Prelomový materiál prepája grafén s kremičitým sklom. Otvára tak cestu novému dizajnu a vlastnostiam kvantových a elektronických technológií.

Nový materiál je prepojením grafénu a kremičitého skla. Jedinečná väzba mení elektronickú štruktúru materiálu a transformuje kov a izolant na novú formu polovodiča. Ilustračný obrázok. Zdroj: Pixabay
V posledných rokoch máme možnosť sledovať búrlivý vývoj rôznych materiálov, ktoré tvorí len jedna vrstva atómov, prípadne niekoľko vrstiev. Tieto 2D materiály ponúkajú pozoruhodné kombinácie vlastností. Jedným z najsľubnejších materiálov je grafén – vrstva tvorená atómami uhlíka, ktoré sú usporiadané v šesťuholníkovej mriežke. Medzi odborníkmi a verejnosťou je cenený pre svoju pevnosť a elektrickú vodivosť.
Aj keď poznáme stovky 2D materiálov, stále ostávajú neobjavené ich žiaduce vlastnosti či kombinácie. Veľký dôraz sa pritom kladie na vytvorenie hybridných materiálov, ktoré by zlučovali dva alebo viac 2D materiálov dohromady. Pokusy sa zväčša skončili tak, že medzi rôznymi 2D materiálmi priloženými k sebe sa nepotvrdili žiadne podstatné interakcie.
Hybridný 2D materiál glafén
Medzinárodný tím materiálových vedcov vedený odborníkmi z Rice University to nedávno dokázal. Ako deklarujú v štúdii publikovanej v časopise Advanced Materials, podarilo sa im vytvoriť funkčný 2D hybridný materiál, keď chemicky spojili dva zásadne odlišné materiály – grafén a kremičité sklo. Vznikol tak stabilný materiál, ktorý tvorcovia nazvali glafén (z angl. glaphene).

Syntéza a štruktúra glafénu. Zdroj: Iyengar et al. 2025, Advanced Materials
Ako vysvetľuje vedúci výskumník Sathvik Iyengar, na rozdiel od konvenčných 2D vrstiev, kde sú vrstvy slabo držané pohromade van der Waalsovými silami, vrstvy glafénu sa delia o elektróny a vytvárajú robustné interakcie a vibračné stavy. Táto jedinečná väzba mení elektronickú štruktúru materiálu a transformuje kov a izolant na novú formu polovodiča. Výsledný materiál zároveň získava vlastnosti, ktoré nemá ani jeden z „rodičov“.
Výskumný tím vyvinul dvojkrokovú metódu, ktorá zahŕňa dva kroky a jednu reakciu. Nechali narásť glafén z kvapalného prekurzora, ktorý obsahoval kremík a uhlík dohromady. Pomocou úprav hladiny kyslíka počas zahrievania najprv narastie grafénová vrstva a potom, po zmene podmienok, vznikne vrstva kremičitého skla. Pre tento postup vyvinuli vlastný prístroj, ktorý pracuje za vysokej teploty a nízkeho tlaku.
Animácia znázorňujúca kolektívne vibračné budenie glafénu. Interakcie v hybridnom materiáli presahujú konvenčne pozorované 2D vrstvy. Zdroj: Youtube/Rice University. Kredit: Sathvik Iyengar/Rice University
Viac o konštrukcii 2D materiálov pre elektroniku novej generácie sa dozviete aj v prednáške odborníkov z Fakulty inžinierstva z University College London, ktorú si môžete pozrieť na tomto odkaze.
Nový materiál potvrdila analýza
Potvrdenie hybridnej povahy glafénu si vyžadovalo dôkladnú analýzu. Takzvaná Ramanova spektroskopia – technika, ktorá deteguje vibrácie atómov meraním jemných posunov v rozptýlenom laserovom svetle – odhalila vibračné vzorce, ktoré nezodpovedali žiadnemu z materských materiálov. Išlo o jasný náznak toho, že sa vytvorilo niečo nové. Výpočtové simulácie potvrdili špecifické interakcie na kvantovej úrovni medzi grafénom a oxidom kremičitým.

Prvý autor štúdie a doktorand na Rice University Sathvik Iyengar pri tvorbe glafénu Zdroj: Rice University/Jeff Fitlow
Podľa autora Iyengara by sa metóda dala použiť na širokú škálu 2D materiálov, čo by umožnilo vývoj rozmanitých 2D hybridov pre aplikácie v elektronike, vo fotonike a v kvantových zariadeniach novej generácie.
„Tento objav je len začiatok,“ povedal Pulickel Ajayan, profesor inžinierstva a vedúci projektu. „Hybridný 2D materiál nám umožňuje skúmať kombinácie ako kovy s magnetmi alebo izolanty s polovodičmi. Je to materiálový ekvivalent genetického inžinierstva.“
Glafén by mohol v budúcnosti spôsobiť revolúciu, keď sa vlastnosti materiálov už nebudú objavovať, ale navrhovať. S potenciálnymi aplikáciami od energeticky úspornej elektroniky až po rozhrania kvantových výpočtov je to krok k budúcnosti, kde sa atómová presnosť stretáva s neobmedzenými možnosťami.
Zdroj: Phys.org, Advanced Materials
(zh)