Nejmenší kovové magnety na světě vyvinuli vědci z Regionálního centra pokročilých technologií
a materiálů (RCPTM) Univerzity Palackého v Olomouci spolu s kolegy z Prahy a Singapuru. Na jejich přípravu využili „nobelovský“ grafen, který posloužil jako chemická past pro tvorbu
a stabilizaci magnetických kovů o velikosti několika nanometrů.
Odborníci již testují jejich účinnost v lékařské diagnostice, uplatnění ale mohou najít třeba i v ekologii, elektronice či biotechnologiích. Společnou práci českých výzkumníků zveřejnil v těchto dnech prestižní časopis Nature Communications. Základem úspěchu se stala právě kombinace nanočástic železa, niklu či kobaltu s chemicky upraveným grafenem. Grafen si lze představit jako jedinou vrstvu atomů uhlíku, která je pevnější než ocel, zcela propouští procházející světlo a vede elektrický proud lépe než měď. „Pokud tento materiál chemicky upravíme, můžeme významně ovlivnit jeho elektrické, optické i magnetické vlastnosti. Tentokrát jsme využili vhodné funkční skupiny k jakémusi uvěznění ultramalých kovových nanočástic mezi listy grafenu, a tím zabránili jejich oxidaci na dosud běžně využívané, ale méně magnetické oxidy kovů. Získali jsme tak novou třídu na vzduchu stabilních a velmi silných magnetů,“ uvedl vedoucí projektu a ředitel RCPTM Radek Zbořil. O nanočástice čistých kovů se vědecká komunita zajímá po desetiletí zejména kvůli schopnosti vykazovat tzv. superparamagnetismus. „Tento jev je vlastní velmi malým magnetickým částicím, které vykazují silnou a rychlou odezvu, pokud jsou vystaveny účinkům vnějšího magnetického pole. Zatímco u nanočástic oxidů kovů byl tento fenomén dobře popsán, u čistých kovových částic, které vykazují mnohem silnější magnetismus, byl pouze teoreticky předpovězen. Takto malé kovy jsou totiž mimořádně reaktivní a za běžných podmínek na vzduchu shoří,“ říká Jiří Tuček z RCPTM, jeden z předních českých fyziků v oblasti magnetismu.
 Grafen je uměle připravený uhlíkový alotrop rozprostírající se ve dvou dimenzích (2D), kde jsou jednotlivé uhlíkové atomy uspořádány do hexagonální mřížky. Sporadické pokusy o jeho zkoumání se datují už od roku 1859, avšak aktivní a cílený výzkum grafenu a jeho derivátů začal teprve před několika lety v souvislosti s nalezením jednoduchého a účinného způsobu přípravy izolovaných grafenových vzorků. Grafen je zajímavým materiálem především díky svým unikátním vlastnostem, které předurčují jeho velký potenciál pro nejrůznější aplikace a technologické využití. Nicméně některé vlastnosti, jako je například velká hydrofobicita, omezují jeho uplatnění v senzorických aplikacích. Těchto nedostatků se lze zbavit vhodnou kovalentní funkcionalizací a tak získat nové grafenové deriváty s řízenými fyzikálně-chemickými vlastnostmi. |
Jak tedy dokázali Češi překonat tuto experimentální výzvu? „Metoda přípravy je poměrně jednoduchá – vyžaduje práci ve vodíkové atmosféře a využití kyslíkových funkčních skupin, které pevnou vazbou propojí grafen a nanomagnet. Technologie dovoluje připravit širokou škálu takto malých a stabilních kovových magnetů. Navíc je lze vyrobit jednorázově ve velkých množstvích. Právě téma: nanotechnologie 44 | technik management | 10-16 technik management | 10-16 | 45 Fluorografen byl poprvé připraven v roce 2016. Jedná se o 2D strukturu hexagonálních uhlíkových kruhů, kde je na každý uhlík kovalentně navázán atom fluoru. Tím se změní výsledná hybridizace grafenového uhlíku, což vede ke změně základních charakteristik tohoto materiálu. Fluorografen je neobyčejně reaktivní materiál reagující za běžných podmínek s celou řadou chemických látek (NaSH, NaOH, CCl2). Tohoto faktu lze elegantně využít v celé řadě substitučních reakcí pro přípravu nových elektrochemicky zajímavých materiálů. Tímto způsobem byl například připraven zcela nový derivát thiofluorografen, který byl použit jako impedimetrický senzor pro detekci hybridizace DNA. Grafen je uměle připravený uhlíkový alotrop rozprostírající se ve dvou dimenzích (2D), kde jsou jednotlivé uhlíkové atomy uspořádány do hexagonální mřížky. Sporadické pokusy o jeho zkoumání se datují už od roku 1859, avšak aktivní a cílený výzkum grafenu a jeho derivátů začal teprve před několika lety v souvislosti s nalezením jednoduchého a účinného způsobu přípravy izolovaných grafenových vzorků. Grafen je zajímavým materiálem především díky svým unikátním vlastnostem, které předurčují jeho velký potenciál pro nejrůznější aplikace a technologické využití. Nicméně některé vlastnosti, jako je například velká hydrofobicita, omezují jeho uplatnění v senzorických aplikacích. Těchto nedostatků se lze zbavit vhodnou kovalentní funkcionalizací a tak získat nové grafenové deriváty s řízenými fyzikálně-chemickými vlastnostmi. dostatečná produkce bývá hlavním problémem uplatnění mnoha slibných technologií na bázi grafenu,“ vysvětluje Zdeněk Sofer z pražské VŠCHT, který stál u vývoje syntetických postupů. Český tým již prokázal účinnost kovových nanočástic v lékařské diagnostice. Jak ukázaly experimenty na myších modelech v brněnských laboratořích Ústavu přístrojové techniky AV ČR, kovové magnety slouží jako velmi perspektivní kontrastní látky při zobrazování magnetickou rezonancí. Aplikační potenciál technologie je však mnohem širší. „Ukotvené magnetické nanočástice dovolují jednoduše manipulovat s grafenem a přitom neovlivňují jeho unikátní povrchové a fyzikálně-chemické vlastnosti. Kompozit tak může nalézt uplatnění jako citlivý elektrochemický senzor, ale
i v elektronice nebo magnetooptických technologiích. Možnost snadného transportu v kombinaci s ukotvením chemických substancí na povrch grafenu nabízí prostor také v technologiích čištění vod, ale i při cíleném transportu léčiv nebo separaci důležitých biomolekul v biochemii a potravinářství,“ naznačil další z českých spoluautorů Martin Pumera, který působí na přední světové univerzitě v Singapuru.
 Fluorografen byl poprvé připraven v roce 2016. Jedná se o 2D strukturu hexagonálních uhlíkových kruhů, kde je na každý uhlík kovalentně navázán atom fluoru. Tím se změní výsledná hybridizace grafenového uhlíku, což vede ke změně základních charakteristik tohoto materiálu. Fluorografen je neobyčejně reaktivní materiál reagující za běžných podmínek s celou řadou chemických látek (NaSH, NaOH, CCl2). Tohoto faktu lze elegantně využít v celé řadě substitučních reakcí pro přípravu nových elektrochemicky zajímavých materiálů. Tímto způsobem byl například připraven zcela nový derivát thiofluorografen, který byl použit jako impedimetrický senzor pro detekci hybridizace DNA. |
Na poli výzkumu grafenu a magnetismu mají olomoučtí vědci za sebou řadu úspěchů. Před několika lety připravili nejtenčí izolant na světě na bázi fluorografenu, nedávno stejný autorský tým publikoval i nejsilnější dvoudimenzionální organické magnety. Profesor Zbořil věří, že nynější objev nebude posledním. „Držíme také v rukou první uhlíkové zcela nekovové materiály, které si svůj magnetismus uchovávají až do pokojové teploty. Nechci předbíhat, ale pokud plně pochopíme podstatu tohoto jevu, může to znamenat zásadní přelom ve fyzice a chemii pevných látek, podobný třeba objevu nekovových organických vodičů v sedmdesátých letech minulého století,“ naznačil Zbořil.
/Zdroj: UPOL, RCPTM/
Článek vyšel v časopise Technik 10/2016.