Материал графен: Уникальное вещество и его применения – Наука – Коммерсантъ

Инновационная одежда с графеном: будущее или настоящее? — Новости и статьи

У него рекордная теплопроводность и хорошая электропроводность, он двухсоткратно прочнее стали и считается одним из самых перспективных материалов будущего. Графен. Что же это за материал, почему его первооткрыватели получили Нобелевскую премию и как он применим в мерче? Разбираемся в этой статье.

Пандемийные годы обострили нашу тревожность по поводу респираторных инфекций и усилили социологический тренд заботы о здоровье. Помимо вынужденного тренда на маски, санитайзеры и всевозможные товары с антибактериальным покрытием, стал активнее развиваться и рынок инновационной одежды. Она способна согреть, снизить риск простуды и защитить от переохлаждения — но совсем не стандартным «многослойным» способом.

Кроме мембранной технологии, уже давно и широко применяемой при изготовлении одежды, на рынке постепенно появляется и одежда с использованием графена. В ассортименте «Проекта 111» она представлена в брендах Thermalli и Manevr. Что же это за материал?

Графен: свойства и области применения

В 2010 году Нобелевский комитет при Шведской королевской академии наук присудил премию по физике Андрею Гейму и Константину Новоселову за «новаторские эксперименты, касающиеся двухмерного материала графена». Так что же это за уникальный материал такой — графен? Если вкратце, графен — двухмерный материал, представляющий собой пленку углерода толщиной в один атом.

Фото: Transhumania

Дело в том, что углерод может существовать во множестве кристаллических модификаций — в виде алмаза, карбина, графита, фуллеренов и нанотрубок. И каждая из этих форм имеет свои особые свойства. Что такое алмаз, уголь и графит, известно всем, а вот карбин — это линейный полимер углерода. Молекулы карбина представляют собой длинные тонкие цепочки из углеродных атомов; фуллерены — полые молекулы, имеющие форму выпуклого замкнутого многогранника и состоящие из большого (до 560-ти) числа атомов углерода; а нанотрубки — состоящие из атомов углерода вытянутые полые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких микрон. Графен же — это, собственно говоря, пленка углерода толщиной в один атом, имеющая строго упорядоченную гексагональную кристаллическую структуру. Таким образом, графен можно считать развернутой в плоскость одностенной нанотрубкой, или двухмерным фуллереном, или же отдельно взятым атомарным слоем из множества таких слоев, составляющих кристалл графита.

Представьте себе материал в миллион раз тоньше листа писчей бумаги. Казалось бы, он должен быть крайне непрочным. Ничего подобного! Гексагональная кристаллическая структура — своего рода плоские пчелиные соты из атомов углерода — придает графену гибкость, прочность, эластичность, а главное — высокую стабильность, в том числе и при комнатной температуре.

Фото: Transhumania

Уникальность графена в том, что он обладает такой же структурой, как и полупроводники, при этом он сам проводит электричество — как проводники. А еще у него высокая подвижность носителей заряда внутри материала. Поэтому графен в фото- и видеотехнике обнаруживает сигналы намного быстрее, чем другие материалы. Графен обладает хорошей теплопроводностью, гибкостью и упругостью, он на 97% прозрачный. При этом, графен — самый прочный из известных материалов: он конкурирует по прочности со сталью и своим «родственником» алмазом.

Фото: Transhumania

Уже сейчас из-за уникальных физико-химических свойств графен применяется при производстве легких и прочных теннисных ракеток, электронных устройств и умной одежды, а его биосовместимость позволяет считать разработки в области медицины очень перспективными. Также у графена интересные оптические свойства, поэтому он является передовым материалом для создания оптических инструментов, работающих одновременно в широком диапазоне частот — от видимого света до терагерцового или даже микроволнового излучения. Но вернемся к тем областям, где графен уже успешно используется — к умной одежде.

Технологичная одежда Thermalli

Молодой французский бренд Thermalli (владелец: компания Uno Apparel Europe, основанная в 2002 году в Сингапуре, штаб-квартира расположена в Париже) в разработке линейки технологичной одежды сделал акцент на электро- и теплопроводность графена. Графеновые подушки, или вставки из углеродного волокна, добавлены на куртках и жилетах в ключевых зонах потери тепла — на спине, на шее и на груди, в зависимости от модели. Подушки вшиты под подкладку и практически незаметны, их вес также минимален.

В целом, маркетинговый посыл бренда Thermalli вполне можно перенести и на месседж подарка: с помощью технологичной, легкой и теплой одежды сделать жизнь людей, живущих в холодном или неблагоприятном климате, комфортнее и теплее. Ведь ощущение тепла, физическое и метафорическое, одно из базовых чувств для нас с вами.

Инновационная технология подогрева на базе графена решает несколько задач: обеспечивает постоянный источник тепла и убирает тяжесть традиционной многослойной теплой одежды, снимая дополнительную нагрузку с позвоночника.

Графен позволяет быстро и эффективно проводить волновые импульсы и увеличивать коэффициент обогрева. Графеновые подушки соединены электрическими кабелями с аккумулятором (рекомендуем использовать внешние аккумуляторы емкостью 5000 мАч и выше), обогрев идет по принципу технологии «теплого пола». Разъем подключения к аккумулятору расположен в кармане. Кнопки подогрева в базовой линейке выведены снаружи в зоне груди и спрятаны внутрь в премиальной серии.

Новинка коллекции — премиальная модель Everest, где, помимо зон подогрева, добавлен массажный элемент в воротнике. Три режима массажа помогут не только согреться, но и расслабить мышцы шеи. Лаконичный светоотражающий элемент в задней нижней части куртки — дополнительная забота о безопасности в темное время суток.

Кстати, может возникнуть вопрос: не создается ли в процессе работы аккумулятора в тандеме с графеновой подушкой какое-либо электрическое или магнитное поле, возможны ли волновые эффекты и не повредит ли это здоровью? Например, хотя графен и не имеет прямого постоянного контакта с кожей, безопасно ли использование такой одежды для людей с кардиостимуляторами? Команда Thermalli позаботилась о безопасности и протестировала всю линейку одежды с подогревом, а также снабдила все новые модели (в ассортименте «Проекта 111» это Everest и младше) сертификатом безопасности RoHS, который обычно используется в области бытовой электроники.

Manevr: модный и инновационный бренд

В ассортименте бренда Manevr также представлена куртка с внутренним графеновым покрытием. В отличие от Thermalli, разработчики Manevr обратили внимание на другое свойство графена — водонепроницаемость. Тесные атомные связи графена делают его непроницаемым для почти всех газов и жидкостей. Но молекулы воды являются единственным исключением. Это означает, что куртка может быть как дышащей, так и водонепроницаемой.

В унисекс модели Shtorm из графена выполнено внутреннее покрытие, которое обеспечивает сохранение тепла и предохраняет от влаги. Подкладка выполнена из полиэстера, так что прямого контакта графена с кожей не происходит. Дополняют защитные функции куртки прорезиненные молнии и проклеенные швы.

Одежда с подогревом — актуальный и современный подарок или элемент мерча. Да, его отнюдь не назовешь бюджетным, но в случаях, когда решает не бюджет, а стратегия и работа на долгой дистанции — стоит обратить внимание на современные технологичные бренды. Такая одежда носится годами, и все это время работает на вас и на ваш бренд, увеличивая лояльность покупателей. Возможно, это не затраты на подарки, а инвестиции в сотрудничество?

Источники:

1. Science. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films (англ.)

2. РБК. Что такое графен и как он изменит нашу жизнь? (рус.)

3. Science Direct. Graphene based materials: Past, present and future (англ.)

4. Dezeen. Vollebak launches first graphene jacket that acts as a radiator (англ.)

5. Forbes. Битва за графен (рус.)

Удивительный материал графен


«Если мы не будем беречь святых страниц своей родной истории, то похороним Русь своими собственными руками». Епископ Каширский Евдоким. 1909 г.

  • Новости краеведения
  • Наша библиотека
    • Наш архив
    • Аннотации
  • Богородский атлас
  • В помощь краеведу
  • Фотогалерея
  •  
  • Люди Богородского края
    • Объемные списки
    • Родословные
  • Богородский Некрополь
  •  
  • У церковных стен
    • Пимен
  • Богородские староверы
  •  
  • Власть и общество
  • Война и армия
    • 1812 год
    • Первая мировая
    • Великая Отечественная
  • Народное хозяйство
  • Социум
  •  
  • Воспоминания, дневники
  • Наши путешествия
  • Труды наших земляков
  •  
  • Богородск-Ногинск
  • Балашиха
  • Каменка-Электроугли
  • Купавна
  • Обухово
  • Орехово-Зуево
  • Павловский Посад
  • Черноголовка
  • Щёлково
  • Электросталь

24 декабря 2010 года


Люди Богородского края
Социум
Черноголовка

Из газеты: Окна. Еженедельное приложение к газете «ВЕСТИ». 21 октября 2010 г. Израиль. Тель-Авив.

Михаил Вартбург

4-е измерение. Рубрику ведет Рафаил Нудельман

 

Нобелевская премия по физике за 2010 год присуждена совместно Андрею Гейму и Константину Новоселову за основополагающие исследования двумерного материала графена.

Андрей Гейм

Константин Новосёлов

Последняя важная новость, касающаяся графена, появилась в журнале «Nature Nаnоtechnologу» в июне 2010 года. Южнокорейские ученые под руководством Джонг Хиюн Ана впервые сумели создать листы графена размером 76 см по диагонали. Чтобы оценить это достижение, нужно вспомнить, что первые, полученные шесть лет назад, образцы этого вещества имели совсем микроскопические размеры. Лишь спустя пять лет ученым из Техаса удалось получить сантиметровые графеновые листочки. Оказалось, что для этого нужно пропускать высоко нагретую смесь метана с водородом над медной поверхностью. Горячий газ вступает в реакцию с медью и оставляет на ней тончайший, одно-атомный слой углерода (это и есть графен) размером несколько сантиметров. На этот слой кладут полимерную наклейку, а медь химически удаляют, и остается сантиметровых размеров листик графена на подложке. А вот теперь АН сделал еще один шаг по пути упрощения этого процесса, перейдя к химическому напылению углерода, и в результате, как я уже сказал, впервые получил листы графена такого размера, что они пригодны для изготовления прозрачных сенсорных (отвечающих на прикосновение) экранов.

Впрочем, во всем, что касается графена, назвать какое-то сообщение последней новостью было бы весьма опрометчиво. С момента открытия графена группой Гейма — Новоселова в 2004 году исследования этого материала расширяются так стремительно, что новые сообщения появляются чуть ли не каждую неделю (в 2009 году число соответствующих публикаций составило уже полторы тысячи). Однако пока что ни одна из этих новостей не имеет того принципиального значения, которое имели исследования Гейма — Новоселова, так что не случайно именно эта пара недавних выходцев из России, ныне работающих в Манчестерском университете, получила Нобелевскую премию по физике за 2010 год.

Решение Нобелевского комитета сформулировано точно — и осторожно: «за основополагающие исследования двумерного вещества графен». Именно за основополагающие исследования (groundbreaking ехреriments), но не за открытие, потому что сами «основоположники» признают, что графен, вообще говоря, никто не открывал. Любой кусочек слоистого графита, того, что в наших карандашах, состоит из миллионов плоских, толщиной в один атом, слоев углерода, лежащих друг на друге и связанных довольно слабыми электрическими силами. Каждый такой плоский слой атомов углерода толщиной один атом — это и есть пресловутый графен. Поэтому, когда мы пишем карандашом и с его острия сходят почти невидимые чешуйки графита (этому легкому отслаиванию способствуют, кстати, не только слабые силы между слоями, но и внедрившиеся между ними атомы воды и воздуха), мы сами непрерывно производим на свет графеновые листочки, только не по одному, а «пакетиками». Другое дело, что в каждом таком «пакетике» находятся миллионы листков. Это не преувеличение: толщина отдельного графенового листа составляет примерно 0,15 нанометра, и поэтому нужно уложить друг на друга 7 миллионов (!) таких листочков, чтобы получить чешуйку графита толщиной 1 мм.

Представление о том, что слоистый графит состоит из таких двумерных (толщиной в один атом) слоев, существовало уже чуть не с середины XIX века. Позднее рентгенографически было обнаружено, что эти атомы образуют гексагональную (шестигранную) плоскую решетку, в которой они находятся на расстоянии 0,142 нанометра друг от друга (раза в три меньше, чем расстояние между каждыми двумя слоями). А в середине XX века с помощью электронного микроскопа были получены первые изображения такой решетки, подтвердившие эти представления. Тогда же начались — долгое время неудачные — попытки изолировать отдельные графеновые слои. Как я уже (сказал, это впервые удалось только Гейму и Новоселову, которые применили для получения таких слоев метод последовательного отделения от чешуйки графита всех ее слоев.
Этот необычный прием подсказало случайное знакомство с методикой подготовки графитовых образцов для электронной микроскопии (там их поверхность зачищают обыкновенным скотчем). И вот, соскоблив скотчем множество слоев графита, Гейм и Новоселов обнаружипи при рассмотрении в микроскоп, чго в получившейся груде соскобов имеются также отдельные изолированные графеновые слои. (Кстати, обнаружить их тоже помогла счастливая случайность — использование в качестве подложки при рассмотрении соскобов некого специального материала. Положи они их на другой материал, могли бы и не заметить.)Это и был тот прорыв, за которым последовала описанная выше эпопея поисков все более совершенных методов получения графена. Как писал один из комментаторов, «после прорыва Гейма — Новоселова физики оказались во власти графеновой истерии». Уточним — они были в ее власти уже за несколько лет до того, еще когда начались упомянутые выше попытки получить и изучить отдельные графеновые слои. Эти настойчивые попытки были продиктованы одним важным обстоятельством. Теория твердых тел, объясняющая свойства вещества на основе квантовых законов поведения составляющих его микрочастиц, давно уже предсказала, что физические свойства изолированных двумерных слоев углеродных или иных атомов (сейчас выделены уже в свободном виде двумерные слои нитрида бора, некоторых сложных окислов, слюды и т. д.) должны быть весьма и весьма своеобразны, а возможно, и крайне полезны на практике. (Эти слои называются двумерными, то есть не имеющими толщины, потому что понятие «толщина» к одноатомному слою, не имеющему «соседей» ни сверху, ни снизу, т. е. не имеющему третьего измерения, явно неприменимо.)

Причина этого своеобразия, как показали теоретические расчеты Уолласа (1947), Семенова (1984) и других, состоит в том, что атомы в двумерной (плоской) решетке, в отличие от ато мов в решетке трехмерной (объемной), образуют такую специфическую и уникальную систему энергетических уровней, что электроны в них ведут себя, как лишенные массы заряды — нечто вроде заряженных фотонов. Фотон, напомню, — это электрически нейтральная частица (квант) света, которая не имеет массы покоя, потому что движется с предельной скоростью (если бы у него была хоть какая-то масса покоя, то при такой скорости она стала бы бесконечной). В отличие от настоящих фотонов электроны в графене, конечно, имеют и заряд, и массу покоя, но движутся так, будто ее нет (хотя и при самых обычных скоростях). Движение таких безмассовых микрочастиц (какова бы ни была их скорость) уже не описывается законами обычной квантовой механики. Такие частицы подчиняются законам т.н. квантовой, или релятивистской, электродинамики, сочетающей в себе квантовую механику с теорией относительности, открытой Эйнштейном. Вот эти законы как раз и предсказывают,что в графене с его безмассовыми электронами должны обнаруживаться весьма удивительные эффекты, которых нет при движении обычных электронов и которые поэтому физики не могли раньше наблюдать.

Теперь, когда после работ Гейма — Новоселова и их последователей в распоряжении экспериментаторов появились изолированные слои графена с их релятивистскими электронами, проверка всех этих предсказаний стала возможной, и это вызвало ту лавину лихорадочных исследований, которую комментатор назвал истерией. И кстати, огромная, быть может основная, заслуга Гейма и Новоселова состояла в том, что они и здесь оказались пионерами: первыми найдя способ получения изолированного графена, они первыми же провели ряд «groundbreaking ехреriments», показавших, что в этом материале действительно наблюдаются эффекты, предсказанные релятивистской теорией безмассовых электронов. Так, в 2005 году они обнаружили в графене т. н. квантовый эффект Холла. Эффектом Холла физики называют процесс, происходящий в любом проводнике, когда по нему в направлении оси Х течет ток, а перпендикулярно к току, вдоль оси У, накладывается сильное магнитное поле. В обычном проводнике такое наложение порождает появление электрического поля вдоль третьей оси 2. Напряжение этого электрического поля Холла, деленное на величину тока, дает т. н. сопротивление Холла, которое в трехмерных (объемных) проводниках плавно меняется при изменении магнитного поля. А вот в двумерных слоях оно меняется скачками, «квантованно», — это и есть квантовый эффект Холла, существование которого в графене показали Гейм и Новоселов. (Кстати, эта их работа имеет не только большое значение для теории твердых тел, но и любопытный выход в практику. Дело в том, что квантовое сопротивление Холла, как показывает теория, выражается через некоторые фундаментальные физические константы, так что измерение его величины позволяет эти константы уточнить. Такая возможность существовала и раньше, в специальных, искусственно созданных условиях, но в графене такие измерения впервые оказалось возможным сделать при обычной температуре и небольших магнитных полях.)

Уникальные особенности графе на проявились и в другом релятивистском эффекте, который те же Гейм и Новоселов впервые наблюдали в 2006 году, а Ким и Юнг из США — более полно — в 2009 году. Речь идет о т. н. парадоксе Клейна. Это явление, согласно теории, должно наблюдаться при подходе свободно движущегося электрона к отталкивающему электрическому полю. Преодоление этого поля равносильно преодолению некого энергетического барьера. Квантовые свойства электрона (сочетание в нем характеристик частицы и волны) дают ему, как показывает теория и подтверждают эксперименты, некоторую вероятность войти в такой барьер (проникнуть внутрь поля) и даже просочиться сквозь него на другую сторону, но эта вероятность быстро спадает при увеличении высоты барьера. Парадокс Клейна состоит в том, что для релятивистского (т. е. безмассового) электрона вероятность прохождения сквозь такой барьер, напротив, увеличивается с ростом высоты барьера, постепенно приближаясь к единице, как будто чем барьер выше, тем все более прозрачным он становится. Причина этого странного явления состоит в том, что поле, отталкивающее электрон, в то же время является притягивающим для электронной античастицы — позитрона (и тем более притягивающим, чем поле сильнее, т. е. чем выше барьер). По законам релятивистской электродинамики волновые свойства частицы и ее античастицы связаны друг с другом, и вот эта связь в конечном счете помогает электрону оказаться по другую сторону барьера (и тем вероятнее, чем поле сильнее). Такое парное взаимодействие частиц и античастиц интересно еще и потому, что аналогичные пары наблюдаются также в некоторых ядерных и астрофизических явлениях, в частности, например, на поверхности черных дыр. До последнего времени прямая демонстрация парадокса Клейна считалась совершенно невозможной. Теперь, в графене, и это удалось успешно сделать, причем в довольно простом лабораторном эксперименте, не понадобилось даже к черной дыре лететь. Восторг теоретиков нетрудно себе представить. Их «истерию» легко понять.

Впрочем, не менее лихорадочное возбуждение графен вызывает и у физиков-экспериментаторов, особенно у «прикладников», нацеленных на практические применения. Их, понятно, взволновала не столько возможная роль графена как релятивистского полигона на лабораторном столе, сколько его парадоксальные электрические, механические, оптические и прочие свойства вроде высокой проводимости в сочетании с высокой прозрачностью, его огромной, в 200 раз больше стали, прочности
(которая объясняется очень сильной связью между атомами углерода в двумерной решетке) в сочетании с необыкновенной способностью изгибаться и так далее. Проводимость графеновых слоев оказалась ограниченной только наличием неизбежных дефектов в его двумерной решетке. Поэтому, прилагая к графеновому листку внешнее электрическое напряжение, можно создать в нем рекордной плотности электрические токи. При этом такой листок, благодаря своей тонкости (напомним — это плоский
слой толщиной в один атом) поглощает всего два с небольшим процента падающего на него света — остальной проходит насквозь. Это сочетание высокой проводимости с почти полной прозрачностью делает графен многообещающим материалом для широкого диапазона электронно-оптических приборов.

В недавнем большом обзоре («Nature Photoniks», №4, 611-622, 2010) группа специалистов подробно рассказала о замечательных перспективах графена в этих областях. Прежде всего, эта прозрачность графена в сочетании с высокой проводимостью, гибкостью и прочностью открывает путь к его широкому применению в качестве сенсорных экранов, которые нужны повсюду, от домашних телевизоров и до лэптопов и «айпедов» фирмы «Аррlе». Фирма «Samsung» обещает через 2-3 года перейти на такие графеновые экраны. Не менее важное применение, пишут авторы обзора, графен может найти в фотоячейках, напрямую превращающих солнечную энергию в электрическую. Обратное превращение — электрической энергии в световую — происходит в светоизлучающих диодах (два электрода с люминесцентным слоем между ними), где под влиянием электрического тока возникает люминесценция, и здесь графен, если верить расчетам, тоже обещает «выдать рекорд» — на этот раз по выходу количества света на единицу объема.

Далее, благодаря наличию у графена некоторого поглощения света, в него можно накачивать световую энергию, но он крайне быстро насыщается и излучает эту энергию обратно в виде короткой световой вспышки. Это открывает путь к его использованию в качестве нового материала для сверхбыстрых лазеров, область применения которых поистине необозрима — от фундаментальных физических исследований до операций на глазах. Кстати, если говорить о такой «прозе жизни», как глаза, то графен может найти еще одно поле применения в т. н. оптических ограничителях, которые защищают глаза (и некоторые приборы) от слишком ярких вспышек света. Такие ограничители делаются из материалов, которые резко уменьшают пропускание света при резком повышении его яркости, а в графене прохождение интенсивной световой вспышки как раз и вызывает резкое уменьшение количества пропускаемого света.

Второй широкой областью, где графен может развернуться, вытесняя нынешние материалы, является вся полупроводниковая электроника, сегодня основанная на кремнии. Сами графеновые листки, как уже говорилось, — это квазиметалл — как, кстати, и графит с его довольно заметной проводимостью, только в отличие от графита графен прозрачен. Но, как вскоре выяснилось, полоски, на которые сегодня уже научились разрезать достаточно большой лист графена, обладают удивительным свойством — они могут быть как проводниками, так и полупроводниками, в зависимости от специфики энергетических уровней в них. А это, учитывая гибкость и прочность, позволяет надеяться, что такие графеновые полосы удастся применить .[ля создания любых электронных схем на полупроводниках- Фирма IВМ уже продемонстрировала недавно первый мощный транзистор на графене.

Добавим к этому, что чисто механические свойства графена (те же гибкость и прочность в сочетании с легкостью) обещают оказаться полезными для создания различных гибридных материалов, сочетающих высокую гибкость и прочность с другими необходимыми (в каждом конкретном случае) свойствами, — и мы поймем, какие огромные, поистине фантастические надежды возлагаются на этот удивительный материал. Недавно в Интернете кто-то даже задал вопрос, нельзя ли будет применить графен для постройки космического лифта между Землей и Луной, мысль о котором когда-то выдвинул писатель-фантаст Артур Кларк. Профессор Майкл Каку, которому был задан этот вопрос, на него не ответил, но зато перечислил некоторые другие, не менее головокружительные возможности использования графена: создание легчайших и прочнейших, а к тому же еще электропроводящих пластиков и тканей, чувствительнейших химических детекторов (даже отдельные молекулы примесей, застрявшие в решетке графена, способны изменить его проводимость, что позволяет их обнаружить), конденсаторов повышенной емкости — и так далее, и так далёе.

И еще одна, совсем уж неожиданная область применения графена — это биология. Не так давно китайские исследователи сообщили, что графеновые пленки обладают бактерицидными свойствами, так что можно будет применять их в качестве непроницаемой для бактерий упаковки продуктов и лекарств. Другая группа экспериментаторов сумела свернуть листок графена в нанотрубку и упаковать в нее живую бактерию, — эти исследователи полагают, что такая защита позволит получать более четкие электронные снимки бактерий, не повреждая их усиленным пучком электронов. Уже предпринимаются попытки использовать графеновые пленки для детектирования и распознавания бактерий. И наконец, энергично обсуждается возможность применения графена в новейшем методе расшифровки структуры ДНК путем протягивания этой молекулы через нанопору.

Конечно, все эти чудесные дары графена в основном пока еще в будущем. Но тут уместно процитировать самого Андрея Гейма. Когда его спросили, не рано ли за графен дали Нобелевскую премию, он ответил: «Нет, не рано. Внимательно посмотрите решение Нобелевского комитета: там сказано — за свойства, а не за применение, которого еще нет. Резерфорду в 1908 году тоже дали премию не за то, что он создал атомный реактор, а за то, что он показал, какой интересной и многообещающей является атомная наука». Что ж, может быть, и графен сыграет в будущем не меньшую роль, чем открытие Резерфорда, как в фундаментальной науке, так и в полезной человечеству практике. Будем надеяться и с нетерпением ждать.


Отправка письма в техническую поддержку сайта

Ваше имя:

E-mail:

Сообщение:

Все поля обязательны для заполнения.






▲





приложений и способов использования графена
– Graphenea

Применение и использование графена

Графен, широко разрекламированный и теперь известный двумерный аллотроп углерода, является таким же универсальным материалом, как и любой другой, обнаруженный на Земле. Его удивительные свойства как самого легкого и прочного материала по сравнению с его способностью проводить тепло и электричество лучше, чем что-либо еще, означают, что его можно интегрировать в огромное количество приложений. Первоначально это будет означать, что графен используется для улучшения характеристик и эффективности существующих материалов и веществ, но в будущем он также будет разработан в сочетании с другими двумерными (2D) кристаллами для создания еще более удивительных соединений, подходящих еще более широкий спектр приложений. Чтобы понять потенциальные применения графена, вы должны сначала понять основные свойства материала.

Впервые искусственно получен графен; ученые буквально взяли кусок графита и разрезали его слой за слоем, пока не остался только 1 слой. Этот процесс известен как механическое отшелушивание. Полученный в результате монослой графита (известный как графен) имеет толщину всего 1 атом и, следовательно, является самым тонким материалом, который можно создать, не становясь нестабильным при воздействии элементов (температуры, воздуха и т. д.). Поскольку графен имеет толщину всего 1 атом, можно создавать другие материалы, смешивая слои графена с другими соединениями (например, один слой графена, один слой другого соединения, за которым следует еще один слой графена и т. д.). эффективно использовать графен в качестве атомных каркасов, из которых создаются другие материалы. Эти недавно созданные соединения также могут быть превосходными материалами, как и графен, но потенциально могут иметь еще больше применений.

2D Materials

После разработки графена и открытия его исключительных свойств неудивительно, что интерес к другим двумерным кристаллам существенно возрос. Эти другие 2D-кристаллы (такие как нитрид бора, диселенид ниобия и сульфид тантала (IV)) можно использовать в сочетании с другими 2D-кристаллами для почти неограниченного числа применений. Так, например, если вы возьмете составной диборид магния (MgB2), который известен как относительно эффективный сверхпроводник, а затем чередуете его чередующиеся атомные слои бора и магния с отдельными слоями графена, это повысит его эффективность как сверхпроводника. Или, другим примером может быть случай объединения минерального молибденита (MoS2), который можно использовать в качестве полупроводника, со слоями графена (графен является фантастическим проводником электричества) при создании флэш-памяти NAND, чтобы разработать флэш-память, которая будет намного меньше и гибче, чем современные технологии (как было доказано группой исследователей из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) в Швейцарии).

Единственная проблема с графеном в том, что высококачественный графен — отличный проводник, у которого нет запрещенной зоны (его нельзя отключить). Поэтому, чтобы использовать графен для создания будущих наноэлектронных устройств, в него необходимо будет встроить запрещенную зону, что, в свою очередь, уменьшит его подвижность электронов до уровней, наблюдаемых в настоящее время в напряженных кремниевых пленках. По сути, это означает, что в будущем необходимо провести исследования и разработки, чтобы графен заменил кремний в электрических системах в будущем. Однако недавно несколько исследовательских групп показали, что это не только возможно, но и вероятно, и мы рассматриваем месяцы, а не годы, пока это не будет достигнуто хотя бы на базовом уровне. Некоторые говорят, что таких исследований следует избегать, поскольку это сродни превращению графена в нечто, чем он не является.

В любом случае, эти два примера — лишь верхушка айсберга только в одной области исследований, тогда как графен — это материал, который можно использовать во многих дисциплинах, включая, помимо прочего, биоинженерию, композитные материалы, энергетические технологии и нанотехнологии.

Применение

Биологическая инженерия

Биоинженерия, безусловно, будет областью, в которой графен станет жизненно важной частью в будущем; хотя некоторые препятствия необходимо преодолеть, прежде чем его можно будет использовать. Текущие оценки показывают, что только в 2030 году мы начнем широко использовать графен в биологических приложениях, поскольку нам все еще нужно понять его биосовместимость (и он должен пройти многочисленные испытания на безопасность, клинические и нормативные испытания, которые, проще говоря, потребуют очень долгое время). Однако свойства, которые он демонстрирует, предполагают, что он может произвести революцию в этой области несколькими способами. Графен обладает большой площадью поверхности, высокой электропроводностью, тонкостью и прочностью, что делает его хорошим кандидатом для разработки быстрых и эффективных биоэлектрических сенсорных устройств, способных контролировать такие параметры, как уровень глюкозы, уровень гемоглобина, холестерина и даже секвенирование ДНК. В конце концов мы можем даже увидеть искусственный «токсичный» графен, который можно использовать в качестве антибиотика или даже противоракового средства. Кроме того, благодаря своему молекулярному составу и потенциальной биосовместимости его можно использовать в процессе регенерации тканей.

Узнайте больше о новой линейке графеновых полевых транзисторов Graphenea для биосенсоров здесь.

Оптическая электроника

Одной из конкретных областей, в которой мы вскоре начнем использовать графен в коммерческих масштабах, является оптоэлектроника; особенно сенсорные экраны, жидкокристаллические дисплеи (LCD) и органические светоизлучающие диоды (OLED). Чтобы материал можно было использовать в оптоэлектронных приложениях, он должен быть способен пропускать более 90% света, а также иметь электропроводные свойства, превышающие 1 x 106 Ом1м1, и, следовательно, низкое электрическое сопротивление. Графен является почти полностью прозрачным материалом и способен оптически пропускать до 97,7% света. Он также обладает высокой проводимостью, как мы упоминали ранее, и поэтому он будет очень хорошо работать в оптоэлектронных приложениях, таких как сенсорные ЖК-экраны для смартфонов, планшетных и настольных компьютеров и телевизоров.

В настоящее время наиболее широко используемым материалом является оксид индия-олова (ITO), и развитие производства ITO за последние несколько десятилетий привело к созданию материала, который может очень хорошо работать в этом приложении. Однако недавние испытания показали, что графен потенциально способен соответствовать свойствам ITO даже в нынешних (относительно неразвитых) состояниях. Кроме того, недавно было показано, что оптическое поглощение графена можно изменить, регулируя уровень Ферми. Хотя это не кажется большим улучшением по сравнению с ITO, графен демонстрирует дополнительные свойства, которые могут позволить разработать очень умную технологию в оптоэлектронике путем замены ITO графеном. Тот факт, что высококачественный графен обладает очень высокой прочностью на растяжение и является гибким (с радиусом изгиба менее 5-10 мм, необходимых для скручиваемой электронной бумаги), делает почти неизбежным, что вскоре он станет использоваться в этих вышеупомянутых приложениях. .

Что касается потенциальных электронных приложений в реальном мире, мы можем в конечном итоге ожидать появления таких устройств, как электронная бумага на основе графена с возможностью отображения интерактивной и обновляемой информации и гибких электронных устройств, включая портативные компьютеры и телевизоры.

«Графен — это материал, который можно использовать во многих областях, включая биоинженерию, композитные материалы, энергетические технологии и нанотехнологии».

Рекомендуемые товары

GFET-S10
(размер размер 10 мм x 10 мм)
для применений для чувствительности
380,00 $

Окись с высокой концентрацией графена (2,5 мас.% (1 см x 1 см)
80.00$

Ультрафильтрация

Еще одним выдающимся свойством графена является то, что он пропускает через себя воду, но почти полностью непроницаем для жидкостей и газов (даже относительно небольших молекул гелия). Это означает, что графен можно использовать в качестве ультрафильтрационной среды, выступающей в качестве барьера между двумя веществами. Преимущество использования графена заключается в том, что он имеет толщину всего в 1 атом и может также использоваться в качестве барьера, который электронным образом измеряет напряжение и давление между двумя веществами (среди многих других переменных). Группе исследователей из Колумбийского университета удалось создать однослойные графеновые фильтры с размером пор всего 5 нм (в настоящее время усовершенствованные нанопористые мембраны имеют размер пор 30–40 нм). Хотя эти размеры пор чрезвычайно малы, поскольку графен очень тонкий, давление во время ультрафильтрации снижается. В то же время графен намного прочнее и менее хрупкий, чем оксид алюминия (в настоящее время используется для фильтрации менее 100 нм). Что это значит? Что ж, это может означать, что графен разработан для использования в системах фильтрации воды, системах опреснения и создания эффективного и экономически более жизнеспособного биотоплива.

Композитные материалы

Графен прочный, жесткий и очень легкий. В настоящее время аэрокосмические инженеры используют углеродное волокно в производстве самолетов, так как оно очень прочное и легкое. Однако графен намного прочнее и легче. В конечном итоге ожидается, что графен будет использован (вероятно, интегрирован в пластики, такие как эпоксидная смола) для создания материала, который сможет заменить сталь в конструкции самолета, повысив эффективность использования топлива, дальность полета и снизив вес. Благодаря своей электропроводности его можно даже использовать для покрытия поверхности самолета, чтобы предотвратить электрические повреждения в результате ударов молнии. В этом примере то же графеновое покрытие можно использовать для измерения скорости деформации, уведомляя пилота о любых изменениях уровней нагрузки, которым подвергаются крылья самолета. Эти характеристики также могут помочь в разработке приложений с высокими требованиями к прочности, таких как бронежилеты для военнослужащих и транспортных средств.

Фотогальванические элементы

Обладая очень низким уровнем поглощения света (около 2,7% белого света), а также высокой подвижностью электронов, графен может использоваться в качестве альтернативы кремнию или ITO при производстве фотогальванических элементов. Кремний в настоящее время широко используется в производстве фотогальванических элементов, но хотя кремниевые элементы очень дороги в производстве, элементы на основе графена потенциально гораздо менее дороги. Когда такие материалы, как кремний, превращают свет в электричество, он производит фотон на каждый произведенный электрон, а это означает, что много потенциальной энергии теряется в виде тепла. Недавно опубликованное исследование доказало, что когда графен поглощает фотон, он фактически генерирует несколько электронов. Кроме того, в то время как кремний способен генерировать электричество из определенных диапазонов длин волн света, графен может работать на всех длинах волн, а это означает, что графен может быть столь же эффективным, если не более эффективным, чем кремний, ITO или (также широко используемый ) арсенид галлия. Гибкость и тонкость означает, что фотоэлектрические элементы на основе графена можно использовать в одежде; для подзарядки мобильного телефона или даже в качестве модернизированных фотогальванических оконных экранов или штор для питания вашего дома.

Хранение энергии

Одной из областей исследований, которая очень хорошо изучается, является накопление энергии. В то время как все области электроники развивались очень быстрыми темпами в течение последних нескольких десятилетий (со ссылкой на закон Мура, который гласит, что количество транзисторов, используемых в электронных схемах, удваивается каждые 2 года), проблема всегда заключалась в хранении энергии. в батареях и конденсаторах, когда он не используется. Эти решения для хранения энергии развиваются гораздо медленнее. Проблема вот в чем: батарея потенциально может хранить много энергии, но ее зарядка может занять много времени, конденсатор, с другой стороны, может заряжаться очень быстро, но не может удерживать столько энергии (сравнительно говоря ). Решение заключается в разработке компонентов для хранения энергии, таких как суперконденсатор или батарея, которые способны обеспечить обе эти положительные характеристики без компромиссов.

В настоящее время ученые работают над расширением возможностей литий-ионных аккумуляторов (путем включения графена в качестве анода), чтобы обеспечить гораздо большую емкость с гораздо лучшим сроком службы и скоростью зарядки. Кроме того, графен изучается и разрабатывается для использования в производстве суперконденсаторов, которые могут заряжаться очень быстро, но при этом могут хранить большое количество электроэнергии. Микросуперконденсаторы на основе графена, вероятно, будут разработаны для использования в приложениях с низким энергопотреблением, таких как смартфоны и портативные вычислительные устройства, и потенциально могут быть коммерчески доступны в течение следующих 5-10 лет. Литий-ионные батареи с усиленным графеном можно использовать в приложениях с гораздо более высоким энергопотреблением, таких как электромобили, или их можно использовать, как литий-ионные батареи сейчас, в смартфонах, ноутбуках и планшетных ПК, но при значительно меньших размерах и весе.

 

 

Graphenea недавно запустила новую услугу в отрасли — GFAB; Изготовление графена. Полностью индивидуальная печать графеновых схем на пластинах размером до 6 дюймов. Свяжитесь с нами сегодня для получения подробной информации или узнайте больше о GFAB здесь.

Графен: свойства, производство и применение

Графен — это материал, состоящий из двумерного массива атомов углерода. Атомы располагаются в гексагональной решетке, напоминающей сотовую структуру.Графен можно рассматривать как бесконечно большую ароматическую молекулу и один слой углеродно-графитовой структуры.

Гексагональная структура графена. Автор Yikrazuul (Обсуждение) [общественное достояние], через Викисклад.  

Открытие и синтез

Существование графена было предсказано еще в 1940-х годах, однако только в 2004 году были впервые синтезированы однослойные листы графена. Этого добились Андрей Гейм и Константин Новоселов, которые в 2010 году получили за свое открытие Нобелевскую премию по физике. Их метод синтеза, названный «методом скотча», был удивительно прост. Монослои графена можно было изолировать простым механическим расслоением графита: отрывом одного слоя от основной массы с помощью клейкой ленты.

Тем временем были разработаны другие методы производства графена. К ним относятся обработка ультразвуком и центрифугирование графита в жидкости для создания дисперсии графена, синтез из сахара, называемый «метод Танг-Лау», восстановление карбида кремния и эпитаксиальный рост с помощью химического осаждения из паровой фазы (CVD).

Графен стал широко исследуемым материалом не только из-за открытия методов синтеза, но и из-за его впечатляющих свойств. Научный интерес к этому материалу значительно вырос с момента его первого выделения в 2004 году и продолжает расти.

Количество опубликованных за год научных статей, содержащих ключевое слово графен. Данные были собраны с сайта www.sciencedirect.com 2 ноября 2018 г.

С графеном обычно обращаются либо в виде дисперсии, либо на подложке, либо в виде порошка оксида графена. Независимо от формы поставки сам материал обладает многими выдающимися свойствами, включая электронные, оптические, термические и механические свойства. Многие необычные свойства графена связаны с тем, что его толщина составляет всего один атомный слой.

Механические свойства

Графен — чрезвычайно легкий материал с плоскостной плотностью 0,77 мг/м 2 . Он также имеет самую прочную и твердую кристаллическую структуру из всех известных материалов. Он имеет предел прочности при растяжении 125 ГПа и модуль упругости 1,1 ТПа по сравнению с модулем упругости 200 ГПа для наиболее распространенной стали. Прочность на разрыв 42 Н/м; таким образом, механическая прочность графена в 100 раз выше, чем у стали.

Оптические свойства

Графен очень прозрачен для видимого света с прозрачностью 97,7 %. Это используется при определении количества слоев графена, поскольку каждый слой поглощает 2,3 % света.

Электрические свойства

Графен обладает очень высокой подвижностью электронов (2 × 105 см 2 /Вс), что делает его наиболее высокопроводящим материалом при комнатной температуре, с проводимостью 10 6 См/м и листом сопротивление 31 Ом/кв.

Графен имеет небольшое перекрытие между валентной зоной и зоной проводимости. Из-за этого он классифицируется как полуметалл и полупроводник с нулевой запрещенной зоной. Наличие определенной концентрации электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне даже при абсолютном нуле температуры (принимая во внимание его бесщелевое электронное строение, означающее, что электроны могут пролетать через зону проводимости) является причиной того, что графен классифицируется как полуметаллический материал и является источником его высокой электропроводности.

Один слой графена имеет в 10 000 раз более высокую электропроводность, чем несколько слоев графена.

Тепловые свойства

Теплопроводность графена составляет 5300 Вт/мК, что в десять раз превышает теплопроводность меди. Однако при поддержке аморфного материала его теплопроводность падает примерно до 500–600 Вт / мК.

Настройка свойств посредством функционализации

Свойства графена могут быть изменены посредством функционализации поверхности. Это включает добавление кислорода или других химических функциональных групп к монослою. Функционализация графена позволяет настраивать свойства, включая электропроводность, теплопроводность и способность монослоев обрабатываться в растворе и предотвращать агломерацию. Многие приложения графена требуют его функционализации. Одним из наиболее распространенных химически модифицированных типов графена является оксид графена.

Свойства графеновых красок, слоев и порошков

Благодаря своей двумерной природе графен может предлагаться в виде слоев на подложке, в виде дисперсии (или чернил) и в виде порошка оксида графена.

Графеновые чернила при нанесении на поверхность образуют электропроводящую пленку с поверхностным сопротивлением 15 Вт/кв.

Монослойный графен также можно добавить к другой желаемой подложке, перенеся ее со съемной полимерной подложки. Однослойный графен изготавливается методом химического осаждения из паровой фазы (CVD).

Легкий процесс переноса однослойного графена с полимерной подложки на новую подложку.

Графен на пленке ПЭТ также доступен. В данном случае методом CVD выращивается исключительно высококачественный монослойный графен на ПЭТ-подложке толщиной 188 мкм с размерами до 600 мм × 500 мм. Затем его также можно перенести на новый субстрат.

Изображение монослоя графена с помощью просвечивающего электронного микроскопа.

Наконец, графен также может поставляться в виде порошка оксида графена. В этом случае порошок находится в водной дисперсии и имеет средний размер частиц 285 мкм, концентрацию 4,0 мг/мл и значение рН 2,20-2,50.

Производство графена

Высококачественный графен обычно выращивают методом химического осаждения из паровой фазы (CVD). Это один из самых распространенных методов получения высококачественного графена. В этом процессе газообразные реагенты вводятся в реакционную камеру перед тем, как вступить в реакцию с образованием пленки желаемого материала на поверхности подложки.

При формировании графена с помощью CVD это происходит в два этапа: создание углерода и формирование структуры графена.

На первом этапе атомы углерода создаются посредством пиролиза (термического разложения в инертной атмосфере). Это выполняется на поверхности подложки, чтобы предотвратить образование скоплений углерода или сажи. Используемый субстрат часто представляет собой металлический катализатор.

На втором этапе происходит реакция между атомами углерода и подложкой катализатора, в результате которой образуется графен.

Применение графена

Несмотря на относительно недавнее открытие, графен широко тестировался при изготовлении множества различных устройств, некоторые из которых находятся на ранних стадиях разработки, другие уже представлены на рынке.

Благодаря своей высокой прозрачности и высокой электропроводности графен очень привлекателен в качестве прозрачного проводника, который может быть менее вредной для окружающей среды заменой оксида индия-олова (ITO). Благодаря своей гибкости графен также можно использовать в гибких дисплеях.

Электрические свойства графена также используются при создании полевых транзисторов (FET), фотодетекторов, фотоэлектрических элементов, наноэлектромеханических систем (NEMS), гибких суперконденсаторов и гибких литий-ионных аккумуляторов.