Графен что это: Уникальное вещество и его применения – Наука

Содержание

что это, кто создал, фото, создание в домашних условиях

Графен — революционный материал 21 столетия. Это самый прочный, самый легкий и электропроводящий вариант углеродного соединения. Графен был найден Константином Новоселовым и Андреем Геймом, работающими в Университете Манчестера, за что русские ученые были удостоены Нобелевской премии. Ходят слухи, что он может стать отличной заменой кремнию, особенно в полупроводниковой промышленности. Но пока что на рынке практически не имеется высококлассного чистого графена, чей химический состав принят и описан Международной организацией по стандартизации.

Самое обсуждаемое по теме Графен

Если вы любите комиксы (и фильмы) Marvel, то знаете, что во вселенной, созданной Стэном Ли, самым прочным материалом на Земле является металл вибраниум. Из него, в частности, сделан щит Капитана Америки и костюм черной пантеры, в родной стране которого – Ваканде – он и был найден. В комиксах этот материал существует в нескольких вариантах и встречается в изолированных регионах нашей планеты. Также вибраниум обладает способностью поглощать все колебания в окрестности, включая направленную прямо на него кинетическую энергию (энергию движущегося тела). В реальности, разумеется, вибраниума не существует, но это не значит, что на Земле нет ни одного материала, способного составить ему конкуренцию. Но какой материал на нашей планете является самым прочным?

Несмотря на то, что лето уже подходит к концу, об укусах комаров (и других малоприятных насекомых) и до следующего года можно забыть, средства для отпугивания «гнуса» пока еще рано прятать на зиму. Однако же вполне вероятно, что через какие-то пару лет вы сможете воспользоваться по-настоящему высокотехнологичной защитой от комариных укусов. И речь идет не об очередном «чудо-спрее», а о веществе, которое покроет вашу кожу сверхпрочным слоем графена, которую ни один комар не прокусит.

Выходцы из России, работающие в Британии, Константин Новоселов и Андрей Гейм создали графен – полупрозрачный слой углерода толщиной в один атом – в 2004 году. С этого момента практически сразу и повсюду мы стали слышать хвалебные оды о самых разных удивительных свойствах материала, обладающего потенциалом изменить наш мир и найти свое применение в самых разных сферах, начиная от производства квантовых компьютеров и заканчивая производством фильтрами для получения чистой питьевой воды. Прошло 15 лет, но мир под влиянием графена так и не изменился. Почему?

Когда вы были ребенком, вы когда-нибудь подписывались за одноклассника, если тот сломал руку или ногу? Носили за ним портфель? Сломанные кости для ребенка — очень плохо: несколько катастрофических секунд, за которыми следуют месяцы скучного отдыха и восстановления. Но у детей в будущем может быть другая история, поскольку новые технологии позволят нам пересмотреть, как мы восстанавливаем сломанные кости.

Сложно поверить, что даже самые крошечные трещины в металле однажды могут приводить к разрушению целых конструкций. Однако далеко за примерами ходить не нужно – падающие мосты, прорывающиеся трубопроводы и многие другие катастрофические последствия нередко являются действием коррозии, образовавшейся в крошечных трещинах, царапинах и вмятинах, которые очень сложно обнаружить. Наиболее распространенным методом борьбы с коррозией является нанесение защитных покрытий, изолирующих поверхность металла от разрушающего воздействия окружающей среды. Проблема в том, что с нарушением этого покрытия теряется его эффективность.

Возможность практического использования квантовых компьютеров стала еще на один шаг ближе благодаря графену. Специалисты из Массачусетского технологического института и их коллеги из других научных учреждений смогли провести расчет времени суперпозиции, в которой могут находиться кубиты, построенные на базе графена. О результатах исследования сообщает статья Nature Nanotechnology.

Атомы углерода могут формировать связи самыми разными способами. Чистый углерод может встречаться в разных формах, включая алмаз, графит, нанотрубки, молекулы в форме футбольного мяча или сотовую сетку с шестиугольными клетками, известную как графен. Этот экзотический, строго двумерный материал прекрасно проводит электричество, но сверхпроводником не является. Возможно, в скором времени это изменится.

Что можно сделать с обычными шампиньонами? Наверняка у вас найдется далеко не один рецепт для того, чтобы вкусно их приготовить. Но, как выяснилось, для того, чтобы извлечь из гриба какую-то пользу, совсем необязательно обладать кулинарными талантами. Зато если вы подкованы в физике, биологии и знаете свойства графена, вам вполне по силам превратить шампиньон в источник по выработке электроэнергии.

Изобретенный на заре 21 века графен уже нашел свое применение во многих областях науки и техники. И даже подарил ученым, изучавшим его, Нобелевскую премию. Однако двухмерная структура наподобие этого углеродсодержащего материала была предсказана и для других элементов Периодической системы химических элементов и весьма необычные свойства одного из таких веществ недавно удалось изучить. А называется это вещество «синий фосфор».

Все современные электронные устройства используют для передачи информации электроны. Сейчас вовсю идет разработка квантовых компьютеров, которые многие считают будущей заменой традиционных устройств. Однако есть и еще один, при этом не менее интересный путь развития. Создание, так называемых, фотонных компьютеров. И недавно группа исследователей из Университета Эксетера (Великобритания) обнаружила свойство частицы, которое может помочь в разработке новых компьютерных схем.

Графен способен революционизировать передачу данных при помощи света

Источники:
http://www.nature.com/news/graphene-makes-light-work-of-optical-signals-…
www.compulenta.ru

Сразу три независимые исследовательские группы показали, что графен может эффективно преобразовывать свет в электрические сигналы, как это делают фотодетекторы. При этом, по оценкам учёных, графеновые фотодетекторы будут работать куда быстрее обычных, притом с меньшими энергозатратами. Компьютеры ждёт революция?

Оптоволоконные кабели, передающие огромные объёмы данных на большие расстояния, давно считаются становым хребтом Интернета. А вот внутри компьютеров входящая информация «передвигается» иначе — в виде электронов, пробирающихся по медным дорожкам, от одной микросхемы к другой. Электронные схемы в смысле передачи информации куда медленнее оптических и тратят намного больше энергии, что дополнительно нагревает внутренности компьютера и замедляет его общее быстродействие (если только вы не сумели отменить электрическое сопротивление).

В принципе, передавать биты от микросхемы к микросхеме можно и светом. Но тогда на входе и выходе из каждой схемы понадобятся крошечные фотодетекторы, способные преобразовать излучение в электроимпульсы. К сожалению, обычные фотодетекторы на германии ограничены в этом смысле слишком узким диапазоном.

И тут недостатки графена становятся его преимуществами. Германий может зарегистрировать только те фотоны, чья энергия достаточна для преодоления энергического барьера запрещённой зоны, после «взятия» которого электрический заряд может свободно двигаться через этот полупроводник.

«А вот графен может зарегистрировать волны любой длины, потому что у него нет запрещённой зоны», — подчёркивает Томас Мюллер (Thomas Mueller), физик из Венского технологического университета (Австрия), автор одной из трёх представленных недавно разработок.

Как утверждают разработчики, графен дешевле германия и его проще интегрировать в кремниевую микросхему.

Почему лишь сейчас эта способность попала в поле зрения учёных, хотя материал появился не сегодня и не вчера? Уточним: первые фотодетекторы на графене были созданы в 2009 году, однако отличались они удивительной неэффективностью. Бóльшая часть света проходила через графен: одноатомному слою углерода просто не хватало толщины, чтобы удержать фотоны.

Ныне же три независимые исследовательские группы направляли свет по кремниевым волноводам вдоль листа графена (см. иллюстрацию), что позволило усилить «общение» графена со светом без снижения скорости такого взаимодействия.

В итоге новая версия таких фотодетекторов даёт от того же количества света ток, который в 50–100 раз превышает показатели модели 2009 года. И хотя это пока меньше, чем у германия, «разрыв сокращается очень, очень быстро», поясняет Дирк Энглунд (Dirk Englund) из Массачусетского технологического института (США), глава другой группы материаловедов.

И даже несмотря на меньший генерируемый поток электронов, графеновые фотодетекторы уже сейчас, по всей видимости, превосходят нынешние германиевые по эффективности. Дело в том, что скорость движения электронов в графене значительно выше, чем в германии, и это позволяет таким устройствам пропускать через себя куда больше информации в единицу времени, нежели у традиционных приборов. Так, фотодетекторы группы г-на Энглунда способны обрабатывать 12 гигабит информации в секунду — а это показатели высокоскоростных оптоэлектронных устройств. Что ещё важнее, новые устройства, похоже, вскоре превзойдут эту цифру, поскольку пока испытывались фактически экспериментальные схемы, и многие оптимизационные возможности учёные просто ещё не успели использовать.

Любопытно и то, что третья группа во главе с Цзяньбинь Сюем (Jian-Bin Xu), представляющая Китайский университет Гонконга (КНР), двигалась слегка другим путём, создав схему, которая улавливает инфракрасное излучение в средней части ИК-диапазона при комнатной температуре, в то время как обычно для регистрации волн такой длины детектор надо охлаждать жидким азотом до сверхнизких температур.

Подобные детекторы могут оказаться очень полезными для регистрации поглощения инфракрасного излучения отдельными молекулами. Эта техника, напомним, применяется в высокочувствительных датчиках, определяющих наличие в окружающей среде тех или иных химических веществ, а также для медицинского экспресс-анализа.

Ну а пока на пути широкого внедрения таких устройств есть только один барьер — отсутствие массового производства графена машинным способом. Все три группы изготавливали графен для своих схем вручную, хотя работы по его производству методом химического парофазного осаждения уже ведутся.

И если последние преуспеют, то речь может пойти о резком росте скорости компьютерных шин при существенном падении их энергопотребления, а также о весомом снижении стоимости и громоздкости устройств по регистрации загрязнения воздуха и целого ряда методов медицинского экспресс-анализа.

Отчёты о рассмотренных работах опубликованы в журнале Nature Photonic

Что такое графен? | Флагманский графен

Графен — один слой атомов углерода — может быть самым удивительным и универсальным веществом, доступным человечеству. Проще говоря, графен представляет собой слой атомов углерода толщиной в один атом, расположенных в гексагональной решетке.

Впервые графен был выделен в 2004 году. С тех пор графен нашел сотни инновационных применений, от датчиков и электроники до хранения энергии и здравоохранения. Кроме того, исследования графена привели к открытию нового семейства двумерных и слоистых материалов. В сочетании с графеном — так же, как вы смешиваете разные ингредиенты в бутерброде — они открывают совершенно новый мир возможностей.

Свойства графена

Несмотря на то, что графен представляет собой атомарно тонкий слой атомов углерода, графен обладает выдающимися свойствами, которые делают его привлекательным материалом для многих применений.

Графен – самый тонкий материал в мире – его толщина составляет всего один атом, что в миллион раз тоньше человеческого волоса. Однако он очень прочный, прочнее стали и алмаза. Это позволяет использовать многие композитные материалы с выдающейся жесткостью и долговечностью. Графен также очень гибок, что заставляет нас мечтать о его применении в носимых устройствах и складной электронике. Он отлично подойдет для гибких экранов, так как он также прозрачен. Кроме того, графен является отличным проводником электричества и тепла. Некоторые производители используют эти два принципа для производства токопроводящих чернил и красок для электронных схем и гелей, рассеивающих тепло. Благодаря токопроводящим свойствам графена можно даже делать батареи с более длительным сроком службы. И, конечно же, графен легкий — это всего лишь слой атомов углерода! Автомобильная и авиационная промышленность исследуют графен, чтобы сделать автомобили и самолеты менее тяжелыми, что снизит расход топлива и выбросы углерода.

Графен прошел долгий путь с момента создания первого графитового карандаша в 1560-х годах

Как производится графен?

Когда Андрей Гейм и Костя Новоселов впервые выделили графен в 2004 году, они использовали кусок липкой ленты, чтобы «отклеить» атомарно тонкие слои от графита. Графит является основным ингредиентом грифеля карандаша. Если вы когда-либо рисовали карандашом, вполне вероятно, что вы сделали свой собственный графен!

Конечно, этот метод трудно масштабировать — представьте, что нам нужно производить весь необходимый нам графен из кусков графита и клейкой ленты. К счастью, ученые предусмотрели новые способы производства графена, которые являются дешевыми, эффективными и масштабируемыми.

Графен для применения в электронике и фотонике должен иметь исключительную чистоту и качество. Мы используем процесс, называемый «химическое осаждение из паровой фазы», чтобы получить графен путем восстановления атомов углерода в метане. Тщательно контролируя условия, атомы выстраиваются в идеальную гексагональную решетку на подложке, которую обычно удаляют, чтобы перенести графен на более полезные платформы, такие как кремний, пластик или кварц. Другие приложения, такие как композитные материалы, краски и чернила, прекрасно работают с «объемными» графеновыми хлопьями. Мы можем производить графеновые чешуйки благодаря расслоению в жидкой фазе — методу, в котором ультразвук используется для «встряхивания» графита и разделения его слоев. Кроме того, графен может производиться по запросу для применения в сенсорах и фильтрации. Химики могут изменить его структуру и создать отверстия атомарной точности — микроскопические сита — или добавить функциональные группы, которые избирательно реагируют с интересными соединениями.

Методы производства

Жидкофазное расслоение

Оксид графена является продуктом жидкофазного расслоения, при котором монослои или несколько чешуек графена отслаиваются от графита в жидкой среде. Оксид графена является важным материалом для ряда применений в биомедицине, накоплении энергии, нанокомпозитах и других областях.

Химическое осаждение из паровой фазы

Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) Графен производится в процессе, при котором атомы углерода испаряются, а затем осаждаются на медной фольге. CVD-графен можно использовать в таких приложениях, как прозрачная и гибкая электроника, а также в качестве антикоррозионных покрытий.

Механическое расслоение

Кристаллы графена выращивают на различных подложках для различных применений. Графен, выращенный на изоляторах, таких как SiO2, обычно образует пленку с небольшими кристаллитами, в то время как при выращивании на плотноупакованных поверхностях металлов получаются высококристаллические пленки. Эти кристаллы можно выращивать на пластинах для электронных приложений.

Графен: Нобелевская история

С 2013 года Graphene Flagship объединяет академических и промышленных исследователей, чтобы вывести графен и слоистые материалы на передний план европейских научных исследований. Но когда и как все началось? Откройте для себя историю графена. (Изображение: Адам Бейкер, Flickr).

Ярлыки

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 →

Раскройте науку о графеновых мембранах для опреснения воды

Просмотреть все видео к этой статье

графен , двумерная форма кристаллического углерода, либо одиночный слой атомов углерода, образующих соты ( шестиугольная) решетка или несколько связанных слоев 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 фактически 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.