Mgr. Otakar Frank, Ph.D.

Držitel Neuron Impulsu 2016

Znát přesný čas je někdy hodně důležité. Třeba když jdete na první rande. Existují však i jiné významné údaje. Fyzik Otakar Frank například hledá způsob jak určit přesné mechanické vlastnosti grafenu. Na svůj výzkum nyní obdržel jeden milion korun jako Impuls od Nadačního fondu Neuron.

Zabýváte se grafenem, což je supertenká průhledná membrána tvořená pouze jednou vrstvou atomů uhlíku. Poprvé jej popsali vědci před více než padesáti lety. Je možné objevit ještě něco zásadně nového? 
Na grafenu je zajímavé, že doposud nejsou úplně přesně změřeny jeho mechanické vlastnosti. Víme, že jde o nejpevnější materiál na světě. Ocel má pevnost „jen“ několik gigapascalů, u grafenu činí 200 až 300 gigapascalů. Ovšem zatím není tato hodnota zcela ověřená, protože se pevnost grafenu určuje nepříliš přesnou metodou. Grafen se položí na podložku s otvorem o průměru několika mikrometrů, pak na toto místo tlačíme hrotem a sledujeme sílu tlaku a prohnutí membrány. Tento typ experimentu je sice relativně jednoduchý, ale má několik problémů. Hlavním nedostatkem je velká koncentrace působící síly v několika málo nanometrech pod hrotem v porovnání s mikrometrovou velikostí namáhané membrány. To má za následek špatně definovatelnou odezvu při větších deformacích. Získané výsledky jsou pak spíše přibližné.

Jak by měl vypadat ideální pokus?
Natáhnout membránu v rovině a změřit sílu nutnou na protažení. Zatím se to nikomu nepovedlo.

V čem je problém?
Okraje membrány není za co chytit, protože se trhají, nebo vyklouzávají z uchycení. Hledám se svým týmem řešení tohoto problému. Grafen natahujeme na plastové podložce, měříme její průhyb a pak vypočítáme relativní protažení. Zároveň měříme vlastnosti grafenu. Teoreticky lze grafen protáhnout až o 20 procent, ale na podložce drží jen do protažení několika málo procent, pak sklouzává z podložky. Pro dosažení většího natažení pak s kolegy testujeme další cesty, například kontrolovaně deponovat dodatečný materiál na „úchyty“ grafenu.

Až se vám to podaří, co zjistíte?
Určíme pevnost mnohem přesněji, než při měření hrotem.

Pokud přesně změříte mechanické vlastnosti grafenu, k čemu tento poznatek přispěje?
Bude možné vypočítat, jaké protažení grafen ještě vydrží. Budeme vědět, ve kterém směru se začne membrána trhat. Tato informace je poměrně důležitá k tomu, abychom mohli měnit elektronovou strukturu grafenu pomocí mechanické deformace.

Jak to bude užitečné?
Změnou elektronové struktury lze teoreticky otevřít tzv. zakázané pásmo (pozn. autora - energetická oblast, kde se v materiálu nevyskytují žádné elektrony).

Kdyby se podařilo otevřít zakázané pásmo, dal by se grafen využívat v elektronice stejně masově jako křemík?
To byla původní myšlenka autorů efektivní výroby grafenu, za kterou dostali v roce 2010 Nobelovu cenu za fyziku. Ale u jednovrstvého grafenu to asi nepůjde, protože otevření zakázaného pásma nastává až v momentu, kdy se začne membrána trhat. Teoretická možnost existuje u dvouvrstvého grafenu, ale praktické ověření zatím chybí.

To vypadá na slepou uličku. Jaké vidíte řešení?
Kromě toho, že děláme pokusy se vzorky dvouvrstvého grafenu, experimentujeme také se sulfidy a selenidy molybdenu a wolframu. V rámci projektu pro Nadační fond Neuron chceme mechanickou deformací sulfidu molybdeničitého změnit elektronovou strukturu tohoto materiálu.

Nemáte při pokusech podobné problémy s uchycením okrajů jako u grafenu?
Ano, ale dají se zvládnout. Na horní a dolní vrstvě sulfidu molybdeničitého je síra, která dobře drží na zlatě. Takže místo plastové podložky použijeme zlatou. Sulfidy a selenidy zmíněných kovů jsou také mnohem vděčnější, protože stačí i malá deformace a energie zakázaného pásma se začne pohybovat nahoru, nebo dolu. Záleží na směru deformace. Díky tomu dokážeme změnit elektrické vlastnosti těchto materiálů. To může mít praktický význam. Například při vývoji nového typu solárních panelů, které by dokázaly využít energii z širšího spektra slunečních paprsků.

Jak směrem bude váš výzkum pokračovat?
Už umíme měnit elektronovou strukturu sulfidů a selenidů. Nyní pracujeme na konceptu energetického trychtýře, který má ale háček: mechanická deformace a tím i elektronová struktura našeho materiálu musí být plynule měněna z jednoho bodu vrstvy k druhému. Při řešení tohoto problému můžeme zkusit využít znalostí, které jsme získali z těch ne úplně ideálních experimentů. Takže indentace zavěšené membrány či různá přilnavost k různým povrchům jsou směry, které chceme při tvorbě energetického trychtýře zkoušet.

Text: Josef Matyáš

Napsali o něm:

Mgr. Otakar Frank, Ph.D.

Doktor Frank (* 1977) absolvoval Přírodovědeckou fakultu Univerzity Karlovy, kde v roce 2005 obhájil titul Ph.D. Jako postdoktorand pracoval v Ústavu chemického inženýrství a vysokoteplotních procesů v Patras v Řecku, od roku 2010 působí jako vědecký asistent v Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského Aakademie věd ČR. Zaměřuje se na výzkum uhlíkatých nanomateriálů a materiálům pro uchování a konverzi energie.