Что такое графен: Уникальное вещество и его применения – Наука – Коммерсантъ

как использование графена изменит нашу жизнь — РТ на русском

Короткая ссылка

Анастасия Ксенофонтова

Изобретённому российскими учёными графену находят всё новые способы применения. Так, исследователям Северо-Западного университета (США) удалось сделать на основе этой сверхтонкой модификации углерода суперстойкую краску для волос. Широко применяется графен и в других областях: на его основе делают пуленепробиваемые бронежилеты, материал используют для получения водородного топлива и в наноустройствах. О феномене графеновой революции — в материале RT.

Невидимый и прочный

 

Графен состоит из плотно соединённых атомов углерода, выстроенных в решётку наподобие пчелиных сот толщиной всего в один атом. Это делает его самым тонким материалом в мире, невидимым невооружённым глазом, но при этом очень прочным и эластичным. Впервые графен выделили в 2004 году российские учёные Андрей Гейм и Константин Новосёлов, которые работали тогда в Манчестерском университете. Шесть лет спустя опыты физиков были удостоены Нобелевской премии.

С тех пор исследователи со всех уголков планеты пытались найти всё новые способы применения и, что интересно, получения графена. Ведь одним из главных факторов, мешающих наладить масштабное производство этого чудо-материала, была дороговизна «оригинального» варианта получения графена с помощью сложного процесса разложения графита. Очень быстро графен научились добывать при помощи лазера, используя в качестве сырья обычную древесину, и даже путём взрыва углеродсодержащего материала.

Пока одни учёные соревнуются, чей метод получения графена проще и дешевле, другие находят ему самое необычное применение.

Красота не требует жертв

 

Специалисты Северо-Западного университета (США) превратили чёрный «от природы» графен в суперстойкую краску для волос.

В ходе эксперимента американские учёные покрыли образцы человеческого волоса раствором из листов графена. Так, физикам удалось превратить светлые, платиновые волосы в угольно-чёрные. Новый цвет оставался стойким на протяжении 30 смывов.

Краска на основе графена обладает дополнительными преимуществами, утверждают американские исследователи. Каждый покрытый ею волос подобен маленькому проводу, способному проводить тепло и электричество. Это означает, что волосы, окрашенные графеновой краской, легко рассеивают статическое электричество и решают проблему электризующихся волос.

  • globallookpress.com
  • © Mari Barlow/moodboard

Американские учёные также полагают, что их краска абсолютно безвредна.

«Наружный слой ваших волос, или кутикула, выполняет защитную функцию и состоит из тонких клеток наподобие рыбных чешуек. Чтобы приподнять эти чешуйки и позволить молекулам краски быстро проникнуть в волосы, используются аммиак, перекись водорода или органические амины», — сообщил автор исследования Цзясин Хуан.

Из-за подобных манипуляций волосы постепенно истончаются. Проблему позволяет решить краска, которая покрывает волосы, но не проникает в их структуру. Однако такая краска очень быстро смывается. Как утверждают специалисты Северо-Западного университета, их изобретение позволяет справиться с обеими проблемами.

В индустрию моды и красоты графен начал проникать ещё в 2017 году, когда британская компания CuteCircuit представила платье с элементами из этого чудо-материала. Платье Graphene Dress со встроенными светодиодами благодаря графену меняет цвет «в такт» дыханию его обладательницы.

  • Платье на основе графена, Манчестер, 2017 год
  • Reuters

«Материал будущего» выполняет в платье одновременно две задачи: он является датчиком, улавливающим частоту дыхания, а также питает светодиоды, которые и меняют цвет платья. Разработчики умной одежды считают, что графен можно использовать для получения тканей, которые будут радикально менять свой цвет. Презентация Graphene Dress состоялась на родине этого материала — в Манчестере. 

Тихая графеновая революция

 

«У графена очень много интересных физических свойств и явлений, например электронные свойства, которые позволяют использовать графен для конструирования сложных электронных наноустройств. Есть работы, в которых его используют для защиты наночастиц от окисления», — рассказал в беседе с RT старший научный сотрудник кафедры химической кинетики химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова Владимир Боченков.

Также по теме


Новые свойства графена помогут создавать топливо «из воздуха»

Исследование, проведённое физиками в Университете Манчестера, показало, что открытый в 2010 году графен может быть использован в…

Кроме того, графен поможет решить одну из главных задач современности — получить недорогие, надёжные и экологически безопасные источники энергии. Так, графеновые композиты позволяют создать более эффективные солнечные панели. Учёные из Массачусетского технологического института доказали, что при помощи графена можно сделать эластичные, дешёвые и прозрачные солнечные элементы, превращающие практически любую поверхность в источник электроэнергии. Солнечные батареи из графена, по словам учёных, могут производить энергию даже в дождь.

«В графене можно делать определённые отверстия, выбивая некоторые атомы углерода, и получать регулируемые поры, которые можно использовать в качестве мембраны в батареях и топливных ячейках. Также мембраны на основе графена могут удешевить производство тяжёлой воды. Она необходима в атомной промышленности для получения относительно экологически чистой энергии. Здесь опять же уникальные свойства графена позволяют быстрее разделять субатомные частицы, делая весь процесс очень экономичным. В результате мы получаем более зелёную и дешёвую атомную энергию», — отметил Боченков.

Крупнейшие технологические компании уже приступили к созданию литийионных аккумуляторов для смартфонов с использованием графена. Инновационная технология позволяет заряжать батарею быстрее и хранить заряд дольше.

  • AFP

Графен можно использовать в качестве мембраны для фильтрации атомов водорода в воздухе и получить биологически чистое топливо. К такому выводу пришли первооткрыватели графена. Андрей Гейм и Константин Новосёлов выяснили, что при высоких температурах и присутствии платины в качестве ускорителя реакции графен пропускает положительно заряженные ионы водорода (протоны) и задерживает практически всё остальное. Такая технология поможет совершить прорыв в развитии зелёной энергетики.

Также по теме


«Рассеять энергию пули»: как нанотехнологии используются в военном деле

В России и мире активно ведутся разработки в области материалов, которые позволяют создавать новые средства индивидуальной бронезащиты…

Взяли на вооружение графен и производители военной продукции. Выяснилось, что материал обладает пуленепробиваемыми свойствами. Учёные из Нью-Йоркского университета получили очень прочные и почти невесомые бронежилеты. В ходе эксперимента физики запустили стеклянную микропулю в листы графена толщиной от десяти до 100 слоёв. Графен рассеял энергию пули, летящей на скорости 3000 м/с. Однако в точке удара материал вытянулся в форме конуса, а затем треснул. Появление трещин не позволяет пока поставить графеновые бронежилеты на службу полицейским. По оценкам специалистов, чтобы защитить своих обладателей, такие бронежилеты должны состоять из миллионов слоёв графена. А для этого требуется наладить его производство в промышленных масштабах.

Проник графен и в биологию. В 2016 году китайские учёные накормили шелкопрядов тутовыми листьями, которые были сбрызнуты препаратами, содержащими графен. В итоге экспериментаторы получили прочную и хорошо проводящую электричество графеновую шёлковую нить.

«Экспериментов с графеном проводится масса. Потенциал этого материала невероятно широк. Думаю, через несколько лет графен будет использоваться в создании и различных детекторов света, и контактных линз, и вообще чего угодно. Практическое применение этого материала может ограничиваться лишь фантазией учёных», — заключил Боченков.

Дождь

Мода

Нанотехнологии

Нобелевская премия

Открытие

Россия

Университет

Учёные

Энергетика

графен | это… Что такое графен?

ТолкованиеПеревод

графен
Термин

графен
Термин на английском

graphene
Синонимы

Аббревиатуры

Связанные термины

графан, нанореактор, 2D, углеродные наноматериалы
Определение

Двумерная форма углерода, состоящая из монослоя его атомов, образующих гексагональную решётку.  Графен можно представить как одну атомарную плоскость графита, отделенную от объемного кристалла.
Описание

Когда мы пишем карандашом, на бумаге остаются тонкие чешуйки графита. Некоторые, очень немногие из них имеют толщину всего несколько ангстрем и могут рассматриваться как отдельный моноатомный лист, отделенный от кристалла. Такая двумерная форма углерода называется графеном.

Ранее считалось, что двумерные кристаллы не могут существовать в свободном состоянии, и до 2004 года экспериментально обнаружить их не удавалось [1]. Недавние же исследования показали, что существует целый класс двумерных кристаллов различного химического состава [2]. Удивительно, что электроны в графене могут преодолевать субмикронные расстояния практически без рассеяния (баллистически), хотя пленка графена никак не защищена от окружающей среды. В то время, как электронные свойства традиционных материалов описываются уравнением Шредингера, электронный транспорт в графене описывается уравнением Дирака, и квазичастицы в графене подобны релятивистским частицам с нулевой массой покоя [3, 4].

Необычные электронные свойства данного материала [5] и возможность его химической модификации [6] делают графен многообещающим материалом для целого ряда областей микроэлектроники. Достаточно упомянуть первые, уже реализованные прототипы устройств на его основе: полевые транзисторы с баллистическим транспортом при комнатной температуре, газовые сенсоры с экстремальной чувствительностью [7], графеновый одноэлектронный транзистор [8], жидкокристаллические дисплеи и солнечные батареи с графеном в качестве прозрачного проводящего слоя [9], спиновый транзистор и многие другие.

Авторы

  • Гольдт Илья Валерьевич, к.х.н.
  • Шляхтин Олег Александрович, к.х.н.
Ссылки

  1. Novoselov K.S., Geim A.K., Morozov S.V. et al. // Science — 306, 2004 — P. 666
  2. Novoselov K.S., Jiang D., Schedin F. et.al. // Proc. Natl. Acad. Sci. — 102, 2005 — P. 10451
  3. Novoselov K.S., Geim A.K., Morozov S.V. et al. // Nature — 438, 2005 — P. 197
  4. Zhang Y., Tan Y., Stormer H.L. and Kim P. // Nature — 438, 2005 — P. 201
  5. Geim A.K., Novoselov K.S.// Nature Mater. — 6, 2007 — P. 183
  6. Elias D.C., Nair R.R., Mohiuddin T.M.G. et al. // Science — 323, 2009 — P. 610
  7. Schedin F., Geim A.K., Morozov S.V. et al. // Nature Mater. — 6, 2007 — P. 652
  8. Ponomarenko L.A., Schedin F., Katsnelson M.I. et al. // Science — 320, 2008 — P. 356
  9. Blake P., Brimikombe P.D., Nair R.R. et al. // Nano Lett. 8, 2008 — P. 1704
  10. Морозов С.В., Новоселов К.С., Гейм А.К. // тезисы II международного форума по нанотехнологиям Rusnanotech`09, 2009 — С. 444
Иллюстрации

Теги

углерод, 2D-кристалл
Разделы

Углеродные наноматериалы: наноалмазы, углеродные нанотрубки, фуллерены, графен

(Источник: «Словарь основных нанотехнологических терминов РОСНАНО»)

Энциклопедический словарь нанотехнологий. — Роснано.
2010.

Поможем решить контрольную работу

Синонимы:

слой

  • графан
  • двойной электрический слой

Полезное

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 и для чего он используется?

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 сверхтонком слое атомов углерода, что очаровало 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.