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

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

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

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

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

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

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

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

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

Uhlík a my 17. stol. … výroba koksu 16. stol. … grafitové tužky koksárny na Ostravsku od 40. let 19. stol 17. stol. … výroba koksu 16. stol. … grafitové tužky asi 13. stol. … těžba uhlí počátek letopočtu

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

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

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

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

Uhlíkaté aerogely Gel = pevná struktura (síť) vyplněná tekutinou

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

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

Uhlíkaté aerogely Aerogely z SiO2 („zmrzlý dým“)

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

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

Uhlíkaté aerogely

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

Fullereny Buckminster Fuller architekt

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

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

Fullereny

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

Fullereny Vlastnosti a použití antioxidanty a „lapače“ volných radikálů

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

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

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

Uhlíkaté nanotrubičky Použití (současnost) kompozitní materiály místo uhlíkových vláken

Uhlíkaté nanotrubičky Použití (současnost) elektromateriály vodivé polymery baterie elektrody

Uhlíkaté nanotrubičky Použití (budoucnost???) umělé svaly superpevná lana

Uhlíkaté nanotrubičky Hledání nových tvarů = funkcí

Grafen

Grafen Historie 1947, P. R. Wallace 1987 2004, A. Geim a K. Novoselov 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)

Grafen Grafen = forma uhlíku, jejíž struktura se skládá z jedné vrstvy atomů uhlíků uspořádaných v šestiúhelníkové mřížce -- 3 miliony graphene sheets na sebe  crystal of graphite, 1 mm thick

0D 1D 2D 3D Grafen fulleren uhlíkatá nanotrubička grafen grafit Graphene is a two-dimensional (2D) material in the form of carbon on the honeycomb lattice that is the "mother" of all other allotropic forms of carbon: zero-dimensional (0D) fullerenes or buckyballs, one-dimensional (1D) carbon nanotubes, and three-dimensional (3D) graphite. Graphene was discovered in 2004 by Andre Geim's group at Manchester University in England. The electronic properties of graphene are very unusual because the elementary excitations are not ordinary electrons but Dirac fermions, relativistic particles that propagate with a velocity which is 300 times smaller than the speed of light. Hence, graphene can be used as a bench-top particle-physics laboratory to study fundamental interactions in matter. Furthermore, graphene can be studied to be used as electronic devices such as atomically thin transistors, electronic waveguides, and sensitive chemical sensors. Read more here: uhlíkatá nanotrubička grafen grafit

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 je chem.proces vyuzivany pro pripravu tenkych filmu. Pro depozici se vyuziva smes chem.reaktivních plynů (methan, ethan) zahratou na teplotu 900-1000°C. Smes je privadena v plynne fazi na substrat, na jehož povrchu vzniká vrstva pozadovaneho materialu. Substrat (Fe, Cu) Epitaxni rust – proces, při kterem na povrchu substratu roste tenka krystalicka vrstva. Krystalicka mrizka nove vznikajici vrstvy navazuje na krystalickou mrizku substratu. CVD SiC

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 Grafen je vyborny vodič, elektrony jsou schopny prochazet skrz grafen snadněji než přes měď

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

Grafen

„Graphene will have its place, but it will just take longer than people think.“ Peter L. Antoinette „Budoucnost uhlíkových nanotrubiček skončila v roce 2004 – okamžikem přípravy grafenu!“ anonym

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

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

Budoucnost??? Diamant Lucy průměr asi 4000 km uhlík + kyslík

Budoucnost???