Графен фото: Уникальное вещество и его применения – Наука – Коммерсантъ

Как графен изменит модную индустрию и повседневную жизнь

Манчестер — не самое привлекательное место на мировой карте моды. Однако в начале года здесь произошло уникальное событие — хай-тек-дизайнеры из CuteCircuit представили первое в мире платье, разработанное с использованием графена. Этот сверхлегкий и одновременно сверхпрочный двумерный чудо-материал, если верить прогнозам ученых и инженеров, кардинальным образом изменит целый ряд привычных нам индустрий, и мир моды здесь отнюдь не исключение.

Платье из графена неслучайно презентовали в Манчестере — именно в этом городе, который в свое время благодаря текстильной промышленности дал толчок мировой индустриализации, в 2005 году российские ученые Константин Новоселов и Андрей Гейм смогли получить из графита — трехмерного материала, используемого, например, в карандашах, — двумерный кристалл толщиной всего в один атом. Графен — это такая плоская сетка, состоящая из образующих шестиугольники атомов, которая обладает совершенно уникальными свойствами: графен невероятно легок и гибок, может похвастаться высокой электропроводностью и высочайшей теплопроводностью среди всех известных материалов и, несмотря на толщину в один атом, в 200 раз прочнее стали. Благодаря этим революционным характеристикам сегодня графен стал объектом пристального внимания со стороны крупных игроков: Китая, США, Великобритании, а также больших корпораций. Манчестер же получил неформальный титул «город графена». Что же касается Гейма и Новоселова, то в 2010 году их исследования удостоились вполне заслуженной Нобелевской премии по физике.

Представленное в Манчестере коктейльное платье — результат кропотливой работы лондонских дизайнеров CuteCircuit, чьи инновационные продукты с использованием микроэлектроники и умных тканей были по достоинству оценены, например, Кэти Перри. Благодаря своей внушительной электропроводности графен в данном случае используется в качестве сенсора, который улавливает частоту дыхания человека, а также в качестве проводника энергии для встроенных в платье светодиодов, меняющих окраску в зависимости от того, как дышит обладательница этого платья. С одной стороны, этот эксперимент несет в себе чисто эстетическую ценность: в конце концов, подсветка в зависимости от частоты дыхания — не самая необходимая вещь даже в одежде для выхода в свет. С другой стороны, в CuteCircuit таким образом продемонстрировали потенциал использования графена и создали важный инфоповод, позволивший обратить внимание на то, куда в будущем может двинуться индустрия.

 


В чем же, собственно, заключается этот потенциал? Есть два ключевых момента: с одной стороны, более успешная, чем сегодня, интеграция в одежду новых носимых электронных устройств, которые станут органичной и незаметной частью гардероба; с другой стороны, использование графена в самих тканях и их кардинальный апгрейд. Как говорит директор центра фотоники и двухмерных материалов МФТИ Алексей Арсенин, «в настоящее время с использованием графена разрабатываются различные устройства, включая гибкие экраны, гибкие источники питания, камеры и сенсоры. Ожидается, что в будущем носимая электроника станет достаточно распространенной (в том числе и благодаря графену) и различные электронные устройства будут встроены в одежду: мобильные гаджеты, мониторы здоровья, гибкие экраны и многие другие». Так, в Центре графена в Кембриджском университете недавно был изобретен метод нанесения графена — если быть точным, так называемых графеновых чернил — на обычный хлопок, который таким образом становится электропроводным и хорошо подходит для использования в одежде носимых девайсов и сенсоров, которые будут замерять показатели здоровья (например, пульс) и окружающей среды. Во время тестов ученые создали специальный носимый сенсор, который показал, что экспериментальный материал может отслеживать до 500 циклов движений даже после десяти стирок в обычной стиральной машине, куда сегодняшнюю носимую электронику никто не засунет. Такие пробные эксперименты — уже большой шаг вперед в деле превращения простой одежды в умную.

Не менее важен и ряд других черт графена. По словам Алексея Арсенина, «добавление незначительного количества графена позволяет, не меняя эстетику ткани, придать материалу новые свойства: антистатичность или гидрофобность, когда ткань становится непромокаемой». В таком случае можно перестать фантазировать о режиме сушки, как на куртке Марти Макфлая из несбывшегося 2015 года. Теплопроводность графена тоже не осталась без внимания. Так, производители продуктов из графена Directa Plus совместно с маркой спортивной одежды Colmar запустила новую линию курток, в которых графен используется как фильтр между телом и окружающей средой для максимального сохранения и равномерного распределения тепла во время занятий спортом в холодную погоду.

Отдельного упоминания заслуживают антибактериальные свойства графена, о которых споры не утихают и вряд ли скоро утихнут. Так, например, Graphene Info в своей заметке о китайской компании Shanghai Kyorene New Material Technology подчеркивает, что их графеновые ткани защищают от бактерий и ультрафиолета. Вместе с тем в ученом сообществе пока нет консенсуса насчет того, насколько вообще графен и графеновые материалы вредны для человека. Проводившиеся к настоящему моменту тесты пока указывают скорее на безопасность сказочного двумерного материала, однако, по словам Арсенина, потребуется еще время, чтобы полностью удостовериться, является ли этот материал безопасным и может ли он вызывать у людей аллергию.

О графене вряд ли стоит говорить как об очередной подрывающей привычные индустрии технологии, как любят рассуждать о блокчейне и прочих участниках так называемого цикла хайпа. Потенциал этого материала слишком широк: графен, скорее всего, через несколько лет будет использоваться при производстве компьютерных чипов, батарей, фюзеляжей самолетов, контактных линз и чего только не. Для выхода же на массовый рынок одежды графену, скорее всего, потребуется не меньше декады. А пока что интереснее всего наблюдать за экспериментами: недавно, например, китайские ученые накормили графеном шелкопрядов и получили «графеновую» шелковую нить — прочную и хорошо проводящую электричество. Будущее и правда рядом, только смотреть надо не только и не столько на Илона Маска с его мегаломанией, сколько на тихую графеновую революцию, совершающуюся на наших глазах.

Статьи по теме

Подборка Buro 24/7

Российские ученые улучшили элементы памяти для гибкой электроники, облучив фторированный графен тяжелыми ионами

1062

Добавить в закладки

Благодаря облучению ионами ксенона исследователи модифицировали фторированный графен: удалили фтор и создали проводящие квантовые точки в матрице изолирующего материала. На основе таких структур были сделаны мемристоры ― элементы памяти, которые применяются для создания гибких датчиков в носимой электронике, медицинских, производственных сенсорах.


Мемристорные структуры, нанесенные на гибкую полимерную пленку (фото Н. Дмитриевой)


 

Детали работы сотрудников Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН) — научной группы под руководством доктора наук Ирины Антоновой, Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ), Новосибирского государственного технического университета, Университета Николая Коперника (Польша), опубликованы в журнале Materials.

Новое исследование — продолжение работы специалистов ИФП СО РАН по созданию элементов памяти для гибкой электроники на основе соединений графена. Ранее эта же научная группа сделала мемристоры, модифицируя графен химическим путем, с целью получить систему квантовых точек в матрице фторированного графена. Преимущество облучения в том, что оно позволяет добиться создания такой системы (нужной для работы мемристоров) более контролируемо и воспроизводимо. Исследование поддержано Российским научным фондом (проект № 19-72-10046, руководитель Небогатикова Н.А.).

Мемристор ― микроэлектронный компонент, по своим свойствам похожий на синапс — место контакта двух нейронов. В отличие от транзистора, мемристор способен не только передавать информацию в режиме “0” или “1”, а еще присвоить ей уровень значимости. Мемристоры способны «запоминать» количество протекшего через них заряда и менять свое сопротивление в зависимости от этого. Если подать высокое напряжение, мемристорная система станет открытой ― будет проводить электрический ток, а при смене полярности напряжения ― закроется.

«Наши мемристорные системы на основе облученного фторированного графена открываются и закрываются благодаря формированию и разрушению путей протекания электрического тока по графеновым квантовым точкам. Разница токов в открытом и закрытом состоянии — 2-4 порядка: такого диапазона достаточно, чтобы сделать ячейки памяти. Мемристорная память энергонезависима и совмещает в себе достоинства оперативной и флеш-памяти. Переключение мемристора (из закрытого в открытое состояние), то есть перезапись информации, происходит за 30-40 наносекунд. Это примерно в 1000 раз быстрее, чем у современной флеш-памяти. Наносекунда — миллиардная доля секунды», — поясняет автор исследования, научный сотрудник лаборатории физики и технологии трехмерных наноструктур ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Артём Ильич Иванов.


Научный сотрудник ИФП СО РАН Артём Иванов за работой на 2D-принтере (фото В. Яковлева)


 

Технология изготовления образцов довольно проста: на тонкие полимерные пленки (из поливинилового спирта) методом 2D-печати наносился фторированный графен, также разработанный и созданный в ИФП СО РАН. Затем готовые структуры облучались в ОИЯИ высокоэнергетичными ионами, после чего во всех структурах наблюдались резистивные переключения, то есть такие, когда сопротивление материала обратимо меняется в ответ на изменение электрического поля.

Нужно отметить, что облучение ионами можно использовать для промышленного технологического процесса. Так, одна из наиболее известных разработок ОИЯИ – изготовление трековых мембран (именно при помощи облучения) для фильтрации растворов для технологий нано- и микроэлектроники и бытовых нужд, когда мембраны создаются рулонами.

 «Наши дальнейшие планы работы с новым материалом — показать, как взаимодействуют ячейки памяти в массиве, для этого мы сделаем небольшие логические электронные схемы: “И”, “Не”, “Или”. Существует множество параметров, на которые может влиять соединение ячеек, и нам нужно проверить, как будут мемристоры чувствовать себя в системе из нескольких элементов», — добавляет Артём Иванов.

Исследования по созданию энергонезависимой памяти для гибкой электроники ведутся во всем мире.

«В основном такую память пытаются сделать на основе оксида графена и полимерных материалов, дихалькогенидов металлов. У них есть свои плюсы и минусы: например, оксид графена способен восстанавливаться под действием напряжения, температуры — он менее стабилен, чем фторированный графен, который используем мы. Важно понимать, что в случае создания гибких носителей, мы не соревнуемся с привычной твердотельной электроникой на кремнии — там иные свойства, многие параметры лучше, но твердотельная электроника не способна функционировать в условиях деформации», — подчеркивает исследователь.


Измерение электрофизических параметров мемристорных структур (фото предоставлено А. Ивановым)


 

«Опубликованная работа – первый шаг в направлении использования облучения как метода формирования массива квантовых точек в матрице фторированного графена. Любая технология требует отладки. На экспериментальных, небольших объемах, с которыми мы работаем сейчас, наши образцы выглядят перспективно. Важно, что продемонстрирован метод, как надежно и сравнительно быстро получать мемристоры на основе фторированного графена со сформированными облучением квантовыми точками», — говорит Артём Иванов.

 

Информация и фото предоставлены пресс-службой ИФП СО РАН

Разместила Ирина Усик

графен
ифп со ран
мемристоры

Информация предоставлена Информационным агентством «Научная Россия». Свидетельство о регистрации СМИ: ИА № ФС77-62580, выдано
Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций 31 июля 2015 года.

НАУКА ДЕТЯМ

На комплексе NICA начат четвертый цикл пусконаладки

17:30 / Физика

Нижегородские ученые разработали износостойкое покрытие для деталей машин и механизмов

16:30 / Новые технологии

Работников агропромышленного комплекса наградили на выставке «Золотая осень»

16:04 / Новые технологии, Экология, Экономика

Подготовку африканистов и востоковедов обсудили на попечительском совете Института стран Азии и Африки

15:50 / Наука и общество, Образование

Петли на ДНК защитили клетки от мутаций

15:30 / Биология

Российские химики усовершенствовали фильтры для опреснения морской воды

15:13 / Новые технологии, Физика, Химия

Сквер перед входом в Пушкинский музей получил имя Ирины Антоновой

15:00 / Наука и общество

Всероссийский фестиваль науки NAUKA 0+ в Институте философии РАН 13-15 октября 2022 года

14:30 / Наука и общество, Образование

Нобелевская премия по химии за 2022 г. вручена за работы в области клик-химии

14:05 / Биология, Новые технологии, Химия

Глава Минобрнауки РФ В. Фальков и Посол Таджикистана Д. Гулмахмадзода обсудили сотрудничество в сфере науки и образования

14:01 / Наука и общество, Образование

Памяти великого ученого. Наука в глобальном мире. «Очевиднное — невероятное» эфир 10.05.2008

04.03.2019

Памяти великого ученого. Нанотехнологии. «Очевидное — невероятное» эфир 3.08.2002

04.03.2019

Вспоминая Сергея Петровича Капицу

14.02.2017

Смотреть все

Графеновая гонка. Как графен может изменить нашу жизнь?

2021 год был объявлен в России Годом науки и
технологий, а месяц июнь, согласно календарному плану Года,
посвящен новым производственным технологиям и материалам. Сегодня
мы поговорим об одном из таких новых перспективных материалов —
графене.

Графен — самый тонкий материал из когда-либо обнаруженных.
Впервые он был выделен в начале нулевых, а в 2010 году
выпускникам МФТИ, сотрудникам Манчестерского
университета Андрею
Гейму и Константину
Новоселову за это открытие присудили
Нобелевскую премию по физике. Есть много идей, как можно
применить этот тонкий и чрезвычайно прочный материал, о котором
так много говорят в последние годы.

Слой углерода толщиной в один атом

Толщина графена составляет всего один атом — это самый
тонкий материал в мире, его можно назвать двумерным объектом.
Представьте обычный грифель карандаша, которым вы пишете —
он состоит из нескольких миллионов слоев графена, и, по
сути, графит  в карандаше — это
уложенные друг на друга слои графена. Поэтому каждый из нас
хотя бы раз в жизни держал графен в руках. Материал был обнаружен
Геймом и Новоселовым, когда они изучали проводимость графита.
Приклеив скотч к куску графита, ученым удалось получить один слой
графена.

Идея отделить слой графена от графита с помощью скотча пришла к
ученым спонтанно. Скотч, с помощью которого образцы графита
готовят для работы на сканирующем туннельном микроскопе, после
процедуры обычно отправляется в мусорное ведро. Однако Новоселов
и Гейм решили найти куску скотча с остатками тонкого
слоя материала другое применение — за это впоследствии
их в шутку окрестили garbage scientists (мусорные ученые).


Фото: https://donschool86.ru



В возможность отделить один слой никто не верил. Семьдесят лет
назад Лев Ландау и Рудольф Пайерлс доказали, что таких материалов
существовать не может: силы взаимодействия между атомами должны
смять их в гармошку или свернуть в трубочку, пишет Forbes.
Однако графен оказался исключением из этого правила. 

Практическое применение

Графену приписывают множество самых разнообразных практических
применений. Его возможно использовать для создания имплантов для
мозга, он
может применяться в системе охлаждения для спутников, графен
можно
превратить в сверхпроводник; полезен он и в быту:
например, в качестве
краски для волос. Уже сегодня графен применяется в
электронике, медицине: работы по нейродевайсам и биосенсорам
ведутся с 2008 года — но когда графеновую биоэлектронику
начнут массово применять на практике, пока трудно сказать.

Этот материал особо ценится за его прочность и упругость. А
еще графен очень прозрачный: его прозрачность составляет 97%.

«Сейчас есть много идей о том, как можно применять
графен. Были идеи, что получится его использовать в качестве
транзистора, как замена элементной базы современной электроники.
Но это, насколько я знаю, не пошло, и теперь пытаются
использовать его упругие свойства. Если сравнить атомарный слой
углерода (чем по своей сути графен и является) и атомарный слой,
скажем, алюминия, то мы увидим, что жесткость графена будет как
минимум в десять раз выше. Так как графен одноатомный, то он
спокойно пропускает свет, то есть вы видите через него всё.
С другой стороны, он достаточно прочный, чтобы обеспечить
необходимую защиту от каких-то механических воздействий. Поэтому
графен можно применять как прозрачный, но прочный экран для
предохранения жидкокристаллических дисплеев, например. Его
прочность может быть полезной для создания гибких небьющихся
экранов, городских строений и др., возможно, он станет будущим
строительным материалом для космических кораблей, общественного
транспорта и т.д.», —
рассказывал в интервью «Научной
России»  заместитель директора Института теоретической
физики им. Л.Д. Ландау РАН Игорь
БУРМИСТРОВ.


Нобелевские лауреаты К. Новоселов (слева) и А. Гейм. Источник фото: https://panorama.pub/



Некоторые эксперты считают, что графен
даже может спровоцировать новый скачок в развитии человеческой
цивилизации. Кремниевая эра скоро закончится,
говорят ученые, ведь кремневая элементная
база, на которой создается современная техника, уже
подходит к своему  технологическому и физическому пределу, и
в этом смысле графен может стать отличной
альтернативой.  Использование графена в электронике поможет
создать более мощные компьютеры и системы. В мире его
уже используют для создания гибких мобильных
телефонов. 

В свое время освоение металлов кардинально изменило жизнь
людей — ту же судьбу пророчат графену, называя его самым
загадочным и многообещающим новым материалом будущего, который
способен произвести революцию в энергетике. Графен дает
возможность получать энергию совершенно
новым способом. Этот материал обладает возможностью
пропускать позитивно заряженные  атомы водорода, при том,
что он непроницаем для других газов, в том числе и для самого
водорода. Это открывает перед учеными невероятные перспективы по
созданию топливных элементов на основе водорода. Так, например,
можно будет  собирать в таких элементах водород из воздуха,
а затем получать с помощью графена электричество и воду,
практически не порождая никаких отходов.


Куртка из графена. Фото: https://fainaidea.com/



В прошлом году физики из США показали, что графен можно
использовать для сбора энергии: он способен вырабатывать энергию
с помощью окружающей среды. Учеными из Университета
Арканзаса была разработана схема, способная улавливать тепловое
движение графена и преобразовывать его в электрический ток.

«Энергосберегающая схема, основанная на графене, может быть
встроена в чип для обеспечения чистой, безграничной,
низковольтной энергии для небольших устройств или датчиков», —
отметил Пол Тибадо,
профессор физики, участвовавший в эксперименте. 

Графен может быть использован для создания квантовых компьютеров,
благодаря этому материалу такие компьютеры могут стать
компактнее. У графена могут быть и более общедоступные
применения, например в дизайне одежды. Вещи из графена, легкие и
плотные, уже сегодня можно найти на мировых рынках.

Графеновое будущее 

Разработки на основе графена уже близки к массовому внедрению в
экономику, считает  член-корреспондент РАН, научный
руководитель Корпоративного энергетического университета Евгений
Аметистов. При этом в графеновой гонке Россия отнюдь не
лидирует, и наши технологии далеки от совершенства.

В рамках программы финансирования науки (2014-2020 гг.) Евросоюз
выделил один миллиард евро на запуск производства графена в
промышленных масштабах. Проект объединяет 23 страны и 142
научно-исследовательских коллективов и промышленных партнёров. Не
так давно, в 2015 году, в Манчестере
открылся Национальный графеновый институт, строительство
которого финансировали Европейский фонд регионального развития и
правительство Великобритании. Однако  более половины
мировых публикаций и заявок на патенты в области графена сегодня
принадлежит Китаю, где действует так называемый Инновационный
альянс графеновой промышленности.

А как обстоят дела в России? По числу исследований графена
Россия сегодня находится на 14-м месте в мире, пишет российский деловой еженедельник
«Эксперт». Причем процент российских научных публикаций по
теме графена падает, отмечает издание: в 2000-е годы он
составлял 5,6%, а в 2021 — только 2,3%. 

Исследованиями графена в России занимаются свыше 30 организаций,
среди них различные институты Российской академии наук, МГУ им.
М.В. Ломоносова, предприятия ГК «Роскомос», частные фирмы. В
нашей стране есть свой Институт графена, на базе которого впервые
в России была создана установка полупромышленного типа для
производства чистого (почти 100%) графена.


Графеновый чип. Фото: http://www.inmesolgenerator.ru



«Сейчас идет своеобразная графеновая гонка. Наши позиции
изначально были очень хорошими, поскольку традиционно Россия
сильна в плане фундаментальной физики. Конечно, мы немного
упустили тот момент, когда мир рванул вперед», — рассказывал
директор центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Валентин
Волков на Международной конференции по двумерным материалам в г.
Сочи.

Уже сегодня в России графеновые и графеноподобные материалы
применяют для повышения ударной прочности экспериментальных
образцов карбидокремниевой брони для ударных вертолетов и военных
шлемов, при производстве солнечных панелей, используют
в составе литий-ионных аккумуляторов и т. д. Однако
массовое применение графена — вопрос будущего.

Фотографии в материале, включая фото на главной странице
сайта: https://ru.123rf.com

Graphene — Bilder und Stockfotos

1.669Bilder

  • Bilder
  • Fotos
  • Grafiken
  • Vektoren
  • Videos

AlleEssentials

Niedrigster Preis

Signature

Beste Qualität

Durchstöbern Sie 1.669

graphene Stock-Fotografie und Билдер. Одер таких нанотрубок или энергии, um noch mehr faszinierende Stock-Bilder zu entdecken.

Händen der wissenschaftliche zeigen ein stück graphene mit sechseckigen molekül. — графеновые стоковые фотографии и изображения

Händen der wissenschaftliche zeigen ein Stück graphene mit…

graphen, ein molekulares netzwerk von sechsecke miteinander verbunden. Химическая сеть. Коленстофф, наноматериалы. векторные иллюстрации — графика графена, -клипарт, -мультфильмы и -символ

Графен, ein молекулярные Netzwerk фон Sechsecke miteinander…

Графен, ein молекулярные Netzwerk фон miteinander verbundenen Sechsecken. Химическая сеть. Коленстофф, Наноматериалы, Нанотехнологии. Векторная 3D-иллюстрация

Абстрактная наномолекулярная структура — графен стоковые фотографии и изображения

Абстрактная наномолекулярная структура

Молекулярная структура Digitales Konzept

графен многослойные углеродные нанотрубки, 3d иллюстрация. — графен стоковые фотографии и изображения

Graphen Multi-Walled Carbon Nanotubes, 3D Illustration.

Diese Illustration zeigt eine Reihe von mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren, in denen die Kohlenstoffatome in einer Zick-Zack-Konfiguration ausgerichtet sind.

структура наноматериалов. нанотехнологии-концепт. абстрактный фон. 3D-образ изображения. — графеновые стоковые фотографии и изображения

Struktur des sechseckigen Nanomaterials. Нанотехнологии-Концепт.

Углеродные нанотрубки — Графен стоковые фотографии и изображения

Углеродные нанотрубки

3D-Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf dunklem Hintergrund

прозрачное соплоколлекторен zur verwendung als fensterglas zur stromerzeugung aus sonnenlicht. — графеновые стоковые фотографии и изображения

Transparente Sonnenkollektoren zur Verwendung als Fensterglas…

graphen hexagonale Struktur in bewegung als konzept der künstlichen intelligenz. графен молекулярный гиттер. 3d-иллюстрация. 3D-рендеринг — графеновые стоковые фотографии и изображения

Graphen hexagonale Struktur in Bewegung als Konzept der Künstliche

wissenschaftliche zeigen ein stück graphene mit sechseckigen molekül. — графен стоковые фотографии и изображения

Wissenschaftliche zeigen ein Stück graphene mit sechseckigen. ..

графеновая структура — графеновые стоковые фотографии и изображения

Graphene Struktur

3d рендеринг абстрактные нанотехнологии гексагональной геометрической формы, структура молекулы, структура графена . — графеновые стоковые фотографии и изображения

3D-рендеринг Abstrakte Nanotechnologie Hexagonalen Geometrische …

3D-Rendering Abstrakte Nanotechnologie Hexagonale Geometrische Form Nahaufnahme, konzept atomstruktur, konzept molekulare strukture

atomstruktur, konzept graphendrater stomstrantration, 3-leprentration, 3-графрент-графен. Иллюстрация

молекулярной структуры графена — стоковые фотографии и изображения графена

молекулярной структуры графена

были собраны вместе с ручной структурой графена. kohlenstoffatome, die in einem 2d-hexagonalen gitter angeordnet sind. Hintergrund mit wabenmuster. — Графеновый сток-график, -клипарт, -мультфильмы и -символ

Nahtloses Muster mit der handgezeichneten Struktur von Graphen. …

Schwarz-Weiß-Wiederholungsmuster mit einem handgezeichneten Diagramm der Graphenstruktur.

Abstrakte nanomolekulare Struktur-Graphene Stock-fotos und Bilder

Abstrakte nanomolekulare Struktur

Abstrakte Sechseckige Graphen Verbindung Wissenschaft Technologie-Graphene Stock-Fotos und Bilder

Abstrakte Secseckige Graphen-Technologire-wisscafts und Bilder

. 3001010101010101013.300101010101010101010101010101010101010101010101010-й. Konzeptionelles Bild mit hexagonaler Strukturverbindung. Графен-Концепт.

graphische hexagonale atomverbindungstechnologie — graphene stock-fotos und bilder

Graphische Hexagonale Atomverbindungstechnologie

graphitschichten, dreidimensionale schematische darstellung von kohlenstoffatomen — graphene stock-grafiken, -clipart, -cartoons und -symbole

Graphitschichten, dreidimensionale schematische Darstellung von…

Graphitschichten , dreidiverses, schematisches Diagramm. Die cristalline Form von Kohlenstoffatomen, шестиугольный ангеорднет, сверкающий флаш Wabengitterschichten. Seitenansicht дер Molekülstruktur. Вектор.

graphene — графен, стоковые фотографии и изображения

Graphene

abstrakte sechseckige atomverbindung wissenschaftstechnologie — графен, стоковые фотографии и изображения

Abstrakte sechseckige Atomverbindung Wissenschaftstechnologie

молекулярное соединение в гексагональной системе, 3d illustration — graphene stock-fotos und bilder

Moleküle in der hexagonalen System, Konzept einer Kohlenstoff…

3D-Rendering abstrakte Nanotechnologie hexagonale geometrische Form Nahaufnahme, Konzept Graphen Atomstruktur, Konzept Graphen molekulare Struktur

moleküle verbunden, cristallisiert im sechseckigen system. 3D-иллюстрация — графеновые стоковые фотографии и изображения

Молекулярная структура, кристаллизация в поисковой системе. 3D-иллюстрация

абстрактные наномолекулярные структуры-цифровая концепция — графен стоковые фотографии и изображения

абстрактные наномолекулярные структуры-цифровая концепция

3D-нанотехнологии графеновые текстуры киберпространства. nanofaser химический современный дизайн материалов. atommolekül makrostruktur schicht supraleiter entwicklung vektor illustration — графеновая графика, -клипарт, -мультфильмы и -символ

3D-нанотехнологии Graphen Textur Cyberspace. Nanofaser chemische…

graphenoxid, go, kantenoxidiert, chemische formel und struktur — graphene stock-grafiken, -clipart, -cartoons und -symbole

Graphenoxid, GO, kantenoxidiert, chemische Formel und Struktur

Graphenoxid, GO, kantenoxidiert, chemische Форма и структура. Ein Nanomaterial, das durch Oxidation von Graphen hergestellt wird. Ein einatomiges Schichtmaterial, angeordnet in einem zweidirectionalen Wabengitter.

Фотоиндуцированное электроосаждение металлических наноструктур на графене

У вас не включен JavaScript. Пожалуйста, включите JavaScript
чтобы получить доступ ко всем функциям сайта или получить доступ к нашему
страница без JavaScript.

Выпуск 20, 2020 г.

Из журнала:

Наномасштаб

Фотоиндуцированное электроосаждение металлических наноструктур на графене†

Канвэй
Ся, ‡* и

Вэй-И
Чан, ‡ аб

Сезар Хавьер
Локхарт де ла Роса,‡ ac

Ясухико
Фуджита, и

Шуичи
Тоючи, и

Хайфэн
Юань, и

Джиа
Вс, объявление

Хироши
Масухара, до

Стефан
Де Гендт, см.

Стивен
Де Фейтер, и

Йохан
Хофкенс и
а также

Хироши
Удзи-и
* аг

Принадлежности автора

*

Соответствующие авторы

и

Лаборатория фотохимии и спектроскопии, Отдел молекулярной визуализации и фотоники, Химический факультет, KU Leuven, Celestijnenlaan 200F, B-3001 Leuven, Бельгия

Электронная почта:
kangweixia@gmail. com, [email protected]

б

Кафедра прикладной химии, Национальный университет Цзяодун, Синьчжу 30010, Тайвань

с

Imec, Kapeldreef 75, B-3001 Левен, Бельгия

д

Кафедра биологии Южного университета науки и технологий Китая, Шэньчжэнь 518055, Китай

и

Центр новейших наук о функциональных веществах, Национальный университет Цзяодун, Синьчжу 30010, Тайвань

ф

Молекулярный дизайн и синтез, Кафедра химии, KU Leuven, Celestijnenlaan 200F, B-3001 Leuven, Бельгия

г

RIES, Университет Хоккайдо, Саппоро, Япония

Аннотация

rsc.org/schema/rscart38″> Графен, представляющий собой единый атомный слой sp 2 гибридизированного углерода, является многообещающим материалом для будущих устройств благодаря своим превосходным оптическим и электрическим свойствам. Тем не менее, для практических приложений важно наносить узорчатые металлы на графен в микро- и нанометровом масштабе, чтобы вводить электроды или изменять электрические свойства 2D-пленки. Однако традиционные методы нанесения узорчатых металлов, такие как отрыв или травление, оставляют после себя загрязнения. Было продемонстрировано, что это загрязнение ухудшает интересные свойства графена, такие как подвижность его носителей. Таким образом, чтобы в полной мере использовать уникальные свойства графена, контролируемое и наноструктурное осаждение металлов на графеновые пленки без использования расходуемого резиста имеет большое значение для функционализации графеновой пленки и контактного осаждения. В этой работе мы демонстрируем практичный и недорогой оптический метод прямого осаждения металлических структур с наноструктурой без необходимости использования расходуемого резиста для отрыва. Этот метод основан на индуцированном лазером восстановлении ионов металлов на графеновой пленке. Мы демонстрируем, что это осаждение осуществляется оптическим путем, а разрешение ограничено только дифракционным пределом используемого источника света. Узорчатые металлические элементы диаметром всего 270 нм наносятся с использованием света с длиной волны 532 нм и числовой апертурой 1,25. Показано осаждение различных металлов, таких как Au, Ag, Pd, Pb и Pt. Кроме того, изменение уровня Ферми графеновой пленки через металл с наноструктурой продемонстрировано с помощью электрических характеристик четырех пробных полевых транзисторов.

Варианты загрузки Пожалуйста, подождите…

Дополнительные файлы

  • Дополнительная информация
    PDF (2431K)

Информация о товаре

ДОИ
https://doi. org/10.1039/D0NR00934B

Тип изделия
Бумага

Отправлено
03 фев 2020

Принято
13 апр 2020

Впервые опубликовано
13 апр 2020

Скачать цитату

Наномасштаб , 2020, 12 , 11063-11069

BibTexEndNoteMEDLINEProCiteReferenceManagerRefWorksRIS

Доступна авторская версия


Скачать авторскую версию (PDF)

Разрешения

Запросить разрешения

Социальная деятельность

Получение данных из CrossRef.
Загрузка может занять некоторое время.

Прожектор

Объявления

Графеновая «камера» отображает активность живых клеток сердца

Наука

С помощью нового устройства, сделанного из атомов углерода и лазера, исследователи улавливали электрические сигналы от мышечной ткани в режиме реального времени.

Фотография: CHOKSAWATDIKORN/SCIENCE PHOTO LIBRARY/Getty Images

Когда Аллистер Макгуайр работал над своей докторской диссертацией в Стэнфордском университете, он купил много оплодотворенных куриных яиц у Trader Joe’s. Макгуайр не изучает цыплят; он химик и покупал яйца, потому что разрабатывал устройство для визуализации электрической активности бьющихся сердец. Сердце куриного эмбриона как раз оказалось подходящим для его тестирования.

Ну, может, не те, что вылупились из этих яиц. «Они прошли не очень хорошо, — вспоминает он.

В экспериментальном эксперименте, описанном в Nano Letters в июне, Макгуайр и группа физиков из Калифорнийского университета в Беркли подробно описали, как они создали и в конечном итоге успешно использовали «камеру» для записи электрической активности в живых клетках, которая может трудно контролировать большие ткани в режиме реального времени, используя другие методы.

Это не оптическая камера; этот сделан из атомов углерода и лазеров. Чтобы построить его, команда начала с чрезвычайно тонкого листа углерода, состоящего только из одного слоя атомов, расположенных в виде сот. Это называется графен. Отражательная способность графена меняется, когда он подвергается воздействию электрических полей: он становится либо больше похож на зеркало, которое очень хорошо отражает свет, либо больше на темный объект, который совсем не отражает свет.

Чтобы проверить, насколько хорошо он может регистрировать электрическую активность живых тканей, команда использовала сердечную мышцу, выращенную из куриных эмбрионов. (В конце концов Макгуайр понял, что яйца от биомедицинского дистрибьютора работают лучше.) Исследователи поместили бьющуюся сердечную ткань поверх листа графена и наблюдали, как электрический сигнал — напряжение и электрическое поле — который управляет сердцебиением, может заставить его работать. изменение отражательной способности листа. Они полагали, что всякий раз, когда внутри ячейки возникает напряжение, сопутствующее электрическое поле будет изменять количество света, возвращающегося от графена под ней. Затем они установили лазер, чтобы он постоянно освещал лист, и измерили, сколько света отразилось. Действительно, после добавления очень чувствительного устройства с зарядовой связью, которое преобразует свойства света в цифровые сигналы, они, наконец, получили изображения электрической активности сердца.

Биологов давно интересует измерение электрической активности не только живой сердечной мышцы, но и клеток головного мозга. В этих тканях клетки должны использовать электрические сигналы для связи или для синхронизации своего поведения. «Каждая клетка окружена мембраной, и эта мембрана состоит из маслянистого изолирующего вещества — из липидов. Вода, водные растворы по обе стороны мембраны в основном являются проводниками», — говорит Адам Коэн, профессор химии, химической биологии и физики Гарвардского университета, не участвовавший в эксперименте. «Многие клетки используют напряжение на мембране как способ очень быстрой отправки сигналов и координации активности».

Предоставлено Halleh Balch

Самые популярные

Ученые могут проводить эти измерения с помощью крошечных ячеек — вставок из микроэлектродных решеток. Но этот подход ограничен. Исследователи могут определить напряжение только в тех ячейках, в которые был воткнут электрод.

«Запись напряжения в одной точке — скажем, в мозгу — немного похоже на попытку посмотреть фильм, взглянув на один пиксель на экране компьютера. Вы можете сказать, когда что-то происходит, но вы не можете увидеть сюжет, вы не можете увидеть корреляции информации в разных точках пространства», — говорит Коэн. Новое графеновое устройство дает более полную картину, поскольку оно регистрирует напряжения в каждой точке, где соприкасаются ткань и атомы углерода.

«С помощью нашего графенового устройства мы можем одновременно отображать всю поверхность», — говорит Халле Балч, ведущий автор исследования, который во время эксперимента был аспирантом в Беркли. (В настоящее время она работает над докторской диссертацией в Стэнфорде.) Отчасти это является следствием уникальной природы графена. «Графен атомарно тонок, что делает его чрезвычайно чувствительным к окружающей среде, потому что практически каждая часть его поверхности представляет собой интерфейс», — говорит она. Графен также хорошо проводит электричество и довольно прочен, что сделало его давним экспериментальным фаворитом среди квантовых физиков и материаловедов.

Но в области биологических сенсоров это скорее новичок. «Сам метод довольно интересный. Это новшество в том смысле, что в нем используется графен», — говорит Гюнтер Зек, физик Венского технического университета, не участвовавший в исследовании. В прошлом он работал с микроэлектродами и подозревает, что устройства на основе графена могут составить им реальную конкуренцию в будущем. Производство больших массивов микроэлектродов может быть очень сложным и дорогостоящим делом, говорит Зек, но изготовление больших листов графена может быть более практичным. Площадь нового устройства составляет примерно 1 квадратный сантиметр, но графеновые листы в тысячи раз больше уже имеются в продаже. Используя их для создания «камер», ученые могли отслеживать электрические импульсы в более крупных органах.

Уже более десяти лет физики знают, что графен чувствителен к электрическим напряжениям и полям. Но сочетание этого понимания с грязными реалиями биологических систем создало проблемы при проектировании. Например, поскольку команда не вставляла графен в клетки, им пришлось усилить влияние электрических полей клеток на графен, прежде чем записывать его.

Команда использовала свои знания о нанофотонике — технологиях, использующих свет в наномасштабе, — чтобы преобразовать даже слабые изменения в отражательной способности графена в подробную картину электрической активности сердца. Они наложили слой графена поверх волновода, стеклянной призмы, покрытой оксидами кремния и тантала, что создавало зигзагообразный путь для света. Как только свет попадал на графен, он попадал в волновод, который отражал его обратно в графен и так далее. «Это повысило нашу чувствительность, потому что вы проходите через поверхность графена несколько раз», — говорит Джейсон Хорнг, соавтор исследования и коллега Балча по лаборатории во время его докторской диссертации. «Если у графена есть какое-то изменение отражательной способности, то это изменение будет усилено». Это увеличение означало, что можно было обнаружить небольшие изменения в отражательной способности графена.

Самые популярные

Команде также удалось запечатлеть механическое движение всего сердца — сокращение всех клеток в начале сердечного сокращения и их последующее расслабление. Когда клетки сердца пульсировали, они тянулись к графеновому листу. Это привело к тому, что свет, покидающий поверхность графена, слегка преломлялся в дополнение к изменениям, которые электрические поля клеток уже влияли на его отражательную способность. Это привело к интересному наблюдению: когда исследователи использовали препарат-ингибитор мышц под названием блеббистатин, чтобы предотвратить движение клеток, их записи на основе света показали, что сердце остановилось, но напряжение все еще распространялось по его клеткам.

Одно из будущих применений графеновой «камеры» может заключаться в тестировании аналогичных лекарственных соединений, говорит Макгуайр. «Существует целый мир измерений фармацевтической безопасности, когда они хотят понять, как новое потенциальное лекарство влияет на клетки сердца», — говорит он. «Две важные вещи, которые они ищут, — это то, как это влияет на сократительную способность — силу и частоту биения клеток — и как это влияет на потенциал действия [напряжение]».

Большинство современных методов, добавляет Балч, требуют одновременного использования двух устройств, таких как электрод и тензодатчик, чтобы ответить на оба вопроса одновременно. Устройство ее команды, напротив, само записывает всю эту информацию.

Хотя графен, вероятно, останется важным игроком в области биодатчиков, новый дизайн потребует еще совместной работы физиков и биологов, прежде чем его можно будет использовать за пределами лаборатории. «У графена и других двумерных материалов действительно большие шансы для различных применений», — говорит Дмитрий Киреев, исследователь биоэлектроники из Техасского университета в Остине, не участвовавший в исследовании. «Вы можете комбинировать их, вы можете делать их изменчивыми и гибкими, и они не меняют своих свойств. Вы можете иметь их в естественных условиях, на коже, во всех видах приложений». В своем собственном исследовании он даже разрабатывает носимые графеновые «татуировки» для измерения пульса и уровня кислорода в крови.

Киреев говорит, что графен менее токсичен, чем многие существующие устройства с кремниевыми чипами, что делает его хорошим кандидатом на имплантацию, которую пациенты носят в течение более длительного периода времени для регистрации электрической активности в их сердце или мозге. По его словам, поскольку графен тонкий, но его нелегко сломать, он может хорошо подойти для человеческого тела, потому что он вряд ли вызовет реакцию иммунной системы, которая попытается построить на нем рубцовую ткань. «Тело понимает, когда внутри него что-то жесткое, что оно тебе не принадлежит, и пытается это вытолкнуть», — объясняет Киреев. «Графен настолько тонкий, что организм не воспринимает его как чужеродный».

В то же время сложность нового устройства, основанного на лазерах и других компонентах, необходимых для управления светом, кажется ему ограничением. Кирееву трудно представить, как именно вся «камера» могла бы взаимодействовать с пациентом, например, для определения электрической активности, связанной с аритмией или нерегулярным сердцебиением, или для изучения долгосрочных эффектов сердечных препаратов. По его словам, хотя способность устройства отображать все клетки сердца одновременно была бы преимуществом, его размер и сложность затрудняли бы его использование в любом случае.

Самое популярное

Хорнг соглашается, но считает, что громоздкую призму под графеном можно заменить на более компактный элемент управления светом, который, возможно, сделает устройство более компактным. быть портативным или даже вставленным в мозг. Он также считает, что точная настройка свойств волновода может сделать изображения, создаваемые устройством, более детальными и четкими.

Тем не менее, любые следующие шаги, вероятно, будут исходить от другой команды. С тех пор трое исследователей газеты закончили учебу и перешли к новым проектам. Сейчас Макгуайр работает инженером по медицинскому оборудованию, а Хорнг и Балч разрабатывают датчики на основе нанофотоники для приложений, не связанных с биологией. Тем не менее, они все еще в восторге от своего дизайна и ждут, смогут ли их преемники в Стэнфорде и Беркли продвинуть его вперед.