Na prahu doby grafenové

K moderním přístupům ke snižování nákladů ve stavebnictví patří i využívání nanotechnologie, konkrétně aplikace rozmanitých nanopovlaků či nanopřísad, jež významně prodlužují životnost konstrukčních prvků staveb, zejména betonových. V rámci těchto snah se výzkumné týmy rozeseté po celém světě pokoušejí i o efektivní uplatnění jednoho z nejnovějších 2D materiálů – grafenu. K jeho objevu se sice schylovalo už před padesáti lety, avšak ke skutečné realizaci došlo teprve v roce 2004 na Manchesterské univerzitě.

Supertenký grafen je vyráběn z uhlíku, který je základním stavebním prvkem všech organických sloučenin. Je tvořen průhlednou rovinnou sítí jediné vrstvy atomů uhlíku uspořádaných do tvaru šestiúhelníku. V přírodě se běžně nevyskytuje, získává se z grafitu.

O jednovrstvé formě uhlíku byly vedeny diskuze již v roce 1962, ale prvního výrobního návrhu se zhostili až Andre Geim s kolegou Konstantinem Novoselovovem (působící na Manchesterské univerzitě) v roce 2004. Na obyčejnou lepicí pásku otiskli grafit (tuhu tužky) a následným opakovaným odlepováním a přilepováním získávali čím dál tenčí vrstvy grafitu. Izolovali tak vločky grafenu, za což v roce 2010 obdrželi Nobelovu cenu.

Význam objevu grafenu je nezměrný. Odborníci v něm spatřují dokonce vyšší potenciál než jaký mají prvky germanium či křemík. Je dvěstěkrát pevnější než ocel, přitom je transparentní, extrémně lehký a flexibilní (roztažitelný až o 25 procent). Výborně vede elektřinu i teplo – nabízí minimální rezistivitu (měrný tepelný odpor) na úrovni 1 µΩ*cm při pokojové teplotě –, elektrony se jím šíří rychlostí 200 tisíc cm²/(Vs) (pro srovnání: u křemíku, který se používá i k výrobě čipů, elektrony dosahují pohyblivosti asi 1 400 cm²/(Vs)). Za určitých podmínek dosahuje až supravodivých vlastností. Lze jej proto využít i v elektronických obvodech různých přístrojů nebo v solárních článcích. Díky své minimální tloušťce a vysoké průhlednosti nalezne možná uplatnění v dotykových displejích a při tisku displejů na běžný kancelářský papír.

Probíhají též výzkumy možného využití grafenu jako aditiva antikorozních nátěrů či kompozitních materiálů, které by zpevnil a výrazně snížil jejich hmotnost. Je také možné grafen přidávat do plastů a rozmanitých konstrukčních materiálů, grafenem lze vylepšit i vlastnosti polyvinylalkoholu (PVA), biokompatibilního polymeru užívaného v medicínských aplikacích. Velká očekávání mají rovněž zástupci stavebního průmyslu, kde se jako velmi slibný jeví beton s příměsí grafenu. Nová forma uhlíku by měla také posloužit jako součást systémů skladování energie, čidel apod.

Výroba

V malém měřítku je výroba grafenu snadná, jak dokázali i Geim s Novoselovovem, kteří si v laboratoři vystačili s izolepou a rozpouštědlem. Avšak zatím nedošlo k objevu technologie, která by při vývoji a testování v malém měřítku v laboratorních podmínkách umožnila vyrábět grafen masově a sériově. Ačkoli výzkum probíhá již bezmála dvacet let, nebyly doposud představeny efektivní a laciné způsoby výroby grafenu bez nežádoucí environmentální zátěže (při výrobě většinou vzniká vodný odpad obsahující ekotoxické soli těžkých kovů manganu a chromu, jejichž likvidace zvyšuje výrobní náklady).

Grafen se nejčastěji získává z vytěženého grafitu, ale také z metanu (na skládkách nebo v oblastech těžby ropy), ze starých pneumatik, z plastů i z dalších odpadních uhlíkatých materiálů. Aktuální základní principy průmyslové výroby grafenu jsou dva:

• Metoda „zdola nahoru“, kdy se uhlík napařuje na měděné destičky, což je velmi složitý a technologicky náročný proces.
• Metoda syntézy „shora dolů“, kdy dochází k postupnému ztenčování výchozího materiálu o tloušťce několika vrstev, a to ideálně až na výšku jediného atomu uhlíku (na monovrstvu). Je prováděna takzvaná interkalace: vhodné látky jsou vsunuty mezi vrstvy uhlíku, zahřáty a přeměněny na plyn, který od sebe jednotlivé uhlíkové vrstvy odtrhne až dojde k oxidativní exfoliaci. Při tomto procesu však občas vznikají v grafenu díry, což zhoršuje kvalitu materiálu.

Skepticismus však snad není na místě, protože poptávka po této nadějné surovině stále stoupá, s čímž jde ruku v ruce i rozšířující se mezinárodní síť výzkumných center, jež se grafenovými technologiemi zabývají, potažmo zvyšování dostupnosti materiálu a jeho rychlé zlevňování. Zatímco na počátku se cena grafenu pohybovala v hodnotách desetitisíců dolarů za gram, již nyní je na hodnotě okolo sta dolarů/gram.

Český příspěvek cirkulární ekonomice: vynález recyklovaného betonu

Česká společnost ERC-TEC, která vyvinula revoluční recyklovaný beton, se spojila s firmou Skanska. Společně přináší na trh řešení, které umožní znovu využít odpad pocházející ze…

Výběr z dosavadních publikovaných studií

Jedno z řešení výroby grafenu přináší výzkum Jamese Toura a jeho kolegů z americké Rice University. Ti tvrdí, že umějí získat vločky grafenu rychle a levně z jakéhokoli uhlíkového materiálu. Výsledný produkt, která vzniká bleskovým zahřátím vstupního materiálu (třeba uhlí, ale též zbytků jídla, zbytků po zpracování ropy či dřeva, plastového odpadu nebo ojetých pneumatik) na extrémní teplotu cca 2 730 °C po dobu 10 ms, nazvali jako „bleskový grafen“ (anglicky flash graphene). Při tomto procesu se neuvolňuje žádný plyn obsahující uhlík ani příliš tepla. Výzkumníci z Houstonu tento objev navíc nedávno ještě rozvinuli – představili metodu výrobu grafenu z odpadu vzniklého při recyklaci plastů (uhlíkaté monomery a další jednoduché uhlíkaté látky).

Úspěchy hlásí i na univerzitě v Kansasu, kde k výrobě grafenu používají pouze kyslík, plynný uhlovodík např. propan a zapalovací svíčku. Dále na University of Connecticut, vyprodukovali čistou formu grafenu (nikoli oxid, jak je mnohdy běžné), díky čemuž vyniknou unikátní mechanické, tepelné a elektrické vlastnosti materiálu. Výrobou grafenu se zabývají i velké technologické koncerny, které stále přibývají…

Výzkum zhusta probíhá také na evropské půdě. Účastní se jej též britská společnost Levidian Nanosystems, jež nedávno vyvinula zařízení (tzv. LOOP), které pomocí plazmové technologie (patentovaný nízkoteplotní a nízkotlaký proces štěpení bez potřeby katalyzátorů či přísad) rozděluje metan na základní atomy: uhlík vázaný na vysoce kvalitní grafen (hlavní produkt) a vodík, který bude moci být jako žádaný vedlejší produkt nabízen za velmi výhodnou cenu.

Jsou betony s rozptýlenými mikrovlákny materiálem budoucnosti?

Termíny jako vláknitý kompozit, dobrá duktilita či ultra vysoká pevnost, jež zmiňujeme v textu, se vztahují k moderním betonovým materiálům, jejichž původ lze sice dohledat už v…

Grafen ve stavebnictví

Grafen je zkoumán také v souvislosti se zlepšováním mechanických parametrů stavebních konstrukcí a materiálů. Odborníci doufají především v optimalizaci vlastností betonu, kterých lze dosáhnout použitím povlaku grafenu nebo dokonce jeho přímým přidáváním do směsí. Touto oblastí se zabývá kupříkladu studie publikovaná v časopise Journal of Building Engineering, jež zkoumá ochranný účinek grafenoxidu na beton a jeho schopnost bránit vodě a iontům pronikat hlouběji do struktury betonové konstrukce. Bylo zjištěno, že devítimiligramové nanopovlaky oxidu grafenu snižují objemový a kapilární příjem vody přibližně o 40, respektive 57 procent.

Mnoho výzkumů rovněž prokázalo, že oxid grafenu, je-li přidán do směsi, může zvyšovat odolnost betonu i jeho mechanickou pevnost. V nanotechnologickém časopise AzoBuild byl zveřejněn výsledek bádání zaměřeného na příměs oxidu grafenu v betonových kompozitech s přírodním jemným a hrubým kamenivem. Bylo zjištěno, že oxid grafenu jako součást směsi může sice snížit zpracovatelnost betonu, ale také výrazně zvýšit jeho pevnost v tlaku (o 21 až 55 procent) a v tahu (o 16 až 38 procent).

Podobně zaměřený je i výzkum společnosti Graphitene. Ta se zaměřuje na tepelně vodivé cementové spárovací materiály obsahující grafen (určené pro geotermální vrty) stejně jako na cementy s grafenovými přísadami. Věnuje se rovněž vylepšování asfaltu s grafenem, který by mohl tvořit a) tepelně odolnější a trvanlivé silnice s lepším zpětným creepem (neboli elastickým zotavením) a sníženým praskáním nebo b) ohnivzdorné asfaltové střešní materiály.

Téma: Beton

Snahy o vytvoření nového typu betonu jsou patrné i v britské University of Exeter. Tamní tým vědců vyvinul techniku pro suspendování (rozptýlení) grafenových vloček ve vodě. Vzniklá směs je přidána k tradičním přísadám – cementu a plnivu –, a to v počáteční fázi výroby betonu. Je tak dosaženo změn jeho chemického složení na nanoskopické úrovni i obměny vlastností. Ve srovnání s běžným betonem má zvýšenou jak pevnost v tlaku (o 146 procent), tak pevnost v ohybu (o 79,5 procent), přičemž odolnost vůči vodě činí o 400 procent. Celý proces výroby takzvaného grafetónu je údajně plně kompatibilní s klasickou technologií výroby betonu, finančně nenákladný, zvládnutelný i v průmyslovém měřítku a v souladu s britskými i evropskými stavebními normami. Grafetónu je navíc na stavbě potřeba méně než běžného betonu, oproti kterému je rovněž podstatně trvanlivější. Výborně odolává i průsakům vody, a lze jej proto využít například při výstavbě v záplavových oblastech či jako součást konstrukcí spodních částí staveb a problematických částí výškových budov.

Vodopropustný beton (pervious concrete)

Trvalý rozmach nepropustných materiálů ve stavebnictví (asfaltu, betonu) a zemědělská kultivace zabraňují dešťové vodě vsakování do půdy. To logicky ústí v pokles hladiny spodních…

Grafen do betonových směsí přidávají též na Manchesterské univerzitě, kde probíhá výzkum ve spolupráci se stavební společností Nationwide Engineering. Konkreten, jak jej autoři studie nazývají, byl dokonce již použit i na reálné stavbě – byla z něj zformována základová deska tělocvičny situované nedaleko jihoanglického Stonehenge. Inženýři nejdříve přimíchali malé množství grafenu do vody a cementu, načež jej spojili se zbylými příměsemi. Popsaný způsob výroby umožňuje přidávat grafen do směsí přímo v betonárně. Tělocvična nyní funguje jakožto laboratoř, která má poskytovat cenná data o fungování materiálu ve skutečných podmínkách v průběhu času. Již nyní je zřejmé, že konstrukce vykazuje o 30 procent vyšší pevnost než standardní beton.

České zelené grafenoidy

O efektivní způsob výroby grafenu se pokoušejí i Češi, konkrétně tým docenta Pavla Pazdery z Ústavu chemie Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity, který představil řešení výroby grafenu levně a bez negativních dopadů na životní prostředí. Zdejší výzkumníci mají patentován proces odehrávající se v kyselině octové, přičemž jeho postupným zlepšováním dosáhli toho, že při něm jako vedlejší odpad vzniká pouze voda a chlorid sodný (případně pouze voda). Vše je vedeno v režimu utajovaného know-how, Pazdera však prozradil, že při práci používají pouze běžná oxidační činidla či katalyzátory. Mají navíc již navrženu plně automatizovanou výrobní linku, již je potřeba ještě sestrojit a otestovat. Jako aplikační možnosti zmiňují oblast materiálových vlastností nebo sorpční a desorpční procesy. Aktuálně hledají metodu, jak lístečky grafenu, které jsou v materiálu přirozeně rozmístěny nahodile, vhodně zorientovat. Podaří-li se jim to, získají špičkový a relativně levný produkt.

Zvýšená efektivita využití solární energie

K nejoceňovanějším vlastnostem grafenu patří ty termoelektrické. Vědci z Massachusettského technologického institutu (MIT) došli ke zjištění, že při osvícení grafenové vrstvy dochází k rozdílu teplot, díky čemuž vzniká proud. Jde o vzácný jev zvaný hot carrier, který bylo doposud možné pozorovat pouze u některých materiálů při teplotě blízké absolutní nule. V případě grafenu se to však děje i při běžné pokojové teplotě, přičemž k danému úkazu dochází i při slabém osvětlení (různých frekvencí). Pro srovnání: křemíkové fotovoltaické články reagují pouze při omezených frekvencích elektromagnetického záření a jejich účinnost (schopnost přeměny energie) je tak poměrně malá. Grafen je tedy schopen produkovat elektrickou energii ze světla, a to levně.

Revoluční je i nápad využít grafen jako materiál do 3D tiskáren, které by tak mohly tisknout konstrukční díly pevnější než ocel. V budoucnu tak bude zřejmě docházet ke vzniku menších digitálních manufaktur, které postupně vytlačí doposud běžné ocelářské nebo železárenské provozy.

Společnosti CMG a Bosch spolupracují také na vývoji grafenových baterií (aplikovatelných i v elektromobilech) a hlásí vynikající výsledky. Jejich akumulátory s elektrodami z hliníku a grafenu se údajně nabíjejí až šedesátkrát rychleji než lithiové baterie, přičemž nemají omezení maximálního vybíjecího proudu. Na trh by měly být uvedeny již v roce 2024.

V Jeseníku vzniká největší bateriové úložiště v Česku

Jeseník 11. října (ČTK) - Bateriové úložiště, které bude mít kapacitu 2,9 megawatthodiny a zajistí výhodnější ceny elektrické energie, dokončuje u svého výrobního areálu v…

Ve světě materiálového inženýrství si získává pozornost také uhlíková struktura zvaná grafyn. Vazby mezi jeho uhlíkovými atomy jsou složitější než u grafenu, díky čemuž bude možné jej využít v extrémně drobných elektronických zařízeních. V časopise Nature Synthesis byl zveřejněn postup syntetizace grafynu.

Závěrem

Jak je vidno, nové formy uhlíku, ať už jsou nazývány jako grafen, grafyn, či jeho produkty jako konkreten, grafetón a další, mohou v budoucnosti – blízké i vzdálenější – přinést mnohá technologická vylepšení a usnadnění. Grafen je slibnou surovinou, jež snad napomůže optimalizovat výrobu elektřiny z obnovitelných zdrojů, usnadní její uskladnění v bateriích, sníží množství použitého materiálu na stavbách… Vedle svého využití ve stavebnictví či elektrotechnice nachází navíc uplatnění třeba i v lékařské diagnostice (kalifornská firma Nanomedigal Diagnostics z něj vyrábí senzory) nebo třeba při výrobě superlehkých silničních kol (česká značka Festka vyrábí ve spolupráci se sušickým CompoTechem rámy, které váží pouze 700 gramů). Lze předpokládat, že nás s grafenem čeká další technologická revoluce.

Zdroje:

• https://www.ctt.muni.cz/aktualne/interface/clanky-z-casopisu-interface/chemici-prisli-s-levnou-a-setrnou-metodou-vyroby-grafenu
• https://archiv.hn.cz/c1-65912290-budoucnost-patri-nanosvetu-pozadu-nejsou-ani-ceske-firmy
• https://www.e15.cz/magazin/grafen-zazracna-forma-uhliku-prekvapuje-709145
• https://www.nationwideengineering.co.uk/wp-content/uploads/Concretene-Graphene-Enhanced-Concrete.pdf
• https://www.eon.cz/byznys-energie/zazrak-jmenem-grafen/
• https://www.levidian.com/
• https://news.rice.edu/news/2022/graphene-gets-enhanced-flashing
• https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2352710218314335
• https://www.nature.com/articles/s44160-022-00068-7
• http://dspace.mit.edu/bitstream/handle/1721.1/98062/Hot-carrier.pdf;sequence=1
• https://adamson.ims.uconn.edu/research/
• https://www.k-state.edu/media/newsreleases/2022-03/graphene-hydrogen-research-leads-to-hydrograph.html
• https://www.graphitene.com/about-us/
• https://www.concrene.com/
• https://www.researchgate.net/publication/
• 324698627_Ultrahigh_Performance_Nanoengineered_Graphene-Concrete_Composites_for_Multifunctional_Applications