Содержание
Графен — материал будущего — Российское Общество «Знание»
Спикеры: Евгений Москалёв, доцент Санкт-Петербургского Государственного Института, Алексей Кудряшов
Спикеры в видео рассказывают, как добывают графен и в чем преимущества изделий, изготовленных из этого материала. Благодаря своим уникальным свойствам сегодня он широко применяется в разных сферах и демонстрирует высокую эффективность использования.
Преимущества графеновых фильтров для воды
Они способствуют ее полному очищению от разных примесей, болезнетворных бактерий и прочих элементов. Причем графеновый сорбент, через который пропускается жидкость, хорошо справляется с любой водой (морская, океаническая, речная и даже с примесями нефтяных продуктов), делая ее подходящей для питья, приравниваемой к родниковой.
Как получают графен
Этот материал создается путем соединения углерода, водорода и кислорода в различных соотношениях, которое образуется п
ри обработке графита окислителями.
Он представляет собой разновидность углеродистой структуры и является в 200 раз прочнее стали. Спикеры подчеркивают: “Графен такой прочный, потому что он представляет собой сетку из правильных шестиугольников, в вершинах которого расположены атомы углерода, такая идеальная кристаллическая решетка не пропускает ни жидкости, ни газы”. По структуре он чем-то напоминает пчелиные соты, поэтому хорошо пропускает жидкость. Проводимость тока этого материала превышает в миллион раз проводимость тока меди. Еще одна его особенность, позволяющая использовать этот материал повсеместно, — гибкость (он даже сворачивается в тонкие трубки).
Впервые его открыли в 2004 году ученые Константин Новоселов и Андрей Гейм, за что получили Нобелевскую премию. Причем для их открытия не понадобились лазеры, ускорители и другие профессиональные устройства — они взяли обычный карандаш, счистили графитовый стержень на скотч, приложили его к стеклу и получили графеновые частицы. На данный момент массовое производство изделий из графена (в частности, фильтров) не запущено, так как процесс его получения очень трудоемкий, длительный.
Специалисты утверждают, что если вывести изготовление графеновых фильтров на промышленный уровень, о хлорировании воды можно навсегда забыть. Поэтому многие связывают наше будущее с графеновыми технологиями.
Графен — новый тип сорбента
Графеновый материал отлично справляется с обеззараживанием жидкости и удалением из нее углеводородов. Созданные с его помощью фильтры применяются не только в быту для очищения питьевой воды в кувшинах, но и в хоккее. Благодаря им очищают воду, которая идет на заливку льда (так он становится белоснежным, чистым, более прочным и обеспечивает лучшее скольжение). Также графен показывает высокую эффективность в медицинской сфере. Он отлично справляется с выведением токсинов из организма (поэтому его используют как лекарство), применяется как лекарственное средство от ожогов.
Где еще используется графен
Его применяют не только при производстве фильтров для воды и в медицинских целях. С его помощью изготавливаются нанотрубки и другие изделия для автомобилей, компьютерные диски (графеновый слой делает их более емкими), телефоны с небьющимися экранами, космические скафандры, светящиеся обои.
Также графеновые материалы добавляют в пластмассу, машинное масло, строительные смеси для увеличения их прочностных свойств. Применяют его и при строительстве дорог (он делает покрытие более прочным и устойчивым перед воздействием внешних факторов).
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
Графен и графит
– Graphenea
“ Свойства графена – прозрачность, плотность, электрическая и теплопроводность, эластичность, гибкость, твердость, устойчивость и способность к химическим реакциям с другими веществами – таят в себе потенциал, чтобы развязать новую технологическую революцию более грандиозных масштабов, чем это привело к появлению электричества в 19 веке и появлению Интернета в 1990-х годах. ” — LarrainVial
В самых общих чертах графен можно описать как единый слой толщиной в один атом обычно встречающегося минерального графита; графит по существу состоит из сотен тысяч слоев графена. На самом деле структурный состав графита и графена, а также метод создания одного из другого немного отличаются.
Графит
Когда-то давно, когда вы учились в школе, вы, вероятно, встречали термин «грифель карандаша», относящийся к центральному стержню карандаша, который способен оставлять следы на бумаге и другом материале. На самом деле, вместо того, чтобы относиться к химическому элементу и тяжелому металлу, свинцу, это центральное ядро чаще всего делается из графита, смешанного с глиной. Ошибка возникла, когда он был впервые обнаружен, и в этот момент, поскольку он является формой углерода и имеет молекулярный состав, аналогичный другим членам углеродной группы (хотя в первую очередь из-за визуального сходства), он считался формой свинца.
Графит — это минерал, который в природе встречается в метаморфических породах на разных континентах мира, включая Азию, Южную Америку и некоторые части Северной Америки. Образуется в результате восстановления осадочных соединений углерода при метаморфизме. Вопреки распространенному мнению, химические связи в графите на самом деле прочнее, чем в алмазе.
Однако то, что определяет разницу в твердости двух соединений, — это структура решетки атомов углерода, содержащихся внутри; алмазы, содержащие связи в трехмерной решетке, и графит, содержащие связи в двумерной решетке (слои углеродных листов). Хотя в каждом слое графита атомы углерода содержат очень прочные связи, слои могут скользить друг относительно друга, что делает графит более мягким и податливым материалом.
Обширные исследования в течение сотен лет доказали, что графит является впечатляющим минералом, демонстрирующим ряд выдающихся и превосходных свойств, включая его способность хорошо проводить электричество и тепло, обладая высочайшей естественной жесткостью и прочностью даже при температурах, превышающих 3600 градусов по Цельсию, и он также очень устойчив к химическому воздействию и самосмазывающийся. Однако, несмотря на то, что он был впервые обнаружен более тысячи лет назад и впервые назван в 1789 году, промышленности потребовалось некоторое время, чтобы реализовать весь потенциал этого удивительного материала.
Графит является одним из трех встречающихся в природе аллотропов углерода (остальные — это аморфный углерод и алмаз). Разница между тремя встречающимися в природе аллотропами заключается в структуре и связи атомов внутри аллотропов; алмаз с кристаллической структурой алмазной решетки, графит с сотовой структурой решетки и аморфный углерод (такой как уголь или сажа) не имеют кристаллической структуры.
Хотя существует множество различных форм углерода, графит имеет исключительно высокое качество и является наиболее стабильным в стандартных условиях. Поэтому он обычно используется в термохимии как стандартное состояние для определения теплообразования соединений, состоящих из углерода. Он встречается в природе в трех различных формах: кристаллический чешуйчатый, аморфный и глыбовый или прожилковый графит, и в зависимости от его формы используется для ряда различных применений.
Как упоминалось ранее, графит имеет плоскую слоистую структуру; каждый слой состоит из атомов углерода, связанных вместе в гексагональной решетке.
Эти связи, или ковалентные связи, как их называют более технически, чрезвычайно прочны, а атомы углерода разделены всего на 0,142 нанометра. Атомы углерода связаны друг с другом очень прочными sp2-гибридными связями в один слой атомов, двумерно. Каждый отдельный двумерный слой атомов углерода, связанных sp2-связями, толщиной в один атом в графите разделен на 0,335 нм. По сути, кристаллическая чешуйчатая форма графита, как упоминалось ранее, представляет собой просто сотни тысяч отдельных слоев связанных атомов углерода, сложенных вместе.
««Свойства графена — прозрачность, плотность, электрическая и теплопроводность, эластичность, гибкость, твердость, сопротивление и способность генерировать химические реакции с другими веществами — таят в себе потенциал, чтобы развязать новую технологическую революцию более грандиозных масштабов, чем та, которая возвестила благодаря электричеству в 19 веке и развитию Интернета в 1990-х». — LarrainVial»
Графен
Итак, графен — это, по сути, один слой графита; слой sp2-связанных атомов углерода, расположенных в сотовой (гексагональной) решетке.
Однако графен обладает некоторыми впечатляющими свойствами, превосходящими свойства графита, поскольку он изолирован от своего «материнского материала». Графит, естественно, является очень хрупким соединением и не может использоваться в качестве конструкционного материала сам по себе из-за его отвесных плоскостей (хотя он часто используется для армирования стали). Графен, с другой стороны, является самым прочным из когда-либо зарегистрированных материалов, более чем в триста раз прочнее конструкционной стали A36, при 130 гигапаскалях и более чем в сорок раз прочнее алмаза.
Из-за плоской структуры графита его тепловые, акустические и электронные свойства сильно анизотропны, а это означает, что фононы гораздо легче перемещаются по плоскостям, чем при попытке путешествовать по плоскостям. С другой стороны, графен, представляющий собой единый слой атомов и обладающий очень высокой подвижностью электронов, предлагает фантастические уровни электронной проводимости благодаря наличию свободного пи (π) электрона для каждого атома углерода.
GFET-S10
(размер матрицы 10 мм x 10 мм)
Для зондирования применения
380,00 $
Высококонцентрированный оксид графена (концентрация 2,5 мас.%) для реализации этого высокого уровня электронной проводимости должно происходить легирование (электронами или дырками), чтобы преодолеть нулевую плотность состояний, которую можно наблюдать в точках Дирака графена. Высокий уровень электронной проводимости объясняется наличием квазичастиц; электроны, которые ведут себя так, как будто у них нет массы, подобно фотонам, и могут перемещаться на относительно большие расстояния без рассеяния (поэтому эти электроны известны как безмассовые фермионы Дирака).
Создание или выделение графена
Существует несколько способов, которыми ученые могут производить графен. Первым успешным способом получения однослойного и малослойного графена было механическое расслоение (метод клейкой ленты). Тем не менее, многие исследовательские институты по всему миру в настоящее время стремятся найти лучший, наиболее эффективный и действенный способ производства высококачественного графена в больших масштабах, который также является экономически эффективным и масштабируемым.
Ученые чаще всего создают однослойный или малослойный графен с помощью метода, известного как химическое осаждение из паровой фазы (CVD). Это метод, который извлекает атомы углерода из источника, богатого углеродом, путем восстановления. Основная проблема этого метода заключается в поиске наиболее подходящей подложки для выращивания графеновых слоев, а также в разработке эффективного способа удаления графеновых слоев с подложки без повреждения или модификации атомной структуры графена.
Другими методами создания графена являются: выращивание из твердого источника углерода (с использованием термоинженерии), обработка ультразвуком, разрезание открытых углеродных нанотрубок, восстановление диоксидом углерода, а также восстановление оксида графита. Этот последний метод использования тепла (с помощью атомно-силового микроскопа или лазера) для восстановления оксида графита до графена в последнее время получил широкую огласку из-за минимальной стоимости производства. Однако качество производимого в настоящее время графена не соответствует теоретическому потенциалу, и на его совершенствование неизбежно потребуется некоторое время.
Услуги Graphenea GFAB
Перейти к содержимому
Особенности
GFET-транзисторы, использующие высококачественный графен Graphenea
Особенности
Индивидуальные конструкции доступны по запросу
Особенности
Устройства готовы к вашей новой функционализации
Особенности
Датчик R2
Идеальное устройство
От устройств Plug & Play к интеграции в масштабе вафли
Graphenea Foundry следует модели чистого литейного производства. Мы воплощаем идеи и прототипы наших клиентов в реальность, следуя уникальной схеме вертикальной интеграции: мы выращиваем, транспортируем и перерабатываем наш графен под одной крышей. Это позволяет нам постоянно контролировать производственный процесс и поставлять высококачественные и надежные устройства на основе графена, адаптированные к вашим потребностям. Graphenea Foundry специализируется на биосенсорных, оптоэлектронных и фотонных приложениях.
Мы поддерживаем наших клиентов нашим опытом в производстве графена от раннего прототипирования до коммерциализации.
Ассортимент нашей продукции и услуг охватывает все потребности, связанные с графеном:
GFET
Ознакомьтесь с нашим ассортиментом твердотельных устройств для ваших экспериментов
Для проверки концепции выберите один из наших многочисленных проектов, доступных в нашем каталоге GFET: действительно plug & play устройства
Подробнее
MPW
Multiproject Wafer Run позволяет дешево и легко создавать прототипы
С помощью наших обычных MultiProject Wafer Run можно получать нестандартные устройства из сверхмалых объемов
Подробнее
GFAB
Расширьте масштаб своей технологии с помощью нашего литейного производства
Наша служба GFAB может расширить масштаб вашей технологии и вывести ее из лаборатории на рынок
Подробнее
ИНТЕРФЕЙСЫ
Эти устройства взаимодействуют со многими моделями GFET из нашего каталога, упрощая настройку измерений
Подробнее
Исследование графеновых устройств
Graphenea поставляет самые современные графеновые устройства непосредственно исследователям, что позволяет проводить прикладные исследования без дополнительной нагрузки, связанной с изготовлением высококачественных графеновых полевых транзисторов
БИОЭЛЕКТРОНИКА
Благодаря своей уникальной структуре и удивительным физико-химическим свойствам, включая высокую химическую инертность, большую удельную поверхность, высокую электропроводность и биосовместимость, графен имеет большой потенциал в биоэлектронике
ФОТОДЕТЕКТОРЫ
реализовать фотоприемники со сверхбыстрым фотооткликом в широком спектральном диапазоне от дальнего инфракрасного до ультрафиолетового излучения
ХИМИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ
Для многих приложений требуется способность обнаруживать химические вещества в воздухе или в воде, а требования к чувствительности возрастают.