Karbyn: síla simulací

Elektronika i další obory využívají ke svým inovacím nejen nové technologické postupy, ale i dosud neznámé materiály. Některé z nich mají svůj předobraz v přírodě, jiné jsou zcela dílem lidských rukou. K objevům nových materiálů může docházet náhodou při jiných výzkumech, stále častěji ale i na základě pokročilých teorií, výpočtů a počítačových simulací.

Karbyn: síla simulací


Za nejpevnější (ve smyslu v tahu nejsilnější) materiál byl dosud pokládán grafen. Právě z něj měla být proto vlákna populárního futuristického projektu, výtahu na oběžnou dráhu – vzhledem k délce vlákna není vůbec jednoduché zařídit, aby uneslo alespoň samo sebe. Grafen ale nyní zřejmě přišel o své prvenství ve prospěch jiné formy uhlíku, karbynu (carbine).

Ten by prý mohl být současně i konkurencí diamantu. Jiné jeho vlastnosti překonávají uhlíkové nanotrubičky, flexibilita zase DNA, přičemž karbyn by si ji ale mohl udržet i ve větším měřítkách. Alespoň to tvrdí tým výzkumníků z Rice University v Houstonu a ze Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology. Je však třeba dodat, že příslušné vlastnosti byly zatím pouze vypočítány.

Karbyn je řetězec atomů uhlíku, kde se střídá buď jednoduchá a trojná vazba, nebo jsou všude dvojné (aby se zachovala čtyřvaznost uhlíku). Na koncích se jednotlivé řetězce mohou spojovat, takže struktura vláken se zpevní zasíťováním. Karbyn podle všeho vzniká v mezihvězdném prachu nebo při velmi prudkém stlačení grafitu. Nový výzkum tvrdí, že dlouhé řetězce karbynu by se mohly vyrábět i při pokojové teplotě a nevyžaduje pro svůj vznik ani existenci nijak extrémní podmínky. Vedle karbynu se za nadějnou považuje i jiná modifikace uhlíku, tzv. uhlík M neboli supertvrdý grafit. Profesor Artem R. Oganov ze Stony Brook University připravil tuto látku už v roce 2006. Teprve nyní se však podařilo (opět Oganovovu týmu) dokázat, že experimentální data a počítačové simulace popisující strukturu uhlíku M spolu souhlasí.

Uhlík typu M vzniká stlačováním grafitu za pokojové teploty (při vyšší teplotě by se zrodil diamant). Výsledkem je forma, která je podobně jako diamant supertvrdá a průhledná, ale její další charakteristiky se od jiných modifikací uhlíku liší. Tento uhlík je např. bezbarvý, některé jeho vlastnosti se nacházejí jakoby „mezi“ běžným grafitem a diamantem. U diamantu, respektive u jeho konkurence, ještě zůstaneme. Diamant vyniká nejen svou tvrdostí, ale jde rovněž o dosud nejlepší známý vodič tepla. Teoretičtí fyzikové z Boston College a Naval Research Laboratory však na základě výpočtů došli k závěru, že arsenid bóru, BAs, by měl v tomto ohledu vykazovat ještě lepší vlastnosti.

Experimentálně se prokázalo, že kubická forma BAs je skutečně lepším vodičem tepla než diamant. Tato látka je navíc podobně jako většina diamantů (údajně vyjma modro-fialových) izolantem, takže pro aplikace v elektronice by mohlo jít o plnohodnotnou náhradu. Účinný odvod vznikajícího tepla je pochopitelně stále důležitější v souvislosti s tím, jak se elektronické součástky zmenšují a intenzivněji se dotýkají. Navíc je BAs i oproti syntetickým diamantům levnější.

Samotný diamant je z hlediska odvádění tepla asi pětkrát účinnější než nejvýkonnější kovy typu mědi. David Broido, profesor na Boston College a jeden z autorů nové studie, uvádí, že účinnost diamantu podle standardního výkladu vyplývá ze síly vazeb mezi atomy uhlíku a současně z toho, že jde o lehké atomy. Arsenid bóru by podle tohoto přístupu žádné výjimečné vlastnosti mít neměl. Vědci však vyvinuli nový teoretický přístup ke stanovení tepelné vodivosti a právě na BAs ho otestovali – protože tepelnou vodivost této sloučeniny dosud nikdo prakticky neměřil. Nová metoda se osvědčila, změřená data souhlasila s teoretickým odhadem.

Konkurenci pro současné uhlíkové materiály by mohl představovat i silicen, jehož objev pokládal např. časopis New Scientist za jednu z nejvýznamnějších událostí loňského roku. Podobně jako u grafenu jde v tomto případě o vrstvičku ideálně tlustou pouze jeden atom, ovšem je to vrstva křemíku. Silicen by měl mít podobné vlastnosti jako grafen, půjde ale snadněji integrovat do existující křemíkové elektroniky. První pokusy o přípravu se datují už do roku 2010, nicméně tehdy výsledky nebyly všeobecně přijaty. Loni silicen konečně úspěšně připravili Patrick Vogt z Technické univerzity v Berlíně a jeho kolegové z francouzské univerzity Aix-Marseille. Látka vznikla kondenzací křemíkových par na stříbrném podkladu.

Čtěte také:
→ Upsalin: hrátky s povrchem
K objevům nových materiálů může docházet náhodou při jiných výzkumech, stále častěji ale i na základě pokročilých teorií, výpočtů a počítačových simulací.
→ Souboj křemíku s uhlíkem
Nové efektivnější technologie se snaží nasytit věčný hlad po energiích. Inovace se nevyhýbají bateriím a jejich součástem a pochopitelně ani solárním článkům. Uhlík soupeří s křemíkem i dalšími materiály, řada postupů se inspiruje procesy probíhajícími v živé přírodě.


Úvodní foto: © I.M.Redesiuk - Fotolia.com

Vyšlo v CIO Business World 12/2013
Časopis lze koupit se slevou 20 %





Komentáře