Содержание
Российские ученые создали сверхпрочный материал из скомканного графена — Газета.Ru
Российские ученые создали сверхпрочный материал из скомканного графена — Газета.Ru | Новости
close
100%
В России изобрели технологию создания сверхпрочного материала из скомканного графена и металлических наночастиц. Об этом сообщает пресс-служба РНФ.
Графен и металлы — популярные компоненты для создания композитов. В них, как правило, металлическая часть играет роль матрицы («базы»), а листы графена выступают как армирующий компонент. Однако производство крупных листов графена (размерами до десятых долей миллиметра) крайне трудоемко, и потому вместо него используют гораздо более дешевый скомканный графен.
Новая работа была выполнена специалистами Института проблем сверхпластичности металлов РАН. Их материал состоит из графена и атомов никеля или меди.
Эти металлы авторы выбрали потому, что они хорошо взаимодействуют с графеном и часто используются в микроэлектронике, а также при конструировании авиатехники. Исследователи сначала рассчитали оптимальный размер частиц никеля и меди, который обеспечил бы наиболее крепкое связывание с графеновыми листами. Затем, опираясь на химические свойства металлов, определили температуру, необходимую для их взаимодействия с армирующим компонентом.
Численные эксперименты показали, что в процессе формирования композита путем сжатия требуется нагрев компонентов до температуры, превышающей 700 градусов. Именно в этом случае металлы равномерно распределяются между листами графена, что приводит к образованию однородного композита.
Получившийся в результате материал продемонстрировал рекордную устойчивость к растягивающим деформациям, при этом медный вариант композита был на 30% более прочный, чем никелевый. Это объясняется более низкой температурой плавления меди, в результате чего она равномернее распределяется по материалу.
Ранее китайцы предложили быстрый способ создания органических солнечных батарей.
Подписывайтесь на «Газету.Ru» в Новостях, Дзен и Telegram.
Чтобы сообщить об ошибке, выделите текст и нажмите Ctrl+Enter
Новости
Дзен
Telegram
Мария Дегтерева
Там чудеса, там леший бродит
О бюрократии и чиновничестве в России
Иван Глушков
В дебрях Севера
О гастрономическом путешествии на Таймыр
Дмитрий Самойлов
Праздник за праздником
О Дне народного единства и Дне Октябрьской революции
Марина Ярдаева
Битва за оценки. Как быть проигравшим?
Об аутсайдерах гонки за средний балл аттестата
Андрей Колесников
Что подумают «наверху»?
О четырех десятилетиях без Леонида Ильича
Найдена ошибка?
Закрыть
Спасибо за ваше сообщение, мы скоро все поправим.
Продолжить чтение
Графен — материал будущего для борьбы с коррозией
- Главная
- »
- О компании
- »
- Публикации
- »
- Графен — материал будущего для борьбы с коррозией
Мы идем в ногу с техническим прогрессом и знаем, что наука уже далеко ушла вперед.
Таким образом, Вашему вниманию предлагается новое средство для борьбы с коррозией — графен. Состав этого уникального средства изучается до сих пор, поэтому он несет с собой новейшие характеристики.
Что представляет собой графен
Уникальное вещество было открыто учеными в 20 веке. Изучая графит рентгеновской спектроскопией, было видно, что данное вещество строится на отдельных тончайших графеновых слоях, но все возможности данного вещества не были исследованы.
Ученые долго работали с данным материалом, и только в 2000 году началось тщательное исследование графена. Было взято во внимание структура вещества. Оно имеет двумерную решетку, которая состоит из гексагональных сеток с узлами из атомов углерода. Ученые стали использовать его в качестве электронного материала. Таким образом, графен начали производить на кристалле там, где он должен быть внедрен.
Для получения графена был изобретен способ, который стал заключаться в том, что его добывают с помощью термического разложения подложки карбида кремния.
Данная практика используется и в наше время.
Простой способ защиты от коррозии
Изучая графен, ученые выяснили, что данный материал является более сильным, чем сталь, более качественным, чем кремний, и по электропроводности является более сильным, чем медь. Все эти качества делают графен действительно уникальным материалом.
Графен — сверхтонкий материал и может быть очень полезным в медицине, электронике, химической промышленности, строительстве, в сфере АКЗ. А так же защитить от коррозии конструкции из металла. Все это подтвердили проведенные эксперименты.
Следует заметить, что графен является нетоксичным веществом. Ученые продолжают исследовать данное вещество, а так же его применения в сфере АКЗ.
Полезные стороны использования графита
Опыты, проведенные на графене, показали, что данный материал ведет себя по-разному в зависимости от характера материала, с которым он соприкасается. Степень взаимодействия, например, в случае с электропроводностью, может различаться.
Таким образом, данный материал отлично служит для борьбы с коррозией. Например, покрытая им медь разъедается в семь раз медленнее, чем непокрытая. Следует заметить, что ученые продолжают изучать качества графена, что обещает нам навсегда избежать коррозии металла.
свойств графена
– Graphenea
Структура графена
Графен, по сути, представляет собой один атомный слой графита; распространенный минерал, представляющий собой аллотроп углерода, состоящий из очень прочно связанных атомов углерода, организованных в гексагональную решетку. Что делает графен таким особенным, так это его sp2-гибридизация и очень малая атомная толщина (0,345 нм). Именно эти свойства позволяют графену побить множество рекордов по прочности, электро- и теплопроводности (а также многим другим). Теперь давайте рассмотрим, что делает графен таким особенным, каковы его внутренние свойства, которые отличают его от других форм углерода и других двумерных кристаллических соединений?
Основные характеристики
До того, как в 2004 году был выделен однослойный графен, теоретически считалось, что двумерные соединения не могут существовать из-за термической нестабильности при разделении.
Однако как только графен был выделен, стало ясно, что это действительно возможно, и ученым потребовалось некоторое время, чтобы выяснить, как именно. После того, как подвешенные графеновые листы были изучены с помощью просвечивающей электронной микроскопии, ученые пришли к выводу, что они нашли причину в небольшой волнистости графена, изменяющей структуру материала. Однако более поздние исследования показывают, что на самом деле это связано с тем, что углерод-углеродные связи в графене настолько малы и прочны, что они предотвращают его дестабилизацию при тепловых флуктуациях.
Электронные свойства
Одним из наиболее полезных свойств графена является то, что это полуметалл с нулевым перекрытием (с дырками и электронами в качестве носителей заряда) с очень высокой электропроводностью. Атомы углерода имеют всего 6 электронов; 2 во внутренней оболочке и 4 во внешней оболочке. 4 электрона внешней оболочки в отдельном атоме углерода доступны для химической связи, но в графене каждый атом соединен с 3 другими атомами углерода в двумерной плоскости, оставляя 1 электрон свободно доступным в третьем измерении для электронной проводимости.
Эти высокоподвижные электроны называются пи (π) электронами и расположены над и под листом графена. Эти пи-орбитали перекрываются и помогают усилить углерод-углеродные связи в графене. По сути, электронные свойства графена определяются связывающими и разрыхляющими связями (валентная зона и зона проводимости) этих пи-орбиталей.
Совместные исследования за последние 50 лет доказали, что в точке Дирака в графене электроны и дырки имеют нулевую эффективную массу. Это происходит потому, что соотношение энергии и движения (спектр возбуждений) является линейным для низких энергий вблизи 6 отдельных углов зоны Бриллюэна. Эти электроны и дырки известны как фермионы Дирака или графино, а 6 углов зоны Бриллюэна известны как точки Дирака. Из-за нулевой плотности состояний в точках Дирака электронная проводимость на самом деле довольно низкая. Однако уровень Ферми можно изменить путем легирования (электронами или дырками), чтобы создать материал, который потенциально лучше проводит электричество, чем, например, медь при комнатной температуре.
Испытания показали, что электронная подвижность графена очень высока, с ранее опубликованными результатами выше 15 000 см2·В-1·с-1 и теоретически потенциальными пределами 200 000 см2·В-1·с-1 (ограничено рассеянием акустических фотонов графена). Говорят, что графеновые электроны очень похожи на фотоны по своей подвижности из-за отсутствия массы. Эти носители заряда способны преодолевать субмикрометровые расстояния без рассеяния; явление, известное как баллистический транспорт. Однако ограничивающими факторами будут качество графена и используемой подложки. Например, с диоксидом кремния в качестве подложки подвижность потенциально ограничена до 40 000 см2·В-1·с-1.
«С точки зрения того, насколько далеко мы продвинулись в понимании истинных свойств графена, это только вершина айсберга. Прежде чем графен будет широко интегрирован в области, в которых, как мы полагаем, он преуспеет, нам нужно потратить много больше времени на понимание того, что делает его таким удивительным материалом»
Механическая прочность
Еще одним выдающимся свойством графена является присущая ему прочность.
Из-за прочности углеродных связей длиной 0,142 Нм графен является самым прочным из когда-либо обнаруженных материалов с пределом прочности на растяжение 130 000 000 000 Па (или 130 гигапаскалей) по сравнению с 400 000 000 для конструкционной стали A36 или 375 700 000 для арамида (кевлар). . Графен не только необычайно прочен, но и очень легок — 0,77 миллиграмма на квадратный метр (для сравнения: 1 квадратный метр бумаги примерно в 1000 раз тяжелее). Часто говорят, что один лист графена (толщиной всего в 1 атом), достаточного размера, чтобы покрыть целое футбольное поле, будет весить менее 1 грамма.
Что делает его особенно особенным, так это то, что графен также обладает эластичными свойствами, способными сохранять свой первоначальный размер после деформации. В 2007 году были проведены испытания атомно-силовой микроскопии (АСМ) на листах графена, которые были подвешены над полостями из диоксида кремния. Эти испытания показали, что графеновые листы (толщиной от 2 до 8 Нм) имеют жесткость пружины в районе 1-5 Н/м и модуль Юнга (отличный от модуля трехмерного графита) 0,5 ТПа. Опять же, эти превосходные цифры основаны на теоретических перспективах использования графена, который безупречен, не содержит каких-либо дефектов и в настоящее время очень дорог и сложен для искусственного воспроизведения, хотя технологии производства постоянно совершенствуются, что в конечном итоге снижает затраты и сложность.
Оптические свойства
Способность графена поглощать довольно большие 2,3% белого света также является уникальным и интересным свойством, особенно если учесть, что его толщина составляет всего 1 атом. Это связано с его вышеупомянутыми электронными свойствами; электроны действуют как безмассовые носители заряда с очень высокой подвижностью. Несколько лет назад было доказано, что количество поглощаемого белого света зависит от постоянной тонкой структуры, а не от особенностей материала. Добавление еще одного слоя графена увеличивает количество поглощаемого белого света примерно на такое же значение (2,3%). Непрозрачность графена πα ≈ 2,3% соответствует универсальному значению динамической проводимости G=e2/4ℏ (±2-3%) в видимом диапазоне частот.
Узнайте больше о новой линейке графеновых полевых транзисторов Graphenea для биосенсоров здесь.
Благодаря этим впечатляющим характеристикам было замечено, что как только оптическая интенсивность достигает определенного порога (известного как флюенс насыщения), происходит насыщающееся поглощение (свет очень высокой интенсивности вызывает уменьшение поглощения). Это важная характеристика в отношении синхронизации мод волоконных лазеров. Из-за свойств графена нечувствительного к длине волны сверхбыстрого насыщающегося поглощения, полнодиапазонная синхронизация мод была достигнута с использованием диссипативного солитонного волоконного лазера, легированного эрбием, способного настраивать длину волны до 30 нм.
С точки зрения того, насколько далеко мы продвинулись в понимании истинных свойств графена, это лишь верхушка айсберга. Прежде чем графен будет широко интегрирован в области, в которых, как мы полагаем, он преуспеет, нам нужно потратить гораздо больше времени на понимание того, что делает его таким удивительным материалом.
К сожалению, в то время как у нас есть много воображения, чтобы придумывать новые идеи для потенциальных приложений и использования графена, требуется время, чтобы полностью понять, как и что такое графен на самом деле, чтобы воплотить эти идеи в реальность. Однако это не обязательно плохо, поскольку дает нам возможность наткнуться на другие ранее недостаточно изученные или упущенные из виду суперматериалы, такие как семейство двумерных кристаллических структур, которые родил графен.
Чудо-материал будущего
Графен: Чудо-материал будущего
В городе появился новый чудо-материал, и его зовут графен. С тех пор, как графен был впервые успешно выделен в 2004 году, графен с его сотовой 2D-структурой и широкой гаммой интересных свойств внимательно изучался учеными-материаловедами.
Эта естественно прозрачная решетка из атомов углерода толщиной 1 миллиметр имеет множество применений и даже однажды может потенциально решить мировой водный кризис.
Вера в этот материал настолько сильна, что, согласно прогнозам Fortune Business Insights, его рыночная стоимость составит 2,8 миллиарда долларов в 2027 году.
В этой инфографике от HydroGraph мы знакомимся с увлекательным миром графена , включая его свойства, приложения, историю и производство.
Что такое графен?
Это одиночный слой (монослой) атомов углерода, тесно связанных в гексагональной сотовой решетке. Это строительный блок графита, который состоит из нескольких слоев этих монослоев атомов углерода друг над другом.
Вот краткое описание его свойств:
- Это самый легкий материал, известный человеку: 1 квадратный метр весит всего 0,77 миллиграмма .
- Несмотря на свой легкий вес, он все же в 200 раз прочнее , чем сталь.
- Это один из сильнейших проводников тепла и электричества.
- Он также имеет равномерное поглощение света в видимой и ближней инфракрасной частях спектра.
Учитывая, что графен — это чистый углеродсодержащий материал, он потенциально является устойчивым решением для почти неограниченного числа приложений.
Важность материала для будущих приложений
Будущее науки и техники безгранично, и графен может помочь достичь этого будущего раньше, чем мы ожидаем.
Вот несколько выдающихся изобретений, которых стоит ожидать в ближайшем будущем:
Топливо из воздуха
Группа британских исследователей под руководством лауреата Нобелевской премии Андре Гейма показала, что графен можно использовать в качестве протонообменной мембраны в топливных элементах.
Находка удивила всех, поскольку никто не ожидал, что мембраны будут позволять протонам проходить через ее плотную шестиугольную структуру толщиной в один атом. Кроме того, графеновые мембраны можно использовать для фильтрации газообразного водорода из атмосферы, что позволит мобильным топливным элементам работать только на воздухе.
Больше питьевой воды
Графен может помочь решить мировой водный кризис. Мембраны из графена могут быть достаточно большими, чтобы пропускать воду, но достаточно маленькими, чтобы отфильтровывать соль.
Другими словами, эти мембраны могут произвести революцию в технологии опреснения воды.
Фактически, тип графена оказался настолько эффективным при фильтрации воды, что он сделал образцы воды из гавани Сиднея безопасными для питья после прохождения через фильтр всего один раз.
Австралийская организация научных и промышленных исследований Содружества (CSIRO) использовала «графайр», чтобы сделать морскую воду пригодной для питья после однократной обработки.
Мир без ржавчины
Поскольку он практически непроницаем, слой краски на основе графена однажды можно будет использовать для уничтожения коррозии и ржавчины. Это очень важно, поскольку предполагаемые глобальные затраты на коррозию составляют 2,5 триллиона долларов США в год.
Исследователи также рекомендовали использовать стеклянную посуду или медные пластины, покрытые графеновой краской, в качестве контейнеров для сильно едких кислот.
Спасение произведений искусства от выцветания
Графен обладает рядом преимуществ: его можно производить в виде больших тонких листов; блокирует ультрафиолет; и непроницаем для кислорода, влаги и других агрессивных агентов.
Исследователи предположили, что наложение слоя поверх произведения искусства может предотвратить необратимое выцветание из-за воздействия света и окислителей (таких как воздух). Их результаты показали, что один защитный слой может предотвратить выцветание до 70% .
Почему чудо-материал не взял верх?
Предстоит еще поработать, прежде чем материал станет широко применяться. Необходимо решить несколько производственных проблем, прежде чем более продвинутые сектора решат его внедрить.
Одной из актуальных проблем массового производства является химическое осаждение из паровой фазы (CVD). Хотя это лучший метод для производства однослойного графена, он не идеален с точки зрения масштаба.
Эти проблемы также делают массовое производство дорогостоящим делом. Для производства одного грамма графена требуется около 100 долларов. Даже в этом случае методы, используемые для массового производства графена, дают продукцию низкого качества и выделяют углерод в окружающую среду.