Budoucnost patří uhlíku. Investuje do něj i EU

Geniální Jára Cimrman chyboval, když si chtěl nechat vytesat na hrob motto Budoucnost patří aluminiu. Světové laboratoře se věnují jinému, zdánlivě obyčejnému prvku - uhlíku

Ze školy všichni víme, že se v přírodě vyskytuje tento chemický prvek ve dvou modifikacích, tedy dvou strukturních formách s odlišnými vlastnostmi: jako grafit a jako diamant. Uhlík je ale také základem všech organických sloučenin a jako takový zároveň základním materiálem pro vznik živé hmoty. Známe a máme popsáno na deset milionů různých sloučenin tohoto prvku, je rovněž součástí kompozitních materiálů, které slouží při výrobě produktů pro všechna odvětví průmyslu od leteckého až třeba po výrobu sportovního náčiní. V neposlední řadě je pak součástí fosilních paliv, bez nichž se stále nedovedeme obejít.

A na co to je?

Během posledních tří desetiletí člověk našel v přírodě nebo vyrobil v laboratoři další modifikace uhlíku, které mají podle všeho před sebou skvělou budoucnost. Například grafen, který byl objeven v roce 2004. Ten tvoří v podstatě jedna (nebo jen pár) vrstva atomů uhlíku, vzájemně propojených do rovinné sítě ze šestiúhelníků. Pouhý gram grafenu lze rozložit na plochu přibližně čtyř fotbalových hřišť.

Navázáním dalších prvků na atomy uhlíku pak lze získat materiály doposud netušených vlastností a možností. Zabývají se tím vědci i u nás, například na olomoucké přírodovědecké fakultě. Díky neuvěřitelně malé tloušťce tak svět získal v zásadě první dvojrozměrný materiál. Grafen je rovněž základním stavebním kamenem pro výrobu uhlíkových nanotrubiček.

Materiál z nich vyrobený pak má skvělé vlastnosti OE uchovává si elasticitu v širokém rozmezí teplot od té, za níž je už dusík kapalný, po tu, při níž se taví měď, tedy zhruba od OE200 do +1000 stupňů Celsia.

To ovšem není všechno, kromě kompozitních materiálů nových vlastností mohou posloužit například k čištění vody. O tom, jak pestrý je svět jejich využití, svědčí třeba to, že na University of Arkansas uhlíkovými nanotrubičkami přihnojili (lépe se to nazvat nedá) semínka rajčat. V kontrolní nepřihnojené skupině po deseti dnech pokusu vyklíčila jen třetina semínek. U těch zalitých vodou s několika mikrogramy uhlíkových nanotrubiček to byly třetiny dvě.

Černé divadlo

Nedávno udivil laický svět materiál, který vyvinuli odborníci z britské společnosti Surrey NanoSystems a nazvali ho Vantablack. Prvotní snahou bylo získat co nejtemnější, nejčernější materiál, který je důležitý pro řadu optických přístrojů a měření coby kalibrační zdroj.

Absolutně černé těleso totiž pohlcuje veškeré záření všech vlnových délek a zároveň je ideálním zářičem, protože za stejné teploty mezi ostatními tělesy vysílá nejvyšší množství energie.

Vantablack, vyrobený z množství uhlíkových nanotrubiček, pro jejichž rozměr je lidské oko nerozezná, dokáže pohltit 99,96 procenta záření, což zatím žádný jiný materiál neumí. Lze jím pokrýt různé předměty, které se tím jaksi vymažou z lidského pohledu a my vidíme vlastně jen obrysy dotyčného předmětu, nikoli jeho plasticitu.

Oku se zdá, respektive náš mozek to tak interpretuje, že se dívá do černé díry, do hlubin tajemného prostoru. Další využití kromě optiky, elektroniky a nově i v umění se zatím hledá, ale například velitelé armád (či spíše jejich podřízení, kteří to dostali rozkazem) už horečně přemýšlejí, jak jím tepelně maskovat techniku.

Medicína v očekávání

Jiným takovým zázračným materiálem může být fulleren. Jsou to molekuly sférického uspořádání z jediné, do sféry uzavřené vrstvy grafenu. Můžeme si je představit jako fotbalový míč sešitý z šestiúhelníkových a pětiúhelníkových částí.

Mohou ale nabýt i tvaru válce podle počtu atomů. Za podmínek na zemi se vyrábějí v laboratořích, ovšem astronomové je objevili pomocí Spitzerova teleskopu i ve vesmíru. Vložením atomů jiného prvku do této struktury je možné podstatně změnit vlastnosti materiálu, jenž je z fullerenů vyroben. Zatím se naděje upínají k využití v elektronice a elektrotechnice kvůli supravodivosti, ale mají perspektivu OE podobně jako uhlíkové nanotrubičky OE i v medicíně.

Lékaři si lámou v současnosti hlavu nejen s nádorovými onemocněními, ale i se stále širší řadou multirezistentních bakterií. Je prokázáno, i když zatím netušíme proč, že nanostruktury z uhlíku, jako jsou grafen či právě fullereny, narušují bakteriální stěny, a dokážou tak bakterie zneškodnit. Záměr je spojit léčiva s takovou nanostrukturou či ji pokrýt enzymatickými látkami. Bakterie se stykem s takovou formou uhlíkaté látky podle současných vědomostí už nedokážou množit.

Ve 3D tiskárně se dá vyrobit i motorka Motorka z 3D tiskárny je nejlehčí na světě. Stojí 1,35 milionu

Je přitom zajímavé, že buňkám v organismu uhlíkaté struktury neublíží, tedy alespoň ne tak, aby to bylo možné zaznamenat. To, že má uhlík a jeho formy velkou budoucnost, dokládá mimo jiné i fakt, že například EU dala jednu miliardu eur do dvou projektů OE zmapování lidského mozku a jejich využití v elektronice. Výzkum u nás se zatím potýká s nedostatkem vědců zaměřených na potřebné technologie a chemii uhlíku.

Zatímco v asijských zemích, jako je Čína či Jižní Korea, se patenty těchto technologií počítají na tisíce, v Evropě na stovky. U nás zatím bohužel- Ale i to by se mělo změnit, Grantová agentura ČR začala výzkum a vývoj podporovat, lze se zapojit také do programů Evropské unie.