový grafén nie je ľahká úloha. Naskladaný vrstva po vrstve tvorí grafén grafit, pričom 1 milimeter grafitu obsahuje približne 3 milióny grafénových vrstiev. Značka ceruzkou na papieri môže byť niekoľko alebo dokonca len jedna vrstva grafénu. Vďaka svojej ideálnej 2D štruktúre pôsobí ako funkčná prísada v rôznych inovatívnych produktoch:
· Pridaný do špeciálnych polymérových povlakov predlžuje životnosť vďaka vynikajúcim bariérovým vlastnostiam;
· Používa sa ako vodivé činidlo v batériách, jeho 2D štruktúra uľahčuje rýchlejší transport elektrónov, čím výrazne zvyšuje rýchlosť nabíjania;
· Jeho výnimočná elektrická a tepelná vodivosť, ktorá je začlenená do vlákien a elektrických vykurovacích zariadení, výrazne zvyšuje výkonnosť produktu.
Vzhľadom na jeho obrovskú hodnotu sa lepšie metódy prípravy stali konkurenčným cieľom pre akademickú obec aj priemysel. Dvaja vedci z Manchesterskej univerzity - Andre Geim a Konstantin Novoselov - objavili pozoruhodne jednoduchý spôsob, ako získať čoraz tenšie grafitové vločky. Z vysoko orientovaného pyrolytického grafitu odlúpli vločky, pripevnili obe strany na špeciálnu lepiacu pásku a roztrhaním pásky rozštiepili vločky. Opakovaním tohto procesu sa získali tenšie a tenšie listy, čo nakoniec viedlo k vločkám zloženým iba z jednej vrstvy atómov uhlíka: grafénu. Odvtedy sa objavilo množstvo nových metód prípravy a po piatich rokoch vývoja bola priemyselná-výroba grafénu na dosah.
Profesor Lu Hongbin dal grafénu tri „najlepšie svetové“ tituly:
· Najtenší známy materiál s hrúbkou iba 0,335 nanometrov;
· Najpevnejší materiál, 100-krát pevnejší ako oceľ;
·Najlepší tepelný vodič, viac ako 10-krát vyšší ako striebro.
Okrem toho má grafén extrémne vysokú mobilitu elektrónov, o dva rády vyššiu ako kremík. Ako dôležitý strategický vznikajúci materiál má tento nový 2D materiál obrovský aplikačný potenciál v inteligentných zariadeniach, letectve, skladovaní energie, sanácii životného prostredia a mnohých ďalších oblastiach.
Dosiahnutie efektívnej,{0}}výroby vysokokvalitného-grafénu vo veľkom meradle je však už dlho kľúčovou prekážkou, ktorá obmedzuje jeho široké uplatnenie.
Grafén existuje prirodzene a ideálnou stratégiou prípravy je exfoliácia prírodného vločkového grafitu na grafén v špecifickom tekutom rozpúšťadle. Inými slovami, keďže grafén je hydrofóbny, počas exfoliácie sa do kvapaliny musí pridať veľké množstvo povrchovo aktívnych látok, inak je oddelenie takmer nemožné. Bežné metódy zvyčajne vyžadujú 3 tony oxidantov, ako je manganistan draselný, na výrobu 1 tony grafénu, ktorý sa pred exfoliáciou a redukciou premení na oxid grafénu. Tento proces generuje veľké objemy odpadovej vody z oxidácie, redukcie a čistenia, pričom zároveň zhoršuje niektoré jedinečné vlastnosti grafénu.
Ako výskumný tím prekonal tieto výzvy? Prijal nestabilnú stratégiu rozptylu zavedením extrémne malého množstva ionizovateľného kyslíka-obsahujúceho funkčné skupiny na grafénové povrchy, čo umožňuje rýchlu,{1}}exfoliáciu s vysokým výťažkom pri ultra-vysokých koncentráciách. Viac ako 90 % exfoliovaného produktu je jednovrstvový -grafén s minimálnymi mriežkovými defektmi, čím sa efektívne riešia problémy so skladovaním a prepravou pri veľkých-aplikáciách. Okrem toho vodná grafénová kaša vyrobená touto metódou vykazuje priaznivé reologické vlastnosti a možno ju priamo použiť na 3D-tlač grafénových aerogélov rôznych tvarov, čím sa otvárajú nové možnosti pre aplikácie grafénu pri skladovaní energie, úprave životného prostredia, multifunkčných kompozitoch a podobne.
