Od sazí k nanotrubičkám a ještě kousek dál…

1. Od sazí k nanotrubičkám a ještě kousek dál… Václav Slovák Gabriela Hotová katedra chemie, Přírodovědecká fakulta Ostravská univerzita v Ostravě

2. Uhlík a my počátek letopočtu 1 500 000 – 400 000 let … využívání ohně

3. Uhlík a my počátek letopočtu asi 50 000 let … schopnost rozdělat oheň 1 500 000 – 400 000 let … využívání ohně

4. Uhlík a my počátek letopočtu asi 30 000 let … jeskynní malby (dřevěné uhlí, saze) asi 50 000 let … schopnost rozdělat oheň 1 500 000 – 400 000 let … využívání ohně

5. Uhlík a my počátek letopočtu asi 5 000 let … cílená výroba dřevěného uhlí (střelný prach, železo) … využívání kamenného uhlí asi 30 000 let … jeskynní malby (dřevěné uhlí, saze) asi 50 000 let … schopnost rozdělat oheň 1 500 000 – 400 000 let … využívání ohně

6. Uhlík a my počátek letopočtu asi 4 000 let … grafit asi 5 000 let … cílená výroba dřevěného uhlí (střelný prach, železo) … využívání kamenného uhlí asi 30 000 let … jeskynní malby (dřevěné uhlí, saze) asi 50 000 let … schopnost rozdělat oheň 1 500 000 – 400 000 let … využívání ohně

7. Uhlík a my počátek letopočtu asi 3 000 let … diamanty asi 4 000 let … grafit asi 5 000 let … cílená výroba dřevěného uhlí (střelný prach, železo) … využívání kamenného uhlí asi 30 000 let … jeskynní malby (dřevěné uhlí, saze) asi 50 000 let … schopnost rozdělat oheň 1 500 000 – 400 000 let … využívání ohně

8. Uhlík a my asi 13. stol. … těžba uhlí počátek letopočtu

9. Uhlík a my 16. stol. … grafitové tužky asi 13. stol. … těžba uhlí počátek letopočtu

10. Uhlík a my 17. stol. … výroba koksu 16. stol. … grafitové tužky asi 13. stol. … těžba uhlí počátek letopočtu

11. Uhlík a my 18. stol. … grafit a diamant jsou uhlík 17. stol. … výroba koksu 16. stol. … grafitové tužky asi 13. stol. … těžba uhlí počátek letopočtu

12. Uhlík a my 19. stol. … aktivní uhlí, živočišné uhlí, saze 18. stol. … grafit a diamant jsou uhlík 17. stol. … výroba koksu 16. stol. … grafitové tužky asi 13. stol. … těžba uhlí počátek letopočtu

13. Uhlík a my 1953 … umělé diamanty 19. stol. … aktivní uhlí, živočišné uhlí, saze 18. stol. … grafit a diamant jsou uhlík 17. stol. … výroba koksu 16. stol. … grafitové tužky asi 13. stol. … těžba uhlí počátek letopočtu

14. Uhlík a my ? 2004 … grafen 1991?… uhlíkové nanotrubičky 1989 … uhlíkaté aerogely 1985 … fullereny 1953 … umělé diamanty 19. stol. … aktivní uhlí, živočišné uhlí, saze 18. stol. … grafit a diamant jsou uhlík 17. stol. … výroba koksu 16. stol. … grafitové tužky asi 13. stol. … těžba uhlí počátek letopočtu

15. Uhlíkaté aerogely • Gel = pevná struktura (síť) vyplněná tekutinou

16. Uhlíkaté aerogely • Aerogel = pevná struktura (síť) vyplněná vzduchem (až 99,9%)

17. Uhlíkaté aerogely • Jak vysušit gel? • normální sušení (xerogel) • mrazové sušení = lyofilizace (kryogel) • superkritické sušení (CO2) (aerogel)

18. Uhlíkaté aerogely • Aerogely z SiO2 („zmrzlý dým“)

19. Uhlíkaté aerogely • Příprava • organický gel • reakce vhodných organických látek v roztoku • sušení • pyrolýza • zahřátí v inertním plynu

20. Uhlíkaté aerogely • Vlastnosti • porézní charakter!!! • velké i malé póry • lze kontrolovat • velký vnitřní povrch • elektrická vodivost • odolnost při vysokých teplotách • chemicky stálé • dobré mechanické vlastnosti

21. Uhlíkaté aerogely

22. Uhlíkaté aerogely • Otazníky • definovaná příprava !? • cena výchozích surovin a zpracování (superkritické sušení) • Výzvy • modifikace uhlíkaté kostry • jinými atomy nebo povrchovými skupinami • kovy

23. Fullereny • Buckminster Fuller • architekt

24. Fullereny • Fulleren = forma uhlíku tvořená kulovitými molekulami (šesti- a pětiúhelníky) • 1996 Nobelova cena za chemii

25. Fullereny • příprava • elektrický oblouk mezi grafitovými elektrodami • vyluhování z vhodně upravených sazí

26. Fullereny

27. Fullereny • Vlastnosti a použití • stabilita × reaktivita (záření) • transport léčiv • umělá fotosyntéza • supravodivé materiály • solární články… • …

28. Fullereny • Vlastnosti a použití • antioxidanty a „lapače“ volných radikálů

29. Fullereny • Velká očekávání × málo reálných aplikací • Fullereny vedly k objevu uhlíkových nanotrubiček • výzkum se „rozředil“

30. Uhlíkaté nanotrubičky • = forma uhlíku tvořená válcovitými molekulami (jen šestiúhelníky) • jednostěnné, vícestěnné • příprava podobná fullerenům • katalýza kovy

31. Uhlíkaté nanotrubičky • Vlastnosti • pevnější než ocel • tvrdší než diamant • skvělé vodiče (podél trubičky) • skvělé izolanty (kolmo na trubičky)

32. Uhlíkaté nanotrubičky • Použití (současnost) • kompozitní materiály • místo uhlíkových vláken

33. Uhlíkaté nanotrubičky • Použití (současnost) • elektromateriály • vodivé polymery • baterie • elektrody

34. Uhlíkaté nanotrubičky • Použití (budoucnost???) • umělé svaly • superpevná lana

35. Uhlíkaté nanotrubičky • Hledání nových tvarů = funkcí

36. Grafen

37. Grafen • Historie • 1947, P. R. Wallace • teorie grafenu • 1987 • zaveden termín grafen • 2004, A. Geim a K. Novoselov • izolace grafenu pomocí lepící pásky • 2010, A. Geim a K. Novoselov • Nobelova cena (fyzika)

38. Grafen • Grafen = forma uhlíku, jejíž struktura se skládá z jedné vrstvy atomů uhlíků uspořádaných v šestiúhelníkové mřížce

39. 0D 1D 2D 3D • Grafen grafit grafen fulleren uhlíkatá nanotrubička

40. Grafen • Příprava • Zdola nahoru • Shora dolů • CVD – chemická depozice uhlovodíků z plynné fáze • Epitaxní růst na SiC • Chemickou přeměnou • Rozbalením uhlíkaté nanotrubičky • Organickou syntézou • Odlupování vrstvy grafenu z grafitu • Redukcí (chemická, tepelná) oxidu grafenu CVD SiC

41. Grafen • Vlastnosti • nejtenčí • nejpevnější • lehký • tvrdší než diamant a 300 krát tvrdší než ocel • elektricky i tepelně vodivý (lépe než měď) • pružný (může být protáhnut až o 20% své délky) • velký měrný povrch (~3000 m2/g) • nepropustný pro plyny

42. Grafen • Použití • Flexibilní elektronika • Flexibilní transparentní elektrody • Plynové detektory • Solární články • Automobily, letadla, brnění • Antibakteriální účinky

43. Grafen

44. „Graphene willhaveits place, but itwill just takelongerthanpeoplethink.“ Peter L. Antoinette „Budoucnost uhlíkových nanotrubiček skončila v roce 2004 – okamžikem přípravy grafenu!“ anonym

45. Budoucnost??? • Chaoit = bílý uhlík • místa dopadu velkých meteoritů do grafitu • forma uhlíku, kterou neumíme připravit • zajímavé elektrické vlastnosti

46. Budoucnost??? bct-uhlík (2010) T-uhlík (2011) M-uhlík ??? krychlový uhlík (2008?)

47. Budoucnost??? • Diamant Lucy • průměr asi 4000 km • uhlík + kyslík

48. Budoucnost???