Что такое графен: Что такое графен и как он изменит нашу жизнь?

Что такое графен и как он изменит нашу жизнь?

Фото: BONNINSTUDIO / Shutterstock

Вокруг графена образовалось немало хайпа — и среди ученых, и среди бизнеса. Но графен так и не стал нашей повседневной реальностью. Почему? Разбираемся вместе с автором YouTube-канала «Индустрия 4.0» Николаем Дубининым

Впервые о графене заговорили в 2004 году, когда Андрей Гейм и Константин Новоселов — британские ученые российского происхождения — опубликовали статью в журнале Science [1]. В ней говорилось о новом материале, который получили с помощью обычного карандаша и скотча. Ученые просто снимали клейкой лентой слой за слоем, пока не дошли до самого тонкого — в один атом. В 2010-м за это их наградили Нобелевской премией. С тех прошло уже десять лет.

Как графен меняет нашу жизнь?

1. Что такое графен
2. Миф о токсичности
3. Где используют графен
4. Применение в будущем
5. Графеновый бум
6. Препятствия для развития
7. Что почитать о графене

Что такое графен и чем он так уникален?

Углерод — это материал, состоящий из кристаллической решетки, которую образуют шестиугольники атомов. Графен — это один слой решетки толщиной в 1 атом.

Отсюда — его первое уникальное свойство: самый тонкий.

• Графен в 60 раз тоньше мельчайшего из вирусов.
• В 3 тыс. раз тоньше бактерии.
• В 300 тыс. раз тоньше листа бумаги.

Так выглядит структура углерода. Если отделить один из слоев — получим графен

Такую структуру графен приобретает за счет sp2-гибридизации. Дело в том, что на внешней оболочке атома углерода расположены четыре электрона. При sp2-гибридизации три из них вступают в связь с соседними атомами, а четвертый находится в состоянии, которое образовывает энергетические зоны. В результате графен еще и прекрасно проводит электрический ток.

Графен обладает хорошей теплопроводностью, гибкостью и упругостью, он на 97% прозрачный. При этом, графен — самый прочный из известных материалов: прочнее стали и алмаза.

Наглядная графика о свойствах графена

Миф о токсичности графена

Влияние графена на человеческий организм до конца не изучено, но и токсичность графена никто не доказал. Единственную опасность представляет графен, который получают путем размешивания графита или углерода в воде: попадая в клетку, такие мельчайшие частицы действительно могут ее убить [2].

Однако сейчас в биоэлектронике используют другой способ получения графена — путем химического осаждения из газовой фазы. Частицы получаются достаточно крупными. Потом их закрепляют на подложке, и проникнуть сквозь клеточную мембрану они уже не могут.

Где уже используют графен?

Сейчас графен успешно применяют в электронике. Самый массовый продукт — это пауэрбанк [3]: производители обещают, что сам он заряжается за 20 минут, а топовый смартфон заряжает наполовину за полчаса.

Существуют также графеновые куртки и платья. Последние, в частности, оснащены светодиодами [4], которые реагируют на дыхание и температуру тела, меняя цвет.

Теннисные ракетки с графеном весят до 300 грамм меньше, чем обычные, при той же силе удара.

Наконец, машинное масло с графеном призвано снизить износ двигателя.

Где можно применять графен в будущем?

Есть и еще одно свойство графена: он биосовместим, то есть взаимодействует с живыми клетками. Ученые обещают, что материал поможет диагностировать и лечить рак [5]. Это делают с помощью чипа с графеном, который придает повышенную чувствительность. На поверхность чипа высаживают раковые клетки и тестируют на них различные лекарства.

Такие чипы можно использовать и для тестирования других лекарств, а также — определения биомаркеров: иммуноглобулина, ДНК, нейрональных биорецепторов.

Из графена также планируют делать дешевые солнечные батареи, опресняющие устройства для морской воды, гибкие дисплеи, сверхпрочные бронежилеты, сверхчувствительные микропроцессоры, элементы для беспилотников и космических ракет, телефоны с бесконечной зарядкой и умную одежду.

Для России самым перспективным применением графена могут стать нефте- и газодобыча. На основе графена делают жидкости, которые позволят управлять толщиной и свойствами фильтрационной корки буровых растворов. А еще можно делать полимерные трубы и покрытия для нефте- и газопроводов с применением графена.

Графеновый бум

За 7 лет после вручения премии вышло больше 130 тыс. научных работ, посвященных графену и его свойствам. Доля таких исследований среди всех остальных выросла с 0,2% в 2010 году до 1% в 2016-м.

Профессор Катарина Паукнер в Будапеште, 2016 год

Исследователь Прабхурадж Балакришнан в Лондоне, 2017 год

Доктор Хан Лин в Мельбурне, 2019 год

Всего в мире зарегистрировано более 50 тыс. патентных заявок с упоминанием графена. Больше половины из них принадлежит Китаю, следом идут Южная Корея, США, Япония и Тайвань.

В Китае исследованиями занимаются государственные вузы. В 2013 году здесь создали Инновационный альянс графеновой промышленности, который пророчит Китаю в этой сфере долю в 80% от общемировой.

В остальных странах в графен активно вкладываются коммерческие компании. В Евросоюзе за это отвечает проект Graphene Flagship с инвестициями в €1 млрд [7]. В США — Национальная графеновая ассоциация, в консультативный совет которой входят представители Apple, IBM и Cisco.

В графене заинтересованы гиганты аэрокосмической отрасли: Boeing, Lockheed Martin, Airbus и Thales. Они рассчитывают, что новые материалы позволят им в разы снизить расход топлива — как композиты, которые экономят до 30% горючего в Boeing 787. Электронные корпорации включились в графеновую гонку в надежде, что это принесет им лидерство на рынке смартфонов и аксессуаров к ним.

Среди них — Samsung [8]: компания уже скупила десятки патентов, которых хватит на целую линейку продуктов с графеном. В частности, она представила новый тип аккумуляторов, которые можно будет заряжать за рекордные 12 минут. Такие появятся в новых смартфонах бренда не позднее 2021-го года. Их главный конкурент — Apple — запатентовала акустические диафрагмы с графеном для использования в устройствах следующих поколений. И это, судя по всему — только начало.

В России тоже занимаются изучением графена и даже патентуют электронные устройства на его основе — на базе в Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ. Двое ученых-выпускников этого вуза — гендиректор ведущего производителя Graphene 3D Lab Inc. Елена Полякова и профессор Свободного университета Берлина Кирилл Болотин — входят в ту самую американскую ассоциацию.

Почему же графен до сих пор не изменил нашу жизнь?

Во-первых, он все еще очень дорогой. При этом пока нельзя однозначно посчитать, сколько его нужно и для каких целей. Для этого материала нет единой шкалы измерения, так как он может иметь разную структуру — в зависимости от способа получения.

• 1 грамм чистого графена, который используют в электронике, стоит около $28 млрд.
• 1 грамм графена, смешанного с пылью — около $1 тыс.

Во-вторых, массовое производство графена пока не налажено, потому что нет технологий, которые бы позволили бы это: например, сложные электронные устройства с графеном делают вручную. Для графена нужна какая-то подложка — например, кварцевая — которая и определяет свойства конечного продукта. При этом пока еще не совсем понятно, какие именно это должны быть свойства.

Что еще почитать и посмотреть о графене

• Как графен, перовскит и наноботы изменят будущее. Блог Питера Диамандиса
• «Ведомости» — о том, кто занимается графеном в России и в мире и почему это важно
• Forbes — о том, кто участвует в мировой битве за графен
• «Постнаука» — о том, как применяют графен в медицине
• Verge — о том, почему графен еще не изменил мир (ENG)
• ScienceDirect — о прошлом, настоящем и будущем графена (ENG)
• Исследователи Моника Кракуин и Димитар Димов о графене — материале XXI века (ENG)

Графен: что это такое, характеристики, применение и преимущества

Наверняка вы когда-нибудь слышали о графена во многих случаях. Это тип материала, который имеет множество применений, поскольку он обладает множеством свойств. С развитием технологий были найдены альтернативы для создания более сложных и эффективных материалов с более низкими производственными затратами.

В этой статье мы расскажем вам обо всех характеристиках, свойствах, использовании и любопытстве графена.

Индекс

• 1 Что такое графен
• 2 Свойства графена
• 3 приложений
• 4 Графеновые батареи
• 5 Преимущества и недостатки

Что такое графен

Это тип материала, который состоит из группы различных атомов углерода, которые расположены вместе, образуя гексагональную форму. Расположение атомов образует монослой толщиной всего в один атом. Он постоянно и в большом количестве встречается в природе в виде графита. Человек использовал в карандашах графит обыкновенной формы. Один миллиметр графита он способен содержать 3 миллиона слоев графена.

Свойства графена

Мы отметили, что сегодня он имеет множество приложений. И это вещество, обладающее очень интересными свойствами. К этим свойствам добавляется обилие углерода в природе. Это делает графен материалом с большими полезными возможностями, который широко изучается научным сообществом. Мы собираемся выделить основные свойства графена:

• Высокая теплопроводность: Помогает проводить тепло между материалами и оптимизировать передачу энергии.
• Высокая электропроводность: Он также служит для создания электрических цепей, так как очень хорошо проводит электричество.
• Большая эластичность и гибкость: Обладая этими свойствами, это материал, который легко поддается формованию и адаптируется к различным ситуациям.
• Высокая твердость: эта способность дает ему большое сопротивление.
• Высокая стойкость: он примерно в 200 раз прочнее стали. Он имеет такое же сопротивление, как и алмаз, но имеет гораздо меньший вес.
• На него не действует ионизирующее излучение.
• Он способен вырабатывать электричество, если какое-то время подвергать его воздействию солнечного света.
• Это прозрачный материал
• Его высокая плотность он не пропускает атомы гелия, но пропускает воду, которая может испаряться с той же скоростью, что и в открытом контейнере.
• Обладает антибактериальным действием: материал и его состав не позволяют бактериям расти на его поверхности.
• Создает нагрев за счет проведения электронов— Это свойство, которое можно проехать и на электричестве.
• Потребляйте мало электроэнергии если мы сравним его с другими соединениями: это может привести к большой экономии в долгосрочной перспективе.

приложений

Благодаря всем свойствам, которые мы указали, мы знаем, что графен имеет широкое применение во многих промышленных и технологических секторах. В области электроники он используется в производстве транзисторов, микрочипов, разработке токопроводящих чернил и т. Д. В области возобновляемая энергия может улучшить ее использование, как и в солнечной энергии. И дело в том, что мы можем ввести графен в солнечные панели, чтобы повысить их эффективность при производстве большего количества энергии.

Другой сектор, в котором используется графен, — это автомобильный сектор. Его можно использовать в аккумуляторах для увеличения автономности и сокращения времени зарядки. Таким образом мы улучшаем характеристики электромобилей.

Графеновые батареи

Этот материал в 100 раз прочнее стали. По плотности он очень похож на углеродное волокно. Его преимущество перед ним в том, что он весит в 5 раз меньше алюминия. Он имеет двухмерный кристалл с уникальными свойствами, что позволяет легко синтезировать его разными способами. Это позволяет легко адаптировать их к различным ситуациям и формам, куда их вставлять для работы в различных электронных устройствах.

Графеновые батареи обещают более длительный срок службы, лучшую производительность и более низкую цену. Они также отличаются меньшим воздействием со временем, следовательно, у них гораздо более длительный срок полезного использования, чем обычно.

Преимущество, которое они предлагают перед другими обычными аккумуляторами, заключается в том, что они позволяют работать при более высоких температурах, что делает их идеальным решением для увеличения срока службы аккумуляторов электромобилей. Это добавляет дополнительный плюс к тому, что электромобиль не заряжается всю ночь, поскольку у него достаточно мощности, чтобы не тратить энергию во время поездки.

Что касается стоимости, они предлагают различные возможности по довольно конкурентоспособной цене на рынке. Они даже дешевле, чем другие обычные батареи, которые мы сегодня находим на рынках. Если мы проанализируем преимущества, которые они предлагают Если вам нужно зарядить электромобиль в ночное время, мы видим, что в долгосрочной перспективе это представляет собой довольно значительную экономию.

Преимущества и недостатки

Мы собираемся указать, каковы преимущества и недостатки графена по сравнению с другими материалами. Вот его основные преимущества:

• Благодаря своим большим свойствам и множеству мы можем выполнять почти все виды приложений более эффективно.
• Благодаря высокой твердости, у нас более длительный срок службы, чем у стали, несмотря на то, что она имеет эластичную и гибкую консистенцию.
• Благодаря способности проводить электричество и температуру он получен во многих случаях.
• Графеновая батарея Он способен зарядить аккумулятор мобильного телефона всего за 5 минут.
• Он может служить лекарством от рака.

Среди недостатков этого материала мы кратко перечислим некоторые из наиболее заметных:

• Хотя исследователи пытаются выяснить, каковы все потенциальные возможности использования графена, Не все практики получают от этого максимальную пользу. Это одна из причин, по которой этот материал пока не нашел коммерческого применения. Это всего лишь временное неудобство.
• Коммерческие приложения: этот пункт заимствован из предыдущего. Хотя существует более 60.000 XNUMX научных статей, изучающих этот материал, нет коммерческих продуктов, сделанных из графена.

Я надеюсь, что с этой информацией вы сможете больше узнать о графене, его свойствах и применении.

Что такое Графен?. И как в домашних условиях сделать самый… | by Сергей Базанов

И как в домашних условиях сделать самый прочный в мире материал.

Графен обладает многими невероятными свойствами. Это самый тонкий и прочный материал, известный человеку. Это превосходный тепло и электро проводник, даже лучший чем бриллианты, медь и серебро. Он сверхлегкий, но в то же время в 200 раз прочнее стали, и, кроме того, он биологически разлагаем, поэтому не представляет угрозы для окружающей среды.

Вы подумаете, что с такими впечатляющими свойствами графен должен быть очень сложным и специфическим материалом. Это отчасти верно; но в то же время как графен достаточно трудно производить в больших масштабах, он уже есть в вашем доме.

Как вы уже догадались из названия, этот материал происходит из графита, того самого, который находится внутри обычных чертежных карандашей. Когда вы пишете, чешуйки графита толщиной в несколько слоев прилипают к бумаге, но истинный графен более тонкий. Какую толщину имеет самый тонкий материал в мире? Один атом! Это настолько тонко, что можно считать этот материал двумерным в виду того что он практически не имеет толщины, только ширину и длину. Поэтому он производится в аккуратных тончайших листах. Таким образом, графен представляет собой гексагональную решетку атомов углерода толщиной в один атом. Вы можете самостоятельно создать его, удалив лишний слой графита из бумаги с помощью липкой ленты, сложив ленту и снова развернув её, чтобы отделить пласты углерода друг от друга.

Именно так его открыли в 2004 году ученые сэр Андрей Гейм (Andre Geim) сэр Константин Новоселов, которые впоследствии получили Нобелевскую премию по физике за свои открытия, а также звания рыцаря-бакалавра указом королевы Елизаветы II.

Когда графен был обнаружен, это был шок для многих учёных, которые не верили, что один слой углерода может быть стабильным, особенно при комнатной температуре. Тем не менее, он не только был стабильным, он проводил электроны быстрее, чем любое другое вещество при комнатной температуре, учитывая идеальное, высокое качество его решётки. Отсутствие дефектов в структуре решётки означает отсутствие рассеянных электронов, что приводит к очень сильной, но гибкой связи. Манипулирование этими электронами также означает, что графен может быть преобразован в магнит толщиной в один атом-потенциально увеличивая хранение данных в миллион раз.

Где ещё может применяться графен? Список длинный и очень интересный.

Графен может выдерживать нагрузку 5 тонн и более без разрушения. Он прочнее алмаза, хотя алмаз и графен не слишком далеки друг от друга. Оба они состоят из углерода, который может стать только двумя естественными кристаллами — графитом или алмазом. Но алмаз не такой стабильный, как графен. Прочность графена может привести к созданию гибких небъющихся экранов телефонов, лучших пуленепробиваемых жилетов и более прочных городских строений. Предполагается, что графен станет будущим строительным материалом для космических кораблей, автомобилей, поездов, самолетов и даже лифтов, поднимающихся в космос.

Компания Samsung уже работает над внедрением графена в свои батареи с помощью графеновых шариков. В результате электрическая емкость увеличилась на 45%, а скорость зарядки — в пять раз. Полная зарядка такой батареи для телефона Samsung занимает 12 минут. Батарея также очень стабильна к перепадам температур. 20 минут зарядки подобного графенового аккумулятора дадут вам 600 км езды на электромобиле.

Электронное хранилище из графена обеспечит более эффективные солнечные элементы, которые смогут работать даже когда идет дождь.

Слои графена непроницаемы. Смешивание его с такими материалами, как резина или пластмасса, могут сделать их воздухонепроницаемыми, что обеспечивает более безопасные корабли и пищу, которая может сохраняться намного дольше.

Графеновые оксидные мембраны позволяют получить более дешевую воду для засушливых бедных районов мира. В то время как современные процессы опреснения воды являются дорогостоящими и используют много энергии, применение графена, как показали эксперименты, дало сокращение энергопотребления на 46%, что делает опресненную воду намного более доступной. Есть некоторые препятствия, которые необходимо преодолеть в отношении оксида графена и его проницаемости для соли, но прогресс в этой области является многообещающим.

Другие потенциальные сферы применения графена включают фильтрацию ядерных отходов, использование в суперкомпьютерах, а также создание лучших медицинских сканеров, транзисторов и секвенсоров ДНК. Внедряя графен непосредственно в наши клетки, врачи могли контролировать наше тело изнутри с помощью наноботов. Предполагается, что биоприложения графена станут реальностью к 2030 году.

Так почему же мы до сих пор не видим его повсюду?

Недостаток графена состоит в том, что его очень сложно производить. До сих пор учёным удавалось изготавливать его лишь в небольших количествах, самым крупным из которых был лист размером с кредитную карту. До недавнего времени мы даже не могли изготовить его за пределами лаборатории.

Для того чтобы произвести лист графена размером с кредитную карточку, масло сои было нагрето до 800 градусов Цельсия на листе фольги никеля, что заставило углерод упорядочиться в тонкую пластину графена. Но это все равно пока остается проблемой масштабирования. При попытке получить большие по размерам листы графена, материал получался низкого качества. Однако, эта проблема баланса чистоты и размера графеновых материалов напоминает аналогичную проблему получения чистого кремния, которая была в прошлые годы. Сферы применения этого материала и получаемая выгода слишком огромны, чтобы не продолжать исследования.

Битва за графен: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего

Графен — двумерный материал, представляющий собой форму углерода, толщиной в один атом. С тех пор как в 2010 году выпускникам МФТИ Андрею Гейму и Константину Новоселову присудили Нобелевскую премию за передовые опыты с этим новым материалом, в мире начался настоящий графеновый бум

Графен — это всего лишь одна из форм углерода, который может существовать во множестве кристаллических модификаций: например, как графит, алмаз, фуллерены или углеродные нанотрубки. Непосредственно графен можно представить в виде одной плоскости объемного кристалла графита — это первый кристалл толщиной всего лишь в один атом, экспериментально полученный в лабораторных условиях.

C одной стороны это очень простой материал, с другой очень сложно совместить двумерный материал толщиной в один атом с трехмерным миром приборов. Внешний мир — электроды, подложки и т.п. — оказывает влияние на графен, его свойства — это все очень трудно исследовать. Впервые это удалось сделать нашим соотечественникам, которые сделали это за рубежом — в Манчестерском университете. С тех пор их пионерские работы были процитированы в ведущих научных журналах более 100 тысяч раз. Интерес к графену по сей день остается беспрецедентным. В мире фактически началась новая гонка — за лидерство на зарождающемся рынке двумерных материалов. Государства в разных частях света тратят миллиарды долларов на графеновые исследования. Чем это вызвано? Как обстоят дела с исследованиями и разработками в этой области на Родине нобелевских лауреатов? О ландшафте графеновых исследований и о том, какое место на нем занимает Россия — в первом материале серии «Битва за графен».

Фото DR

Казалось бы на данный момент графен достаточно хорошо исследован, но тем не менее он еще таит в себе сюрпризы. Например, из графена можно удалять атомы углерода (с какой-то периодичностью или в виде какого-то узора) — получается материал с другими свойствами. Можно в графен добавлять атомы других материалов — это еще один материал с новыми свойствами. Свойства графена во многом определяются подложкой, например, химические свойства графена в зависимости от материала подложки еще не изучены. Очень мало информации и по физическим свойствам в зависимости от материала подложки. Техника постоянно совершенствуется, мы учимся работать со все меньшими и меньшими объектами и получаем все больше интересной информации. Одна из ключевых задач — встроить графен (двумерные материалы) в существующий цикл микроэлектронного производства, пока все такие устройства делаются вручную.

Разнообразие применений графена возможно из-за его уникальных физико-химических свойств, которые моментально сделали этот двумерный материал объектом для фундаментальных исследований. Так, двумерность графена, а также характерное для него особое поведение электронов, открыли возможность для экспериментальной демонстрации различных явлений квантовой физики, среди которых квантовый эффект Холла, парадокс Клейна, сверхпроводимость и многие другие. Графен обладает высокой электропроводностью и рекордной среди всех известных материалов теплопроводностью. Для него характерна высокая прочность (в 200 раз прочнее стали) и гибкость, химическая и термическая стабильность, а также самая большая площадь поверхности на единицу массы.

Фото DR

У рассматриваемого материала интересные оптические свойства:  является перспективным материалом для создания оптических инструментов, работающих одновременно в широком диапазоне частот — от видимого света до терагерцового или даже микроволнового излучения. Это лишь небольшая часть из интересных особенностей графена, но главное — его свойства сильно зависят от материала подложки, наличия дефектов и примесей, внешних воздействий и многого другого. Так что поле для научных изысканий здесь очень велико, и вложения в эту сферу только продолжат расти.

• И да и нет: ответ на главный вопрос о квантовом компьютере

Исследовательский бум

Поэтому доля научных публикаций с упоминанием графена год от года непрерывно растет. Если в 2010 году мы имели 0,2% относительно всех научных публикаций, то в 2016 году — это уже 1% с прогнозом на 2017 — около 1,3%, согласно базе данных научных публикаций Web of Science. Для сравнения: в 2016 году доля публикаций с упоминанием слов «полупроводник» — 0,8%, «золото» — 0,9% , «лазер» — 1,7%. Абсолютным лидером в сфере графеновых исследований остается Китай: этой стране принадлежит почти половина всех научных публикаций с упоминанием графена. 12% самых высокоцитируемых работ, написанных китайскими учеными в ушедшем году, — публикации о графене. Уже сейчас с Китаем сложно конкурировать даже США, но говорить о финальной расстановке сил пока рано. Министр финансов Великобритании Джордж Осборн заявил, что Британия, где расположен один из крупнейших графеновых центров в мире, получивший название «Родина графена», стремится удержать мировое лидерство в освоении графеновых технологий в условиях серьезной конкуренции со стороны Китая и Южной Кореи. К гонке за лидерство подключились исследовательские центры Сингапура, Германии, Австралии, Японии, стремительно догоняющей их Индии и… Ирана.

Где мы?

Если в первые годы после открытия графена Россия была весьма заметным игроком в области графеновых исследований, то сейчас мы с каждым годом понемногу отстаем: 5,6% публикаций в середине 2000-х и 2,3 % в 2016 году. По общему числу публикаций с упоминанием графена за 2014-2016 гг. мы находимся на 14 месте, а по числу публикаций с высоким индексом цитирования или среднему цитированию на одну работу мы не входим в список 20 лучших стран. При этом надо отметить, что такое положение нашей страны обеспечиваются главным образом за счет сотрудничества с зарубежными коллегами. Например, доля России в высокоцитируемых работах 2014-2016 гг., где авторы в качестве места работы указали российскую научную организацию, составляет всего 12%. То есть даже имеющиеся скромные показатели — не полностью заслуга нашей страны. Свидетельством тому является отсутствие патентов и приглашенных докладов на профильных международных конференциях. Так, на крупнейшей конференции Graphene за последние три года Россия была представлена только одним устным докладом.

Графен и Россия

В нашей стране исследования с графеном проводятся по инициативе отдельных ученых. Помимо ряда институтов РАН в исследовании графена заметны успехи  МГУ, СПбГУ и МФТИ. Физтех (МФТИ), помимо нобелевских лауреатов, подарил миру графена целый ряд других выдающихся ученых. Это, например, Александр Баландин (исследование теплопроводности графена), Леонид Левитов (теоретические исследования графена), Виктор Рыжий (графеновая оптоэлектроника) и другие. Не так давно на Физтехе был создан Центр фотоники и двумерных материалов, объединяющий несколько лабораторий. Его основная задача — разработка и создание с использованием графена и других двумерных материалов принципиально нового класса оптоэлектронных приборов и компонентов широкого спектра применений (наносенсоры, биосенсоры, нанолазеры, инфракрасные камеры, энергоэффективные световые устройства и многое другое). Нам уже удалось создать высокочувствительные графеновые биосенсоры, которые могут помочь в создании новых лекарств и вакцин от опасных заболеваний, в том числе от ВИЧ и рака. А сейчас совместно с датскими коллегами мы работаем над технологиями низкотемпературного синтеза графена, чтобы выращивать его непосредственно на элементах приборов электроники. Это бы позволило создать, например, сверхширокодиапазонные камеры, способные обеспечить видимость в темноте сквозь дым и туман. Однако пока это совершенно не тот масштаб, который бы позволил говорить о претензиях на лидерство.

Кто виноват?

У стран, которые обгоняют нас в графеновой гонке, есть кое-что общее: исследования в области двумерных материалов в них последовательно поддерживаются на государственном уровне. Например, в одном лишь городе-государстве Сингапуре вложения в эту область превышают $300 млн. А Европейская комиссия, запустила программу Graphene Flagship и выделила более €1 млрд на десятилетние исследования и разработки, которые проводят ведущие исследовательские институты и корпорации в 23 европейских странах. При этом только Великобритания дополнительно выделила более £235 млн на эти же цели. И это не считая финансирования, которое выделяется национальными научными фондами на конкурсной основе. В России же отсутствуют какие-либо целевые программы по исследованиям в области графена даже в рамках научных фондов, а ведущие российские университеты, несмотря на отчаянную гонку в мировых рейтингах, не выделяют эту тематику в качестве своих приоритетов.

Что делать?

В странах, которые сделали ставку на графен, ученым дают большой простор для научных исследований: обеспечивают необходимыми финансами и оборудованием, и предоставляют свободу в выборе тем исследований. При этом новые научные результаты — не главное в истории с графеном. Выявляемые и исследуемые уникальные свойства графена позволяют создать на его основе целый класс устройств нового типа, а потому исследовательская гонка сейчас — это гонка за захват рынка графеновых технологий. Причем речь далеко не всегда идет о принципиально новых рынках. Графен  рассматривается в качестве материала, который изменит авиастроение, технологии освоения космоса, вооружение и военную технику, а также энергетическую отрасль. Все это — лишь вопрос времени. Не уделяя должного внимания материалам из двумерного мира, можно потерять позиции в том числе и в этих отраслях. Необходимо осознать важную вещь: в мире произошла графеновая революция, как когда-то с изобретением транзистора состоялась революция в электронике. Каких технологий нам стоит ожидать и когда они выйдут к массовому потребителю — в следующем материале серии.

Курс на приборы в промышленных масштабах

Привет, Гость!

Войти

Главная »
Блоги Экспертов И ИТ-Компаний »
Графен: Курс на приборы в промышленных масштабах

Возможность размещать посты на проекте остановлена

Редакция CNews готова принять пресс-релизы компаний на адрес [email protected].

Приглашаем вас делиться комментариями о материалах CNews на наших страницах платформ Facebook, Telegram и Twitter.

Что такое графен?

Графен представляет собой монослой атомов углерода, упорядоченных в гексагональную решетку. Мы привыкли иметь дело с графитом, используемым при производстве карандашных стержней, батареек, смазочных материалов и т. д., который представляет собой не что иное как сложенные вместе пластинки графена. Термин графен, образованный из слова графит и суффикса -ен, был предложен Хансом Петером Бемом, впервые описавшим моноатомные слои углерода в 1962 году.

Своими уникальными свойствами графен обязан тому факту, что он является двумерным материалом, представляющим собой слой всего в один атом. Много лет графен оставался только теоретической концепцией, которая изучалась на бумаге. Прорыв произошел в 2004 году, когда Андрей Гейм и Константин Новоселов из Манчестерского Университета успешно получили одноатомные слои графена путем многократного прикладывания клейкой ленты к поверхности графита и последующего перенесения его на другую поверхность! Они доказали существование графена и перешли к демонстрации некоторых его уникальных двумерных электронных свойств. После этого последовали интенсивные исследования в области выращивания и применения графена, опубликованные в более чем 3000 научных работ. Андрей Гейм и Константин Новоселов были удостоены Нобелевской премии по физике в 2010 году.

В чем заключаются важные свойства графена?

В отличие других полупроводниковых материалов, графен по сути является полуметаллом или полупроводником с нулевой запрещенной зоной. Формируя графеновые наноленты путем подбора ориентации и ширины графена или используя определенные полевые структуры, запрещенная зона может быть открыта. Носители заряда в графене «не имеют массы» и ведут себя во многом схоже с фотонами, частицами света. Поэтому графен обладает чрезвычайно высокой подвижностью электронов и следовательно может с успехом применяться в высокоскоростных транзисторах. Графен прозрачен, каждый слой поглощает ~2.3 % света. Благодаря своей двумерной структуре это материал обладает такими свойствами, как дробление заряда и дробный квантовый эффект Холла, что потенциально делает его полезным в квантовых компьютерах и спинтронике.

И, хотя графен имеет толщину всего лишь в один монослой, он является очень гибким и самым прочным из исследуемых наноматериалов, обладающим прочностью на разрыв в 200 раз выше стали.

Где графен может использоваться?

Чрезвычайно высокая подвижность электронов графена может использоваться в высокочастотных транзисторах, последние исследования продемонстрировали ВЧ транзисторы на основе графена с предельной частотой выше 100 ГГц. Более того, благодаря своей прозрачности и высокой проводимости, графен также может использоваться в дисплеях, сенсорных панелях, органических светодиодах и солнечных элементах. Гибкость графена также открывает новые возможности в производстве гибкой электроники. Другие потенциальные применения графена включают в себя сенсоры и электроды для суперконденсаторов.

AIXTRON — продвигает технологию выращивания графена

Компания AIXTRON представила для покупателей две ключевые технологии получения графена: химическое осаждение из паровой фазы (CVD) и высокотемпературная сублимация.

Химическое осаждение из паровой фазы с использованием углеродных реагентов является одним из наиболее обещающих методов для реализации контролируемого осаждения графена на большой площади при низкой себестоимости. Система Black Magic производства AIXTRON идеально подходит для этого — основанная на масштабируемой концепции showerhead, она содержит нижний и верхний малоинерционные нагреватели , автоматическое регулирование температуры поверхностис помощью ИК пирометрии и возможность использования плазмы. Гибкость системы AIXTRON привлекла внимание как исследователей, так и производителей, и на сегодняшний момент компания уже поставила системы для выращивания графена на подложках размером от 50 до 300 мм. Система 300 мм оборудуется встроенным автоматизированным роботом-загрузчиком и многоподложечным шлюзом, что позволяет достичь высокого уровня производительности.

Данный материал является частной записью члена сообщества Club.CNews.
Редакция CNews не несет ответственности за его содержание.

10 лет назад
| категории:
Естественные науки: Физика
Технологии: Инновации
Технологии: Нанотехнологии
Технологии: Оптика
Технологии: Электроника
Технологии: Энергетика

| тэги:
графен, газофазная эпитаксия, суперконденсаторы, ВЧ транзисторы, получение наноматериалов

Комментарии

Другие публикации

Редакция CNews готова принять пресс-релизы компаний на адрес news@cnews. ru.

Приглашаем вас делиться комментариями о материалах CNews на наших страницах платформ Facebook, Telegram и Twitter.

первопроходец в области производства графена во Вьетнаме

Сентябрь 2021 г.

Кэтрин Джуэлл, Отдел распространения информации и цифрового контента, ВОИС

Акционерное общество «Графенел», расположенное в городе Хошимине, – это высокотехнологичная компания, специализирующаяся на промышленном производстве графена и материалов из него. Джейн Фанг, отвечающая за развитие международных операций компании, рассказывает о ее новаторском подходе к производству графена, о тех проблемах, с которыми сталкивается компания на вьетнамском рынке графена, который все еще находится на начальной стадии своего развития, а также о той роли, которую играет интеллектуальная собственность (ИС) в поддержке ее стремления превратиться в одного из ведущих промышленных поставщиков материалов на основе графена.   

Компания «Графенел» была создана в 2011 г. Туаном Ле (на фото слева) и Джатом Ле (на фото справа). Приоритетным направлением работы компании является использование графена в биоэлектронике, а также в производстве цемента и аккумуляторных батарей. «Мы испытываем особенно сильный энтузиазм по поводу индустрии производства аккумуляторных батарей и стремимся расширять осведомленность участников рынка о свойствах графена, а также разрабатывать и коммерциализировать высококачественные батареи на основе графена в целях повышения экологичности жизни общества», – говорит Джейн Фанг, менеджер компании «Графенел» по развитию международных операций. (Фото предоставлено компанией «Графенел»)

Какова была история создания компании?

Компания была основана Туаном Ле, нашим генеральным директором, и Джатом Ле, нашим главным сотрудником по проектам, в 2011 г. Они вместе учились, а сферами их специализации были химия и наноматериалы. После окончания учебы они основали компанию NanoLife, которая в основном занималась наноматериалами. Затем, когда в центре внимания оказался графен и его удивительные свойства, они начали работать исключительно с ним и дали компании новое название: «Графенел».

В то время предложение графена было ограниченным, а его производство – дорогостоящим. С учетом этого мои коллеги решили найти более экономичный способ получения графена. Примерно после семи лет исследований и множества проб и ошибок они разработали новый способ производства графена. Если говорить в общих чертах, то для массового производства графена с минимальными затратами мы используем процесс рафинирования животных жиров – таких, как жиры, используемые в производстве косметики. В целом для изготовления одного грамма графена требуется один килограмм рафинированного животного жира, а каждый производственный цикл, позволяющий получить шесть килограммов графена, занимает примерно два дня.

Расскажите нам более подробно о бизнес-модели вашей компании.

В отличие от стран с устоявшимися рынками графена, мало кто во Вьетнаме знаком с графеном и его удивительными свойствами. Поэтому для того, чтобы развивать наш бизнес, мы полагаемся на наши сети, которые помогают распространять на рынке информацию о том, что мы делаем. Мы продаем наши изделия из графена исследователям, работающим с новыми материалами. Они очень помогли нам, порекомендовав нас другим компаниям, с которыми они работают. Это позволило нам обеспечить более широкое информирование участников рынка о ценных свойствах наших материалов, а также расширить список наших клиентов.

Кроме того, недавно мы запустили новую программу сотрудничества, в рамках которой мы совместно с университетами, научно-исследовательскими институтами и небольшими компаниями разрабатываем новые материалы и продукты с использованием графена. Партнеры программы соглашаются использовать наши графеновые продукты в качестве исходных материалов. В результате в выигрыше оказывается все: они извлекают выгоду из наших продуктов и опыта, чтобы развивать свои исследования, а мы создаем возможность для коммерциализации любых перспективных наработок, полученных в результате исследовательского проекта. Мы ожидаем, что эта программа позволит ускорить процесс разработки продукции и наш выход на рынок.

На данный момент мы заключили соглашения с двумя университетами и одной частной компанией.

В настоящее время в разработке находятся несколько видов продукции, которые мы надеемся вывести на рынок до конца 2022 г.

Существует ли во Вьетнаме большой спрос на графен?

В глобальном масштабе это не так уж и много, но, безусловно, у нас есть достаточный спрос, чтобы приносить доход. Конечно, в будущем наша цель – увеличить нашу долю на внутреннем рынке, в Австралии и Франции, где у нас есть клиенты, а также на других экспортных рынках.

Благодаря применению графена можно будет уменьшить углеродный след в строительном секторе (на производство цемента в настоящее время приходится около 6 процентов глобальных выбросов углекислого газа), а также открыть путь для более экологичных подходов к проектированию зданий и инфраструктуры.

На каких сферах применения графена вы сосредоточиваете основное внимание?

(Фото предоставлено компанией «Графенел»)

На данный момент нашим главным приоритетом является совместная работа с Университетом им. Тон Дык Тханга по использованию графеновых добавок в производстве цемента для повышения прочности и долговечности зданий. Испытания показывают, что прочность бетона на сжатие и на разрыв могут быть увеличены соответственно на 40% и на 30%. Благодаря применению графена можно будет уменьшить углеродный след в строительном секторе (на производство цемента в настоящее время приходится около 6 процентов глобальных выбросов углекислого газа), а также открыть путь для более экологичных подходов к проектированию зданий и инфраструктуры.

Мы также работаем над двумя другими проектами. Первый из них связан с американо-вьетнамским бизнесом по использованию графена в носимых медицинских устройствах для мониторинга здоровья человека, который ими пользуется. Графен – это материал с высокой проводимостью, и когда он встроен в другие материалы, он может проводить электрические сигналы и действовать как мощный датчик с широким спектром применения, в том числе в биоэлектронике. Можно сказать, что графен делает композитные материалы «умными».

Другой проект реализуется с участием Национального университета Чонбук в Республике Корея, где мы совместно с учеными ищем способы повысить срок службы и долговечность батарей с использованием графена.

Какова была реакция вьетнамских фирм?

Мы разговаривали с крупными компаниями во Вьетнаме, и они с очень большим энтузиазмом восприняли наши исследования и то, чего можно достичь с помощью графена. Однако существует общая обеспокоенность по поводу финансовых последствий использования этого материала в их продуктах. Кроме того, фирмы подчеркивают свою потребность в стабильном и надежном источнике графена, способном удовлетворить их потребности в промышленных масштабах. Если мы сможем удовлетворить этот спрос, перспективы будут многообещающими. Поэтому мы наращиваем производственные мощности.

Какую роль в работе компании играет интеллектуальная собственность?

Интеллектуальная собственность (ИС) очень важна для нас и играет ключевую роль в обеспечении финансирования. Поскольку графен был совершенно новым продуктом для нашего рынка, единственный способ привлечь необходимые нам средства – это продемонстрировать инвесторам надежность нашего производственного процесса. Патентная заявка, которую мы подали в Ведомство интеллектуальной собственности Вьетнама, позволила нам это сделать. Благодаря этой заявке, а также солидной репутации и опыту наших соучредителей инвесторы начали доверять нашему процессу.

Когда мы убедились в ценном значении наших инноваций, мы поняли, что должны немедленно обеспечить их охрану. Хотя рынок графена во Вьетнаме развит недостаточно, производством графена занимаются многие компании по всему миру; поэтому было ясно, что мы можем сохранять конкурентоспособность лишь при помощи охраны нашей ИС.

Мы подали нашу заявку в сентябре 2019 г. Она по-прежнему находится на стадии рассмотрения, но к концу 2021 г. мы рассчитываем получить подтверждение того, что патент был предоставлен.

Почему сотрудничество с университетскими исследователями имеет для компании «Графенел» столь важное значение?

Просто потому, что университетские исследователи могут распространять знания об этом материале среди своих студентов, которые, в свою очередь, применяют их в отношении различных видов продукции. Исследователи из университетов понимают важность графена и ценность, которую он добавляет изделиям. Через свои рецензируемые статьи и контакты они будут передавать знания о графене и о потенциальных способах его применения своим коллегам во Вьетнаме и других странах. Таким образом, люди узнают о графене и о нашей продукции.

В настоящее время компания «Графенел» ежегодно производит около 100 кг слоистого графена, 1 тонну нанопластинок графена и 10 кг оксида графена. До конца года фирма планирует увеличить свои производственные мощности в 10 раз. (Фото предоставлено компанией «Графенел»)

Как вы обеспечиваете охрану своей ИС в контексте сотрудничества с университетами?

Мы делаем это при помощи сочетания соглашений о неразглашении и других контрактов, в которых наши партнеры обязуются не раскрывать детали нашего производственного процесса. В целом, когда мы взаимодействуем с ними, мы даем общий обзор нашего процесса, не раскрывая основных деталей; они знают, что происходит, но не имеют достаточной информации для того, чтобы это скопировать.

Под «графеном» понимается целое семейство материалов, которым присущи различные свойства. Какие именно материалы производите вы?

Мы производим полностью необработанный графен. Каталог нашей продукции насчитывает четыре основных наименования: оксид графена, восстановленный оксид графена, слоистый графен и нанопластинки графена. Все они представляют собой порошковые продукты, и хотя их можно использовать для одних и тех же целей, некоторые формы более подходят для конкретных изделий.

Например, наши графеновые нанопластинки лучше всего подходят для добавления в цемент и некоторые продукты для очистки воды, тогда как оксид графена и восстановленный оксид графена лучше использовать в датчиках и батареях. А слоистый графен мы продаем компаниям, которые самостоятельно обрабатывают графен без нашей помощи.

Когда мы убедились в ценном значении наших инноваций, мы поняли, что должны немедленно обеспечить их охрану.

Какое количество графена вы производите ежегодно?

Сейчас мы производим около 100 кг слоистого графена, 1 тонну нанопластинок графена и 10 кг оксида графена. Но мы находимся в фазе расширения. В настоящее время на нашем заводе работает пять сотрудников, занятых в течение полного рабочего дня, и растет число сотрудников, работающих неполный рабочий день. К концу года мы рассчитываем увеличить наши производственные мощности в 10 раз.

Каковы основные проблемы, с которыми вам приходится сталкиваться?

Как я уже упоминала ранее, большой проблемой стало расширение информированности о графене и его свойствах. Затем, выходя на зарубежные рынки, мы столкнулись с низким уровнем доверия со стороны потенциальных клиентов. Наш подход к вопросам ИС был важным фактором, развеявшим их сомнения относительно нас, и фактически открыл возможность для налаживания диалога с рядом компаний из других стран. Это побудило их более пристально взглянуть на наш производственный процесс, а, когда они это сделали, они обнаружили, что он более интересен, чем они думали вначале.

Проблемой остается и ценовой фактор. Хотя стоимость графена за последнее десятилетие значительно упала, для компаний по-прежнему дорого использовать его в больших масштабах. Поэтому нам нужно найти способы еще больше снизить его себестоимость. Нам также необходимо продолжить работу с будущими клиентами, с тем чтобы продемонстрировать потенциальные преимущества использования графена в их продукции.

Еще один важный вопрос – контроль качества. Во Вьетнаме пока еще не создан орган по стандартам качества графена. Мы пытаемся решить эту проблему, сравнивая наши графеновые продукты с продуктами из других стран. При изучении новых рынков мы также обращаем внимание на действующие там стандарты. На данный момент мы просто работаем над тем, чтобы наши материалы делали то, что мы говорим. Довольно сложно говорить с людьми о качестве, когда у нас нет национальных стандартов. Поэтому мы хотели бы видеть разработку и внедрение таких стандартов качества для графена, которые другие отрасли могли бы понять и которым они могли бы доверять. Только тогда покупатели будут уверены в качестве нашей продукции. Мы работаем с государственными органами над решением этой проблемы. Я думаю, что мы на правильном пути, но нам нужно действовать быстрее, если мы хотим упрочить свои позиции на рынке.

Информация о графене

В 2004 г. научные сотрудники Манчестерского университета в Соединенном Королевстве Андре Гейм и Костя Новоселов впервые выделили графен. Они использовали липкую ленту, чтобы разделить графит на отдельные слои углерода. Их работа принесла им Нобелевскую премию по физике в 2010 г.

Провозглашенный «чудо-материалом», графен представляет собой слой атомов углерода толщиной в один атом, соединенных в гексагональную кристаллическую решетку, с рядом интересных свойств. «Это самый тонкий материал, который можно себе представить. У него также самое большое соотношение поверхности к весу: одним граммом графена можно покрыть несколько футбольных полей … Это также самый прочный материал из когда-либо измеренных», – отметил Андре Гейм в интервью журналу Nature в октябре 2010 г.

Графен примерно в 200 раз прочнее стали и является отличным проводником тепла и электричества с «интересными свойствами в плане поглощения света». Его можно комбинировать с другими элементами для производства различных материалов с улучшенными свойствами для выполнения широкого диапазона задач: от строительства до медицинских датчиков и батарей.

Согласно данным веб-сайта Graphene-info, графен –это «действительно материал, который может изменить мир, с неограниченным потенциалом для применения практически в любой отрасли».

Провозглашенный «чудо-материалом», графен представляет собой слой атомов углерода толщиной в один атом, соединенных в гексагональную кристаллическую решетку, с рядом интересных свойств. (Фото: m_pavlov / iStock / Getty Images Plus)

Что нужно сделать для того, чтобы поддержать коммерциализацию материалов на основе графена, и почему этот вопрос важен для лиц, ответственных за разработку политики?

Лица, ответственные за разработку политики, должны сыграть чрезвычайно важную роль в создании политической среды для процветания рынка графена. Это предполагает разработку стандартов качества для производства графена, которым рынок мог бы доверять. Это также означает уточнение нормативно-правовых рамок, регламентирующих коммерциализацию графена.

Мы хотели бы видеть меры (такие, как налоговые льготы), направленные на поддержку внутреннего производства графена как для отечественного, так и для экспортного рынков. Такая политика позволит отечественным производителям графена конкурировать с производителями из других стран. Если бы правительство могло что-то сделать для поддержки местного производства графена, это было бы хорошо.

Интеллектуальная собственность очень важна для нас и играет ключевую роль в обеспечении финансирования.

Были ли графен и его потенциал переоценены?  

Нет, я так не сказал бы. Да, графен находит применение во многих отраслях, но то же самое можно сказать и о других материалах. Проблема в том, что мы еще не до конца понимаем, как именно его использовать наилучшим образом. Я думаю, у графена хорошее будущее, но будет ли оно бесконечным? Я в этом не уверен. Весьма вероятно, что в будущем появится какой-нибудь другой замечательный новый материал, который составит ему конкуренцию.

Какие новые способы использования графена вызывают у вас самый большой энтузиазм?

Лично меня наибольший энтузиазм вызывают аккумуляторные батареи. Уже сейчас многие наши устройства зависят от батарей, поэтому, если бы мы могли использовать графен для увеличения срока службы батарей, чтобы они заряжались быстрее и дольше сохраняли заряд, было бы замечательно. Это означало бы, что мы могли бы сократить количество батареек, выбрасываемых ежегодно, и помогло бы сделать мир более экологичным.

Какие у вас планы на будущее?

Мы продолжим развивать нашу работу в области биоэлектроники, производства цемента и аккумуляторных батарей. Мы возлагаем особенно большие надежды на индустрию аккумуляторных батарей и стремимся ознакомить участников этого рынка с графеном, а также разработать и коммерциализировать хорошие батареи на основе графена для того, чтобы наше общество стало более экологичным.

Что такое графен? Вот что вам следует знать

Технологический прогресс определяет ход истории. Бронза и железо были настолько важны для распространения древних обществ, что в их честь названы целые эпохи. С подъемом американской сталелитейной промышленности железнодорожные пути простирались от Атлантики до Тихого океана, металлические жилы, по которым текла кровь нации. Кремниевые полупроводники обеспечили рост компьютеров и самый большой всплеск информационных технологий со времен печатного станка. Эти материалы сформировали развитие общества и помогли определить, какие страны доминировали в геополитике.

Дальнейшее чтение

• Девять удивительных применений графена: от фильтрации воды до умной краски
• Что такое Hyperloop? Вот все, что вам нужно знать

Содержание

• Что такое графен?
• История графена: рулон ленты и мечта
• Возможные области применения
• Будущее исследований графена

Сегодня новый материал может изменить будущее. Названный «сверхматериалом», графен заставляет исследователей всего мира изо всех сил пытаться лучше понять его. Длинный список чудесных свойств графена делает его почти волшебным, но он может иметь очень реальные и радикальные последствия для будущего физики и техники.

Что такое графен?

Простейший способ описать графен состоит в том, что это один тонкий слой графита — мягкого чешуйчатого материала, используемого в грифеле карандаша. Графит является аллотропом элемента углерода, то есть он имеет те же атомы, но они расположены по-другому, что придает материалу другие свойства. Например, и алмаз, и графит являются формами углерода, но имеют совершенно разную природу. Алмазы невероятно прочны, а графит хрупок. Атомы графена расположены в виде шестиугольника.

Атомы графена расположены в виде сот Alex LMX / Shutterstock

Интересно, что когда графен выделяют из графита, он приобретает некоторые чудесные свойства. Это первый из когда-либо обнаруженных двумерных материалов толщиной всего в один атом. Несмотря на это, графен также является одним из самых прочных материалов в известной Вселенной. Обладая пределом прочности на разрыв 130 ГПа (гигапаскалей), он более чем в 100 раз прочнее стали.

Невероятной прочности графена

, несмотря на то, что он такой тонкий, уже достаточно, чтобы сделать его удивительным, однако его уникальные свойства на этом не заканчиваются. Он также гибкий, прозрачный, обладает высокой проводимостью и, по-видимому, непроницаем для большинства газов и жидкостей. Кажется, что нет области, в которой графен не преуспел бы.

История графена: рулон ленты и мечта

Графит давно известен (люди используют его с эпохи неолита). Его атомная структура хорошо задокументирована, и долгое время ученые размышляли, можно ли выделить отдельные слои графита. Однако до недавнего времени графен был всего лишь теорией, поскольку ученые не были уверены, что когда-нибудь удастся разрезать графит на один лист толщиной в атом. Первый изолированный образец графена был обнаружен в 2004 году Андреем Геймом и Константином Новоселовым в Манчестерском университете. Можно было бы ожидать, что они изолировали легендарное вещество, используя какое-то массивное и дорогое оборудование, но инструмент, который они использовали, был забавно простым: рулон скотча.

При использовании ленты для полировки большого блока графита исследователи заметили исключительно тонкие чешуйки на ленте. Продолжая отслаивать слой за слоем от чешуек графита, они в итоге изготовили максимально тонкий образец. Они нашли графен. Открытие было настолько странным, что научный мир поначалу отнесся к нему скептически. Популярный журнал Nature даже дважды отклонял их статью об эксперименте. В конце концов, их исследование было опубликовано, а в 2010 году Гейм и Новоселов были удостоены Нобелевской премии по физике за свое открытие.

Возможные приложения

Если бы у графена была лишь одна из его многочисленных превосходных характеристик, он стал бы предметом интенсивных исследований потенциальных применений. Будучи таким замечательным во многих отношениях, графен вдохновил ученых на поиск широкого спектра применений этого материала в таких разных областях, как потребительские технологии и наука об окружающей среде.

Гибкая электроника

BONNINSTUDIO / Shutterstock

BONNINSTUDIO / Shutterstock

В дополнение к своим мощным электрическим свойствам графен также обладает высокой гибкостью и прозрачностью. Это делает его привлекательным для использования в портативной электронике. Смартфоны и планшеты могли бы стать намного более прочными с использованием графена и, возможно, даже могли бы складываться, как бумага. Носимые электронные устройства в последнее время набирают все большую популярность. С графеном эти устройства можно было бы сделать еще более полезными, спроектировав их так, чтобы они плотно прилегали к конечностям и сгибались, чтобы приспособиться к различным формам упражнений.

Однако гибкость и микроскопическая ширина

Graphene открывают возможности, выходящие за рамки обычных потребительских устройств. Это также может быть полезно в биомедицинских исследованиях. Небольшие машины и датчики могут быть изготовлены из графена, способные легко и безвредно перемещаться по человеческому телу, анализировать ткани или даже доставлять лекарства в определенные области. Углерод уже является важным компонентом человеческого тела; немного графена может не помешать.

Солнечные элементы/фотогальваника

Педросала / Shutterstock

Педросала / Shutterstock

Графен обладает высокой проводимостью и прозрачностью. Таким образом, он имеет большой потенциал в качестве материала для солнечных батарей. Как правило, в солнечных элементах используется кремний, который производит заряд, когда фотон попадает на материалы, выбивая свободный электрон. Кремний высвобождает только один электрон на фотон, который попадает в него. Исследования показали, что графен может высвобождать несколько электронов на каждый попавший на него фотон. Таким образом, графен может намного лучше преобразовывать солнечную энергию. Вскоре более дешевые и мощные графеновые элементы могут обеспечить массовый всплеск возобновляемой энергии.

Фотоэлектрические свойства графена

также означают, что его можно использовать для разработки более совершенных датчиков изображения для таких устройств, как камеры.

Полупроводники

Торсак Таммахот / Shutterstock

Торсак Таммачот / Shutterstock

Благодаря своей высокой проводимости графен можно использовать в полупроводниках для значительного увеличения скорости передачи информации. Недавно Министерство энергетики провело испытания, которые показали, что полупроводящие полимеры проводят электричество гораздо быстрее, если их поместить поверх слоя графена, чем слоя кремния. Это справедливо даже в том случае, если полимер толще. Полимер толщиной 50 нанометров, помещенный поверх слоя графена, проводил заряд лучше, чем слой полимера толщиной 10 нанометров. Это противоречило прежней мудрости, согласно которой чем тоньше полимер, тем лучше он проводит заряд.

Самым большим препятствием для использования графена в электронике является отсутствие у него запрещенной зоны, промежутка между валентной зоной и зоной проводимости в материале, который при пересечении обеспечивает протекание электрического тока. Ширина запрещенной зоны позволяет полупроводниковым материалам, таким как кремний, работать как транзисторы; они могут переключаться между изоляцией или проведением электрического тока, в зависимости от того, выталкиваются ли их электроны через запрещенную зону или нет.

Исследователи проверяли различные методы создания запрещенной зоны графена; в случае успеха это может привести к созданию гораздо более быстрой электроники на основе графена.

Фильтрация воды

А_Лесик / Shutterstock

А_Лесик / Shutterstock

Плотные атомные связи графена

делают его непроницаемым практически для всех газов и жидкостей. Любопытно, что молекулы воды являются исключением. Поскольку вода может испаряться через графен, в то время как большинство других газов и жидкостей не могут, графен может быть исключительным инструментом для фильтрации. Исследователи из Манчестерского университета проверили проницаемость графена спиртом и смогли перегнать очень крепкие образцы спирта, поскольку только вода в образцах могла пройти через графен.

Конечно, использование графена в качестве фильтра имеет потенциал не только для дистилляции более крепких спиртных напитков. Графен также может быть чрезвычайно полезен для очистки воды от токсинов. В исследовании, опубликованном Королевским химическим обществом, исследователи показали, что окисленный графен может даже втягивать радиоактивные материалы, такие как уран и плутоний, присутствующие в воде, оставляя жидкость свободной от загрязняющих веществ. Последствия этого исследования огромны. Некоторые из самых больших экологических опасностей в истории, в том числе ядерные отходы и химические стоки, могут быть очищены от источников воды благодаря графену.

Поскольку перенаселение продолжает оставаться одной из самых насущных экологических проблем в мире, поддержание запасов чистой воды будет становиться все более важным. Действительно, от нехватки воды страдают более миллиарда человек во всем мире, и это число будет только расти, учитывая нынешние тенденции. Графеновые фильтры обладают огромным потенциалом для улучшения очистки воды, увеличивая количество доступной пресной воды. Фактически, Lockheed Martin недавно разработала графеновый фильтр под названием «Perforene», который, по утверждению компании, может революционизировать процесс опреснения.

Современные опреснительные установки используют метод обратного осмоса для фильтрации соли из морской воды. Обратный осмос использует давление для перемещения воды через мембрану. Чтобы произвести большое количество питьевой воды, давление требует огромного количества энергии. Инженер Lockheed Martin утверждает, что их фильтры Perforene могут снизить энергопотребление в сто раз меньше, чем другие фильтры.

MIT создал графен с «нанопорами»

Фильтрация — одно из наиболее очевидных применений графена, и инженеры Массачусетского технологического института добились больших успехов в совершенствовании способности графена разделять молекулы. В 2018 году команда Массачусетского технологического института придумала метод создания крошечных отверстий в листах графена. Исследователи Массачусетского технологического института используют подход «рулон к рулону» для производства графена. Их установка включает в себя две катушки: одна катушка подает лист меди в печь, где он нагревается до соответствующей температуры, затем инженеры добавляют метан и газообразный водород, что по существу вызывает образование луж графена. Графеновая пленка выходит из печи и наматывается на вторую катушку.

Теоретически этот процесс позволяет формировать большие листы графена за относительно короткое время, что имеет решающее значение для коммерческих приложений. Исследователям пришлось отрегулировать процесс, чтобы графен сформировался идеально, и, что интересно, несовершенные попытки на этом пути впоследствии оказались полезными. Когда команда Массачусетского технологического института пыталась создать поры в графене, они начали с использования кислородной плазмы, чтобы вырезать их. Поскольку этот процесс оказался трудоемким, они хотели чего-то более быстрого и искали решения в своих предыдущих экспериментах. Понижая температуру во время роста графена, они заставили появиться поры. То, что казалось дефектами в процессе разработки, оказалось полезным способом создания пористого графена.

Сверхпроводимость

Вскоре после того, как ученые из Кембриджа продемонстрировали, что графен может действовать как сверхпроводник (материал без электрического сопротивления) в сочетании с оксидом меди празеодима-церия, исследователи из Массачусетского технологического института обнаружили еще одно поразительное свойство: правильная конфигурация. Исследователи сложили два кусочка графена, но сместили их под углом 1,1 градуса. Согласно отчету, опубликованному в журнале Nature, «физик Пабло Харилло-Эрреро из Массачусетского технологического института (MIT) в Кембридже и его команда не искали сверхпроводимость, когда ставили свой эксперимент. Вместо этого они изучали, как ориентация, получившая название «магический угол», может повлиять на графен».

Они обнаружили, что когда они пропускали электричество через необычный графеновый пакет, он функционировал как сверхпроводник. Этот простой процесс подачи электричества делает графен более легким для изучения, чем аналогичный класс сверхпроводников, купратов, хотя эти материалы проявляют сверхпроводимость при гораздо более высоких температурах. Большинство материалов, обладающих сверхпроводимостью, делают это только при температуре, близкой к абсолютному нулю. Некоторые так называемые «высокотемпературные сверхпроводники» могут проявлять сверхпроводимость при температурах около 133 Кельвинов (-140 по Цельсию), что является относительно высоким показателем; сероводород, при достаточном давлении, проявляет чудодейственные свойства в -70 градусов по Цельсию!

Графеновую композицию пришлось охладить до 1,7 градуса выше абсолютного нуля, однако исследователи считают ее поведение похожим на поведение купратов, и поэтому они надеются, что это будет гораздо более легкий материал для изучения нетрадиционной сверхпроводимости, которая все еще остается областью вызывает большие разногласия среди физиков. Поскольку сверхпроводимость обычно возникает только при таких низких температурах, сверхпроводники используются только в дорогостоящем оборудовании, таком как аппараты МРТ, но ученые надеются однажды найти сверхпроводник, работающий при комнатной температуре, что снизит затраты за счет устранения необходимости в охлаждающих устройствах.

В исследовании, опубликованном в 2019 году, исследователи показали, как скручивание слоев графена под определенными «магическими» углами может обеспечивать сверхпроводящие свойства при более низких температурах, чем раньше.

Защита от комаров

Немногие существа столь же отвратительны, как комары, с их зудящими укусами и склонностью к распространению ужасных болезней, таких как малярия. К счастью, исследователи из Университета Брауна нашли возможное решение с использованием графена. Исследование, опубликованное в 2019 году, демонстрирует, что графеновая пленка на коже не только блокирует комаров от укусов, но и в первую очередь удерживает их от приземления на кожу. Одно из возможных объяснений состоит в том, что графен мешал комарам чуять добычу.

Будущее исследований графена

Учитывая, казалось бы, бесконечный список сильных сторон графена, можно было бы ожидать, что он будет встречаться повсюду. Почему же тогда графен не получил широкого распространения? Как и в большинстве случаев, все упирается в деньги. Графен по-прежнему чрезвычайно дорог в производстве в больших количествах, что ограничивает его использование в любом продукте, требующем массового производства. Более того, при производстве больших листов графена возрастает риск появления в материале крошечных трещин и других дефектов. Каким бы невероятным ни было научное открытие, успех всегда будет определяться экономикой.

Помимо проблем с производством, исследования графена ни в коем случае не замедляются. Исследовательские лаборатории по всему миру, в том числе Манчестерский университет, где впервые был обнаружен графен, постоянно подают заявки на патенты на новые методы создания и использования графена. Европейский союз одобрил финансирование флагманской программы в 2013 году, которая будет финансировать исследования графена для использования в электронике. Тем временем крупные технологические компании в Азии проводят исследования графена, в том числе Samsung.

Революции не происходят за одну ночь. Кремний был открыт в середине 19 века, но потребовалось почти столетие, прежде чем кремниевые полупроводники проложили путь к появлению компьютеров. Может ли графен с его почти мифическими качествами стать ресурсом, определяющим следующую эру человеческой истории? Время покажет.

Рекомендации редакции

• Лучшие Bluetooth-трекеры на 2022 год

• Этот дикий новый дисплей помещает гигантский 120-дюймовый виртуальный монитор на ваш стол.

• Лучшие портативные электростанции

• Дрон Anafi Ai, подключенный к 4G, от Parrot — это небесный автомобиль Google Maps

• Как купить биткойн

Графен — что это такое?

Понимание графена

Графен представляет собой один слой (монослой) атомов углерода, тесно связанных в гексагональной сотовой решетке. Это аллотроп углерода в виде плоскости sp2-связанных атомов с длиной молекулярной связи 0,142 нанометра. Слои графена, уложенные друг на друга, образуют графит с межплоскостным расстоянием 0,335 нанометра. Отдельные слои графена в графите удерживаются вместе силами Ван-дер-Ваальса, которые можно преодолеть при отслаивании графена от графита. 93 Вт·м-1·К-1), а также лучший из известных проводников электричества (исследования показали подвижность электронов при значениях более 200 000 см2·В-1·с-1). Другими примечательными свойствами графена являются его равномерное поглощение света в видимой и ближней инфракрасной частях спектра (πα ≈ 2,3%) и его потенциальная пригодность для использования в спиновом транспорте.

Имея это в виду, можно удивиться, узнав, что углерод является вторым по распространенности элементом в человеческом теле и четвертым по распространенности элементом во Вселенной (по массе) после водорода, гелия и кислорода. Это делает углерод химической основой всей известной жизни на Земле, что делает графен потенциально экологически чистым и устойчивым решением для почти неограниченного числа приложений. С момента открытия (или, точнее, механического получения) графена произошел взрывной рост приложений в различных научных дисциплинах, при этом были достигнуты огромные успехи, особенно в высокочастотной электронике, биологических, химических и магнитных датчиках, сверхширокополосных фотодетекторах и энергетике. хранение и генерация.

Проблемы производства графена

Первоначально единственным методом производства графена большой площади был очень дорогой и сложный процесс (химическое осаждение из паровой фазы, CVD), который включал использование токсичных химикатов для выращивания графена в виде монослоя путем воздействия на платину, Никель или карбид титана в этилен или бензол при высоких температурах. Альтернативы использованию кристаллической эпитаксии на чем-либо, кроме металлической подложки, не было. Эти производственные проблемы сделали графен изначально недоступным для исследований в области развития и коммерческого использования. Кроме того, использованию CVD-графена в электронике препятствовала сложность удаления графеновых слоев с металлической подложки без повреждения графена.

Однако исследования, проведенные в 2012 году, показали, что путем анализа межфазной адгезионной энергии графена можно эффективно отделить графен от металлической платы, на которой он выращен, а также теоретически можно повторно использовать плату для будущих приложений бесконечное количество раз. , тем самым уменьшая токсичные отходы, ранее созданные в этом процессе. Кроме того, качество графена, выделенного этим методом, было достаточно высоким для создания устройств молекулярной электроники.

С тех пор исследования в области выращивания CVD-графена продвинулись семимильными шагами, и теперь качество графена не является проблемой для внедрения технологии, которая теперь определяется стоимостью лежащей в основе металлической подложки. Тем не менее, исследования все еще проводятся для последовательного производства графена на нестандартных подложках с контролем таких примесей, как рябь, уровни легирования и размер домена, а также с контролем количества и относительной кристаллографической ориентации слоев графена.

Applications

Приведение исследований графена в промышленное применение требует скоординированных усилий, таких как проект ЕС Graphene Flagship стоимостью миллиард евро. После первого этапа, который длился несколько лет, исследователи Flagship подготовили уточненную дорожную карту приложений графена, в которой указаны наиболее перспективные области применения: композиты, энергетика, телекоммуникации, электроника, датчики и изображения, а также биомедицинские технологии.

Возможность создавать суперконденсаторы из графена, возможно, станет крупнейшим шагом в электронной технике за долгое время. В то время как разработка электронных компонентов развивалась очень высокими темпами в течение последних 20 лет, решения для хранения энергии, такие как батареи и конденсаторы, были основным ограничивающим фактором из-за размера, мощности и эффективности (большинство типов батарей очень неэффективны). , а конденсаторы и того меньше). Например, литий-ионные батареи сталкиваются с компромиссом между плотностью энергии и плотностью мощности.

В ходе первоначальных испытаний суперконденсаторы из графена с лазерной разметкой (LSG) продемонстрировали удельную мощность, сравнимую с плотностью мощности мощных литий-ионных аккумуляторов, которые используются сегодня. Мало того, суперконденсаторы LSG очень гибкие, легкие, быстро заряжаются, тонкие и, как упоминалось ранее, сравнительно недороги в производстве.

«Возможности того, чего мы можем достичь с помощью материалов и знаний, которые у нас есть, широко раскрыты»

Графен также используется для повышения не только емкости и скорости заряда батарей, но и их долговечности. В настоящее время, хотя такие материалы, как литий, способны накапливать большое количество энергии, это потенциальное количество уменьшается при каждой зарядке или перезарядке из-за износа электродов. Например, с оксидом графена и олова в качестве анода в литий-ионных батареях батареи работают намного дольше между зарядками (потенциальная емкость увеличилась в 10 раз), и почти не снижается емкость между зарядками, что эффективно делает такие технологии, как электронное питание транспортные средства гораздо более жизнеспособным транспортным решением в будущем. Это означает, что батареи (или конденсаторы) могут быть разработаны так, чтобы они работали намного дольше и обладали большей емкостью, чем предполагалось ранее. Кроме того, это означает, что электронные устройства можно заряжать в течение нескольких секунд, а не минут или часов, и они значительно продлевают срок службы.

Исследователи из Graphene Flagship также изучают способы использования графена для улучшения производства энергии, в том числе для улучшения перовскитных солнечных элементов (PSC), многообещающих источников солнечной энергии нового поколения с очень высокой эффективностью. Ведущие исследователи добились значительного прогресса в увеличении срока службы и производительности PSC при одновременном снижении стоимости производства PSC. Добавление промежуточного слоя из уменьшенного оксида графена к PSC привело к низкозатратному производству PSC с эффективностью 20%, сохраняемой до 95% после 1000 часов работы. Пилотная производственная линия и графен-перовскитовая солнечная ферма мощностью 1 кВт находятся в разработке в течение следующего периода.

Использование графена в накопителях энергии наиболее заметно исследуется благодаря использованию графена в усовершенствованных электродах. Сочетание наночастиц графена и кремния привело к созданию анодов, которые сохраняют 92% своей энергоемкости в течение 300 циклов заряда-разряда с высокой максимальной емкостью 1500 мАч на грамм кремния. Достигнутые значения плотности энергии значительно превышают 400 Втч/кг. На следующем флагманском этапе проект Spearhead будет сосредоточен на доиндустриальном производстве литий-ионной батареи на основе кремния и графена. Кроме того, был разработан инструмент для нанесения покрытия распылением на графен, позволяющий крупномасштабное производство тонких пленок графена, которые использовались, например, для производства суперконденсаторов с очень высокой плотностью мощности.

Другим применением графена, схожим с упомянутыми ранее, является применение в красках. Графен очень инертен и поэтому может выступать в качестве коррозионного барьера между диффузией кислорода и воды. Это может означать, что будущие автомобили можно будет сделать устойчивыми к коррозии, поскольку графен можно выращивать на любой металлической поверхности (при правильных условиях). Из-за своей прочности графен в настоящее время также разрабатывается в качестве потенциальной замены кевлара в защитной одежде и в конечном итоге будет использоваться в производстве автомобилей и, возможно, даже в качестве строительного материала.

Графен долгое время считался идеальным материалом для канала радиочастотной (РЧ) гибкой электроники. Радиочастотные и даже терагерцовые приложения постоянно продвигаются вперед, с продемонстрированным микроволновым приемником для сигналов до 2,45 ГГц, гибким терагерцовым детектором и демонстрацией эффективного охлаждения наноэлектронных устройств на основе графена с использованием гиперболического фононного охлаждения. Гибкая природа графена позволяет использовать различные электронные устройства на гибких подложках, такие как, например, гибкие, полностью твердотельные суперконденсаторы на основе графена, носимые сенсорные панели, датчики деформации и трибоэлектрические датчики с автономным питанием, все недавно продемонстрированные, с приложениями. такие как гибкие, надежные устройства с сенсорным экраном, такие как мобильные устройства и наручные часы, которые уже не за горами.

Помимо этих краткосрочных приложений, можно ожидать появления складных телевизоров и телефонов и, в конечном счете, электронных гибких газет, содержащих интересующие публикации, которые можно обновлять с помощью беспроводной передачи данных. Графен чрезвычайно прозрачен, и ожидается, что он станет компонентом интеллектуальных (и чрезвычайно прочных) окон в домах с (потенциально) виртуальными шторами или возможностью отображения контента.

Оптическая связь сформировала основу эпохи Интернета и, как ожидается, будет играть ключевую роль в развитии сетей 5G. Современные средства связи основаны на оптических каналах связи, которые передают информацию со скоростью света, а также на схемах, таких как фотодетекторы и модуляторы, которые способны кодировать огромное количество информации в этих световых лучах. Хотя кремний является предпочтительным материалом для фотонных волноводов на оптических чипах, фотодетекторы изготавливаются из других полупроводников, таких как GaAs, InP или GaN, поскольку кремний прозрачен на стандартных длинах волн для телекоммуникаций. Интеграция этих других полупроводников с кремнием сложна, усложняет процессы изготовления и увеличивает расходы. Кроме того, управление температурным режимом становится проблемой, поскольку фотонные устройства продолжают уменьшаться в размерах, потребляя больше энергии.

Графен является многообещающим материалом для телекоммуникационных фотодетекторов, поскольку он поглощает свет в широкой полосе пропускания, включая стандартные телекоммуникационные длины волн. Он также совместим с технологией CMOS, что означает, что он может быть технологически интегрирован с кремниевой фотоникой. Кроме того, графен является отличным проводником тепла, что обещает снижение потребления тепла фотонными устройствами на основе графена. По этим причинам использование графена для оптических коммуникаций стало предметом интенсивных исследований, которые в настоящее время приносят плоды в виде полноценных рабочих прототипов.

В 2016 году полоса пропускания графеновых фотодетекторов достигла 65 ГГц, используя pn-переходы графен/кремний с потенциальной скоростью передачи данных ~90 Гбит/с ^-1 . Уже в 2017 году графеновые фотодетекторы с полосой пропускания более 75 ГГц были изготовлены на технологической линии 6-дюймовых пластин. Эти рекордные устройства были продемонстрированы на Всемирном мобильном конгрессе в Барселоне в 2018 году, где посетители могли испытать первую в мире полностью графеновую оптическую линию связи, работающую со скоростью передачи данных 25 Гбит/с.0171 -1 на канал. В этой демонстрации все активные электрооптические операции выполнялись на графеновых устройствах. Модулятор графена обрабатывал данные на передающей стороне сети, кодируя поток электронных данных в оптический сигнал. На стороне приемника графеновый фотодетектор делал обратное, преобразовывая оптическую модуляцию в электронный сигнал. Устройства были изготовлены из графена Graphenea CVD и представлены в павильоне Graphene.

Графен, полученный методом химического осаждения из паровой фазы (CVD), станет краеугольным камнем будущих химических, биологических и других типов сенсоров на основе графена. Двумерная природа материала обеспечивает внутренние преимущества для сенсорных приложений, поскольку весь объем материала действует как сенсорная поверхность. Кроме того, графен обеспечивает превосходную механическую прочность, тепло- и электропроводность, компактность и потенциально низкую стоимость, что необходимо для конкуренции на переполненном рынке датчиков.

Датчики газа/пара на основе графена привлекли большое внимание в последние годы из-за разнообразия их структур, уникальных характеристик обнаружения, условий работы при комнатной температуре и огромных перспектив применения. Помимо водяного пара, графен использовался для обнаружения таких газов, как NH ₃ , NO ₂ , H ₂ , CO, SO ₂ , H ₂ S, а также паров летучих органических соединений. , что привело к резкому увеличению числа научных публикаций по этой теме. Графен также использовался для обнаружения следов опиоидов в концентрациях до 10 пикограмм на миллилитр жидкости.

Это множество благоприятных свойств привело к широкому спектру исследований использования графена для биосенсоров. Особенно интересными конфигурациями являются графеновые полевые транзисторы (GFET) и улучшенный графеном поверхностный плазмонный резонанс (SPR). Эти типы графеновых сенсоров использовались для обнаружения ДНК, белков, глюкозы и бактерий. С помощью GFET были изготовлены биосенсоры с пределом обнаружения 10 пг/мл для молекул опиоидов.

Графен также позволяет создавать новые гибкие датчики магнитного поля. Рынок датчиков магнитного поля постоянно расширяется, и его размер, по оценкам, достигнет 4,16 млрд долларов США в 2022 году. Множество целей датчиков магнитного поля, таких как определение положения, мониторинг тока, определение скорости и определение угла, открывают доступ к широкому спектру таких отраслях, как автомобилестроение, бытовая электроника, здравоохранение и оборона. Наиболее распространенный тип магнитного датчика использует эффект Холла, создание разности потенциалов на электрическом проводнике при приложении магнитного поля.

Ключевым фактором, определяющим чувствительность датчиков Холла, является высокая подвижность электронов. Таким образом, графен является очень интересным материалом для этого приложения, с измеренной подвижностью носителей более 200 000 см ² В ^-1 с ^-1 . В графене, инкапсулированном в нитрид бора, были продемонстрированы графеновые датчики Холла с чувствительностью по току до 5700 В/АТ и чувствительностью по напряжению до 3 В/Вт. Такие характеристики превосходят современные кремниевые датчики и датчики Холла III/V с магнитным разрешением всего 50 нТл/√Гц. Текущий практический предел чувствительности графеновых устройств Холла на стандартных отраслевых пластинах составляет около ~ 3000 В / АТ. Для сравнения, современные датчики Холла из традиционных КМОП-совместимых материалов имеют чувствительность порядка ~100 В/АТ. Даже гибкие графеновые датчики Холла, изготовленные на каптоновой ленте, достигают чувствительности, аналогичной жестким кремниевым датчикам Холла.

Сочетая некоторые из этих вышеупомянутых потенциальных применений, можно представить перспективные приложения, такие как автомобильные системы безопасности, которые связаны с краской на транспортном средстве. может записывать эту информацию и отправлять ее на смартфон владельца в режиме реального времени. Такую «умную краску» также можно использовать для анализа дорожно-транспортных происшествий, чтобы определить начальные пятна контакта и последующее рассеяние энергии.

Вскоре на рынке появится одежда, содержащая фотоэлектрические элементы и суперконденсаторы с усиленным графеном, а это означает, что мы сможем заряжать наши мобильные телефоны и планшетные компьютеры за считанные минуты (возможно, даже секунды) по дороге в школу или на работу. Возможно, мы даже увидим ориентированную на безопасность одежду, обеспечивающую защиту от нежелательного контакта с использованием электрического разряда.

Изменивший правила игры

Таким образом, это открытие, сделанное профессором физики и его аспирантом в лаборатории в Манчестере, где они использовали кусок графита и немного скотча, полностью изменило наше представление о потенциальных пределах наших способностей как ученых, инженеров и изобретателей. Возможности того, чего мы можем достичь с помощью материалов и знаний, которые у нас есть, были широко раскрыты, и теперь можно представить себе такие удивительные перспективные ситуации, как молниеносные, но сверхмаленькие компьютеры, плащи-невидимки, смартфоны, которые работают неделями. между зарядками и компьютерами, которые мы можем сложить и носить в карманах, куда бы мы ни пошли.

Что такое графен? Характеристики графена и применение

Contenido:

Что такое графен и в каких областях его можно использовать. Особенности и применение графена в повседневной жизни

Все мы много раз слышали о графене по радио, по телевидению, в прессе… но вы действительно знаете, что такое графен? Знаете ли вы, где он применяется в настоящее время? Сегодня мы расскажем вам еще немного о графене и его применении. Вы будете удивлены всеми свойствами, которыми обладает этот материал, продолжайте читать!

Что такое графен?

Графен представляет собой материал, состоящий из атомов углерода, расположенных в шестиугольной форме. Такое расположение приводит к монослоям толщиной в атом.

Этот материал является частью одного из самых распространенных веществ в природе, графита (графит можно найти, например, в шахтах наших карандашей). Один миллиметр графита содержит три миллиона слоев графена.

Свойства графена

Графен — вещество с очень интересными свойствами. Эти свойства вместе с обилием углерода в природе сделали графен очень изученным материалом с большими возможностями.
Наиболее выдающимися свойствами графена являются:

• Высокая теплопроводность
• Высокая электропроводность
• Высокая эластичность и гибкость
• Высокая твердость
• Высокое сопротивление. Графен примерно в 200 раз прочнее стали, по стойкости аналогичен алмазу, но намного легче.
• Ионизирующее излучение не влияет
• Способен генерировать электричество под воздействием солнечного света
• Прозрачный материал
• Высокая плотность, которая не пропускает атомы гелия, но пропускает воду, которая испаряется с такой же скоростью, как если бы она находилась в открытом контейнере.
• Антибактериальный эффект. Бактерии в нем не размножаются.
• Низкий эффект Джоуля, нагрев при проведении электронов.
• Низкое потребление электроэнергии по сравнению с другими соединениями

Применение графена

Благодаря упомянутым выше замечательным свойствам графен находит применение во многих областях, наиболее известные из которых показаны на следующем рисунке.

В области электроники графен используется, например, при производстве микросхем, транзисторов, разработке токопроводящих чернил, позволяющих печатать схемы.

Графен может улучшить использование возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия. Внедрив этот материал в солнечные батареи, можно будет повысить их эффективность и производить больше энергии.
В автомобильном секторе использование графена в батареях повысит их автономность и сократит время зарядки, тем самым улучшив производительность электромобилей.

Реальные применения графена

В этом разделе мы покажем вам несколько примеров продуктов или материалов, в которых графен использовался в различных продуктах.

Защитные этикетки

Первое и, возможно, первое практическое и реальное применение графена было в защитных этикетках. Знаете ли вы те переливающиеся цветные этикетки, которые были прикреплены, например, ко многим предметам одежды? Наверняка вы видели их много раз и не знали, что у них есть графен! Благодаря графену, эти этикетки имеют печатную схему, которая выполняет функцию сигнализации и издает звуковой сигнал, если с ней берутся в руки или если этикетка покидает магазин без безопасного отключения. Эти этикетки можно мять или сгибать, не повреждая их, а стоимость очень низкая (центов за этикетку).

Эти чернила имеют множество применений в промышленности, ультраплоские электронные схемы открывают безграничные возможности!

Проводящие чернила

Лопасти для весла

В настоящее время в спортивном секторе уже есть продукты, в состав которых входит графен. Примером этого являются лопасти весла, в которых графен можно использовать как на лицевой стороне лопасти, так и на ударной поверхности или на раме, чтобы сделать их более устойчивыми и увеличить срок их службы. Кроме того, существует возможность включения графена в пеноматериал, из которого состоит корпус лопастей. Если вы посмотрите на свой клинок, то увидите, что многие рекламируют его прямо как претензию.

Медицинские датчики

Еще одним свойством графена является способность обнаруживать минимальное количество веществ. Графен способен обнаружить одну молекулу в большом объеме. Эти свойства были получены с помощью оксида графена, и некоторые медицинские компании уже продают свои датчики с графеном.

Помимо медицинских применений, эти датчики также могут использоваться в исследованиях окружающей среды и безопасности.

Учесть с графеном

В настоящее время графен имеет ряд недостатков, о которых следует помнить, что затрудняет его использование в других продуктах. Первым из них является техническая сложность производства на промышленном уровне, что оказывает большое влияние на его конечную цену. Вторая проблема, вытекающая из предыдущей, — удорожание продуктов, в которые добавляется графен.

Использование графена должно быть оправдано и не использоваться из-за «модности». Это материал с отличными свойствами, но его цена, в зависимости от класса, в настоящее время высока.

Несмотря на это, мы считаем, что графен имеет большой потенциал для использования, как мы видели, во многих секторах и, в свою очередь, в самых разных приложениях.

Компания ATRIA имеет опыт добавления графена к различным полимерам. Например, мы добавили в полимер небольшое количество графена и с их помощью нам удалось увеличить прочность изделия на 20%. Вы хотите знать, может ли графен улучшить некоторые свойства вашего материала? Не знаете, как поднять начальную фазу вашего проекта? Мы можем вам помочь!

графен | химия | Британика

графен: атомно-силовая микроскопия

Просмотреть все материалы

Ключевые люди:

Сэр Андре Гейм
Константин Новоселов

Похожие темы:

углерод
фуллерен
углеродная нанотрубка
графит
С60

Просмотреть весь связанный контент →

Откройте для себя науку о графеновых мембранах для опреснения воды

Просмотреть все видео к этой статье

графен , двумерная форма кристаллического углерода, состоящая либо из одного слоя атомов углерода, образующих сотовую (гексагональную) решетку, либо из нескольких связанные слои этой сотовой структуры. Слово графен при использовании без указания формы (например, двухслойный графен, многослойный графен) обычно относится к однослойному графену. Графен является исходной формой всех графитовых структур углерода: графита, который представляет собой трехмерный кристалл, состоящий из относительно слабо связанных графеновых слоев; нанотрубки, которые можно представить в виде свитков графена; и buckyballs, сферические молекулы, сделанные из графена с некоторыми шестиугольными кольцами, замененными пятиугольными кольцами.

Первые исследования графена

Теоретическое исследование графена было начато в 1947 году физиком Филипом Р. Уоллесом как первый шаг к пониманию электронной структуры графита. Термин графен был введен химиками Ханнс-Питером Бёмом, Ральфом Сеттоном и Эберхардом Штумппом в 1986 году как комбинация слова графит , относящегося к углероду в его упорядоченной кристаллической форме, и суффикса -ен , обозначающего к полициклическим ароматическим углеводородам, в которых атомы углерода образуют гексагональные или шестигранные кольцевые структуры.

В 2004 году физики Манчестерского университета Константин Новоселов и Андрей Гейм и их коллеги выделили однослойный графен, используя чрезвычайно простой метод отслаивания от графита. В их «методе скотча» использовалась клейкая лента для удаления верхних слоев с образца графита, а затем нанесения слоев на материал подложки. Когда лента была удалена, некоторое количество графена осталось на подложке в однослойном виде. На самом деле получение графена само по себе не является сложной задачей; каждый раз, когда кто-то рисует карандашом на бумаге, карандашный след содержит небольшую долю однослойного и многослойного графена. Достижением манчестерской группы стало не только выделение чешуек графена, но и изучение их физических свойств. В частности, они продемонстрировали, что электроны в графене обладают очень высокой подвижностью, а это означает, что графен можно использовать в электронных приложениях. В 2010 году Гейм и Новоселов были удостоены Нобелевской премии по физике за свою работу.

В этих первых экспериментах подложкой для графена был кремний, естественно покрытый тонким прозрачным слоем диоксида кремния. Оказалось, что однослойный графен создает оптический контраст с диоксидом кремния, достаточно сильный, чтобы сделать графен видимым в стандартный оптический микроскоп. Эта видимость имеет две причины. Во-первых, электроны в графене очень сильно взаимодействуют с фотонами на частотах видимого света, поглощая около 2,3% интенсивности света на атомный слой. Во-вторых, оптический контраст сильно усиливается интерференционными явлениями в слое диоксида кремния; это те же явления, которые создают радужные цвета в тонких пленках, таких как мыльная пленка или масло на воде.

Электронная структура графена

Основная электронная структура графена и, как следствие, его электрические свойства весьма своеобразны. Применяя напряжение затвора или используя химическое легирование адсорбированными атомами и молекулами, можно создать либо электронную, либо дырочную (область, где отсутствует электрон, действующий как положительный электрический заряд) проводимость в графене, аналогичную проводимости, создаваемой в полупроводниках. . Однако в большинстве полупроводников существуют определенные энергетические уровни, на которых электроны и дырки не имеют разрешенных квантовых состояний, и, поскольку электроны и дырки не могут занимать эти уровни, при определенных напряжениях на затворе и типах химического легирования полупроводник действует как изолятор. Графен, с другой стороны, не имеет изоляторного состояния, и проводимость остается конечной при любом легировании, в том числе при нулевом легировании. Существование этой минимальной проводимости для нелегированного случая является разительным отличием графена от обычных полупроводников. Электронные и дырочные состояния в графене, связанные с переносом носителей заряда, аналогичны состояниям ультрарелятивистских квантовых частиц, то есть квантовых частиц, движущихся со скоростью света (конечная скорость в природе, согласно теории относительности).

Сотовая решетка графена на самом деле состоит из двух подрешеток, обозначенных A и B, так что каждый атом в подрешетке A окружен тремя атомами подрешетки B, и наоборот. Это простое геометрическое расположение приводит к тому, что электроны и дырки в графене обладают необычной степенью внутренней свободы, обычно называемой псевдоспином. Фактически, делая аналогию более полной, псевдоспин имитирует спин или внутренний угловой момент субатомных частиц. В рамках этой аналогии электроны и дырки в графене играют ту же роль, что и частицы и античастицы (например, электроны и позитроны) в квантовой электродинамике. Однако в то же время скорость электронов и дырок составляет лишь около 1/300 скорости света. Это делает графен испытательным полигоном для физики высоких энергий: некоторые квантово-релятивистские эффекты, которые трудно достижимы в экспериментах с субатомными частицами с использованием ускорителей частиц, имеют явные аналоги в физике электронов и дырок в графене, которые легче измерить и изучить, поскольку их меньшей скорости. Примером может служить парадокс Клейна, в котором ультрарелятивистские квантовые частицы, вопреки интуиции, легко проникают через очень высокие и широкие энергетические барьеры. Таким образом, графен обеспечивает мост между материаловедением и некоторыми областями фундаментальной физики, такими как релятивистская квантовая механика.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подписаться сейчас

Графен — новый чудо-материал | Физика

Молекула бесценна, но дело не в цене – несколько сотен долларов за килограмм. Ценность заключается в его потенциале. Молекула, о которой идет речь, называется графен, и ЕС готов выделить на нее 1 миллиард евро (1,3 миллиарда долларов) в период с 2013 по 2023 год, чтобы выяснить, сможет ли она преобразовать ряд секторов, таких как электроника, энергетика, здравоохранение и строительство. Согласно Scopus, библиографической базе данных, с 2005 года о графене было написано более 8000 статей9.0003

Как следует из названия, графен извлекается из графита, материала, используемого в карандашах. Как и графит, графен полностью состоит из атомов углерода, а 1 мм графита содержит около 3 миллионов слоев графена. В то время как графит представляет собой трехмерную кристаллическую структуру, графен представляет собой двумерный кристалл толщиной всего в атом. Углерод идеально распределен в форме шестиугольных сот толщиной всего 0,3 нанометра с расстоянием между каждым атомом всего 0,1 нанометра.

Эта простота со 100% чистым углеродом придает графену некоторые замечательные свойства, очень близкие к расчетным теоретическим, как отмечают авторы «Дорожной карты для графена», опубликованной в журнале Nature в прошлом году.

Графен проводит электричество лучше, чем медь. Он в 200 раз прочнее стали, но в шесть раз легче. Он почти идеально прозрачен, так как поглощает всего 2% света. Он непроницаем для газов, даже таких легких, как водород или гелий, и, если этого недостаточно, на его поверхность можно добавить химические компоненты, чтобы изменить его свойства.

«Графен — это платформа, похожая на шахматную доску, на которую можно ставить любые пешки. Тонкость заключается в поиске правильных позиций. В его простоте есть настоящая красота», — объяснил Винсент Бушиа из Института Нееля. в Гренобле, часть Национального центра научных исследований (CNRS). «Будущее за карандашным графитом!» — сказала Анник Луазо из Национального управления аэрокосмических исследований и исследований (ONERA), придумывая лозунг. Она является представителем Франции в исполнительном офисе Graphene Flagship, исследовательского консорциума, финансируемого ЕС в течение следующих 10 лет.

Проект был официально запущен в прошлом месяце. «Мы уже многому научились, но в определенных ситуациях могут появиться новые результаты — только мы еще не знаем, какие именно», — сказал Марк Гербиг, другой исследователь CNRS, работающий на кафедре физики твердого тела в Университете Париж-Юг Орсе.

Этот чудо-материал прошел долгий путь. Теоретически считалось, что такая двумерная структура нестабильна и поэтому лучше скручивается, как это наблюдалось в 1990-х годах с углеродными нанотрубками.

В 2004 году два ученых, родившихся в России, Андрей Гейм и Константин Новоселов, вместе с другими опубликовали первые электронные измерения, доказывающие, что они выделили графен. Они удалили углеродные чешуйки из графита с помощью кусочков липкой ленты, что в конечном итоге привело к получению Нобелевской премии по физике в 2010 году.

-мерное пространство и небольшие поверхностные флуктуации, подобные волнам, стабилизируют кристалл», — сказал Гербиг. Эксперименты быстро подтвердили чудесное поведение этого нового материала, которое можно объяснить своего рода морем электронов на поверхности, которые ничто не может остановить и которые не взаимодействуют друг с другом. Как будто электроны не имеют массы и движутся со скоростью в 300 раз медленнее скорости света. Математическое уравнение, описывающее их, ближе к уравнению для высокоэнергетических частиц, чем для твердого вещества, отсюда и такие выдающиеся характеристики, которые предполагают так много потенциальных применений.

Будучи прозрачным и хорошим проводником, графен может заменить электроды из индия, используемые в сенсорных экранах. Поскольку графен легкий, его можно интегрировать в композитные материалы, чтобы исключить воздействие молнии на фюзеляжи самолетов. Он также водонепроницаем и идеально подходит для использования в резервуарах с водородом.

Поскольку ничто не может остановить электроны, графен нельзя «выключить», поэтому теоретически он мало применим в транзисторах, которые являются ключевыми компонентами современной электроники. Однако ведутся исследования способов создания искусственной запрещенной зоны, которая позволила бы ее отключить и, следовательно, использовать для этой цели.

Европейский консорциум решил сосредоточиться на ряде приложений. «Наша цель — поддержать инновации в Европе, а также создать сеть специалистов, контактирующих с компаниями для долгосрочных проектов НИОКР», — сказал Стефан Рош, ответственный за один из разделов проекта и исследователь Каталонского института Нанонаука и нанотехнологии в Барселоне.

Кусочек графенового аэрогеля весом всего 0,16 миллиграмма на кубический сантиметр помещают на цветок. Фотография: Лонг Вэй/EPA

Основные шаги в этом процессе уже начаты. Несколько новых компаний уже производят графен, в основном для лабораторий, с использованием различных технологий. «Исторический» с липкой лентой был заменен химическим пилингом. Альтернативой является использование углеродно-кремниевой подложки, которую нагревают для удаления атомов кремния, оставляя на поверхности слой графена. Еще один метод заключается в размещении углерода на поверхности меди, который после нагревания катализирует реакцию образования графена. Команда из Университета Райса в США даже использовала ногу таракана в качестве источника углерода.

В Европе лидерами являются Applied Graphene Materials (AGM) в Великобритании и Avanzare и Graphenea в Испании. «Если мы хотим, чтобы сегодня графен стал эквивалентом кремния в микроэлектронике, важно контролировать материал и его качество», — сказал Этьен Кенель из Французской комиссии по альтернативным источникам энергии и атомной энергии, отвечающий за энергетический аспект Graphene Flagship. который также работает со специалистами-производителями.

Промышленные гиганты тоже в деле. IBM выпустила несколько прототипов электронных компонентов, а Samsung выпустила плоский экран (диагональю 70 см) с графеновыми электродами. Производитель теннисных ракеток Head использовал чемпионов по теннису Новака Джоковича и Марию Шарапову для продвижения ракеток, изготовленных из графена. BASF и Daimler-Benz разработали концептуальный электромобиль под названием Smart Forvision, в котором графен используется в проводящем электронном текстиле. В 2012 г. компания BASF подготовила отчет о будущем графена, прогнозируя объем рынка в 1,5 млрд долларов в 2015 г. и 7,5 млрд долларов в 2025 г.

Само собой разумеется, что Китай также участвует в гонке: в Европе опубликовано 2600 статей. И с более чем 2200 патентами она превзошла Европу и США.

Прошлым летом один стартап, Bluestone Global Tech, объявил о партнерстве с производителем мобильных телефонов, чтобы в ближайшие месяцы на китайском рынке появились первые сенсорные экраны на основе графена. Тем не менее, массовые приложения пока не разрабатываются.

«Людям продают графен, который на самом деле является графитом, только дороже», — сказал Марк Монтиу из исследовательского центра CEMES в Тулузе на конференции по композитным материалам на основе графена, состоявшейся в Париже в начале этого года. Строго говоря, графен однослойный, но производственные процессы могут создавать стопки из нескольких слоев. Когда создается более 10 слоев, свойства сильно меняются и больше напоминают графит, чем графен. «На сегодняшний день графен не полностью превосходит углеродные нанотрубки», — сказал Монтиу. По словам Луазо, «в композитах необходимо, чтобы молекулы углерода, графена или нанотрубок «соприкасались» друг с другом, чтобы быть проводящими. Это проще для удлиненных нанотрубок, чем для графена в форме чешуек, что объясняет разницу». Разработка композитного материала занимает много времени, и нанотрубки имеют то преимущество, что они являются более зрелым материалом. Исследователи нанотрубок не были рады появлению графена, который привлек внимание и финансирование.

Тем не менее, накопленный опыт работы с нанотрубками очень полезен для ускорения работы над графеном. «На производство первых транзисторов с нанотрубками ушло шесть лет, — сказал Луазо. «С графеном мы провели первые электрические измерения за год».

Что касается медицинского применения, то знание одного материала служит для другого. Важный аспект европейского проекта посвящен тому, как защитить людей, работающих с графеном, а также конечных пользователей, в дополнение к исследованию возможных медицинских применений. «В настоящее время у нас есть исследования, показывающие отсутствие эффекта, в то время как другие указывают на потенциальный риск», — сказал Альберто Бьянко, руководитель отдела исследований CNRS в Институте молекулярной и клеточной биологии в Страсбурге, который является соруководителем аспектов здравоохранения и окружающей среды европейского проекта.

На самом деле, как и в случае с углеродными нанотрубками, необходимо учитывать значительное разнообразие типов графена. Размер, безусловно, имеет значение, но не менее важно и химическое состояние. Молекула может быть окислена в большей или меньшей степени или содержать различное количество остаточных примесей в результате синтеза графена или построения его слоев. Однозначного ответа нет. В статье, опубликованной в апреле в Angewandte Chemie, научном журнале Немецкого химического общества, Бьянко процитировал несколько противоречивых исследований, некоторые из которых обнаружили токсическое воздействие на микроорганизмы, а другие нет. Также ничего не известно о том, как графен может повредить клетки. Прорезает ли графен клеточную стенку перпендикулярно или покрывает ячейку?

«Одно из оптимистичных замечаний заключается в том, что химия может позволить нам модулировать биологическую активность этого наноматериала», — сказал Бьянко. Например, связывая различные химические группы, можно сделать графен более или менее растворимым или направить его на заданную терапевтическую цель. Поэтому требуется дополнительная работа. Консорциум будет изучать воздействие на различные типы клеток (раковые, нейрональные, связанные с иммунной системой и т. д.), а также на земноводных.

Еще одно преимущество графена заключается в том, что он открывает пути к другим двумерным материалам размером с атомы. Нитрид бора, сульфат молибдена и вольфрам или даже 100% силлицен кремния — вот некоторые из необычных названий, которые могут стать более распространенными. Одни изолируют, другие проводят. Накладывая эти молекулы слой за слоем, можно создавать новые материалы с новыми свойствами. Игра включена.

Эта статья появилась в Guardian Weekly , которая включает материалы из Le Monde

В эту статью были внесены поправки от 26 ноября 2013 года, чтобы исправить название и реквизиты компании Bluestone Global Tech

Графен – что это такое и для чего он используется для?

Графен представляется одним из наиболее перспективных материалов для разработки новых технологий в самых разных отраслях. Его изобретение в 2004 году принесло Андрею Гейму и Константину Новосиолу Нобелевскую премию по физике. Европейский Союз инициировал международный проект «Графеновый флагман» для дальнейшего коммерческого применения этой необычной структуры.

Графен – что это такое и откуда он берется

Прорывной характер графена заключается прежде всего в его двумерности. Физически это слой одиночных атомов углерода, расположенных в виде шестиугольника, который визуально похож на соты. Таким образом, графен является аллотропом углерода.

В 1940-х годах Филип Рассел Уоллес разработал теоретическую концепцию создания одноатомной углеродной структуры. Однако на протяжении многих лет эта идея отвергалась большинством ученых. Только шесть десятилетий спустя его можно было превратить в реальный, осязаемый материал.

Дуэту Гейма и Новосиолова из Манчестерского университета удалось выделить графен из куска графита путем переноса атомов углерода на слой диоксида кремния (SO ₂ ) с помощью клейкой ленты. Силикагель сыграл важную роль в этом процессе, изолируя графеновый слой с нейтральным электрическим зарядом. Этот метод в настоящее время используется только в небольших масштабах для исследовательских целей.

Необычные свойства графена

Что такого особенного в этом ультратонком слое атомов углерода, который очаровал научный мир? Графен оказался чрезвычайно хорошим проводником тепла и электричества. Он также характеризуется низким активным сопротивлением. В этом отношении он является конкурентом меди и кремния.

При комнатной температуре электроны графена демонстрируют беспрецедентную для других материалов подвижность. Их высокая скорость, достигающая 1/300 скорости света, открывает интересные возможности для использования в диагностике.

Графен тоже почти прозрачен — он поглощает 2,3% белого света. Поэтому его исключительный электрический потенциал идет рука об руку с оптическим. Несмотря на чрезвычайно тонкую структуру , графен до 100 раз прочнее стали. При этом сохраняет высокий уровень гибкости (растяжимость до 20% в длину или ширину).

Мембрана из оксидированного графена полностью непроницаема для газов, но проницаема для воды, поэтому ее можно использовать для фильтрации. Также следует отметить антимикробные свойства материала.

Перспективы графена – применение в различных отраслях промышленности

Электронные, оптические, термические и механические свойства графена открыли двери для его многочисленных практических коммерческих применений, которые, по мнению экспертов, будут динамично развиваться в ближайшие десятилетия.

Уже сегодня графен считается преемником кремния в области электроники. Этот прозрачный и гибкий проводник можно использовать для производства фотогальванических элементов, сворачивающихся дисплеев и сенсорных панелей, а также светодиодных фонарей. Это также значительно увеличивает частоту электромагнитных сигналов, что позволяет производить более быстрые транзисторы.

Графеновые датчики также вызывают значительный интерес. Благодаря исключительной чувствительности они могут обнаруживать отдельные молекулы опасных веществ, что упрощает мониторинг окружающей среды. Оксид графена, распространяемый в воздухе, также обладает способностью удалять радиоактивные загрязнения.

Перспективы разработки новых продуктов с графеном увеличиваются с каждым годом Существующие приложения с наибольшим потенциалом включают:

• современные электрические сети;
• энергосберегающих источников света;
• полупроводники, используемые в устройствах спинтроники;
• более эффективные антикоррозийные покрытия;
• фильтрация воды для очистки и опреснения;
• Оптоэлектронные системы связи.

Кроме того, существуют предположения о перспективах использования графена для производства более легких и прочных конструкционных компонентов автомобилей, самолетов, кораблей и устройств. В сочетании с искусственными материалами (например, резиной) его можно использовать для создания, например, теплопроводной резины. На основе графена уже разработана чрезвычайно прочная бумага, способная проводить электричество.

Биосовместимый графен – медицинские приложения

Следует отметить также возможность использования графена в области биомедицины, как в диагностических, так и в терапевтических областях. Как носитель лекарств оксид графена характеризуется высокой биосовместимостью и отличной растворимостью. Это позволяет точно дозировать противовоспалительные и противораковые средства, а также ферменты и минеральные вещества.

Поскольку графен является идеальным проводником тепла, он также используется для уничтожения раковых опухолей. Феномен термоповреждения позволяет использовать аккумулированное им тепло для уменьшения боли в тканях. Уже ведутся работы по производству медицинских принадлежностей с подогревом и одежды.

Листы графена также используются в качестве биосенсоров и могут помочь в диагностике рака и неврологических заболеваний (например, эпилепсии или болезни Паркинсона) с помощью портативных устройств. Ожидается, что графеновый зонд, разработанный поляками, произведет революцию в тестировании ЭКГ, позволяя проводить измерения на уровне сердца.

Антибактериальные свойства графена также дают возможность решить кризис, связанный с растущей нечувствительностью бактерий к антибиотикам. Графен может быть использован в качестве основы для разработки средств, предназначенных для местного инфекционного контроля и дезинфекции ран.

Возможность использования графена в тканевой инженерии выглядит очень многообещающе. Механическая прочность инновационных углеродных лесов чрезвычайно высока. Исследования показывают, что он ускоряет дифференцировку стволовых клеток и способствует более быстрому выздоровлению.

Производство графена

С 2014 года графен производится в больших масштабах для коммерческих целей. Новые микромеханические технологии позволили значительно снизить стоимость материала. В настоящее время его ведущими производителями являются США и Китай, где можно найти значительные объемы дешевого аморфного графита.

Предпочтительный в области электроники высококачественный графен должен производиться из графита достаточного качества, а для этого требуются плоские упорядоченные кристаллы, полученные при специальной обработке. Цена материала соответственно выше.

Корейским исследователям удалось разработать эффективный и экономичный способ производства графена методом химического осаждения из паровой фазы (CVD). Недостатком этого решения является более низкое качество материала и более высокая частота брака. Однако в некоторых приложениях это не представляет проблемы.

Поляки также внесли свой вклад в разработку инновационных методов производства графена. Институт технологии электронных материалов в Варшаве имеет патент на производство материала из карбида кремния. В 2015 году исследователи из Лодзинского университета в Польше разработали революционную технологию HGSM, позволяющую производить высококачественные широкоформатные листы из жидкой фазы.

Безопасен ли графен?

Будучи относительно новым материалом, графен вызывает понятные сомнения в контексте возможного воздействия на здоровье человека. Есть даже утверждения, что тонкий и легкий структура графена легко проникает в легкие, представляя угрозу, сравнимую с пылью или даже волокнами асбеста. Китайские исследования даже предполагают, что наночастицы двумерного углерода могут оседать во внутренних органах.

Существует также теоретический риск того, что графен, попадая в поверхностные и грунтовые воды, может нанести вред растениям и животным.