Jen málokterý španělský vědec se může pochlubit tím, že od základů vybudoval zcela nový obor, ale Pablo Jarillo-Herrero je jedním z nich. Tento padesátiletý fyzik, narozený v roce 1976 ve Valencii, působí na prestižním Massachusetts Institute of Technology (MIT) a sbírá ocenění, která obvykle předcházejí Nobelově ceně.
Wolfovu cenu, Kavliho cenu za nanovědu a nyní i cenu „Fronteras del Conocimiento“ nadace BBVA, která mu bude dnes předána. Jeho jméno figuruje jako španělský kandidát s největšími reálnými šancemi na získání Nobelovy ceny, což lze lépe pochopit, když si připomeneme revoluci, kterou vyvolal v materiálových vědách . Měl jsem příležitost s ním pohovořit den před slavnostním předáním ceny, kterou uděluje Nadace BBVA.
Čím je otočený grafen výjimečný?
Abychom pochopili Jarillovu práci, musíme začít u grafenu, materiálu, který vědecká obec zná od roku 2004. Jedná se o uhlíkové vrstvy o tloušťce pouhého jednoho atomu, jejichž atomy jsou uspořádány do šestiúhelníků připomínajících včelí plástev. Tento materiál vede elektřinu, je 200krát pevnější než ocel a zároveň je mimořádně lehký, pružný a nepropustný. Jde o seznam vlastností, který jako by vypadl ze sci-fi.
Jarillo v roce 2018 prokázal, že podivné vlastnosti grafenu se nečekaně znásobily, když se překryly dvě vrstvy a jedna z nich se otočila přesně o 1,1 stupně vůči druhé. Tento malý úhel natočení, nazvaný „magický úhel“, radikálně změnil elektronické chování celého souboru. „Můžeme měnit elektronické vlastnosti materiálů tím, že si pohráváme s geometrií, zejména s úhlem natočení, neboli twistem, mezi vrstvami,“ vysvětlil výzkumník. Právě z tohoto anglického termínu „twist“ vychází název oboru, který sám založil: twistronika.
„Zmatené“ elektrony a řetězová reakce překvapení
Jarillo popsal tento jev velmi názorným obrazem: „Elektrony, které se obvykle pohybují po grafenu velmi rychle, se při přiblížení k úhlu 1,1 stupně prakticky přestanou hýbat.“ Udělal krátkou pauzu a hledal nejlepší způsob, jak tuto myšlenku vyjádřit. „Zjednodušeně řečeno, elektrony jsou trochu zmatené a nevědí, co mají dělat, protože pro ně je stejně výhodné pokračovat ve své vlastní vrstvě jako přeskočit do té druhé.“ Toto chování předpověděl již v roce 2011 Allan MacDonald, další z letošních laureátů ceny „Fronteras del Conocimiento“ v oblasti základních věd.
Věda však nepostupuje pouze na základě teoretických předpovědí; je zapotřebí experimentálního ověření. Nikdo nevěděl s jistotou, co se stane, když se elektrony tímto způsobem zpomalí. „Myslel jsem si, že se vrstvy grafenu budou chovat jako izolant, “ přiznal Jarillo. A skutečně se tak chovaly, ale ne tak, jak se očekávalo. „Chování bylo odlišné od toho, co jsem očekával. Bylo to velké překvapení,“ přiznal. „Ještě tomu úplně nerozumíme. Máme určitou představu o tom, proč k tomu dochází, ale úplně tomu nerozumíme.“
Pandorina skříňka supravodivosti
Magický úhel skrýval ještě jedno odhalení. „Od té chvíle vyvstala otázka: pokud je to tak odlišné, možná bychom mohli dosáhnout i supravodivosti, “ vyprávěl valencijský fyzik. Supravodivost je schopnost určitých materiálů vést elektrický proud bez ztráty energie, což je zásadní pro navrhování miniaturních, ultrarychlých a mimořádně účinných obvodů, které nevyzařují teplo. „Tím se otevřela Pandořina skříňka,“ prohlásil Jarillo.
Uvědomili jsme si, že pokud se nám podaří velmi dobře pochopit základní principy, umožní nám to navrhnout mnoho nových typů materiálů.
Kromě možných budoucích aplikací mají tyto objevy zásadní vědeckou hodnotu. Odborníci v oboru uznávají, že dopad na výzkumnou komunitu byl obrovský. Sám Jarillo to zdůraznil: „Na vědeckou komunitu mělo velký dopad zjištění, že lze tak dramaticky změnit vlastnosti materiálů pouhým hraním si s tímto úhlem natočení. To se dosud nevědělo.“ Není tedy náhodou, že cena, kterou sdílí s MacDonaldem, spadá do kategorie základních věd, nikoli do kategorie aplikované technologie.
Dlouhá cesta k průmyslovému využití
Jarillo si je vědom netrpělivosti médií ohledně aplikací grafenu a této otázce se nevyhnul. „Od okamžiku, kdy dojde k významnému objevu v oblasti základního výzkumu, zejména pokud je velmi převratný, až do vzniku konkrétních aplikací, je zcela běžné, že uplyne 30, 40, 50 let…“, objasnil s jistou rezignací. „Zatím nemáme technologii potřebnou k vytvoření velmi velké vrstvy grafenu, která by byla zcela rovnoměrná a dokonalá, k jejímu rozřezání na maličké kousky a k jejich naskládání jeden na druhý, čímž by vznikly miliony zařízení.“ Právě toto technické omezení představuje hlavní překážku, která brání grafenu s úhlem magické rotace v průniku do průmyslu. „Inženýři se musí vzchopit a zkusit to,“ dodal s pokrčením ramen.
Zpátky do Španělska?
Twistronika je mladý obor, v němž je více neznámých než jistot, a její rozvoj bude vyžadovat trvalé investice ze strany velkých vědeckých mocností. Ale poprvé od druhé světové války se zdá, že se výzkumná hegemonie Spojených států otřásá v základech. „Mnoho lidí je velmi znepokojeno a já jsem znepokojen také, “ přiznal Jarillo, jehož tón přešel od počátečního nadšení k střízlivosti.
„Spojené státy už nejsou tak atraktivní jako dříve, a to bezpochyby bude mít v příštích desetiletích velmi velký dopad na jejich vědecký a technologický rozvoj.“ Údaje tuto obavu potvrzují: počet zapsaných studentů na amerických univerzitách prudce klesá a stále méně výzkumníků si vybírá tuto zemi pro studium doktorátu. „Na MIT mám velmi dobré podmínky. Ale kdyby se situace ve Spojených státech opravdu velmi zhoršila, vrátil bych se do Evropy a návrat do Španělska by nebyl nemožný, “ prohlásil bez obalu.
V tu chvíli se do jeho hlasu vrátil lesk z počátku rozhovoru. „Věřím, že není tak těžké, aby se Španělsko stalo vědeckou velmocí první třídy,“ ujistil s optimismem. Jarillo navrhuje model inspirovaný vrcholovým sportem: „Stejně jako máme centrum pro vrcholové výkony olympijských sportovců, můžeme mít i centrum pro vrcholové intelektuální výkony vědců.“ Z administrativního a ekonomického hlediska je tento nápad proveditelný. To, že se mnohým jeví jako utopický, je podle samotného výzkumníka způsobeno faktorem, který je těžší překonat než rozpočty: setrvačností. „Mohli bychom to dokázat změnou myšlení,“ shrnul.
Navzdory očekáváním vyvolaným tiskem se aplikace grafenu, a zejména grafenu s magickým úhlem rotace, neobjevují se se zpožděním. Nebo alespoň ne s významným zpožděním. Ve vědě jsou tempo a rytmus pomalejší, než by se nám líbilo, zejména když mluvíme o nových materiálech. Zvýšení jeho výroby bude velkou výzvou, ale ne výzvou nemožnou, a ve skutečnosti se techniky v posledních letech slibně posunuly vpřed. To však neznamená, že by se grafen stal všelékem, jak slibovaly sdělovací prostředky.