První dvojrozměrný materiál na světě, grafen, vytvořili před dvaceti lety vědci Andre Geim a Konstantin Novoselov pomocí izolepy. Lepicí páskou odtrhli z grafitu jednu vrstvu atomů, vznikl grafen a vědci za to v roce 2010 obdrželi Nobelovu cenu. Od té doby týmy po celém světě připravují nové dvojrozměrné materiály, vzájemně je kombinují s dalšími nanomateriály a objevují nové typy víceškálových materiálů s jedinečnými vlastnostmi. Unikátní materiály pak nacházejí uplatnění například v elektronických zařízeních, v lékařství či environmentálních technologiích.

V průmyslu se nanomateriály připravují převážně pomocí chemické syntézy a trpí mnoha defekty. Pro vědecké účely jsou ale potřeba dvojrozměrné materiály, které také mají co největší plochu, ale zároveň minimum poruch. Připravují se exfoliací neboli sloupnutím jedné či několika vrstev atomů z krystalu požadovaného materiálu, což se obvykle stále dělá ručně pomocí lepicí pásky a za atmosférického tlaku.

Vědci z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR nyní představili unikátní vysokovakuovou aparaturu, kde pomocí exfoliace dokážou připravovat dvojrozměrné materiály, které mají větší plochu a díky kvalitním výchozím krystalům minimum defektů. Ultravysoké vakuum chrání materiál před kontaminací.

"Namísto ruční manipulace je nyní možné exfoliaci provádět v komoře vakuové aparatury pomocí speciálních držáků a pohybů manipulačních ramen," shrnuje cíl několikaletého úsilí Jan Plšek z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, který se na objevu podílel.

100 % z plochy krystalu

Exfoliační aparaturu si vědci postavili v laboratoři přímo na míru. Jako přilnavou podložku použili tenkou vrstvu zlata a stříbra. Krystal sulfidu molybdeničitého (MoS2) pak pomocí manipulátorů přitiskli k podložce a po opětovném oddálení vrstvu dvojrozměrného materiálu přesunuli k dalším testům, aniž by vzorek vystavili vlivu atmosféry.

"Tímto způsobem jsme získali maximální plochu dvojrozměrného materiálu - téměř 100 % z plochy krystalu, bez znečištění a s minimem defektů," zdůrazňuje Jan Plšek. Výhodou nového přístroje podle něj je i to, že se příprava vzorku a jeho základní charakterizace děje na jednom místě.

Univerzální využití metody

Přestože metodu, kterou vědci popsali ve studii publikované v časopise ACS Applied Electronic Material, otestovali na krystalu sulfidu molybdeničitého, pokračující výzkum prokázal, že ji lze snadno použít na další vrstevnaté materiály.

Badatelé z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR chtějí metodu využívat například v projektu AMULET, do kterého je zapojeno 145 vědců a vědkyň z osmi vědeckých institucí. Cílem tohoto projektu je vyvinout progresivní, tzv. multiškálové materiály se širokým aplikačním potenciálem. Odborníci budou zkoumat, jak víceškálové materiály reagují s biologickým prostředím, zda je lze využít pro elektrochemické či optické senzory, v elektro-fotochemické katalýze pro odstraňování škodlivých látek ze vzduchu a vody a v neposlední řadě se budou testovat nová nano/mikrozařízení, využitelná pro přeměnu, výrobu a skladování energie.

"Výzkum v oblasti nanomateriálů je v dnešní době velmi široký. Projekt AMULET umožní propojit řadu směrů v této oblasti, což může přinést nečekané objevy," uvedl koordinátor projektu Martin Kalbáč z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR.