Графен в домашних условиях новоселов: Как получить графен в домашних условиях (ВИДЕО) |

Содержание

Волшебный графен, который никак не выйдет за пределы лаборатории

Графен — удивительный своими свойствами и сложностью добычи материал. С тех пор как его в 2004 году впервые получили в британской лаборатории выходцы из России, масштабировать производство все никак не удается. В мире добывают либо крошечное количество высококачественного графена, либо промышленные объемы низкого качества с нюансами, которые частично испаряют волшебство материала будущего.

Почему так сложно получить чистый графен? Какие существуют технологии выделения графена? Где эксперименты демонстрируют его удивительные свойства уже сейчас? И почему эти волшебные характеристики так заводят ученых, что они не оставляют попыток его коммерциализировать?

Свойства любого материала зависят не только от того, какие химические элементы присутствуют в его составе. Также важно и пространственное расположение атомов. Алмаз и графит состоят из одних и тех же атомов углерода, однако первый используют для резки камня и бетона, а второй — в качестве грифеля для карандаша. Твердость алмазу придает плотная тетраэдрическая структура атомов. Графит на атомарном уровне представляет собой пласты в разных плоскостях, в которых атомы образуют шестиугольники.

Графен — двумерный. У него есть длина и ширина, а глубины как бы и нет. Это плоскость из атомов углерода, которые образуют кристаллическую решетку. И именно такая модификация обеспечивает его механическую гибкость, оптическую прозрачность, высокую теплопроводность и подвижность электронов. Это тончайшее вещество способно проводить электричество, а в будущем сгодилось бы для замены кремния в наноэлектронике.

Например, супербетон

Насколько широким может быть применение графена, демонстрирует исследование ученых из британского Исследовательского центра графена при Университете Эксетера. В 2018 году группа исследователей сделала намного более прочный по сравнению с традиционным бетон, добавив в него графен. Полученный таким образом композитный материал оказался на 146% прочнее на сжатие, а его теплоемкость была выше на 88%.

Ученые в лабораторных условиях отделяли от частиц графита графеновые слои с помощью высокоскоростной машины. Из полученного графена и жидкости делали суспензию. Чтобы графен не слипался в большие кучки, в эту суспензию добавили поверхностно-активное вещество.

Эту графеновую взвесь смешали с наиболее широко применяемым портландцементом, песком и заполнителем. Получившийся бетон залили в кубы со сторонами по 10 сантиметров, а потом выдержали в воде. По сравнению с контрольными бетонными кубами, в которых вместо графеновой суспензии использовали воду, у получившихся в лаборатории прорывных кубов был ряд интересных и перспективных свойств.

Во-первых, модуль Юнга — способность сопротивляться растяжению и сжатию при упругой деформации — выросла на 80,5%, прочность на сжатие составила уже озвученные 146%. У графеновых бетонных кубов в несколько раз упала водная проницаемость, а теплоемкость, наоборот, выросла на 88%. Все эти показатели варьировались в зависимости от концентрации графена в исходной суспензии.

Учитывая, насколько бетон распространен в строительстве современных зданий, улучшение свойств композитного материала сулит большие выгоды. Да, мы уже говорили, что добыть чистый графен крайне сложно. Но даже в «грязном» виде он может быть полезен для бетона.

Также графен может использоваться в качестве сенсорного слоя для тачскринов благодаря своей высокой электропроводности и прозрачности. Для сенсорных экранов смартфонов, стеклянных дверей морозильных камер и даже окон в кабине пилотов Airbus широко применяется тончайшая пленка из оксида индия-олова. Если не повысить эффективность использования индия или степень его вторичного использования, то запасы этого редкого металла могут быть исчерпаны в ближайшие десятилетия.

И графен мог бы принять эту эстафету и спасти мир если не от исчезновения сенсорных экранов, то от заметного подорожания смартфонов, поскольку другие альтернативы оксиду индия-олова обходятся недешево.

И все это лишь малая часть того, куда ученые пробуют приложить волшебные свойства графена. Эксперименты с краской для волос, которая остается устойчивой после 30 смывов. Большие надежды в солнечной энергетике из-за лучшей способности ловить фотоны. Упрочнение структуры асфальта с помощью графеновых добавок для решения одной из извечных российских проблем. Использование материала в аккумуляторах, фильтрах воздуха и опреснителях, суперконденсаторах, бронежилетах и гражданской одежде.

Но все это эксперименты на исключительно малых объемах или с грязным графеном, ожидания и хотелки. Приятно читать рассуждения ученых о том, что фантастика вскоре станет реальностью и квадратный метр графена будет весить как ус четырехкилограммовой кошки, отдыхающей на таком графеновом гамаке. Перед миром будущего, который хочет использовать графен, стоит сложная задача получения его в промышленных масштабах, в чистом виде и по разумной цене.

Графеновые нанотрубки?

Другое перспективное направление — углеродные нанотрубки. Это одностенные трубки, которые образованы из свернутого в цилиндр листа графена. В такой структуре электроны демонстрируют необычное движение, прыгают с места на место, оставляют положительно заряженные дыры. Но проводимость такой нанотрубки можно регулировать. А раз ток — это направленное движение электронов, то на основе нанотрубки можно получить высокочувствительный сенсор или фотодетектор, который будет преобразовывать оптический сигнал в направленное движение электронов — электрический сигнал.

Для этого российские ученые из Национального исследовательского университета МИЭТ с помощью фемтосекундного лазера (лазер с ультракороткими импульсами) смогли модифицировать структуру графеновой нанотрубки так, что одна ее часть обладает почти металлическими свойствами, а другая — свойствами полупроводника. Проводимость этой второй части нанотрубки зависит от света. Когда он на нее попадает, электроны от металлической части устремляются в другой конец — образуется электрический импульс.

Такой фотодетектор демонстрирует высокую чувствительность и быстродействие. А разработчики технологии полагают, что она может найти свое применение в наноразмерных оптоэлектронных устройствах, камерах с высоким разрешением и квантовых компьютерах.

Углеродные нанотрубки уже делают. Иногда удается вырастить в лаборатории целый лес рекордной высотой в 14 сантиметров на подложке, на которую из газовой фазы осаждается углерод. В России компания «Оксиал» производит углеродные нанотрубки в огромных количествах и успешно ими торгует. Но, по словам Константина Новоселова, одного из первооткрывателей графена, это немного не тот материал. Точнее, совсем не тот. Удивительные свойства графена обеспечивает его двумерная структура. Углеродные нанотрубки в промышленных масштабах — это масса довольно неорганизованных фрагментов нанотрубок. Они не обладают той же прочностью на разрыв, как отдельные нанотрубки, но практическое применение находят: их используют для создания велосипедных компонентов, более прочной наноэпоксидной смолы.

Сложно, дорого, мало

Нельзя сказать, что методы получения графена не продвинулись с тех пор, как Андрей Гейм и Константин Новоселов впервые отслоили его от графита с помощью простой липкой ленты. Но путь от лаборатории до реальной и эффективной технологии оказывается неблизким.

Получить графен в домашних условиях едва ли не проще, чем графеновый лист большой площади в лаборатории. Тут и там его добывают для изучения, но для настоящей революции необходимо автоматизированное производство нескольких килограммов в день или тонн в год.

В университетах, например, графен добывают из графита с применением серной или азотной кислоты. Процесс окисления приводит к тому, что между листами графена в графите появляются атомы кислорода. Происходит расщепление слоев и образование оксида графена в кислоте. После фильтрации остаются легковесные хлопья оксида графена. Из них надо вытравить кислород с помощью чрезвычайно токсичного гидразина.

Другой способ заключается в использовании метана. При высоких температурах (около 1000 градусов по Цельсию) метан вступает в реакцию с медью с образованием графена. Этот процесс называется химическим осаждением из паровой фазы. Он требует много времени для небольшой площади графена, качество которого оставляет желать лучшего. Этот метод совершенствуется, в газ добавляют примеси, что уменьшает температуры производства и улучшает качество графена. Также используют никелевую фольгу в качестве катализатора.

Последовательное отслаивание графита и графена с помощью клейкой ленты, кстати, также не забыто. Разработаны ленты, которые легче растворяются в воде. Но автоматизировать этот ручной труд практически невозможно.

В этом году химики из Университета Райса представили технологию получения графена из выброшенных автомобильных покрышек. Переработка покрышек — отдельная и серьезная проблема, так что их использование для получения графена выглядит перспективным.

Химики предложили сжигать шины с помощью мощных коротких (до секунды) электрических разрядов. Под действием разряда они превращаются в турбостратный графен с большим количеством дефектов.

Этот графен проверили при добавлении в портландцемент в количестве всего от 0,1 до 0,5 весового процента. После семидневного застывания бетон демонстрировал прочность на сжатие на 30% выше, чем традиционный бетон.

В научной литературе можно встретить еще тысячу и один способ получения графена (например, с использованием чана на 10 000 литров, смесителя и графита с выходом графена до нескольких сотен граммов в час). Однако все эти методы объединяет несколько факторов: сложность, энергозатратность, малый выход и нестабильное качество графена.

Электронные свойства графена крайне чувствительны к дефектам материала. Появление других атомов в структуре графена приводит к резкому и неожиданному изменению его свойств. Достаточно одного атома водорода, чтобы сделать графен магнитным. А окисление углеродных связей в материале делает его уязвимым в окружающей среде.

Некоторые методы анализа требуют уничтожения части графена, что совсем уж неприемлемо, ведь его с таким трудом добывают. Другие методы требуют дорогостоящего оборудования и специально обученных специалистов. И оптическими микроскопами не всегда обойдешься. Необходимо прибегать к электронной микроскопии, чтобы составить полную картину относительно графена.

17 лет — это много или мало? С момента открытия графена о нем написаны десятки тысяч научных статей как с теоретической точки зрения, так и по следам практических работ и экспериментов. Со стороны может показаться, что эта отрасль так и не сможет покинуть пределы лабораторий. Но слишком уж много надежд возлагается на графен. А человек, который сможет подарить его миру, станет в один ряд с Габером и Бошем, которые придумали, как в промышленных масштабах синтезировать аммиак.

Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!

Есть о чем рассказать? Пишите в наш телеграм-бот. Это анонимно и быстро

Перепечатка текста и фотографий Onliner без разрешения редакции запрещена. [email protected]

материал будущего, история открытия, физические и химические свойства, возможности применения, проблемы и прогнозы массового использования

Так выглядит структура графена – всего лишь один слой атомов углерода

Разные периоды человеческой истории тесно связаны с теми или иными материалами. За каменным веком наступила эпоха бронзы, которую потом вытеснило железо. Последние десятилетия стали «звездным часом» кремния, который подарил нам цифровую революцию и интернет. Мы стремительно входим в следующий технологический уклад и судорожно ищем новый материал, достойный служить его символом. Возможно, что им станет углерод, вернее, одна из его разновидностей – графен.

В последние годы этот материал постоянно на слуху. Графен называют – ни много, ни мало – самым важным открытием XXI века и не жалеют в его описаниях превосходных степеней. Адепты технического прогресса обещают нам новый дивный «графеновый» мир, в котором мы окажемся буквально завтра. В нем железо не будет ржаветь, люди смогут делать топливо из воздуха и пить воду прямо из океана. Ну и по мелочи: мы получим новое поколение электроники, сверхпрочную броню, колоссальной емкости аккумуляторы и прочая, и прочая, и прочая. Скептики, слушая восторженные спичи такого рода, лишь привычно и гадко ухмыляются. Действительно, «графеновую революцию» нам обещают уже лет пятнадцать лет, а пока нет даже приемлемого способа получения материала.

Так что же такое графен: реальный прорыв или очередной научно-технический фейл? Почему его открытие вызвало такую истерию, и какие «пряники» сулит нам использование этого материала? И почему оно до сих пор не началось?

Содержание

Химические и физические свойства

По химическому составу графен ничем не отличается от алмаза или графита – он состоит из тех же атомов углерода, вся «фишка» в их особом пространственном расположении. Именно оно приводит к колоссальному различию физических свойств. В традиционных материалах атомы упорядочены в трех измерениях, поэтому окружающие нас предметы имеют высоту, длину и ширину. Графен – это аллотропная модификация углерода, в которой атомы образуют двумерную гексагональную кристаллическую решетку толщиной всего лишь один атом. По сути, это просто единственный слой, «вытащенный» из объемного кристалла вещества – третьего измерения у него нет.

Графен – самый прочный из известных нам материалов

Графен – первый двумерный материал, полученный учеными. Благодаря такой уникальной атомарной структуре он может «похвастать» целым рядом удивительных свойств:

огромной теплопроводностью;
просто запредельной механической прочностью;
гибкостью;
высокой электропроводностью;
непроницаемостью для большинства жидкостей и газов;
прозрачностью.

Но самое поразительное другое: при своей атомарной тонкости графен абсолютно стабилен, он не распадается, хотя многие ученые не верили в это. Еще в 30-е годы выдающиеся физики Рудольф Пайерлс и Лев Ландау утверждали, что двумерные материалы будут неустойчивы и быстро разрушатся под действием внешних факторов. Оказалось, что атомы удерживаются вместе благодаря особым вибрациям.

Изучение этого чудо-материала продолжается, и он не устает удивлять исследователей. Так, например, недавно выяснилось, что двухслойный графен в определенном положении ведет себя как сверхпроводник, хотя раньше этого и не предполагали.

Открытие графена настолько воодушевило ученых, что буквально в течение десяти лет были получены еще три двумерных материала со схожими свойствами: силицен – на основе кремния, фосфорен – фосфора и германен – германия.

Как был открыт «материал столетия»?

Гипотеза о существовании двумерной формы углерода была выдвинута еще в XIX веке, но подтвердить ее фактически долгое время не получалось. В 1859 году Бенджамин Броуди впервые синтезировал оксид графена, но только в 1948 году с помощью электронного микроскопа удалось доказать чрезвычайно малую толщину этого материала. Позже ученые обнаружили, что среди кристаллов оксида графена попадаются частицы толщиной в один атом. В 70-е годы монослойный углерод пытались выращивать на различных металлических подложках.

«Крестным отцом» этого материала стал Ханс-Питер Бём, который в 1986 году предложил называть однослойный углерод графеном. В конце 90-х Йошико Охаши изучал электрические свойства тонких графитовых пленок толщиной в несколько десятков атомарных слоев.

Первооткрыватели графена – Гейм и Новоселов. В 2010 году за эту работу они получили Нобелевскую премию

Впервые получить графен удалось двум британским ученым российского происхождения – Андрею Гейму и Константину Новоселову. Для этого они использовали самые подручные материалы – кусок графита, обычный скотч ну и, конечно же, знаменитую русскую смекалку. Ученые наносили на липкую ленту небольшое количество графита, после чего ее много раз склеивали и расклеивали, каждый раз разделяя вещество пополам. Когда пятно становилось совсем прозрачным, полученный графен переносился на подложку. Позже этот способ назвали «методом отшелушивания».

В 2010 году Гейм и Новоселов получили Нобелевскую премию и весьма обидную кличку от журналистов – «мусорные физики». Ученые всего мира наконец-то смогли исследовать графен, ибо липкой ленты хватало в любой лаборатории. Это стало настоящим прорывом: по словам людей, которые занимаются данным вопросом, за последние годы мы узнали о двумерных материалах куда больше, чем за все предыдущее столетие. В сети вы легко найдете подробное описание метода Гейма и Новоселова и при желании сможете повторить его в домашних условиях.

Новая эра в электронике?

Графен – уникальный по своей электропроводности материал: его сопротивление на 35% меньше, чем у меди, а по подвижности носителей заряда он превосходит и кремний, и антимонид индия.

Существующие сегодня чипы памяти и микропроцессоры уже преодолевают технологические границы в 10 нанометров. Процесс дальнейшей миниатюризации представляет значительные сложности. Все громче раздаются голоса, что мы практически достигли пределов кремниевых чипов. Сегодня разработчики топчутся на тактовой частоте около 4 ГГц, не в силах обеспечить дальнейшее увеличение быстродействия.

На основе графена можно делать гибкие экраны электронных устройств. Скорее всего, это станет первой областью применения этого материала

Кремний всем хорош для микроэлектроники, но есть у него и существенный недостаток – низкая теплопроводность. С увеличением плотности элементов и ростом тактовой частоты это становится серьезным барьером для дальнейшего развития отрасли.

Правда, для изготовления полевого транзистора из графена нужно как-то создать в нем запрещенную зону, чтобы задавать два состояния, пригодных для двоичной логики: непроводящее и проводящее. Однако уже сегодня предложены несколько способов решения данной проблемы, и это позволяет надеятся на скорое появление подобных транзисторов. Инженеры полагают, что быстродействие графеновых микропроцессоров может быть на порядок выше существующих – на основе этого материала уже построены транзисторы, модуляторы, микросхемы, работающие на частотах выше 10 ГГц.

Помимо высокой электропроводности, графен отличается практически полной прозрачностью. Он поглощает всего лишь 2% света, причем в самом широком оптическом диапазоне. Список материалов, одновременно обладающих этими качествами, очень ограничен, и графен лучше их всех. Поэтому это идеальный материал для жидкокристаллических дисплеев. Кроме того, он отличается высокой механической прочностью, так что скоро вы сможете забыть о разбитых экранах смартфонов и ноутбуков. Мы уже можем получать материал подходящего качества, и сейчас вопрос стоит только в снижении его себестоимости.

Графен не только прочный и прозрачный, он еще и отличается прекрасной гибкостью – пластину из этого материала можно растянуть чуть ли не на 20%. Поэтому уже в ближайшем будущем нас точно ожидает эра гибкой электроники. Подобные девайсы уже не раз демонстрировались на выставках, но до коммерческого использования дело пока не дошло. Весьма активен в этом направлении корейский гигант Samsung.

Еще одной ожидаемой областью применения графена является производство различных измерительных устройств, датчиков, сенсорных систем. Например, газовые датчики из этого материала могут реагировать буквально на единичные акты адсорбции/реабсорбции молекул — то есть работать на пределе чувствительности для таких устройств. Еще в 2015 году специалисты из Американского химического общества (ACS) на основе графена разработали прототип тепловизора с высокочувствительной матрицей, не требующей охлаждения. В будущем это позволит создавать качественные и, главное, недорогие тепловизионные приборы и обычные телекамеры, способные вести съемку в полной темноте.

Графен – один из главных претендентов на смену кремния в микропроцессорах

Кто из нас не мечтал о новом смартфоне или ноутбуке с батареей, запаса которой хватало хотя бы на несколько дней? Очень может быть, что уже в ближайшем будущем это станет реальностью. Графен имеют максимальное отношение поверхности к объему, благодаря чему прекрасно подходит для аккумуляторов и суперконденсаторов.

Разработки в этом направлении ведутся самым активным образом. Несколько лет назад испанские инженеры сообщили о создании графенового аккумулятора для электромобилей, который может заряжаться всего за восемь минут, на 77% дешевле литиевых аналогов и в два раза легче их по весу. Разработчики утверждают, что заряда достаточно для 1000 километров пробега.

В 2017 году Институт передовых технологий Samsung (SAIT) заявил о создании революционной батареи на основе «графеновых шариков». Она, якобы, в несколько раз превосходит существующие аналоги по скорости зарядки и имеет на 45% большую емкость.

Тверже алмаза и легче перышка

Графен – самый прочный из известных нам материалов. По этому параметру он в двести раз превосходит сталь. Лист графена толщиной в один атом, выдержит давление острия карандаша, на другой стороне которого балансирует слон. А ученые из Georgia Tech пришли к выводу, что двухслойной пленке из этого материала не страшна даже пуля.

Понятно, что мимо таких способностей не могли пройти компании, занимающиеся военными разработками и защитным снаряжением. Уже появилось множество проектов графеновой брони, скафандров и легких бронежилетов. Правда, пока не совсем понятно, как из идеального двумерного материала сделать трехмерный, сохранив при этом его уникальные свойства.

На основе этого материал уже пробуют создать суперпрочные пластмассы и резину. Однако эти разработки пока находятся на начальном этапе.

Графен и проблема дефицита воды

Население планеты неуклонно растет, а количество водных ресурсов, наоборот, стремительно сокращается. Сегодня проблема нехватки питьевой воды не менее актуальна, чем проблема голода. И это при том, что ею покрыта большая часть поверхности земного шара. При чем тут графен, спросите вы?

Дело в том, что этот материал практически непрозрачен для большинства химических веществ, но воду он пропускает. Грубо говоря, фильтр с графеновой мембраной будет задерживать морскую соль, опресняя тем самым воду. Правда, неизвестно, насколько долговечным будет подобное устройство, ведь хлориды – очень агрессивные вещества. Ученым придется решить еще множество проблем на этом пути, но работы не прекращаются, ибо слишком уж заманчивы перспективы.

На основе графена можно делать уникальные фильтры, которые будут способны не только очищать воду, но и опреснять ее

Точно так же можно очищать воду от любых токсинов, ядов и радиоактивных загрязнений. С помощью графена предлагают даже фильтровать ядерные отходы.

На страже здоровья или перспективы в медицине

Графен поможет человечеству победить рак. Он способен находить клетки опухоли в организме. Это удивительное свойство обнаружили ученые из Университета штата Иллинойс. Феномен связан с разницей электрических потенциалов здоровых и раковых клеток, которую легко определяют частицы материала.

Однако графен способен не только находить опухоли, но и эффективно уничтожать их. Биологи из Университета Манчестера выяснили, что частицы оксида графена могут поражать стволовые раковые клетки, никак не влияя на здоровые.

Уверенно можно сказать, что одной из главных сфер применения графена станут различные биодатчики, кардиостимуляторы, протезы, элементы нейроинтерфейса. Например, на основе этого материала уже разработаны специальные полупрозрачные татуировки, способные показывать температуру тела и состояние кожи. Медики надеются, что в будущем подобные рисунки смогут измерять активность сердца, мозга, снимать другие важные показатели.

Возможно, что графен поможет залечивать переломы костей. Ученые из Университета Карнеги-Меллона создали на его основе биоразлагаемый материал, который привлекает стволовые клетки к месту перелома. Это значительно ускоряет процесс восстановления. Пока этот метод опробован только на мышах, так что до практического использования еще далеко.

Уникальные динамики, краска будущего и презервативы

Миллиардер и филантроп Билл Гейтс вложил круглую сумму в разработку презервативов из графена

Возможности применения графена фантастически широки – кажется, что он пригодится человечеству буквально везде. Достаточно добавить его и любой материал станет прочнее, долговечнее, устойчивее. Мария Шарапова играет ракеткой, выполненной из графена, строители хотят домешивать его в бетон, Билл Гейтс прилично вложился в создание сверхпрочных графеновых презервативов. Автопроизводители хотят делать из него кузова машин, а авиастроители – детали ракет и самолетов. Вот еще несколько примеров возможного использования материала:

Сейчас немецкие исследователи работают над специальной краской на основе графена, которая будет сигнализировать о возможных дефектах изменением цвета. Пока этот проект находится в начальной стадии, о его коммерческом использовании говорить рано;
Китайские ученые из Северо-Западного университета разработали покрытие на основе графена, которое защищает металлы от ржавчины. Причем, этот состав способен самовосстанавливаться после небольших повреждений;
В конце 2017 года исследователи из частного университета Райса представили общественности кроссовки с добавлением графена. Материал был использован при изготовлении подошвенной резины. Разработчики утверждали, что их обувь отличается повышенной износостойкостью и невероятно прочна. Кроме того, кроссовки поразили присутствующих своей эластичностью: их можно было легко гнуть, крутить и складывать;
На основе графена планируют создать новое поколение акустических систем. Современные динамики работают за счет генерации механических вибраций. Британские ученые показали, что графен способен издавать сложные и управляемые звуковые колебания при нагревании и охлаждении. Таким образом можно изготовить колонки, которые вообще не содержат движущихся деталей, при этом заметно уменьшив их размеры. В идеале такой динамик будет частью графенового экрана вашего телефона или другого устройства. Опытный образец имеет размер меньше ногтя, причем в него еще встроен эквалайзер.

Долгий путь между пробиркой и прилавком

Открытие графена нередко сравнивают с изобретением колеса, паровой машины, бумаги или транзистора. О росте интереса к графеновой теме можно судить по увеличению количества заявок на патенты: в 2010 году их было около 6 тыс. штук, а в 2016 – это число увеличилось до 50 тыс.

Больше всего заявок подали китайские компании и научные центры. В Поднебесной все, что связано с графеном пользуется огромной государственной поддержкой. Китай особо и не скрывает, что планирует забрать себе до 80% графенового рынка. Аналогичные программы поддержки отрасли существуют и в других странах. Почему же до сих не видно массовых графеновых технологий, несмотря на очень серьезные финансовые вливания в эту отрасль? Тому есть серьезные причины.

В настоящее время используется несколько способов получения графена, которые, в принципе, уже обеспечивают промышленные объемы этого вещества. Довольно серьезной проблемой является качество полученных образцов, а именно от него во многом зависят свойства и функционал материала. И если для красок или композитов вполне сгодится дешевый хлопьевидный графен, полученный химическим путем, то для высокочастотной электроники необходимо качественное сырье с минимумом дефектов и примесей.

К сожалению, пока не существует установленных стандартов качества графена, из-за чего страдает отрасль в целом. Недавно было проведено исследование продукции 60 компаний, которые, якобы, предлагали графен. Однако вместо него в образцах был обнаружен дешевый графит, к тому же содержащий еще и примеси других веществ.

В последние годы графен стремительно дешевеет

В принципе, нынешнее положение дел очень напоминает ситуацию на заре компьютерной эры, когда были огромные трудности с получением чистого кремния. Однако они уже давно решены.

Себестоимость графена неуклонно падает. Сегодня пластинка материала площадью 1 кв. см стоит меньше одного евро. Эксперт утверждают, что к 2022 году его цена упадет еще на порядок. Однако проблемы все еще остаются. Наибольшую трудность представляет процесс переноса графеновой пластины на ту или иную подложку – а это едва ли не основное требование для начала массового промышленного производства. Вероятно, что сначала мы получим графеновые экраны, затем дело дойдет до электронных устройств и различных детекторов. Другие, более экзотичные варианты применения материала, скорее всего, – дело ближайших десятилетий.

Внутри любого современного мобильного телефона «содержится» более двадцати Нобелевских премий, часть из которых была присуждена еще в середине 60-х годов. То есть, от идеи до ее воплощения прошло более пятидесяти лет. Графену не исполнилось еще и пятнадцати, а на рынке уже есть товары, содержащие этот материал. Так что графен не опаздывает, он, наоборот, опережает время.

Справочник по графену | Graphene-Info

Graphene-Info с гордостью представляет Справочник по графену, издание 2022 года. Эта книга представляет собой всеобъемлющее руководство по графеновой технологии, промышленности и рынку . Графен — самый прочный и проводящий 2D-материал в мире, который произведет революцию в целых отраслях.

Читая эту книгу, вы узнаете все о:

Свойствах графена
Различные методы производства
Возможные области применения графена
Последние исследования графена
Текущий рынок графеновых материалов и продуктов
Основные проблемы графена
Другие многообещающие двумерные материалы

Книга по графену также содержит:

Инвестиции в развитие графена
руководство
Введение в метрологию и стандартизацию графена
Полный список компаний, занимающихся графеном
Руководство по другим аллотропам углерода

Справочник по графену представляет собой отличное введение в мир графена и охватывает все, что вам нужно знать о графеновой промышленности, рынке и технологиях. Это бесценное руководство для инженеров-материаловедов, разработчиков бизнеса, исследователей, поставщиков оборудования, компаний, производящих графеновые материалы, частных инвесторов и всех, кто хочет больше узнать о графене сегодня и в будущем.

Купить за $97
Оплата кредитной картой / PayPal
Мгновенная цифровая загрузка
Печатная версия (149,99 долл. США)
Лицензия Enterprise (600 долл. США)

Содержание

Введение…………….. …………………………………………. …………………..

Об авторе……………… …………………………………………. ……………..

Что такое графен? …………………………………………. ………………………………..

Чем так интересен графен? . ………………………………………… ……………………………

Свойства графена … …………………………………………. ………………………………..

Материалы на основе графена …. …………………………………………. ………………………………

Графеновые подложки (работа с графеном)… …………………………………………. ………………………………..

Функционализация графена ……………………………….. ……………………………………….

Графен как подложка для наночастиц ……………………………….. ………………………………………….

Включение запрещенной зоны графена . ………………………………. ………………………………………

Усилия по стандартизации графена . …………………………………………. ………………………..

Измерения и характеристики графена ………………………………………… ……………..

О воздействии графена на окружающую среду и здоровье человека …………………. …………………………

Производство графена ………… …………………………………………. ………………………………

Контроль качества графена ……. …………………………………………. ……………………………..

Применение графена … …………………………….. …………………………

Дисплеи ………… …………………………………………. …………………………………………. …….

Токопроводящие чернила ……………………………….. …………………………………………. ………………..

Композитные материалы …………………. …………………………………………. ………………………..

Покрытия и краски ……………………………….. …………………………………………. ……..

Тепловые применения графена ………………………….. ………………………………………….

Контейнеры для энергии . …………………………………………. …………………………………………. ……..

Мембраны ……………………………….. …………………………………………. ………………………..

3D-печать ……………………………….. …………………………………………. ………………..

Датчики ………………………. …………………………………………. ………………………………………

Электроника ………………………………………………………. …………………………………………. ……………

Производство энергии ………………………. …………………………………………. …….. ……………………

Фотоника/Оптика ………………………………. …………………………………………. ……….

Медицина и биология …………………. …………………………………………. ……………

Смазочные материалы …………………. …………………………………………. ………………………………

Спинтроника …….. …………………………………………. …………………………………………. ……

Рынок графеновых материалов ……………………………….. ……………………………

Листы графена (графен большой площади) …………… ……. …………………………………… ……

Графеновые чешуйки/ВНП ……………………………….. …………………………………………. ……..

Оксид графена ……………………………….. …………………………………………. ………………….

Графеновые ленты ……………………………….. …………………………………………. ……….

Графеновые чернила ………………………….. …………………………………………. ……………………..

Графеновые квантовые точки (ГКТ) …………… …………………………………………. ……………

Графеновые композиты ………. ………… …………………………………………. ……………….

Графеновые полевые транзисторы (GFET) ……………………………….. …………………………………………. ..

Материал Прогнозы рынка ……………………………….. ………………………………………….

Продукция с графеном на рынке ……………………………….. ……….

Спортивный инвентарь ………………………….. …………………………………………. ……………….

Графеновые шины ……………………………….. …………………………………………. ……………

Графеновые чернила . ……………………… …………………………………………. …………………………

Графеновые мембраны для аудиоустройств …….. …………………………………………. ………

Графеновые сенсоры ………………………….. …………………………………………. ……………….

Аккумуляторы энергии ……………………………….. …………………………………………. …

Инвестиции в графен ……………………………….. ………………………………

Чистые графеновые компании …. …………………………………………. ………………………..

Добыча графита . …………. …………………………………………. ………………………………..

Крупные публичные компании ……………………………….. …………………………………………. ..

Производители производственного оборудования ……………………………….. ………………………………

Крупные графеновые проекты ….. …………………………………………. ……………

Графеновый флагман …………………. …………………………………………. ……………….

Британские инвестиции в графен ……………………………………… …………………………………

Материал для чипов нового поколения IBM водить машину . ………………………………………… …………………………

Корейский фонд поддержки графена в размере 40 миллионов долларов ……… …………………………………………. …

Основные проблемы с графеном ……………………………….. ………………………..

Массовое производство и себестоимость ……………………………….. ………………………………………….

Работа с листами графена ……………………………….. ………………………………………….

Стандартизация …………………………………………. …………………………………………. ………..

Приложения . …………………………. …………………………………………. ……..

Приложение A: Глоссарий ………………………………… …………………………………………. …….

Приложение B: Другие аллотропы углерода …………………. ……………………………

Приложение C: Другие перспективные 2D материалы ………………………………………………………. …………..

Приложение D: Список компаний …………………. …………………………………………. ………….

Может ли графен стать новым кремнием? | Физика

Почему-то кажется уместным, что правительство может основывать некоторые из своих надежд на восстановление экономики на веществе толщиной в один атом. Рассматриваемое вещество — графен — в 200 раз прочнее стали, некоторым кажется, что оно предназначено для того, чтобы выдерживать вес почти чего угодно — но план А Джорджа Осборна? Это действительно сделало бы его чудо-материалом.

Тем не менее, канцлер оторвался от конференции тори в Блэкпуле в сентябре, чтобы посетить Манчестерский университет, духовный дом графена, и объявить об инвестициях в размере 50 миллионов фунтов стерлингов. Некоторые считают графен инновацией, которая окажется такой же революционной, как кремниевый чип или даже пластик, которые он может заменить. Плакатная кампания вокруг Манчестера в настоящее время напоминает вам о том, что промышленная революция зародилась в городе в начале 19 века.век. Двести лет спустя задача состоит в том, чтобы сохранить «графеновую революцию» и на северо-западе.

Сидя в своей университетской лаборатории, Константин Новоселов, один из членов команды лауреатов Нобелевской премии по физике 2010 года, которая «открыла» графен, перебирает превосходные степени своего материала — уникально прочного и гибкого и лучшего проводника электричества из когда-либо найденных — с некоторой забавной гордостью, прежде чем объяснить его происхождение. Графен был не столько моментом озарения, сколько озарением через год или два, но с тех пор, как он был впервые обнаружен, восклицательные знаки продолжают появляться. Однако они начали с карандашного грифеля и рулона скотча.

В 2004 году Новоселов, 37-летний житель Уральских гор с невозмутимым умом, был исследователем электропроводности в аспирантуре в отделе, которым руководил его соотечественник, русский эмигрант Андрей Гейм. «В нашей лаборатории всегда было принято заниматься побочными проектами, — вспоминает он. «Мы работали над проблемами микроскопического электромагнетизма в течение дня, но у нас было несколько проектов в нерабочее время, в основном для развлечения».

В то время Андрей Гейм, вероятно, был наиболее известен своим экспериментом «Левитация лягушки». Это показало, что если вы поместите маленьких амфибий между двумя большими электромагнитами, они бросят вызов гравитации и будут плавать в воздухе. Этот эксперимент принес ему Шнобелевскую премию (присужденную за самое приятное и бессмысленное исследование года; Гейм остается единственным лауреатом Шнобелевской премии и настоящей работы).

В том же духе обитателей водоемов, живущих в воздухе, Гейм и его команда задумались о создании 2D-вещества или вещества толщиной в один атом. Как-то в пятницу вечером, как и вы, они говорили о возможности создания трансформатора из металла, а не из полупроводника, такого как кремний. Очевидным материалом для проверки этой гипотезы был графит, поэтому они потратили некоторое время, пытаясь найти самый тонкий кусок графита, чтобы посмотреть, сработает ли он.

За несколько недель у них было несколько попыток. Однажды Гейм купил очень дорогой кусок графита и попросил китайского студента-исследователя отполировать его на станке. Студент вернулся на следующий день с очень дорогим мешком, полным пыли.

Примерно в то же время лаборатория получила микроскоп, который позволял видеть атомные структуры, и команде Гейма нужна была очень четкая структура, на которую можно было бы смотреть. Графит снова был очевидным выбором, и, как вспоминает Новоселов, они обнаружили, что лучший способ подготовить гладкую поверхность на графите «состоит в том, чтобы использовать кусок скотча и просто счищать им любые остатки, пыль или дерьмо, которые были на поверхности». Это».

В какой-то момент, снова размышляя о гипотезе металлического транзистора, кто-то сказал: «Почему бы нам не взглянуть на то, что осталось на ленте», которую они выбрасывали. «Итак, — вспоминает Новоселов, — мы проверили это, и самый первый образец работал почти как транзистор». В течение года, теперь работая в основном полный рабочий день, команда улучшала проводимость графита, делая его все тоньше и тоньше, пока не дошла до того, что конечная цель состояла в том, чтобы получить что-то толщиной в один атом. ранее немыслимая цель. «Мы много работали в области микроэлектроники, но казалось очень маловероятным, что что-то толщиной в один атом может быть стабильным», — говорит Новоселов.

Более пристальный взгляд на графен и его применение. Щелкните здесь, чтобы увидеть удобочитаемое изображение графика.

Все еще используя усовершенствование техники скотча, последовал еще один «долгий и довольно приятный процесс, проверка свойств, расчеты, изучение физики»; и в конечном итоге был получен 2D-графит. Новоселов и Гейм были удивлены, увидев, что он не только сохранил связанную структуру, подобную куриной сетке, но также имел явно уникальное симметричное расположение электронов, повышающее проводимость. О свойствах графена было объявлено в 2004 г.

Гейм и Новоселов знали, что на что-то наткнулись, но были удивлены, обнаружив бурю, которую вызвало это открытие. «Мы не знали, что огромное сообщество людей во всем мире уже работает над проблемой, которую мы решили», — предполагает Новоселов. «Мы были новичками. Но почти сразу начали накапливаться бумаги».

Новоселов и Гейм, Крик и Ватсон графена, быстро начали видеть возможности этого материала. «Это была новая физика для нас и для всех», — говорит Новоселов. Вскоре заговорили о том, что он создает все, от сверхпрочных самолетов до складных сенсорных экранов толщиной с бумагу, о графене, заменяющем стекло — он совершенно прозрачен — и улучшающем пластик, и революционизирующем все, от нанохирургии до жилищного строительства.

Ни одна из этих возможностей не была опровергнута последующими экспериментами с графеном, но технология остается настолько новой, что очень мало практических применений находится даже на стадии прототипа (в какой-то момент Новоселов показывает мне маленький квадрат графена, покрытый слоем толщиной примерно с целлофан, что переключает от непрозрачного до прозрачного с применением электричества через пару зажимов бульдога — но это все, что нужно).

Графен может быть образован уникальными связями, но синергия между исследованиями и применением, между университетом и промышленностью все еще далеко не так тесна, как могла бы быть. Я полагаю, университеты и корпорации тратят деньги на исследования графена в других частях мира?

«Да, — говорит Новоселов, — но дело не только в деньгах. До 50 миллионов фунтов у нас было не больше, чем у любой другой лаборатории, но мы все равно держались впереди. Это больше времени, чем денег». Если вы думаете, что можете сделать новый тип транзистора и сразу же установить его в свой компьютер, предлагает он, то вы ошибаетесь. Чтобы интегрировать это в существующую технологию, не говоря уже о том, чтобы начать формировать новую технологию, потребуются годы, если не десятилетия. Он указывает на пример с кремнием. «Первому транзистору было может быть 1947, кремний появился шестью или семью годами позже, а затем еще 10 или 20 лет до появления интегральных схем». 2D-технологии может потребоваться еще больше времени, чтобы стать должным образом коммерческим, но он не сомневается, что в конечном итоге это произойдет.

Одно из намерений из 50 млн фунтов стерлингов вложено в создание «графенового центра» вокруг манчестерской лаборатории, чтобы интегрировать исследования в передовую британскую промышленность.В настоящее время выводы команды не выходят далеко за пределы университета на северо-западе. проводить регулярные семинары для обсуждения вопросов, которые начинались только с двумя из них, но теперь, возможно, около 50 человек из разных научных дисциплин принимают участие, делятся знаниями и поднимают вопросы Телевизионный астрофизик профессор Брайан Кокс, работающий в университете, Я не сомневаюсь, что графен совершит революцию в мире, — говорит он, — и это будет лучшее место в мире для его исследований и коммерциализации, если что инвестиции используются должным образом…»

В настоящее время обсуждается, как именно будут использованы инвестиции. Новоселов хотел бы в первую очередь открыть свой семинар для более коммерческой аудитории. «Мы переходим от первых принципов к прототипированию, но если вы бросите в эту комнату людей из отрасли, вы можете довольно быстро перейти к производству».

Они, конечно, не одиноки в попытках вывести графен на рынок. Для начала они думали о том, чтобы попытаться запатентовать или зарегистрировать товарный знак на материал или, по крайней мере, на некоторые из своих технологий. Гейма разуверил в этом гендиректор «ведущей мировой телефонной компании», вспоминает Новоселов. «Андре был на конференции в США довольно рано. Он встретил этого парня и упомянул идею интеллектуальной собственности. Ему сказали: «Мы знаем, что этот материал существует, и мы проводим собственные исследования по нему. Конечно, вы можете запатентовать его». это, если хотите, но если графен — это половина материала, который, как мы думаем, мы поместим на него 100 патентных поверенных, и вы потратите остаток своей жизни и ВВП вашего маленького острова, пытаясь бороться за него».

Новоселов все равно сомневается, что защита знаний ускорит технологию должным образом. В какой-то степени он должен быть с открытым исходным кодом. Если они собираются создать графеновый хаб, предполагает он, то сам хаб должен быть чем-то вроде прототипа — для эффективного обмена знаниями на конкурентном рынке. Не секрет, что европейские университеты не так хороши в таких партнерских отношениях, как американские университеты и университеты Дальнего Востока; кроме того, Британии не хватает коммерческого научного опыта в этих областях для быстрой разработки продуктов, по сравнению, скажем, с Силиконовой долиной. «Мы все еще находимся в таком положении, когда мы точно не знаем, что им нужно, а они точно не знают, что у нас есть», — говорит Новоселов. «Это расстраивает. Мы не хотим, чтобы представители промышленности пришли к нам и просто сказали, расскажите нам, что вы знаете, мы хотим работать в партнерстве».

Новоселов полагает, что Нобелевская премия сработала в качестве средства повышения престижа, но 50 миллионов фунтов стерлингов сработали лучше: «За последние несколько недель после объявления об этом у нас было больше контактов с крупными компаниями, чем за все годы до этого. .» По его словам, с 2004 года лаборатория потратила на исследования в общей сложности около 6 миллионов фунтов стерлингов, примерно половина из которых была получена за счет европейских грантов, а остальная часть — за счет проектов с южнокорейскими и американскими корпорациями. Новоселов надеется, что государственные деньги привлекут к проекту больше передовых ученых, обратив вспять «незначительную утечку мозгов» на Дальний Восток.

Чувствует ли он груз ответственности, как потенциальный спаситель британской экономики?

Он смеется. «В некоторой степени. Помните, что 50 миллионов фунтов стерлингов в глобальном масштабе — это не огромная сумма денег. Для нас это хорошие деньги, но правительство тратит их в мгновение ока на количественное смягчение или на несколько миль нового дорога или что-то в этом роде. Но что касается графена, я уверен, что у нас что-то будет…»

Это та вера, которая заставляет Новоселова работать долгие часы (хотя с двухлетними дочерьми-двойняшками дома спать не всегда легко).