Grafen je posledním přírůstkem do uměle vytvořených uhlíkových struktur. Pro své neobyčejné vlastnosti nalézá uplatnění v kosmickém průmyslu i letectví. Vědci z Akademie věd České republiky jeho strukturu upravili tak, že odolává žáru lépe než ocel..

V roce 2010 obdrželi Nobelovu cenu za fyziku vědci Andre Geim a Konstantin Novoselov z univerzity v britském Manchesteru za objev grafenu. Ten se jim přitom povedlo poprvé vytvořit teprve o šest let dříve.

Grafen je pevná látka tvořená velmi tenkou vrstvou uhlíku o tloušťce pouhého jednoho atomu. Jednotlivé atomy uhlíku jsou potom v této vrstvičce uspořádány do pravidelné šestiúhelníkové mřížky. Díky minimální tloušťce je grafen průhledný.

Vedle toho ale vede elektrický proud a pevné uhlíkové vazby mu také propůjčují značnou pevnost.

Nejlehčí materiál na světě

Tým okolo profesora Gao Čaa z univerzity v čínském Če-ťiangu následně vynalezl metodu, jak z grafenu vytvářet i trojrozměrné objekty. Jedná se o takzvaný grafenový aerogel, nejlehčí pevný materiál na Zemi.

Svojí strukturou připomíná houbičku na nádobí, ale je extrémně lehký. Trojrozměrná grafenová struktura je totiž velmi „řídká“. Uhlíkové atomy grafenového aerogelu zabírajícího objem jednoho metru krychlového proto váží pouhých 160 gramů.

Prostor mezi nimi je pak vyplněn vzduchem, případně jinými molekulami, a proto se ve vzduchu nevznáší. Grafenový aerogel vzniká rychlým vysušením grafenového hydrogelu působením velmi nízkých teplot, kdy jsou molekuly rozpouštědla v hydrogelu nahrazeny vzduchem při zachování trojrozměrné grafenové struktury.

Michel Meo a tým vědců z univerzity v anglickém Bathu dále upravili grafenový aerogel přidáním polyvinylalkoholu, čímž dali vzniknout nejlepšímu zvukovému izolantu. Ten si zachovává velice nízkou hmotnost, a přitom pohlcuje zvukové vlny.

To jsou velmi žádané vlastnosti například v leteckém průmyslu. Pokud by se tento aerogel použil jako zvuková izolace proudového motoru na dopravním letadle, klesla by jeho hlučnost v kabině na úroveň fénu na vlasy.

Jeho výroba a tvarování je přitom velmi snadné. Autoři jej přirovnávají k cukrovým pusinkám, které se jen místo zapékání v troubě rychle vysuší mrazem.

Přirovnání grafenového aerogelu k houbičce na nádobí je velmi trefné. Struktura je podobná, jen v případě grafenového aerogelu jde až na nanoúroveň. Pokud by byla houbička na nádobí vyrobena z grafenu, její savost by se zvýšila více než tisícinásobně.

Pevnost grafenu přispívá i k velké stlačitelnosti aerogelu, je možné jej stlačit na méně než desetinový objem bez jakéhokoliv mechanického poškození. Podobně jako když zmuchláte houbičku na nádobí, jenže u ní to jde jen o zhruba 20 %.

Jak vytvořit nehořlavý uhlík

Grafen je tvořen uhlíkem a ten je hořlavý. Velmi ale záleží na jeho uspořádání. Grafenová vrstva se vznítí při teplotě přibližně 550 ⁰C. Diamant, který je také tvořen čistým uhlíkem, vzplane při teplotách nad 720 ⁰C. Například ocel se vznítí až při teplotách překračujících 1300 ⁰C. Jiří Červenka, jenž vede tým vědců Fyzikálního ústavu Akademie věd České republiky, který se zabývá laděním vlastností grafenového aerogelu tak, aby lépe odolával vysokým teplotám, vysvětluje:

„Vyvinutý materiál má nízkou tepelnou vodivost, a navíc je velmi lehký a pružný. Materiálů, které vydrží vysokou teplotu při požáru, existuje velmi málo.“.

Český tým vyplnil mezery v grafenovém aerogelu molekulami oxidu uhličitého. Ty fungují jako přirozený samozhášecí mechanismus, podobně jako hasicí přístroje na CO2, a brání vznícení jednotlivých grafenových vrstev.

Díky tomu tento nový materiál odolává teplotám až 1500 ⁰C, a přitom si zachovává žádané vlastnosti aerogelu, tedy minimální hmotnost, pružnost a stlačitelnost, a zároveň vysokou pevnost srovnatelnou s ocelí.

Tento materiál by tak mohl být použit na svrchní vrstvu nehořlavých obleků, a nahradit tak dnes nejpoužívanější Nomex.