Spojenie slov „dvojrozmerný“ a „materiál“ môže znieť nelogicky. Čo si pod tým môžeme predstaviť?
Dvojrozmerné materiály sú tuhé látky, ktoré sú hrubé jeden alebo niekoľko atómov. Najznámejší z nich je grafén, ktorý je zložený z uhlíkových atómov usporiadaných do hexagónovej mriežky. Ďalšie dvojrozmerné materiály, ako napríklad molybdenium disulfát, sú tvorené trocha zložitejšími mriežkami, kde sú atómy v troch vrstvách vedľa seba, ale ich hrúbka je stále menšia ako jeden nanometer. Sú to asi najtenšie látky aké môžu existovať.

Vieme s nimi vôbec pracovať, keď sú také tenké?
To je ten zázrak, že vieme. Vieme ich vyrobiť, položiť ich na podložky, dať na ne elektródy, merať prúd, ktorý nimi prechádza, merať ich optické a mechanické vlastnosti. Vieme na ne naložiť tlak, natiahnuť ich a možno ich vieme aj využiť.

Čím je práve grafén, o ktorom sa hovorí ako o revolučnom materiáli, tak jedinečný?
Má veľa výnimočných vlastností, je to napríklad veľmi pevný materiál. Keby bol papier taký pevný ako grafén, tak ak by ste ho natiahli, udržal by zhruba desať ton. Napríklad nejaký ťažký mercedes, možno dokonca aj ľahší tank. Okrem toho veľmi ľahko vedie elektrický prúd, má veľmi dobrú tepelnú vodivosť. No najzaujímavejší je tým, že vieme ovplyvňovať jeho vlastnosti.

Ako ho môžeme ovplyvňovať?
Napríklad tým, že na neho vieme dať nejaké ďalšie atómy alebo molekuly. Aplikovaním elektrického poľa zas vieme meniť jeho elektrické vlastnosti, čo je dôležité pre informatiku a nanotechnológie. To je asi najdôležitejší objav, ktorý fyzikom Geimovi a Novoselovi vyniesol v roku 2010 Nobelovu cenu.

Vieme si ho teda podľa potreby vylepšiť?
Ak vieme aké vlastnosti by sme pri konkrétnom materiáli potrebovali, tak sa snažíme grafén niečím dekorovať, alebo naň naložiť nejaké polia, aby tie požadované vlastnosti dosiahol. Prípadne ho môžeme spojiť s inými dvojrozmernými materiálmi a vytvoriť z nich „lego“.

Keď napríklad položíme grafén na nejaký feromagnetický nevodič, stane sa z neho vodivý magnet. Tak by sme mohli vytvoriť najtenší feromagnetický vodič na svete.

Existujú nejaké ideálne kombinácie, v ktorých materiály dosahujú najlepšie vlastnosti?
To zatiaľ nevieme, stále je to v štádiu vývoja. Ale vezmime si napríklad schopnosť viesť prúd. Grafén je polokov, čo znamená, že pod napätím vedie prúd. Poznáme však ďalšie dvojrozmerné materiály, ktoré sú polovodičové a prúd preto nevedú tak ľahko. Musíme do nich niečo pridať.

Na polovodičoch, ako je napríklad kremík, je založená celá informatika. Takže tieto dvojrozmerné materiály majú veľkú perspektívu. Momentálne na ne dávame grafén a skúmame, aké ďalšie vlastnosti budú mať. No zatiaľ to ešte nevieme.

Kde všade by sa podľa doterajších zistení dal grafén v budúcnosti využiť?
Predstáv máme veľa, nevieme však ktorá z nich sa zrealizuje. Práve na to existuje európsky projekt Graphene Flagship, ktorý skúma na čo všetko by sa dal grafén využiť. Najviac sa hovorí o transparentnej a ohybnej elektronike. Tam zaraďujeme napríklad ohybné displeje, napríkad aj pre mobily.

Ďalej sú to aplikácie založené na jeho chemických vlastnostiach – napríklad detekovanie nebezpečných plynov, čo sa dá využiť v nejakých antiteroristických operáciách. Grafén je veľmi pevný, takže sa tiež uvažuje, že by mohol byť zakomponovaný do nepriestrelných viest.

To sú naozaj široké možnosti využitia...
A to nie je všetko. Len nedávno napríklad vznikla veľmi zaujímavá aplikácia, ktorá spočíva v pridávaní grafénových vločiek do farieb, ktorými sa natierajú obrovské lode. Vďaka tomu na nich nerastú riasy a netreba ich natierať tak často ako teraz.

Rovnako sa prednedávnom experimentálne zistilo, že keď do grafénu urobíte miniatúrne dierky a následne na to nalejete morskú vodu, tak soľ ostáva hore a čistá voda sa steká nadol. Grafén by sa týmto spôsobom mohol použiť na odsoľovanie morskej vody, čo by malo v priemysle obrovské využitie.

Mohli by sme vďaka takémuto vynálezu piť vodu priamo z mora?
Presne tak. Mali by ste filtrovaciu kanvicu s grafénom, vyplávali by ste na more, a keď by ste vysmädli, tak by ste si načerpali morskú vodu. Grafén by vám odfiltroval soľ a vy by ste ju mohli bez problémov vypiť.

S dvojrozmernosťou materiálov sa možno spája aj dnešná tendencia všetko zmenšovať a stenčovať...
Stenčovanie je veľmi dôležité. Vezmite si napríklad letecký priemysel. Na to, aby lietadlo nebolo také ťažké, je potrebné stenčovať a odľahčovať všetko, čo sa v ňom nachádza, vrátane obrazoviek. Grafén by sme mohli využiť práve na výrobu tenkých a ľahkých obrazoviek, ktoré sú aj ohybné.

Na to však potrebujeme vyrobiť veľké grafénové vločky, a to je problém – vytvoriť vysoko kvalitný grafén, ktorý má rozmery pol metra až meter. Je tomu preto venovaná veľká pozornosť aj v spomínanom projekte Graphene Flagship.

Grafén na molybdéniu disulfáte, spoločne položené na hrubej podložke. © Martin Gmitra

O akých ďalších dvojrozmerných materiáloch vieme?
Takýchto materiálov už poznáme desiatky. Okrem grafénu je momentálne asi najznámejšia skupina dichalkogenidov – prechodových kovov, ktorých je šesť.

Príkladom je už spomínaný molybdénium disulfát. Ide o polovodiče, ktoré sa správajú ako kremík, a dajú sa z nich robiť tranzistory, či elektronické súčiastky, a momentálne sa ich vedci snažia využiť ako solárne články.

Pokiaľ by to vyšlo, tak by sme mohli vytvoriť dvojrozmerné, ultraľahké solárne články, ktoré by sa v podstate dali používať všade.

Aké ďalšie skupiny 2D materiálov poznáme?
Podobný polovodičový materiál je fosforén. Ten vzniká, keď sa z atómu fosforu urobí dvojrozmerná mriežka. Je známy tým, že má tiež nízky elektrický odpor – elektróny tam behajú pomerne dobre a nevytvárajú toľko tepla. Na druhej strane veľmi rýchlo oxiduje, lebo sa naň často lepia molekuly vody a kyslík. Takže nie je až taký čistý a nepracuje sa s ním tak dobre.

Ďalšou skupinou sú supravodiče, ktoré sú však pomerne kontroverzné a ešte o nich veľa nevieme.

V rámci vášho výskumu sa tiež venujete výskumu spinových vlastností dvojrozmerných materiálov. Čo to presne znamená?
Elektróny majú náboj, a majú aj spin. Rovnako ako náboj charakterizuje elektrón, charakterizuje ho aj spin. Ten si môžeme predstaviť ako otáčanie v nejakom smere.

Vo feromagnetoch sa elektróny prirodzene točia jedným smerom, ich spiny sú orientované rovnako. Hovoríme vtedy, že sú elektróny spinovo polarizované. V graféne vieme tiež elektróny polarizovať, a vytvoriť tak ultratenký magnet. Vedci momentálne skúmajú ako dlho ten spin v graféne vydrží.

Vedeli by ste nám to priblížiť na konkrétnom prípade?
Predstavme si na graféne dve feromagnetické elektródy, ktoré sú rovnako polarizované. Z jednej elektródy do grafénu vtekajú spinovo polarizované elektróny. Na to, aby mohli cez druhú elektródu vytiecť von, musí sa ich spin zachovať. Len vtedy je odpor najmenší a cez grafén tečie maximálny elektrický prúd.

Ak sa spiny depolarizujú (čiže budú orientované rovnako na všetky smery) predtým, než vtečú do druhej elektródy, odpor grafénu sa zväčší. Na podobnom princípe, ktorému hovoríme gigantická magnetická rezistencia, fungujú čítačky pevných diskov v počítačoch. To je konkrétne prvá spintronická aplikácia, ktorá dostala Nobelovu cenu.

Takéto súčiastky sú však ešte tvorené klasickými, 3D materiálmi...
To je to, na čom pracujeme. Aby bol aktívnym materiálom v podobných súčiastkach práve grafén, alebo iný vhodný dvojrozmerný materiál.

V mojej skupine sme vytvorili zopár teórií, ako sa spin v graféne správa a vysvetlili sme tiež niektoré experimenty. Ukázalo sa totiž, že spiny v graféne vydržia omnoho menej ako sa pôvodne predpokladalo. Žijú zhruba desaťtisíckrát kratšie a my sme vytvorili teóriu, ktorá vysvetľuje prečo tomu tak je.

Dá sa táto dĺžka života spinu nejako umelo predĺžiť?
Keďže už poznáme mechanizmus, tak vieme, čo by sme mohli urobiť, aby sme predĺžili existenciu spinovo polarizovaných elektrónov v graféne. Momentálne tam spiny žijú menej ako nanosekundu a my chceme, aby sa to zvýšilo aspoň na mikrosekundu.