Keď sme pred dvoma rokmi venovali jednu sériu v rubrike .veda uhlíku, mali sme čo robiť, aby sme do piatich článkov vtesnali čo najviac zaujímavostí týkajúcich sa tohto prvku. Nakoniec sa nám to, napriek našej snahe, celkom nepodarilo. A tak sme sa jednej nesmierne dôležitej forme uhlíka – fulerénu – venovali až v dvoch rozhovoroch, ktorými sme túto tému zakončili. Na ďalšiu, nemenej dôležitú formu tohto prvku – na grafén – nám už nezostalo miesto. A práve objav grafénu bol v roku 2010 ocenený Nobelovou cenou.
.fyzika
Takmer všetci vieme, že čistý uhlík sa v prírode vyskytuje buď ako grafit (tuha), alebo ako diamant. A dokonca aj tí, ktorí to nevedia, vedia aspoň toľko, že diamant je podstatne drahší ako tuha. Nuž a drahší je jednak preto, lebo sa vyskytuje oveľa zriedkavejšie, a jednak preto, lebo má vďaka usporiadaniu svojich atómov mnoho výnimočných vlastností.
Usporiadanie atómov uhlíka v grafite je síce zaujímavé – má tvar včelieho plástu –, ale nevedie k nijakým mimoriadnym vlastnostiam látky ako celku. Grafén nie je nič iné než jedna jediná vrstva takéhoto „včelieho plástu“. Vrstva, ktorej hrúbka je jednoatómová.
A čo je také úžasné na najtenšej možnej vrstve materiálu, ktorý sám nevykazuje nijaké fantastické vlastnosti? Nuž, úžasné sú vlastnosti tejto vrstvy.
Grafén je najpevnejší zo všetkých známych materiálov, je aj najtvrdší (tvrdší než diamant), najpružnejší (jeho rozťažnosť podstatne prekonáva gumu), najnepriepustnejší a, samozrejme, najtenší. Zo všetkých materiálov má rekordnú tepelnú aj elektrickú vodivosť (pri izbovej teplote) a elektróny sa v ňom dokážu pohybovať rýchlosťou svetla. Diamant je pri ňom úplné nič.
Ako je to možné? Prečo má jedna monoatomárna vrstva materiálu také odlišné vlastnosti ako samotný materiál? Nuž, už je to raz tak, že dvojrozmerné rozloženie atómov vykazuje odlišné kvantové vlastnosti ako rozloženie trojrozmerné, a všetky spomínané dobroty sú dôsledkami týchto kvantových vlastností. A príklad grafitu s grafénom ukazuje, že 3D nie je vždy lepšie ako 2D.
Andre Geim a Konstantin Novoselov dostali Nobelovu cenu za to, že v roku 2004 dokázali niečo, čo dovtedy väčšina odborníkov pokladala za nemožné – izolovali z grafitu malilinké šupinky grafénu. Šupinky boli skutočne maličké, ale dostatočne veľké na to, aby sa dali merať ich elektrické a iné fyzikálne vlastnosti. Inými slovami, Geim a Novoselov vyrobili prvé dvojrozmerné kryštály a rafinovanými meraniami ukázali, že mnohé z ich vlastností sú naozaj pozoruhodné.
To samotné by na Nobelovu cenu s prehľadom stačilo. Otvorilo to totiž celkom novú cestu výskumu materiálov. A hoci nie každá nová cesta má potenciál priviesť nás k novým dôležitým poznatkom, táto sa ukázala byť veľmi plodná.
Okrem toho však začalo byť veľmi skoro jasné, že grafén by mohol mať obrovské množstvo priam fantastických aplikácií. Na to však bolo v prvom rade potrebné naučiť sa vyrábať grafén v oveľa väčších mierkach, ako boli pôvodné mikroskopické šupinky.
Túto fázu už ľudia úspešne zvládli a dnes sa grafén vyrába komerčne. Ešte nedávno to bol najdrahší materiál na svete, dnes je jeho cena neporovnateľne nižšia ako v počiatkoch a úmerne s tým vzrástla aj jeho dostupnosť pre rôzne aplikácie. Niektoré z týchto aplikácií, napríklad v biologickom výskume alebo v organickej chémii, sú už dnes realitou. Iné sú bližšou alebo vzdialenejšou budúcnosťou. V každom prípade je grafén materiál s možnosťou mimoriadnych aplikácií.
.patafyzika
Práca Geima s Novoselovom má ešte jeden nesmierne zaujímavý, takmer cimrmanovský aspekt. Jedným z kľúčových krokov v ich izolácii grafénu z grafitu bola lepiaca páska. Obyčajná kancelárska lepiaca páska.
Čo robili s tou lepiacou páskou? Presne to, čo by zrejme robil aj Jára Cimrman, keby chcel získať grafén. Nalepili pásku na grafit, potom ju odlepili a pozerali na to, čo na nej zostalo. Nuž a zostali na nej veľmi tenké vrstvy grafitu. Nebol to ešte grafén, ale bol to významný prvý krok.
Originalita, občas hraničiaca so zdanlivou banalitou, charakterizuje viaceré práce Andreho Geima a jeho skupiny. Jeden z jeho mediálne najznámejších výsledkov sa začal výskumom vody, pretekajúcej cez veľmi silné nehomogénne magnetické pole. Geim zistil, že na zdanlivo nemagnetickú vodu pôsobí magnetické pole silou, ktorá je schopná prekonať aj gravitačnú silu. Kvapka vody v takomto poli pokojne levitovala, a rovnako sa správali aj predmety s vysokých obsahom vody – jahoda, paradajka, kúsok syra. Najväčšiu popularitu však získala levitujúca žaba.
Okrem popularity sa levitujúca žaba tešila aj čiastočnému výsmechu a neraz bola uvádzaná ako príklad neužitočného vedeckého výskumu a zbytočného mrhania. Vždy sa totiž nájdu ľudia, ktorí si pletú hravosť a originalitu s neserióznosťou. Andre Geim aj Konstantin Novoselov sú seriózni, originálni a hraví. Kto by mal o tom čo len najmenšie pochybnosti, nech si pozrie ich nobelovské prednášky. Hneď bude po pochybnostiach.
.intermezzo
V už spomínanej sérii o uhlíku sme v článku nazvanom Najlepšia stavebnica (.týždeň 37/2008) napísali niečo, čo nám dnes poslúži vo funkcii akéhosi premostenia medzi tohtoročnými Nobelovými cenami za fyziku a za medicínu. Takže citát:
„Asi najlepšou hračkou na svete je stavebnica Lego. Dokonca aj z tej najjednoduchšej súpravy, obsahujúcej len základný typ kociek, sa dajú poskladať úžasné veci. Kocky Lega sa skladajú – tak ako všetky plasty – z makromolekúl. Tieto velikánske molekuly sa skladajú z nejakých menších jednotiek a tie sa skladajú najmä z uhlíka a vodíka. Celé to naozaj pripomína niekoľkostupňovú stavebnicu a tým úplne najzákladnejším dielikom je v nej atóm uhlíka.
Ale najúžasnejším výtvorom zo stavebnice, ktorej základným dielikom je uhlík, nie je tá stavba z Lega. Najúžasnejším výtvorom z uhlíka je to decko, ktoré sa tam niekde okolo motá.“
.medicína
Nobelovu cenu za medicínu získal v roku 2010 Robert G. Edwards za takzvanú in vitro fertilizáciu, t. j. oplodnenie ľudských vajíčok „v skúmavke“. V 50. rokoch minulého storočia začal dnes už 85-ročný Edwards s výskumom, ktorý nakoniec viedol k narodeniu miliónov detí rodičom, ktorí by inak deti nemohli mať.
V princípe ide o celkom jednoduchú vec. Matke sa odoberú vajíčka, otcovi spermie, v laboratóriu sa nechajú vajíčka splynúť so spermiami a oplodnené vajíčka sa zavedú do matkinej maternice. Tento zdanlivo nepríliš zložitý postup však narážal zo začiatku na veľké množstvo technických prekážok, ktoré Edwards postupne jednu po druhej prekonal.
Prvou bolo zistenie a zabezpečenie podmienok, za ktorých by vajíčka dozrievali mimo ľudského tela do stavu, v ktorom by mohli byť oplodnené. Edwardsov netriviálny úspech na tomto poli bol prvým krokom k umelému oplodneniu ľudských vajíčok.
Druhým krokom bolo zistenie a zabezpečenie podmienok, za ktorých by tieto vajíčka skutočne boli oplodnené mimo ľudského tela. Aj tento krok Edwards a jeho spolupracovníci úspešne zvládli, ale dostali sa pritom do zdanlivo slepej uličky. Takto oplodnené vajíčka sa totiž rozdelili na dve bunky, ale potom delenie prestalo.
A tak sa vrátili na začiatok a sústredili sa na vajíčka, ktoré dozreli v matkinom tele. To vyžadovalo podávanie hormónov, ktoré spôsobovali dozrievanie vajíčok, a tieto hormóny, ako sa neskôr ukázalo, bránili neskôr správnemu uchyteniu embryí v maternici. A tak to išlo stále ďalej, každé prekonanie problému viedlo k novým problémom, ale nakoniec sa podarilo všetky zdolať a 25. júla 1978 sa narodilo prvé „dieťa zo skúmavky“.
Jeden problém sa však Edwardsovi prekonať nepodarilo, aj keď to zrejme nebol jeho problém. Prácu s oplodnenými vajíčkami považujú milióny ľudí za prácu s ľudskými bytosťami, s ktorými sa nesmie experimentovať. Ide väčšinou o nábožensky podmienený názor, ale je to názor úctyhodný a ušľachtilý – to by mal byť schopný uznať aj vrúcny ateista, pokiaľ je schopný aspoň elementárnej empatie.
Mnohé vajíčka oplodnené v skúmavke neboli nikdy vložené do tela matky. Milióny takýchto vajíčok sú dnes zmrazené a v podstate sa nevie, čo s nimi. Pre mnohých z nás sú to len malé zhluky buniek, ktoré nemajú k človeku bližšie ako najnižšie živočíchy. A pre mnohých z nás sú to ľudia.
Katolícka cirkev vychádza vo svojom negatívnom hodnotení Nobelovej ceny pre Edwardsa z argumentu potenciality. Ten hovorí, že ak má nejaký zhluk buniek potenciál stať sa slobodnou ľudskou bytosťou, musíme sa k nemu správať ako k takejto bytosti. Proti tomu možno namietnuť, že kus mramoru ešte nie je Michelangellovým Dávidom, ani kopa tehál Giottovou Campanellou. Proti tejto námietke zas možno oponovať, že zdevastovanie osiateho poľa nie je len rozdupaním hliny, ale (často tragickým) zničením budúcej úrody. A tak ďalej, donekonečna.
Smutné na tomto spore je, že je často vedený z jednej strany s poľutovaniahodnou skostnatenosťou a zadubenosťou, a z druhej strany so šokujúcou intoleranciou a až úbohou trápnosťou. Nakoniec je však na každom z nás osobne, ako sa bude na celú vec pozerať. Dovolím si preto, pri všetkej empatii a naozajstnej úcte k opačnému názoru, byť na záver celkom osobný.
Za všetkých rodičov, ktorým umožnilo umelé oplodnenie mať deti, chcem povedať Robertovi Edwardsovi len jedno slovo: Ďakujeme. A za všetkých ľudí chcem povedať deťom, ktoré sa vďaka umelému oplodneniu narodili, tiež len jedno slovo: Vitajte.
.fyzika
Takmer všetci vieme, že čistý uhlík sa v prírode vyskytuje buď ako grafit (tuha), alebo ako diamant. A dokonca aj tí, ktorí to nevedia, vedia aspoň toľko, že diamant je podstatne drahší ako tuha. Nuž a drahší je jednak preto, lebo sa vyskytuje oveľa zriedkavejšie, a jednak preto, lebo má vďaka usporiadaniu svojich atómov mnoho výnimočných vlastností.
Usporiadanie atómov uhlíka v grafite je síce zaujímavé – má tvar včelieho plástu –, ale nevedie k nijakým mimoriadnym vlastnostiam látky ako celku. Grafén nie je nič iné než jedna jediná vrstva takéhoto „včelieho plástu“. Vrstva, ktorej hrúbka je jednoatómová.
A čo je také úžasné na najtenšej možnej vrstve materiálu, ktorý sám nevykazuje nijaké fantastické vlastnosti? Nuž, úžasné sú vlastnosti tejto vrstvy.
Grafén je najpevnejší zo všetkých známych materiálov, je aj najtvrdší (tvrdší než diamant), najpružnejší (jeho rozťažnosť podstatne prekonáva gumu), najnepriepustnejší a, samozrejme, najtenší. Zo všetkých materiálov má rekordnú tepelnú aj elektrickú vodivosť (pri izbovej teplote) a elektróny sa v ňom dokážu pohybovať rýchlosťou svetla. Diamant je pri ňom úplné nič.
Ako je to možné? Prečo má jedna monoatomárna vrstva materiálu také odlišné vlastnosti ako samotný materiál? Nuž, už je to raz tak, že dvojrozmerné rozloženie atómov vykazuje odlišné kvantové vlastnosti ako rozloženie trojrozmerné, a všetky spomínané dobroty sú dôsledkami týchto kvantových vlastností. A príklad grafitu s grafénom ukazuje, že 3D nie je vždy lepšie ako 2D.
Andre Geim a Konstantin Novoselov dostali Nobelovu cenu za to, že v roku 2004 dokázali niečo, čo dovtedy väčšina odborníkov pokladala za nemožné – izolovali z grafitu malilinké šupinky grafénu. Šupinky boli skutočne maličké, ale dostatočne veľké na to, aby sa dali merať ich elektrické a iné fyzikálne vlastnosti. Inými slovami, Geim a Novoselov vyrobili prvé dvojrozmerné kryštály a rafinovanými meraniami ukázali, že mnohé z ich vlastností sú naozaj pozoruhodné.
To samotné by na Nobelovu cenu s prehľadom stačilo. Otvorilo to totiž celkom novú cestu výskumu materiálov. A hoci nie každá nová cesta má potenciál priviesť nás k novým dôležitým poznatkom, táto sa ukázala byť veľmi plodná.
Okrem toho však začalo byť veľmi skoro jasné, že grafén by mohol mať obrovské množstvo priam fantastických aplikácií. Na to však bolo v prvom rade potrebné naučiť sa vyrábať grafén v oveľa väčších mierkach, ako boli pôvodné mikroskopické šupinky.
Túto fázu už ľudia úspešne zvládli a dnes sa grafén vyrába komerčne. Ešte nedávno to bol najdrahší materiál na svete, dnes je jeho cena neporovnateľne nižšia ako v počiatkoch a úmerne s tým vzrástla aj jeho dostupnosť pre rôzne aplikácie. Niektoré z týchto aplikácií, napríklad v biologickom výskume alebo v organickej chémii, sú už dnes realitou. Iné sú bližšou alebo vzdialenejšou budúcnosťou. V každom prípade je grafén materiál s možnosťou mimoriadnych aplikácií.
.patafyzika
Práca Geima s Novoselovom má ešte jeden nesmierne zaujímavý, takmer cimrmanovský aspekt. Jedným z kľúčových krokov v ich izolácii grafénu z grafitu bola lepiaca páska. Obyčajná kancelárska lepiaca páska.
Čo robili s tou lepiacou páskou? Presne to, čo by zrejme robil aj Jára Cimrman, keby chcel získať grafén. Nalepili pásku na grafit, potom ju odlepili a pozerali na to, čo na nej zostalo. Nuž a zostali na nej veľmi tenké vrstvy grafitu. Nebol to ešte grafén, ale bol to významný prvý krok.
Originalita, občas hraničiaca so zdanlivou banalitou, charakterizuje viaceré práce Andreho Geima a jeho skupiny. Jeden z jeho mediálne najznámejších výsledkov sa začal výskumom vody, pretekajúcej cez veľmi silné nehomogénne magnetické pole. Geim zistil, že na zdanlivo nemagnetickú vodu pôsobí magnetické pole silou, ktorá je schopná prekonať aj gravitačnú silu. Kvapka vody v takomto poli pokojne levitovala, a rovnako sa správali aj predmety s vysokých obsahom vody – jahoda, paradajka, kúsok syra. Najväčšiu popularitu však získala levitujúca žaba.
Okrem popularity sa levitujúca žaba tešila aj čiastočnému výsmechu a neraz bola uvádzaná ako príklad neužitočného vedeckého výskumu a zbytočného mrhania. Vždy sa totiž nájdu ľudia, ktorí si pletú hravosť a originalitu s neserióznosťou. Andre Geim aj Konstantin Novoselov sú seriózni, originálni a hraví. Kto by mal o tom čo len najmenšie pochybnosti, nech si pozrie ich nobelovské prednášky. Hneď bude po pochybnostiach.
.intermezzo
V už spomínanej sérii o uhlíku sme v článku nazvanom Najlepšia stavebnica (.týždeň 37/2008) napísali niečo, čo nám dnes poslúži vo funkcii akéhosi premostenia medzi tohtoročnými Nobelovými cenami za fyziku a za medicínu. Takže citát:
„Asi najlepšou hračkou na svete je stavebnica Lego. Dokonca aj z tej najjednoduchšej súpravy, obsahujúcej len základný typ kociek, sa dajú poskladať úžasné veci. Kocky Lega sa skladajú – tak ako všetky plasty – z makromolekúl. Tieto velikánske molekuly sa skladajú z nejakých menších jednotiek a tie sa skladajú najmä z uhlíka a vodíka. Celé to naozaj pripomína niekoľkostupňovú stavebnicu a tým úplne najzákladnejším dielikom je v nej atóm uhlíka.
Ale najúžasnejším výtvorom zo stavebnice, ktorej základným dielikom je uhlík, nie je tá stavba z Lega. Najúžasnejším výtvorom z uhlíka je to decko, ktoré sa tam niekde okolo motá.“
.medicína
Nobelovu cenu za medicínu získal v roku 2010 Robert G. Edwards za takzvanú in vitro fertilizáciu, t. j. oplodnenie ľudských vajíčok „v skúmavke“. V 50. rokoch minulého storočia začal dnes už 85-ročný Edwards s výskumom, ktorý nakoniec viedol k narodeniu miliónov detí rodičom, ktorí by inak deti nemohli mať.
V princípe ide o celkom jednoduchú vec. Matke sa odoberú vajíčka, otcovi spermie, v laboratóriu sa nechajú vajíčka splynúť so spermiami a oplodnené vajíčka sa zavedú do matkinej maternice. Tento zdanlivo nepríliš zložitý postup však narážal zo začiatku na veľké množstvo technických prekážok, ktoré Edwards postupne jednu po druhej prekonal.
Prvou bolo zistenie a zabezpečenie podmienok, za ktorých by vajíčka dozrievali mimo ľudského tela do stavu, v ktorom by mohli byť oplodnené. Edwardsov netriviálny úspech na tomto poli bol prvým krokom k umelému oplodneniu ľudských vajíčok.
Druhým krokom bolo zistenie a zabezpečenie podmienok, za ktorých by tieto vajíčka skutočne boli oplodnené mimo ľudského tela. Aj tento krok Edwards a jeho spolupracovníci úspešne zvládli, ale dostali sa pritom do zdanlivo slepej uličky. Takto oplodnené vajíčka sa totiž rozdelili na dve bunky, ale potom delenie prestalo.
A tak sa vrátili na začiatok a sústredili sa na vajíčka, ktoré dozreli v matkinom tele. To vyžadovalo podávanie hormónov, ktoré spôsobovali dozrievanie vajíčok, a tieto hormóny, ako sa neskôr ukázalo, bránili neskôr správnemu uchyteniu embryí v maternici. A tak to išlo stále ďalej, každé prekonanie problému viedlo k novým problémom, ale nakoniec sa podarilo všetky zdolať a 25. júla 1978 sa narodilo prvé „dieťa zo skúmavky“.
Jeden problém sa však Edwardsovi prekonať nepodarilo, aj keď to zrejme nebol jeho problém. Prácu s oplodnenými vajíčkami považujú milióny ľudí za prácu s ľudskými bytosťami, s ktorými sa nesmie experimentovať. Ide väčšinou o nábožensky podmienený názor, ale je to názor úctyhodný a ušľachtilý – to by mal byť schopný uznať aj vrúcny ateista, pokiaľ je schopný aspoň elementárnej empatie.
Mnohé vajíčka oplodnené v skúmavke neboli nikdy vložené do tela matky. Milióny takýchto vajíčok sú dnes zmrazené a v podstate sa nevie, čo s nimi. Pre mnohých z nás sú to len malé zhluky buniek, ktoré nemajú k človeku bližšie ako najnižšie živočíchy. A pre mnohých z nás sú to ľudia.
Katolícka cirkev vychádza vo svojom negatívnom hodnotení Nobelovej ceny pre Edwardsa z argumentu potenciality. Ten hovorí, že ak má nejaký zhluk buniek potenciál stať sa slobodnou ľudskou bytosťou, musíme sa k nemu správať ako k takejto bytosti. Proti tomu možno namietnuť, že kus mramoru ešte nie je Michelangellovým Dávidom, ani kopa tehál Giottovou Campanellou. Proti tejto námietke zas možno oponovať, že zdevastovanie osiateho poľa nie je len rozdupaním hliny, ale (často tragickým) zničením budúcej úrody. A tak ďalej, donekonečna.
Smutné na tomto spore je, že je často vedený z jednej strany s poľutovaniahodnou skostnatenosťou a zadubenosťou, a z druhej strany so šokujúcou intoleranciou a až úbohou trápnosťou. Nakoniec je však na každom z nás osobne, ako sa bude na celú vec pozerať. Dovolím si preto, pri všetkej empatii a naozajstnej úcte k opačnému názoru, byť na záver celkom osobný.
Za všetkých rodičov, ktorým umožnilo umelé oplodnenie mať deti, chcem povedať Robertovi Edwardsovi len jedno slovo: Ďakujeme. A za všetkých ľudí chcem povedať deťom, ktoré sa vďaka umelému oplodneniu narodili, tiež len jedno slovo: Vitajte.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.