Vodu z pětilitrového kbelíku vylijete hned, z pětilitrové lahve s úzkým hrdlem vám to bude trvat déle. A přesně takový je rozdíl mezi superkondenzátorem a baterií. „U superkondenzátorů chceme velký okamžitý výkon – rychle nabít a rychle vybít. Baterie zase poskytují energii po delší čas, proto v telefonech máme baterii, ale například při rozjíždění auta potřebujeme superkondenzátor, který najednou uvolní velké množství energie a auto se dá do pohybu,“ přirovnává doktorandka Veronika Šedajová z výzkumného centra CATRIN Univerzity Palackého v Olomouci.

Tam v týmu Michala Otyepky vyvíjí nové uhlíkové nanomateriály pro baterie a superkondenzátory. Nebádají do šuplíku, spolupracují s firmami a již brzy by se jejich technologie mohly objevit v praxi. V březnu například získali na přenos vědeckých poznatků do praxe jako vůbec první v Česku grant od Evropské rady pro inovace v hodnotě 2,5 milionu eur (zhruba 62,5 milionu korun). Na aplikaci nového materiálu budou spolupracovat s kolegy z Bar-Ilanovy univerzity v Izraeli a italskou firmou Itelcond.

„Dusíkem obohacený grafen, který jsme vyvinuli, má obrovský potenciál – oproti jiným materiálům pro superkondenzátory má obrovskou kapacitu uchování energie, a navíc je levný, bezpečný a šetrný k přírodě,“ shrnuje fyzikální chemik Otyepka, pro kterého je to již celkem třetí evropský grant na přenos výsledků základního výzkumu do praxe.

„V laboratoři dosahujeme velmi slibných výsledků, nyní nás čeká fáze ‚zvětšování výroby‘. Musíme ověřit, že nový nanomateriál lze vyrábět i průmyslově, ve velkém množství. Pokud vše půjde dobře, za pět let by se mohl začít používat v praxi pro reálnou výrobu superkondenzátorů.“

Diamant, tuha, grafen

V čem tkví výhoda nového materiálu? V dopovaném uhlíku. Uhlík je základním stavebním prvkem organických sloučenin a tím i všeho živého. Mimoto ale v závislosti na uspořádání atomů může tvořit tvrdý diamant, měkkou tuhu v obyčejné tužce nebo třeba supertenký grafen.

„Grafen je jednoatomární vrstva uhlíku, která má unikátní vlastnosti – je velmi odolná, pružná a lehká. Navíc se dá jednoduše chemicky modifikovat, a tím vylepšovat jeho vlastnosti,“ vysvětluje Otyepka. Samotný grafen poněkud kuriózním způsobem v roce 2004 objevila dvojice vědců Andre Geim a Konstantin Novoselov, kdy na obyčejnou lepicí pásku otiskli grafit – tuhu obyčejné tužky – a následným opakovaným odlepováním a přilepováním pásky dostávali tenčí a tenčí vrstvy grafitu. Pod mikroskopem pak pozorovali jednoatomární vrstvu grafenu, která vypadá jako včelí plástev. V roce 2010 za tento objev získali Nobelovu cenu za fyziku.

Výhodou grafenu je, že se dá jednoduše měnit jeho chemické složení, například některé atomy uhlíku nahradit dusíkem, což je i princip nových nanomateriálů pro superkondenzátory. „Vyvíjíme dusíkem dopovaný grafen, a to doslova – dusík zlepšuje vodivost a další vlastnosti materiálu. Jednotlivé vrstvy grafenu pak ještě spojíme speciálním pojivem, aby byl přenos nábojů v kondenzátoru skutečně maximálně efektivní,“ popisuje Veronika Šedajová.

Výhodou dvourozměrných uhlíkových materiálů je, že se jedná o široce dostupný a levný vstupní materiál, který neobsahuje žádné vzácné či toxické kovy, což z grafenu dělá ekologicky „zelenější“ technologii pro ukládání energie. A jelikož se jedná o jednoatomární vrstvu, která nemá téměř žádnou tloušťku, i do malého objemu lze uložit obrovské množství energie.

Módní vlny ve vědě

„Věda, a speciálně materiálová chemie, funguje podobně jako móda ve vlnách. Před deseti lety všichni zkoumali uhlíkové nanotrubičky, které se již běžně používají. Dnes se do praxe uvádí grafen a v laboratořích se začínají zkoumat třeba 2D kovy, takzvané MXeny,“ říká Veronika Šedajová, která za novou technologií MXenů odjela na pětiměsíční stáž na Drexel University v americké Filadelfii.

„Jedná se o novou skupinu materiálů; 2D kovy jsou v mnohém podobné grafenu, dokonce mají mnohem lepší vodivost a další nové vlastnosti. Problematická je ale jejich stabilita, na tom se teď intenzivně pracuje,“ říká fyzikální chemička, která zdůrazňuje, že její práci netvoří žádné nudné teoretické výpočty. „Mnoho času trávím v laboratoři, kde ‚vařím‘ – připravuji varianty nanomateriálů. Nejúžasnější je, že výsledky své práce – ‚co si uvařím‘ – ihned vidím fungovat v praxi v rámci prototypů.“

foto Viktor Čáp

Obecně trvá zhruba deset let, než se výsledky z laboratoře dostanou do praxe. „Je to neustálý koloběh. Nyní se snažíme do běžné praxe přenést grafen, který nahradí nanotrubičky. A i on bude za pár let pravděpodobně nahrazen MXeny a v laboratořích se bude zkoumat zase něco jiného, ještě lepšího,“ říká vědkyně.

Kromě znalostí o „maxících“ si z Ameriky přivezla i poznatek o české vědě. „Uvědomila jsem si, jak tu máme skvělé zázemí a že skutečně platí zlaté české ručičky. V USA měli polovinu vybavení, co máme tady. Do té doby jsem si myslela, že je to standard, že to tak mají všude.“ Podle Veroniky Šedajové v Česku také jinak přemýšlíme. „V české laboratoři třeba jako vykrajovátko na materiál pro výrobu prototypů používáme průrazník na kůži z obyčejného železářství, v USA mají obrovské a drahé přístroje. Jsme zvyklí na netradiční, ale jednoduchá a elegantní řešení.“

Fyzikální chemie je i pro holky

„V laboratoři i na konferencích jsem stále trochu raritou,“ připouští vědkyně Veronika Šedajová, kterou chemie nebo matematika lákaly už od střední školy. „Holek ve fyzikální chemii je málo, přitom je to škoda. Vývoj nanomateriálů je neuvěřitelně pestrá práce v laboratoři, kde navíc rychle vidíte výsledky v prototypech.“

Od nápadu do praxe

• 2018 začátek výzkumu nového nanomateriálu pro ukládání energie v superkondenzátorech

• 2020 počátek řešení evropského ERC grantu Proof of Concept na přenos výsledků do praxe

• 2021 udělen patent

• 2022 odborná publikace

• 2022 evropský grant EIC na přenos výsledků do praxe

• 2027+ možné využití v praxi

Autorka je stálou spolupracovnicí redakce, působí na Univerzitě Karlově