2D materiály jsou maziva budoucnosti – rozhovor s materiálovým expertem profesorem Tomášem Polcarem

Článek vědeckých pracovníků ze Skupiny pokročilých materiálů byl publikován v prestižním vědeckém magazínu Nature Materials. Za použití 2D materiálů jako maziva se týmu z katedry řídicí techniky Fakulty elektrotechnické (FEL) ČVUT podařilo snížit součinitel tření na jednu miliontinu. Dosáhli tak světového prvenství v této oblasti. Jedná se o mimořádný akademický úspěch a při této příležitosti jsme připravili rozhovor s profesorem Tomášem Polcarem, který projekt vede.

Vedoucí Skupiny pokročilých materiálů na kat. řídicí techniky FEL ČVUT prof. Ing. Tomáš Polcar, Ph.D.

Co jsou dvourozměrné materiály a jaké jsou jejich základní výhody?

Tento typ materiálů byl připraven teprve nedávno, v roce 2004, a prvním z nich byl grafen. Můžeme si je představit jako jednu nebo více řad atomů. Vzdáleně bychom je mohli přirovnat k listu papíru, jehož tloušťka je ale tak slabá, že v extrémním případě se jedná opravdu jen o jednu vrstvu atomů.

Díky tomu, že jim de facto chybí třetí rozměr, jsou jejich fyzikální vlastnosti jiné než u běžných typů materiálů. Mají například jiné optické a elektrické vlastnosti, takže se využívají třeba v laserech nebo jiných optických zařízeních.

Z našeho úhlu pohledu spočívá jejich výhoda v tom, že nemají téměř žádnou hmotnost a tloušťku. Pokud tedy mluvíme o jejich aplikaci jako maziva, není nutné nijak měnit design výrobku.

Využíváte jen grafen, nebo i další materiály?

Grafen byl první, ale dnes známe 2D materiálů celou řadu. Jejich výhodou je, že mají různé fyzikální vlastnosti. Toho můžeme využít jednoduše tak, že na sebe klademe a spojujeme vrstvičky různých materiálů s určitými vlastnostmi, a vytváříme tak ideální materiál pro naši potřebu. Výsledek má stále vlastnosti 2D materiálu, i když vrstev atomů je ve skutečnosti více.

Veřejnost se často setkává s obecnějším s pojmem nanomateriál. Spadají 2D materiály do této kategorie?

Dvourozměrné materiály jsou vlastně extrémním případem nanomateriálů, protože pracovat na menší úrovni můžeme jen těžko. Kvantové tečky jsou sice dokonce jednorozměrné, ale pak už je otázkou, co je to vlastně materiál. Ale rozhodně můžeme mluvit o 2D materiálech jako o nanomateriálech.

Kterým směrem se bude budoucnost dvourozměrných materiálů vyvíjet? Mluví se o jejich uplatnění v celé řadě oborů napříč technologickým spektrem. V jakém horizontu se začnou uplatňovat šířeji?

V současnosti jsou tyto materiály využívány především na akademické úrovni při experimentech. Na rozdíl od předchozích experimentálních materiálových technologií podobného typu, jakými byly například nanotrubičky nebo fulereny, jejich výhoda spočívá v tom, že známe poměrně velké množství metod jejich přípravy. Naše současné dovednosti umožňují získat kus 2D materiálu velký přibližně jako list papíru. To nám otevírá možnosti testování průmyslových aplikací.

Umím si představit, že vezmeme poměrně velký kus takového materiálu a zabalíme do něj konkrétní součástku. Tím pádem ji dokážeme chránit před vnějšími vlivy anebo snížíme tření jejího povrchu. Věřím proto, že dvourozměrné materiály, a především jejich kombinace, mají budoucnost v celé řadě směrů. V nanoměřítku se uplatňují při konstrukci elektronických součástek (tam jsou aplikace již za dveřmi), ve strojním inženýrství jako mazání, což je předmět našeho výzkumu, to bude ještě chvíli trvat, ale i tam cítím velký potenciál. Myslím, že do deseti let nějaké aplikace uvidíme.

Pokud se ptáte na konkrétní užití, tak můžeme zmínit vesmírné projekty. Ve vesmíru – tedy ve vakuu – se poměrně špatně maže. Pevné mazivo navíc nemá žádnou hmotnost, takže nezatíží raketu, která jej vynese do vesmíru. Ložiska telekomunikačních satelitů jsou jednou z cílových aplikací. Uvažujeme mimo jiné o aplikacích v místech, kde je potřeba docílit minimálního tření jenom jednou. Například když raketa vypouští do vesmíru několik satelitů za sebou, využívá se soustava tyčí, většinou z hliníku, po nichž jsou satelity vysouvány. Je tam však poměrně velké tření a pokud se satelit zasekne, nastane zásadní problém. Mohli bychom kontakty obalit fólií z ultra kluzkých materiálů. I když se tento obal následně roztrhne, nevadí, protože už jej nepotřebujeme.

Nebo jiná úplně běžná, téměř každodenní aplikace – když někam šroubujeme šroubek, stává se, že se v závitu zasekne nebo zrezne. Pokud bychom ho obalili touto fólií, jeho opětovné vyšroubování by nebyl žádný problém. To asi nikdy nepoužijeme doma, ale v optickém průmyslu je po podobných řešeních velká poptávka. Možností je opravdu celá řada.

A když mluvíte o 2D materiálu jako o listu papíru, jak se ním manipuluje? Je k tomu potřeba speciální technika?

Je to velmi zajímavé, ale na konci výrobního procesu je možné takový materiál držet normálně v ruce. Ačkoliv je 2D materiálech extrémně tenký, je poloprůhledný, takže vypadá podobně jako běžná folie. Přenášet takový materiál není úplně snadné, avšak není to nic, s čím by si technologie neporadila.

Jak je to s pevností takových materiálů?

O 2D materiálech se obecně mluví jako o velmi pevných. Například grafen je díky silné kovalentní vazbě jedním z nejpevnějších materiálů vůbec. Je si ale třeba uvědomit, že stále mluvíme o jedné rovině atomů – 2D materiál není těžké přetrhnout. V případě naší aplikace ale není mechanická odolnost tak velký problém. Díky extrémně nízkému tření po sobě roviny atomů doslova kloužou a netrhají se. Lze říci, že dvourozměrný materiál chrání sám sebe.

Vám se v rámci experimentu podařilo dosáhnout jako prvním na světě snížení součinitele tření jednu miliontinu. Jak takový experiment probíhá? Jak dlouho trvá?

Tohoto úspěchu jsem nedosáhl já, ale jedná se o týmovou práci. Prvním autorem je můj postdok Mengzhou Liao, který dělal experimentální měření. Simulace potom realizovali kolegové z katedry Paolo Nicolini a Victor Claerbout. Já jsem na jejich práci jen dohlížel, a pak samozřejmě redigoval finální text článku.

Samotnou práci na experimentu lze rozdělit do tří částí. První z nich je sehnat opravdu dobré materiály. To v našem případě znamená materiály bez jakýchkoliv defektů a vad, což pořád není úplně jednoduché. V samotném článku vidíte řadu spoluautorů z Číny a Japonska, protože právě oni nám dodávali materiály a proměřovali jejich vlastnosti.

Naše činnost potom měla dvě etapy. Tou první bylo samotné sestavení experimentu a následné měření. To je relativně rychlá záležitost, která trvala dle mého odhadu tak jeden dva měsíce, víc ne. Potom nastalo mnohem delší období analýzy dat získaných pomocí mikroskopu atomárních sil. Součástí této fáze byly také simulace, jejíž výsledky jsme porovnávali s výsledky měření. Data pro nás zpracovával mimo jiné také superpočítač v Ostravě. Celkově nám práce zabrala přibližně dva roky.

Experiment tak probíhá de facto dvakrát. Jednou fyzicky a podruhé nezávisle na tom v rámci simulace. Výsledky obou procesů porovnáme a pokud jsou shodné, můžeme pokračovat dále. Díky ověřeným simulacím pak můžeme predikovat další závěry a získávat ve virtuálním prostředí další informace, které jsou experimentálně nedostupné. Naším dlouhodobým cílem je snížit či dokonce eliminovat běžné experimenty, které nahradí simulace. S trochou nadsázky můžeme o takové situaci mluvit jako o svatém grálu inženýrů.

Členové Skupiny pokročilých materiálů (Advanced Materials Group).

Máte už představu o tom, kde a jak by mohl být váš objev využit v praxi?

Hlavním výsledkem našeho snažení bylo vytvořit prostředí s rekordně nízkým třením. Toto pevné mazivo by mělo nahradit ve vybraných aplikacích oleje. Tekutá složka by zkrátka nebyla potřeba, což by výrazně zjednodušilo design mechanických součástek, a tím je i zlevnilo či snížilo jejich hmotnost. Tření obvykle produkuje teplo, a jednou z rolí olejů je i chlazení. To není v případě pevných maziv možné, chlazení je pouze pasívní, čímž se postupně zvyšuje teplota v kontaktu nad kritickou mez, kdy dojde k porušení maziva. Když dokážeme tření výrazně snížit, a to dokonce v rámci několika řádů, vznikající teplo je natolik malé, že jej lze odvést v rámci dvourozměrného materiálu. Tím se otevírá široké spektrum aplikačních možností. Díky naší technologii se nejen snižují energetické ztráty, ale zvyšuje se i životnost maziva.

Jak se stalo, že jste svým projektem zaujali redakci časopisu Nature Materials?

Ten proces byl naprosto standardní – dokončili jsme článek a přemýšleli jsme, kam ho poslat. Protože nám přišel opravdu zajímavý, rozhodli jsme se pro prestižní časopis Nature (bez přívlastků). Tam ale jeden ze tří recenzentů náš článek nedoporučil s tím, že je příliš specializovaný. Redakce nám ale navrhla, abychom zkusili Nature Materials, který má podobný impact factor, ale je zaměřen jen na materiálové inženýrství. Tam jsme následně prošli standardním recenzním řízením.

To bylo poměrně náročné, mělo čtyři kola a znamenalo pro nás spoustu dalších výpočtů a upřesňování, abychom uspokojili opravdu náročné recenzenty. Ti nám však i pomohli – jeden přišel na drobnou nepřesnost vzniklou přílišným zjednodušením našeho modelu. Oprava a přepočítání pak trvalo přibližně půl roku. Od začátku měření až k publikaci trval celý proces dva roky, přičemž recenzní řízení trvalo rok.

Jak zapadá působení vaší Skupiny pokročilých materiálů do činnosti katedry řídicí techniky, jež je vaším působištěm?

Tento článek přímo s řídicí technikou nesouvisí, ale máme čím dál více styčných bodů. Teď připravujeme velký projekt s horizontem pět let. Rádi bychom automatizovali i samotné experimenty, nejen výpočetní část, jako je tomu nyní. Navíc můžeme snadno propojit teorii tření a řízení – odlišné problémy často vedou na stejné soustavy rovnic.

Jaká byla vaše akademická cesta k materiálovému inženýrství?

Já jsem nastoupil na Fakultu strojní ČVUT a hned v prvním ročníku jsem absolvoval předmět Nauka o materiálu, který jsem upřímně nenáviděl. Dostal jsem nakonec trojku a vůbec mě to nebavilo. Ze školy jsem vycházel jako inženýr energetik se zaměřením na konstrukci jaderných reaktorů, turbín či kotlů.

Na doktorát jsem nastoupil na Fakultu strojní ČVUT na katedru fyziky a měl jsem zkoumat plazma. Ukázalo se ale, že na to nemáme dostatečné vybavení, a tak jsem posunul svoji práci k tenkým vrstvám, respektive jejich analýze. A jednou z těchto vrstev byl také samomazný materiál (tenkrát se o 2D materiálech ještě nemluvilo). Mně se ale podařilo brzy zjistit, že se mnou zkoumané vrstvy během tření poměrně rychle změní právě na 2D materiály, což mne posunulo přímo do materiálového výzkumu.

Poměrně rychle jsem pochopil, že jedině spojení experimentů a atomárních simulací je optimální cestou k nalezení nových materiálů. Někdy kolem roku 2013 jsem tak začal budovat tady na katedře pracoviště, kde bychom spojili obě oblasti pod jednou střechou. Díky podpoře katedry a fakulty se to myslím podařilo.

Najdou si sem cestu studenti?

Bohužel poměrně málo. Máme doktorandy, ale ti většinou přichází ze zahraničí. Sehnat dobré studenty je dnes problém. Právě publikování ve špičkových časopisech je však nejlepší reklama a způsob, jak nadané vědce a studenty přilákat.