5 направлений, где применяется графен. Графеновая лихорадка. Применение графена
Графен и его применение. Открытие графена. Нанотехнологии в современном мире
Сравнительно недавно в науке и технике появилась новая область, которую назвали нанотехнологией. Перспективы данной дисциплины не просто обширны. Они грандиозны. Частица, именуемая «нано», представляет собой величину, равную одной миллиардной доле от какого-либо значения. Подобные размеры можно сравнить только с размерами атомов и молекул. Например, нанометром называют одну миллиардную долю метра.
Основное направление новой области науки
Нанотехнологиями называют те, которые манипулируют веществом на уровне молекул и атомов. В связи с этим данную область науки называют еще и молекулярной технологией. Что же явилось толчком к ее развитию? Нанотехнологии в современном мире появились благодаря лекции Ричарда Фейнмана. В ней ученый доказал, что не существует никаких препятствий для создания вещей непосредственно из атомов.
Средство для эффективного манипулирования мельчайшими частицами назвали ассемблером. Это молекулярная наномашина, с помощью которой можно выстроить любую структуру. Например, природным ассемблером можно назвать рибосому, синтезирующую белок в живых организмах.
Нанотехнологии в современном мире являются не просто отдельной областью знаний. Они представляют собой обширную сферу исследований, непосредственно связанную со многими фундаментальными науками. В их числе находятся физика, химия и биология. По мнению ученых, именно эти науки получат наиболее мощный толчок к развитию на фоне грядущей нанотехнической революции.
Область применения
Перечислить все сферы деятельности человека, где на сегодняшний день используются нанотехнологии, невозможно из-за весьма внушительного перечня. Так, при помощи данной области науки производятся:
- устройства, предназначенные для сверхплотной записи любой информации;- различная видеотехника;- сенсоры, солнечные элементы, полупроводниковые транзисторы;- информационные, вычислительные и информационные технологии;- наноимпринтинг и нанолитография;- устройства, предназначенные для хранения энергии, и топливные элементы;- оборонные, космические и авиационные приложения;- биоинструментарий.
На такую научную область, как нанотехнологии, в России, США, Японии и ряде европейских государств с каждым годом выделяется все больше финансирования. Это связано с обширными перспективами развития данной сферы исследований.
Нанотехнологии в России развиваются согласно целевой Федеральной программе, которая предусматривает не только большие финансовые затраты, но и проведение большого объема конструкторских и научно-исследовательских работ. Для реализации поставленных задач происходит объединение усилий различных научно-технологических комплексов на уровне национальных и транснациональных корпораций.
Новый материал
Нанотехнологии позволили ученым изготовить углеродную пластину более твердую, чем алмаз, толщина которой составляет всего один атом. Состоит она из графена. Это самый тонкий и прочный материал во всей Вселенной, который пропускает электричество намного лучше кремния компьютерных чипов.
Открытие графена считается настоящим революционным событием, которое позволит многое изменить в нашей жизни. Этот материал обладает настолько уникальными физическими свойствами, что в корне меняет представление человека о природе вещей и веществ.
История открытия
Графен представляет собой двухмерный кристалл. Его структура является гексагональной решеткой, состоящей из атомов углерода. Теоретические исследования графена начались задолго до получения его реальных образцов, так как данный материал является базой для построения трехмерного кристалла графита.
Еще в 1947 г. П. Воллес указал на некоторые свойства графена, доказав, что его структура аналогична металлам, и некоторые характеристики подобны тем, которыми обладают ультрарелятивистские частицы, нейтрино и безмассовые фотоны. Однако у нового материала есть и определенные существенные отличия, делающие его уникальным по своей природе. Но подтверждение этим выводам было получено только в 2004 г., когда Константином Новоселовым и Андреем Геймом впервые был получен углерод в свободном состоянии. Это новое вещество, которое назвали графеном, и стало крупным открытием ученых. Найти этот элемент можно в карандаше. Его графитовый стержень состоит из множества слоев графена. Каким образом карандаш оставляет след на бумаге? Дело в том, что, несмотря на прочность составляющих стержень слоев, между ними существуют весьма слабые связи. Они очень легко распадаются при соприкосновении с бумагой, оставляя след при письме.
Использование нового материала
По мнению ученых, сенсоры, созданные на основе графена, смогут анализировать прочность и состояние самолета, а также предсказывать землетрясения. Но только тогда, когда материал с такими потрясающими свойствами покинет стены лабораторий, станет понятно, в каком направлении пойдет развитие практического применения данного вещества. На сегодняшний день химики, физики, а также инженеры-электронщики уже заинтересовались уникальными возможностями графена. Ведь всего несколькими граммами этого вещества можно покрыть территорию, равную футбольному полю.
Графен и его применение потенциально рассматриваются в производстве легковесных спутников и самолетов. В этой сфере новый материал способен заменить углеродные волокна в композиционных материалах. Нановещество может быть использовано вместо кремния в транзисторах, а его внедрение в пластмассу придаст ей электропроводность.
Графен и его применение рассматриваются и в вопросах изготовления датчиков. Эти устройства, выполненные на основе новейшего материала, будут способны обнаруживать самые опасные молекулы. А вот использование пудры из нановещества при производстве электрических аккумуляторов в разы увеличит их эффективность.
Графен и его применение рассматриваются в оптоэлектронике. Из нового материала получится очень легкий и прочный пластик, контейнеры из которого позволят в течение нескольких недель сохранять продукты в свежем состоянии.
Использование графена предполагается и для изготовления прозрачного токопроводящего покрытия, необходимого для мониторов, солнечных батарей и более крепких и устойчивых к механическим воздействиям ветряных двигателей.
На основе наноматериала получатся лучшие спортивные снаряды, медицинские имплантаты и суперконденсаторы.
Также графен и его применение актуальны для:
- высокочастотных высокомощных электронных устройств;- искусственных мембран, разделяющих две жидкости в резервуаре;- улучшения свойства проводимости различных материалов;- создания дисплея на органических светодиодах;- освоения новой техники ускоренного секвенирования ДНК;- улучшения жидкокристаллических дисплеев;- создания баллистических транзисторов.
Использование в автомобилестроении
Согласно данным исследователей, удельная энергоемкость графена приближается к 65 кВт*ч/кг. Данный показатель в 47 раз превышает тот, который имеют столь распространенные ныне литий-ионные аккумуляторы. Этот факт ученые использовали для создания зарядных устройств нового поколения.
Графен-полимерный аккумулятор - прибор, при помощи которого максимально эффективно удерживается электрическая энергия. В настоящее время работа над ним ведется исследователями многих стран. Значительных успехов достигли в этом вопросе испанские ученые. Графен-полимерный аккумулятор, созданный ими, имеет энергоемкость, в сотни раз превышающую подобный показатель у уже существующих батарей. Используют его для оснащения электромобилей. Машина, в которой установлен графеновый аккумулятор, может проехать без остановки тысячи километров. На подзарядку электромобиля при исчерпании энергоресурса понадобится не более 8 минут.
Сенсорные экраны
Ученые продолжают исследовать графен, создавая при этом новые и не имеющие аналогов вещи. Так, углеродный наноматериал нашел свое применение в производстве, выпускающем сенсорные дисплеи с большой диагональю. В перспективе может появиться и гибкое устройство подобного типа.
Ученые получили графеновый лист прямоугольной формы и превратили его в прозрачный электрод. Он-то и участвует в работе сенсорного дисплея, отличаясь при этом долговечностью, повышенной прозрачностью, гибкостью, экологичностью и низкой стоимостью.
Получение графена
Начиная с 2004 г., когда был открыт новейший наноматериал, ученые освоили целый ряд методов его получения. Однако самыми основными из них считаются способы:
- механической эксфолиации;- эпитаксиального роста в вакууме;- химического перофазного охлаждения (CVD-процесс).
Первый из этих трех методов является наиболее простым. Производство графена при механической эксфолиации представляет собой нанесение специального графита на клейкую поверхность изоляционной ленты. После этого основу, подобно листу бумаги, начинают сгибать и разгибать, отделяя нужный материал. При применении данного способа графен получается самого высокого качества. Однако подобные действия не годятся для массового производства данного наноматериала.
При использовании метода эпитаксиального роста применяют тонкие кремниевые пластины, поверхностный слой которых является карбидом кремния. Далее этот материал нагревают при очень высокой температуре (до 1000 К). В результате химической реакции происходит отделение атомов кремния от атомов углерода, первые из которых испаряются. В результате на пластинке остается чистый графен. Недостатком подобного метода является необходимость использования очень высоких температур, при которых может произойти сгорание атомов углерода.
Самым надежным и простым способом, применяемым для массового производства графена, является CVD-процесс. Он представляет собой метод, при котором протекает химическая реакция между металлическим покрытием-катализатором и углеводородными газами.
Где производится графен?
На сегодняшний день крупнейшая компания, изготавливающая новый наноматериал, находится в Китае. Название этого производителя - Ningbo Morsh Technology. Производство графена начато им в 2012 году.
Главным потребителем наноматериала выступает компания Chongqing Morsh Technology. Графен используется ею для производства проводящих прозрачных пленок, которые вставляют в сенсорные дисплеи.
Сравнительно недавно известная компания Nokia оформила патент на светочувствительную матрицу. В составе этого столь необходимого для оптических приборов элемента находится несколько слоев графена. Такой материал, использованный на датчиках камер, в значительной мере увеличивает их светочувствительность (до 1000 раз). При этом наблюдается и снижение потребления электроэнергии. Хорошая камера для смартфона также будет содержать графен.
Получение в бытовых условиях
Можно ли изготовить графен в домашних условиях? Оказывается, да! Необходимо просто взять кухонный блендер мощностью не менее 400 Вт, и следовать методике, разработанной ирландскими физиками.
Как же изготовить графен в домашних условиях? Для этого в чашу блендера выливают 500 мл воды, добавляя в жидкость 10-25 миллилитров любого моющего вещества и 20-50 грамм толченого грифеля. Далее прибор должен поработать от 10 минут до получаса, вплоть до появления взвеси из чешуек графена. Полученный материал будет обладать высокой проводимостью, что позволит использовать его в электродах фотоэлементов. Также произведенный в бытовых условиях графен способен улучшить свойства пластика.
Оксиды наноматериала
Ученые активно исследуют и такую структуру графена, которая внутри или по краям углеродной сетки имеет присоединенные кислородосодержащие функциональные группы или (и) молекулы. Это оксид самого твердого нановещества, который является первым двумерным материалом, дошедшим до стадии коммерческого производства. Из нано- и микрочастиц этой структуры ученые изготовили сантиметровые образцы.
Так, оксид графена в сочетании с диофилизированным углеродом был недавно получен китайскими учеными. Это весьма легкий материал, сантиметровый кубик которого удерживается на лепестках небольшого цветка. Но при этом новое вещество, в котором находится оксид графена, является одним из самых твердых в мире.
Биомедицинское применение
Оксид графена обладает уникальным свойством селективности. Это позволит данному веществу найти биомедицинское применение. Так, благодаря работам ученых стало возможным использование оксида графена для диагностики раковых заболеваний. Обнаружить злокачественную опухоль на ранних стадиях ее развития позволяют уникальные оптические и электрические свойства наноматериала.
Также оксид графена позволяет производить адресную доставку лекарственных и диагностических средств. На основе данного материала создаются сорбционные биодатчики, указывающие на молекулы ДНК.
Индустриальное применение
Различные сорбенты на основе оксида графена могут быть применены для дезакцивации зараженных техногенных и природных объектов. Крое того, данный наноматериал способен переработать подземные и поверхностные воды, а также почвы, очистив их от радионуклидов.
Фильтры из оксидов графена могут обеспечить суперчистотой помещения, где производятся электронные компоненты специального назначения. Уникальные свойства данного материала позволят проникнуть в тонкие технологии химической сферы. В частности, это может быть извлечение радиоактивных, рассеянных и редких металлов. Так, использование оксида графена позволит добыть золото из бедных руд.
fb.ru
Графен в электронике: сегодня и завтра
16 мая
Графен у всех на слуху, однако не все четко представляют себе, что это за материал и как он применяется в настоящее время.
В
данном обзоре, не претендующем на всеохватность этой бурно развивающейся сейчас темы, представлена информация об этом материале и областях его применения.
Общие сведения
Графен был экспериментально обнаружен в 2004 г. двумя английскими учеными российского происхождения — Андреем Геймом и Константином Новосёловым, за что они вскоре получили Нобелевскую премию по физике. Графен представляет собой слой атомов углерода, соединенных в гексагональную двумерную кристаллическую решетку. Это, по сути, пленка углерода толщиной в один атом, имеющая строго упорядоченную кристаллическую структуру. Графен можно считать развернутой в плоскость одностенной нанотрубкой или двумерным фуллереном, или же отдельно взятым атомарным слоем из множества таких слоев, составляющих монокристалл пиролитического графита.
 |
Структура графена
Слой графита толщиной в один атом обладает рядом ценных свойств: отличается высокой стабильностью, в т.ч. и при комнатной температуре, а также высокой тепло- и электропроводностью. Подвижность электронов в графене в 10—20 раз выше, чем в арсениде галлия. Из этого материала можно создавать чипы, пригодные для работы на терагерцовых частотах. Хотя монослои графита обладают такой же подвижностью носителей зарядов при комнатной температуре, как и нанотрубки, однако для него, в общем случае, применима обычная, отработанная годами планарная технология. К тому же, благодаря двумерной структуре управляющий ток может быть легко увеличен за счет изменения ширины проводящего канала.
Проводник или полупроводник?
На пути создания графеновой электроники остается еще много препятствий, в т.ч. невозможность выращивания больших графеновых пластин, высокая стоимость материала и трудности с управлением его проводимостью. В частности, еще недостаточно разработаны способы получения полупроводников из графена — до сих пор графен и его производные известны только в виде проводников и изоляторов.
Недавно был получен полупроводниковый материал на основе графена, в котором атомы кислорода заключены в гексагональную структуру графена. По замыслу исследователей, в ходе нагрева оксида графена в вакууме должен был выделиться кислород и получиться многослойный графен. Однако при повышении температуры атомы углерода и кислорода стали выстраиваться в упорядоченную структуру моноокиси графена, не существующего в естественном виде.
 |
Исследователи демонстрируют атомную структуру моноокиси графена
Полученный материал обладает полупроводниковыми свойствами и имеет широкие перспективы применения в производстве электроники. Меняя температуру нагрева, исследователи получили четыре новых материала, которые были отнесены к категории GMO. В настоящее время определяется устойчивость моноокиси графена и возможность масштабировать этот материал для производства.
Ранее было открыто другое интересное свойство графена, которое заключается в том, что определяющую роль в формировании свойств графена играет материал, на котором он выращивается. В частности, если подложку, на которой будет выращена структура, активировать кислородом, то полученный лист графена будет обладать свойствами полупроводника, если водородом – то свойствами металла. «Варьируя химический состав подложки, мы можем управлять природой графена, наделяя его свойствами полупроводника или металла», — сообщил Сарож Наяк (Saroj Nayak), профессор кафедры физики и астрономии Ренсселарского политехнического института.
Управление током в графене: нитрид бора может статью ключом к графеновой микроэлектронике
Графен — самый тонкий в мире материал. Почти единственным на сегодняшний день принципиальным препятствием для его применения является невозможность управления электронным потоком по графену. Например, до сих пор не удалось найти способ остановить ток в графене: на атомарном уровне работают законы квантовой механики, которые сильно отличаются от тех, что действуют на макроуровне. Электроны в слое графена проходят сквозь препятствия (т. н. туннельный эффект, применяемый также в некоторых радиоэлектронных приборах), а не отскакивают от них, как это происходит в макромире. Недавно было обнаружено, что при наложении слоя графена на слой нитрида бора возникает новая гексагональная структура, которая определяет путь прохождения электронов по образцу.
 |
Один из способов создания графенового двоичного триггера. Квадратная графеновая ячейка разбивается на два треугольных участка. Электроны отражаются, когда напряжения имеют разную полярность, и проходят, когда напряжения одинаковы.
Этот факт может стать ключом к созданию нового типа электронных устройств, отличающихся малым размером и низким энергопотреблением. Из-за этой особенности контролировать распространение электронов по слою очень сложно. Недавние исследования показали, что при наложении пленки нитрида бора на слой графена удается задержать некоторые электроны. Это первый шаг на пути решения проблемы.
Нитрид бора имеет сходную с графеном структуру, однако является диэлектриком. Пленки из нитрида бора можно использовать также для улучшения электрических свойств графена. Они предотвращают флуктуации электронного заряда.
 |
Формирование гексагональной структуры при наложении нитрида бора на графен
Если менять угол между кристаллическими решетками, количество электронов, которые не могут проходить сквозь решетку, увеличивается. Коэффициент задержания зависит от размера гексагонального рисунка, который возникает при угловом смещении одного из слоев (аналогичный эффект – возникновение муарового рисунка при наложении линейчатых структур). По сути, этот рисунок является картой электрического потенциала.
 |
Размер рисунка в зависимости от угла наложения: а – слишком мелкий, б – правильный
В настоящее время идет процесс изучения различных графеновых структур с помощью сканирующего туннельного микроскопа, который позволяет получить изображение сверхрешетки и измерить ее размер. Если гексагональный рисунок слишком мелкий, образец отбраковывается. Примерно 10-20% образцов показывают желаемый эффект. Если данный процесс удастся автоматизировать, будет создана графеновая микроэлектроника.
Псевдомагнитные свойства графена
Группа физиков из Университета в Арканзасе ведет разработки в несколько ином ключе. Они предлагают управлять потоком электронов с помощью изменения механического напряжения в материале.
Было замечено, что если приложить к графеновой пленке механическое усилие, ее электрические свойства изменятся так, как будто материал поместили в магнитное поле. Чтобы использовать данное свойство, необходимо научиться контролировать механическое напряжение.
Исследователи из Университета в Арканзасе провели следующий эксперимент. Они натянули графеновые мембраны на тонкие квадратные рамки и просканировали поверхность графена туннельным микроскопом с помощью постоянного тока. В сканирующем туннельном микроскопе для создания карты рельефа поверхности используется электрический ток очень малой величины. Чтобы поддерживать ток на постоянном уровне в процессе сканирования рельефа поверхности, микроскоп данного типа меняет напряжение на кончике туннельного зонда, когда он передвигается вверх-вниз. Было замечено, что при этом форма мембраны также изменялась – мембрана изгибалась и стремилась приблизиться к щупу. Форма мембраны изменялась в зависимости от заряда между щупом и мембраной. Изменяя напряжение на щупе, можно управлять механическим напряжением мембраны.
 |
В свободном состоянии графеновые мембраны имеют бугристую форму. Это является препятствием для их применения в электронных устройствах, поскольку на изломах проводимость мембраны резко падает.
Для более полного понимания этого свойства было проведено исследование теоретической системы, содержащей графеновые мембраны. Ученые сопоставили величину механического напряжения и рассчитали расположение щупа микроскопа относительно мембраны. Оказалось, что взаимодействие между мембраной и щупом зависит от расположения щупа. По этим данным можно рассчитать псевдо-магнитное поле для заданного напряжения и механического усилия.
Из-за того, что мембрана ограничена квадратной рамкой, напряженность поля меняется с положительной на отрицательную. Для создания неосциллирующего поля требуется изготовить треугольную ячейку. Возможно, именно она позволит найти способ управлять псевдомагнитными свойствами графена.
Примеры применения графена
В настоящее время в области применения графена ведутся разработки в следующих направлениях:
Высокочастотные транзисторы. Подвижность электронов в графене гораздо больше, чем в кремнии, поэтому цифровые элементы из графена обеспечивают более высокую частоту работы. Некоторые компании уже заявляли об успехах в этой области. Так, транзисторы IBM работают на частоте 26 ГГц и имеют размер около 240 нм. Поскольку между размерами транзистора и его производительностью существует обратная зависимость, увеличение рабочей частоты достигается с за счет уменьшения его размеров.
 |
Строение графенового транзистора
Микросхемы памяти. Прототип нового типа запоминающего устройства состоит всего из 10 атомов графена. Во время лабораторных тестов группе профессора Джеймса Тура из американского Университета Райс удалось создать кремниевые модули, на которых были размещены 10 атомарных слоев графена. В итоге графеновый слой получил толщину около 5 нм. Исследователи говорят, что в новых экспериментальных модулях базовые ячейки хранения информации примерно в 40 раз меньше ячеек, используемых в самых современных 20-нм модулях NAND-памяти. Данная технология потенциально способна во много раз увеличить емкость модулей памяти. Кроме того, данные запоминающие устройства способны выдерживать сильное радиационное излучение и температуру до 200°C, сохраняя всю информацию.
 |
Ячейка флэш-памяти на основе графена
Еще одно преимущество разработки заключается в беспрецедентной экономичности расхода энергии. Для хранения данных модули памяти используют два исходных состояния — нейтральное (выключенное) и заряженное (включенное). Для того, чтобы закодировать 1 бит информации в графеновых модулях требуется в миллион раз меньше энергии, чем для кодирования того же бита в кремниевых чипах.
Электроды для суперконденсаторов. Проводимость графеновых электродов превышает 1700 См/м, тогда как у электродов на активированном угле она составляет лишь 10–100 См/м. Благодаря высокой механической прочности LSG-электроды могут использоваться в суперконденсаторах без связующих элементов или токоприемников, что упрощает конструкцию и снижает себестоимость изготовления суперконденсаторов.
 |
Графеновый суперконденсатор (ионистор)
Исследователи из Калифорнийского университета Лос-Анджелеса и Калифорнийского института наносистем (California NanoSystems Institute) продемонстрировали высокопроизводительные электрохимические конденсаторы на основе графена, которые сохраняют превосходные электрохимические параметры при больших механических нагрузках. Статья на эту тему в марте была опубликована в журнале Science.
Устройства, изготовленные с использованием гравированных лазером графеновых электродов, характеризуются очень высокой плотностью энергии в разных электролитах, высокой плотностью мощности и поцикловой стабильностью. Более того, эти суперконденсаторы сохраняют отличные электрохимические свойства при больших механических нагрузках, благодаря чему их можно будет применять в мощных и гибких электронных устройствах.
Недорогие дисплеи для портативных устройств. Графен можно использовать вместо ITO (оксида индия-олова) в электродах для OLED-дисплеев. Во-первых, это позволяет снизить стоимость дисплея, а во-вторых, упрощает его утилизацию за счет прекращения использования металлических элементов.
 |
Дисплей, изготовленный с применением графена
Кроме того, было установлено, что графен пропускает до 98% света. Это значительно выше показателя пропускания лучших материалов из ITO (82-85%). Графен обладает высокой электропроводностью, что позволяет использовать его для создания прозрачных электродов, управляющих поляризацией и состоянием жидких кристаллов.
Другая группа исследователей недавно установила, что несколько слоёв графена, нагретые при температуре 300-400°C в присутствии порошкового хлорида железа (FeCl3) приводит к интеркаляции слоёв графена и хлорида железа. Электроны из хлорида железа увеличивают число носителей заряда в слоях графена, а результате чего поверхностное сопротивление слоя падает до 8,8 Ом на квадрат при видимой прозрачности материала 84%. Новый материал имеет хорошую долговременную и температурную стабильность и во много раз лучше по характеристикам, чем сравнимые слои ITO: при том же поверхностном сопротивлении последний имеет прозрачность лишь 75%, а при той же прозрачности — сопротивление в 40 Ом на квадрат.
 |
Гибкое прозрачное устройство отображения (дисплей с печатной платой) станет возможным изготовить на основе графена.
Аккумуляторы для автомобилей на водородном топливе. С помощью графеновых пленок можно увеличить энергию связи атомов углерода. Это позволит увеличить емкость, либо уменьшить вес аккумуляторов.
Датчики для диагностики заболеваний. В основе работы этих датчиков лежит тот факт, что молекулы, чувствительные к некоторым болезням, присоединяются к атомам углерода в графеновом слое. В датчике используется графен, молекулы ДНК и флуоресцентные молекулы. Флуоресцентные молекулы соединяются с одиночной ДНК, которая в свою очередь связывается с графеном. Когда другая одиночная молекула ДНК связывается с ДНК, присоединенной к слою графена, и формируется двойная ДНК, которая свободно передвигается по графену, увеличивая уровень излучения.
 |
Принцип распознавания поврежденных ДНК
Охлаждение электронных схем. Недавно созданный композитный материал на основе графена и меди нашел применение в качестве наиболее эффективного и недорогостоящего средства охлаждения электронных устройств. Теплопроводность композита составляет 460 Вт/(м·K), тогда как у меди она равна 380 Вт/(м·K).
Композит осаждается на охлаждаемую поверхность электрохимическим способом в виде пленки толщиной 200 мкм. Уже разработана схема переоснащения оборудования для изготовления медно-графенового теплоотвода.
Элементы с малым удельным весом и высокой прочностью. Добавление в эпоксидный композит графена обеспечивает более высокую удельную прочность элементов, поскольку графен прочно связывается с молекулами полимеров.
Вместо заключения
Нет сомнений, что когда эти и другие разработки будут доведены до конца, наше представление об электронике коренным образом изменится. Как? Например, так, как показано в следующем видеоролике:
Его создатели, правда, не учли, что к тому времени и одежда будет сделана с применением углеволокна и графена и будет выглядеть совсем по-другому. :)
Читайте также:
Химически модифицированный графен для новой электроникиУ графена появился соперник — графинНовые возможности суперконденсаторов с графеновыми электродамиГрафеновые микросхемы толщиной в один атом углерода могут создаваться крупносерийноГрафен можно выращивать дешевоУченые создали первую в мире графеновую памятьНайден способ управления свойствами графенаГрафеновый транзистор разогнали до 26 ГГцИсследователи создали моноокись графена для будущей электроникиДля лучшего охлаждения кристаллов придуман композит меди и графена
www.russianelectronics.ru
Графен | Строительные материалы и технологии
Введение.
В настоящее время происходит все большая миниатюризация элементной базы электроники, возникают новые технологии получения и исследования физических объектов нанометрового размера. Интенсивное развитие нанотехнологий обуславливает современные успехи в наноэлектронике и в создании наноэлектромеханических систем. Новые возможности современных нанотехнологий привели к открытию и разработке методов получения новых нанообъектов - углеродных нанотрубок и недавно графена. Эти объекты, обладающие уникальными электронными и механическими свойствами, многими считаются перспективными для применения в наноэлектронных приборах.
Графен представляет собой двумерную структуру, состоящую из атомов углерода, выстроенных в кристаллическую решетку типа «пчелиные соты». Наиболее распространенная форма углерода - графит - может рассматриваться как стопка листов графена, относительно слабо связанных между собой силами Ван-дер-Ваальса. Широко известные углеродные наноструктуры - нанотрубки и фуллерены - можно рассматривать как свернутый в трубку лист графена или, соответственно, как замощение сферы решеткой графена. Таким образом, графен, как ключевая квазидвумерная углеродная наноструктура, с точки зрения классификации является основой трехмерного графита, квазиодномерных нанотрубок и квазинульмерных фуллеренов.
Историческая справка.
Графен является двумерным кристаллом, состоящим из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решётку. Его теоретическое исследование началось задолго до получения реальных образцов материала, поскольку из графена можно собрать трёхмерный кристалл графита. Графен является базой для построения теории этого кристалла. Графит является полуметаллом, и, как было показано в 1947 году П. Воллесом, в зонной структуре графена также отсутствует запрещённая зона, причём в точках соприкосновения валентной зоны и зоны проводимости энергетический спектр электронов и дырок линеен как функция волнового вектора. Такого рода спектром обладают безмассовые фотоны и ультрарелятивистские частицы, а также нейтрино. Поэтому говорят, что эффективная масса электронов и дырок в графене вблизи точки соприкосновения зон равна нулю. Но здесь стоит заметить, что, несмотря на сходство фотонов и безмассовых носителей, у графена есть несколько существенных отличий, делающих носители в нём уникальными по своей физической природе, а именно: электроны и дырки являются фермионами, и они заряжены. В настоящее время аналогов для этих безмассовых заряженных фермионов среди известных элементарных частиц нет.
Несмотря на такие специфические особенности, экспериментального подтверждения эти выводы не получили до 2005 года, поскольку не удавалось создать графен. Кроме того, ещё раньше было доказано теоретически, что свободную идеальную двумерную плёнку получить невозможно из-за нестабильности относительно сворачивания или скручивания. Тепловые флуктуации приводят к плавлению двумерного кристалла при любой конечной температуре.
Интерес к графену появился снова после открытия углеродных нанотрубок, поскольку вся первоначальная теория строилась на простой модели нанотрубки как развёртки цилиндра. Поэтому теория для графена в приложении к нанотрубкам хорошо проработана.
Попытки получения графена, прикреплённого к другому материалу, начались с экспериментов, использующих простой карандаш, и продолжились с использованием атомно-силового микроскопа для механического удаления слоёв графита, но не достигли успеха. Использование графита с внедрёнными (интеркалированный графит — соединения, подобные графитиду калия KC8) в межплоскостное пространство чужеродными атомами (используется для увеличения расстояния между соседними слоями и их расщепления) тоже не привело к результату.
В 2004 году российскими и британскими учёными была опубликована работа в журнале Science, где сообщалось о получении графена на подложке окислённого кремния. Таким образом, стабилизация двумерной плёнки достигалась благодаря наличию связи с тонким слоем диэлектрика SiO2 по аналогии с тонкими плёнками, выращенными с помощью МПЭ. Впервые были измерены проводимость, эффект Шубникова — де Гааза, эффект Холла для образцов, состоящих из плёнок углерода с атомарной толщиной.
Метод отшелушивания является довольно простым и гибким, поскольку позволяет работать со всеми слоистыми кристаллами, то есть теми материалами, которые представляются как слабо (по сравнению с силами в плоскости) связанные слои двумерных кристаллов. В последующей работе авторы показали, что его можно использовать для получения других двумерных кристаллов: BN, MoS2, NbSe2, Bi2Sr2CaCu2Ox.
В 2011 году ученые из Национальной радиоастрономической обсерватории объявили, что им, вероятно, удалось зарегистрировать графен в космическом пространстве (планетарные туманности в Магеллановых облаках).
Получение графена.
Главный из существующих в настоящее время способов получения графена основан на механическом отщеплении или отшелушивании слоёв графита. Он позволяет получать наиболее качественные образцы с высокой подвижностью носителей. Этот метод не предполагает использования масштабного производства, поскольку это ручная процедура. Другой известный способ — метод термического разложения подложки карбида кремния гораздо ближе к промышленному производству. Поскольку графен впервые был получен только в 2004 году, он ещё недостаточно хорошо изучен и привлекает к себе повышенный интерес.
Данный материал не является просто кусочком других аллотропных модификаций углерода: графита, алмаза — из-за особенностей энергетического спектра носителей он проявляет специфические, в отличие от других двумерных систем, электрофизические свойства.
Кусочки графена получают при механическом воздействии на высокоориентированный пиролитический графит или киш-графит. Сначала плоские куски графита помещают между липкими лентами (скотч) и расщепляют раз за разом, создавая достаточно тонкие слои (среди многих плёнок могут попадаться однослойные и двуслойные, которые и представляют интерес). После отшелушивания скотч с тонкими плёнками графита прижимают к подложке окислённого кремния. При этом трудно получить плёнку определённого размера и формы в фиксированных частях подложки.
Кусочки графена также можно приготовить из графита, используя химические методы. Сначала микрокристаллы графита подвергаются действию смеси серной и соляной кислот. Графит окисляется, и на краях образца появляются карбоксильные группы графена. Их превращают в хлориды при помощи тионилхлорида. Затем под действием октадециламина в растворах тетрагидрофурана, тетрахлорметана и дихлорэтана они переходят в графеновые слои толщиной 0,54 нм. Этот химический метод не единственный, и, меняя органические растворители и химикаты, можно получить нанометровые слои графита.
Дефекты графена.
Идеальный графен состоит исключительно из шестиугольных ячеек. Присутствие пяти- и семиугольных ячеек будет приводить к различного рода дефектам.
Наличие пятиугольных ячеек приводит к сворачиванию атомной плоскости в конус. Структура с 12 такими дефектами одновременно известна под названием фуллерен. Присутствие семиугольных ячеек приводит к образованию седловидных искривлений атомной плоскости. Комбинация этих дефектов и нормальных ячеек может приводить к образованию различных форм поверхности.
Основные свойства графена.
Графен - двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, находящихся в sp²-гибридизации и соединённых в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла. По оценкам, графен обладает большой механической жёсткостью и рекордно большой теплопроводностью. Высокая подвижность носителей заряда (максимальная подвижность электронов среди всех известных материалов) делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах.
По оценкам, графен обладает большой механической жёсткостью и хорошей теплопроводностью. Следует отметить такие важные для приложений свойства графена, как химическую стабильность, исключительную прочность и упругость, непроницаемость для газов и почти полную оптическую прозрачность.
Графен — самый тонкий и самый прочный материал во вселенной, — заявил 19 июня английский физик Андре Гейм (Andre Geim) из Университета Манчестера со страниц журнала «Наука» (Science).
Количества материала весом всего несколько граммов достаточно для того, чтобы покрыть футбольное поле, — сообщил в своем электронном письме Род Руофф (Rod Ruoff), который изучает свойства графена в Университете Остина, штат Техас. Как и алмаз, графен представляет собой чистый углерод. Молекула графена состоит из шести атомов, соединенных в структуру, которая под электронным микроскопом похожа на ячейку сот или ячейку сетки-рабицы, имеющую шесть сторон. Другой отличительной особенностью этого материала является потрясающая гибкость — материал можно сгибать, складывать, сворачивать в рулон.
Из-за особенностей энергетического спектра носителей графен проявляет специфические, в отличие от других двумерных систем, электрофизические свойства.
Как писалось выше, кристаллическая решётка графена представляет собой плоскость, состоящую из шестиугольных ячеек, то есть является двумерной гексагональной кристаллической решёткой. Для такой решётки известно, что её обратная решётка тоже будет гексагональной. В элементарной ячейке кристалла находятся два атома.
Интерес к графену основывается на его электронных свойствах. Так, в нем реализуется баллистический (т. е. практически без рассеяния) транспорт электронов, на характеристики которого подложка и окружающая среда влияют весьма слабо. Особенности зонной структуры графена обуславливают существование электронов и дырок с нулевой эффективной массой, которые проявляют квазирелятивистское поведение, описываемое уравнением Дирака. При этом графен проявляет аномальный квантовый эффект Холла, наблюдаемый даже при комнатной температуре. Исследования показывают, что графен также является перспективным материалом для спинтроники.
Свойства графена могут варьироваться под действием химической модификации. Наиболее реакционноспособными являются края графеновых фрагментов, однако можно добиться и полной или частичной функционализации всего фрагмента. Например, графен может быть гидрирован до графана.
Графен инертен по отношению к кислотам и щелочам при комнатной температуре благодаря сильным углеродным ковалентным связям. Однако присутствие определённых химических соединений в атмосфере может приводить к легированию графена, что нашло применение в сенсорах обладающих рекордной чувствительностью — детекторов отдельных молекул. Для химической модификации с образованием ковалентных связей графена необходимы повышенные температуры и вещества обладающие сильной реакционной способностью. Например для создания гидрогенизированного графена нужно наличие протонов в плазме газового разряда, для создания фторографена сильного фторирующего агента дифторида ксенона.
Квантовый эффект Холла.
Впервые аномальный КЭХ или полуцелый квантовый эффект Холла наблюдали в 2005 году в работах, где было показано, что носители в графене действительно обладают нулевой эффективной массой, поскольку положения плато на зависимости недиагональной компоненты тензора проводимости соответствовали полуцелым значениям холловской проводимости.
Квантовый эффект Холла (КЭХ) может использоваться как эталон сопротивления, потому что численное значение наблюдаемого в графене плато, воспроизводится с хорошей точностью, хотя качество образцов уступает высокоподвижному.
Преимущество КЭХ в графене в том, что он наблюдается при комнатной температуре (в магнитных полях свыше 20 Т). Основное ограничение на наблюдение КЭХ при комнатной температуре накладывает не размытие распределения Ферми — Дирака.
Зонная структура.
Кристаллическая структура материала находит отражение во всех его физических свойствах. В особенности сильно от порядка, в котором расположены атомы в кристаллической решётке, зависит зонная структура кристалла.
Зонная структура графена рассчитана в приближении сильно связанных электронов. На внешней оболочке атома углерода находится 4 электрона, три из которых образуют связи с соседними атомами в решётке при перекрывании sp²-гибридизированных орбиталей, а оставшийся электрон находится в 2pz-состоянии (именно это состояние отвечает в графите за образование межплоскостных связей, а в графене — за образование энергетических зон). В приближении сильно связанных электронов полная волновая функция всех электронов кристалла записывается в виде суммы волновых функций электронов из разных подрешёток.
Эффективная масса.
Благодаря линейному закону дисперсии эффективная масса электронов и дырок в графене равна нулю. Но в магнитном поле возникает другая масса, связанная с движением электрона по замкнутым орбитам и называемая циклотронной массой.
Эффект Казимира.
Эффект Казимира определяет взаимодействие любых электрически нейтральных объектов на малых расстояниях (порядка микрона и меньше). В случае реалистичных материалов величина взаимодействия обуславливается объёмными свойствами материала (диэлектрическая проницаемость в случае диэлектриков, проводимость для металлов). Однако расчёты показывают, что и для моноатомных слоёв графена сила Казимира может быть сравнительно велика, а наблюдение эффекта может быть доступно экспериментально.
Область применения графена.
Высокая подвижность носителей тока при комнатной температуре делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах.
Перспективы использования графена в приложениях существенно зависят от разработки способов его простого и дешевого изготовления. За последние годы в этом направлении была проделана очень большая работа. Метод микромеханического расщепления, разработанный группой А.К. Гейма, является довольно трудоемким и позволяет получить только очень небольшие (порядка микрона) чешуйки графена. Более перспективными для промышленных приложений являются эпитаксиальное изготовление графена на поверхности карбида кремния, позволяющее получать большие образцы графена с контролируемым числом атомных слоев. Также очень перспективен метод газофазного осаждения графена на поверхность металла, позволяющий получить образцы графена размерами до десятков сантиметров. Для изготовления композитных материалов, включающих графен, были разработаны методы расщепления графена ультразвуком. Таким образом, имеются все основания полагать, что графен так или иначе будет использоваться в промышленно производящихся электронных устройствах уже в самые ближайшие годы.
Успехи и перспективы нанотехнологий в изготовлении наноэлектронных приборов предъявляют новые требования к методам компьютерного моделирования и теоретического расчета свойств наносистем. Для моделирования электронных свойств графена в сложном электростатическом окружении требуется разработка новых методов, адекватно учитывающие особенности графена - в частности, эффективно безмассовую природу электронов.
Среди уже реализованных всего за несколько лет прототипов перспективных устройств на основе графена можно упомянуть полевые транзисторы с баллистическим транспортом при комнатной температуре, газовые сенсоры с экстремальной чувствительностью, графеновый одноэлектронный транзистор, жидкокристаллические дисплеи и солнечные батареи с графеном в качестве прозрачного проводящего слоя, спиновый транзистор и многие другие.
Физики разработали новый способ получения графеновых нанолент с гладкими краями и заданными энергетическими характеристиками, что делает их пригодными для создания электронных приборов нового поколения.
Для придания полупроводниковых свойств графену его изготовляют в форме тонких лент: благодаря квантово-размерному эффекту движение электронов по ним ограничено одним направлением, соответственно их энергия имеет строго определенные уровни и запрещенную зону. Новая технология относится к так называемым методам "снизу верх", или химическим методам. На подложку из золота или серебра напыляется слой углеродсодержащих циклических мономеров, которые затем сцепляются в полимеры. Система полимеров подвергается нагреву, в результате чего формируются углеродные ленты толщиной в один атом, ровные или зигзагообразные, в зависимости от состава исходных веществ.
По этой же технологии в будущем ученые планируют изготовлять ленты графена с вкрапленными атомами азота и бора, которые будут создавать дополнительные уровни энергии и варьировать электронные свойства лент, а также получать гетеропереходы - соединенные ленты разной толщины (то есть с разными запрещенными зонами). Все эти структуры могут найти применение в солнечной энергетике и высокочастотных устройствах.
Ещё одна перспективная область применения графена — его использование для изготовления электродов в ионисторах (суперконденсаторах) для использования их в качестве перезаряжаемых источников тока.
В 2011 году в журнале Science была опубликована работа, где на основе графена предлагалась схема двумерного метаматериала (может быть востребован в оптике и электронике).
Заключение.
Графен — первый известный истинно двумерный кристалл. В отличие от более ранних попыток создания двумерных проводящие слоёв, к примеру, двумерный электронный газ (ДЭГ), из полупроводников методом управления шириной запрещённой зоны, электроны в графене локализованы в плоскости гораздо сильнее.
Многообразие химических и физических свойств обусловлено кристаллической структурой и π-электронами атомов углерода, составляющих графен. Широкое изучение материала в университетах и исследовательских лабораториях связано, прежде всего, с доступностью и простотой его приготовления с использованием механического расщепления кристаллов графита. Материалом, проявившем свои уникальные свойства: высокую проводимость и теплопроводность, прочность, заинтересовались не только учёные, но и технологи, которые развивают новые и более пригодные методы для массового производства графена, а также корпорации связанные с производством процессоров IBM, Samsung. Принцип работы транзисторов из графена существенно отличается от принципа работы традиционных полевых кремниевых транзисторов, так как графен имеет запрещённую зону нулевой ширины, и ток в графеновом канале течёт при любом приложенном затворном напряжении, поэтому развиваются иные подходы к созданию транзисторов.
Список используемой литературы:
1. Novoselov K. S., Geim A. K., Morozov S. V. et al. // Science. 2004. V. 306. P. 666.;
2. Geim A. K., Novoselov K. S. // Nature Mater. 2007. V. 6. P. 183.;
3. Морозов С. В., Новоселов К. С., Гейм А. К. // Тезисы докл. II Межд. форума по нанотехнологиям Rusnanotech’09, 2009. С. 444.;
4. Ю.Е. Лозовик, С.П. Меркулова, А.А. Соколик, Коллективные электронные явления в графене, УФН 178, С. 758, 2008г.;
5. www.wikipedia.org
6. www.news.students.ru
7. www.portalnano.ru Â
material.osngrad.info
"Материал будущего" графен оказался опасным
Исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде обнаружили, что "материал будущего" графен, обещающий революцию во многих областях технологий, далеко не безопасен. Он может оказывать губительное воздействие на здоровье человека и окружающую среду.
Графен - это материал с уникальными свойствами, многие связывают с ним будущее всей электронной индустрии. Графен прочнее стали, гибок, обладает высокой электропроводимостью, при этом состоит всего из одного слоя атомов углерода. Эти свойства привели к тому, что материал стали воспринимать как основу для множества будущих "прорывных" изобретений человечества.
Тем не менее, до недавнего времени серьезным изучением экологических последствий применения нового материала никто не занимался. После продолжительного исследования ученые из Калифорнийского университета в Риверсайде пришли к выводу, что графен может быть опасен.
Выяснилось, что при попадании материала в грунтовые воды гексагональная структура графена начинает разрушаться, микрочастицы довольно быстро теряют стабильность, разрушаются и значительного вреда принести не могут. А вот графеновое загрязнение поверхностных вод, в которых больше органики, а жесткость ниже, может оказаться гораздо более серьезным. Молекулярная структура графена такова, что острые выступы нано-частиц материала способны разрывать мембраны клеток живых организмов, что обуславливает его токсичность. Ученые призывают максимально тщательно изучить свойства графена до того, как его начнут активно использовать в производстве электроники.
Тем не менее, вряд ли это открытие остановят человечество от масштабного применения графена. Материал обладает настолько уникальными свойствами, что заменить его попросту нечем. Ни один сплав не может похвастаться такой теплопроводностью, выдающейся прочностью и максимальными из всех известных материалов электропроводящими качествами. Подвижность электронов в графеновых структурах в сто раз превышает показатель кремния, который в данный момент является основой практически всей электроники на планете.
По своим свойствам графен куда надежнее, чем сталь. Гаджеты будущего на его основе окажутся куда более устойчивыми к повреждениям, чем то, что мы имеем сейчас. Но и это еще не все - графен может в сто раз ускорить скорость доступа к Интернету, привести к революции в компьютерной индустрии, на несколько порядков увеличив мощность процессоров. Графен нашел применение в медицине, в укреплении старых зданий, в производстве электроэнергии и сотнях других областей.
Первыми графен получили в 2004 году, работая в Великобритании в Манчестерском университете, выходцы из России Андрей Гейм и Константин Новоселов. В 2010 году за свой вклад в изучение "материала будущего" они были удостоены Нобелевской премии.
Источник: Gizmag
Поделитесь новостью:
hitech.vesti.ru
Битва за графен-2: коммерческое применение. Фото | Технологии
Тонны графена
Если вы решите разобраться, как устроена графеновая отрасль, то неизбежно наткнетесь на десятки коммерческих отчетов, которые оценивают объемы рынка и ранжируют страны по количеству производимого ими графена. Например, эксперты предрекают, что емкость рынка графена к 2027 году будет составлять 3800 тонн в год. Поэтому, исследуя графеновый рынок, неспециалист может решить, что речь идет о мешках, бочках или вагонах с графеном — о больших объемах двумерного материала, в производстве которого соревнуются Китай, США, весь Евросоюз и другие страны. Разумеется, это не так. Сам по себе графен не стоит рассматривать как продукцию для экспорта, и обогатиться на нем нельзя. Производство графена будет расти, что неизбежно приведет к снижению его стоимости, ведь получить сам графен не проблема. Если первые эксперименты были выполнены на небольших чешуйках графена, которые отслаивались от графита с помощью клейкой ленты, то сейчас удается получать высококачественный графен большой площади осаждением в печи при высокой температуре на медную фольгу — это достаточно просто и дешево. Основой для синтеза графена также являются углеводородные газы или даже нефть. Например, совсем недавно ученым из США удалось разработать способ получения графена из ацетилена — природного газа. Сейчас графен уже продается менее чем за один евро за квадратный сантиметр, а к 2022 году, по прогнозам одной из крупнейших компаний-производителей графена, будет стоить меньше евроцента за квадратный сантиметр. То есть квадратный метр графена обойдется исследователям менее чем в сто евро.
Рынок графеновых технологий
По последним данным, в мире насчитывается 142 организации, которые производят графен. Однако в действительности рынок графена — это не килограммы «графенового сырья», а технологии на его основе: прикладные разработки и патенты. Дело в том, что графен, как и другие двумерные материалы, можно комбинировать друг с другом, получая принципиально новые свойства. Так, например, применение графена и оксида графена в биочипах, технология создания которых существует уже несколько лет, позволяет в десятки раз увеличить их чувствительность. Использование графена в качестве одного из фоточувствительных элементов матриц камер позволяет в сотни раз увеличить их чувствительность и существенно расширить их спектральный диапазон.
Возможности таких комбинаций, как отмечает прозванный отцом графена Андрей Гейм, практически безграничны, и вряд ли все из них мы сможем реализовать в перспективе хотя бы ближайших пятидесяти лет. Внедрение графена в различные устройства дает колоссальные перспективы. Но именно здесь пока нет однозначных результатов.
Технологии в массы
Действительно, массовых графеновых технологий, несмотря на серьезные финансовые вливания в эту область, до сих пор не появилось. Основная сложность с широкомасштабным применением графена — создание работающего устройства. Графен — двумерный материал, и использовать его в трехмерном мире достаточно сложно. Совмещение технологий производства графена с существующими технологиями микроэлектроники и других отраслей промышленности позволит создать целый класс новых продуктов, но как раз это сейчас и составляет основную трудность. Выращенный графен можно переносить на ту или иную подложку вручную, но это плохо соотносится с технологиями массового производства. Именно над проблемой интеграции графена в различные устройства работают многие ученые и исследовательские центры: ведутся исследования по низкотемпературному росту графена на различных подложках и разрабатываются автоматизированные технологии его переноса. На решение этой проблемы, например, нацелен графеновый центр в Самсунге. Этой проблемой занимаемся и мы на Физтехе в сотрудничестве с датской компанией Newtec. Ее решение — лишь вопрос времени, а потому, если еще пару лет назад в мире был определенный скепсис по части прикладных разработок на основе графена, то сейчас это уже ничем не сдерживаемый оптимизм.
Применения
Сейчас уже с уверенностью можно сказать: во всех устройствах будущего в том или ином виде будет присутствовать графен или другой двумерный материал. Перечислить все потенциальные применения графена невозможно. Его можно совместить даже биологическими организмами. Например, ученым Университета Тренто (Италия) и Центра по разработкам с использованием графена Кембриджского университета удалось «накормить» графеном пауков, после чего те стали производить паутину, которая оказалась в несколько раз прочнее обычной. Похожую работу провели китайские исследователи, скормив графен шелкопряду и получив прочную шёлковую нить, которая проводит электричество и может быть использована, например, в носимой электронике.
В одном из своих интервью Андрей Гейм высказывал мысль, что выделять какую-то одну наиболее перспективную область применения даже вредно: «Поле [применений] настолько велико, что сосредоточение в одном из направлений приведет к ослаблению развития в целом». Так или иначе, вы можете быть уверены: в камерах ваших телефонов, в ваших очках или умных контактных линзах, любой гибкой носимой электронике, умных настенных покрытиях, в разрабатываемых сейчас биосенсорах и нейроинтерфейсах и многом другом, не говоря о новых функциональных материалах для любых применений, например, в авиастроении или оборонной сфере — будет графен. Есть области, где этот двумерный материал используется уже сейчас. Теннисисты Новак Джокович, Энди Мюррей и Мария Шарапова играют ракетками, содержащими графен, а Билл Гейтс финансирует создание прочных и тонких графеновых презервативов. Научные конференции сопровождаются шоурумами, где стартапы и лидеры индустрии представляют свои последние разработки. Например, на выставке Mobile World Congress в фервале 2017 года был представлен концепт автомобиля с корпусом из графенового пластика. А в марте на Женевском автосалоне был презентован китайский электромобиль на основе графеновых батарей, который планирует конкурировать с Tesla. И количество приложений будет только расти.
Прогнозы рынка
Вложения в исследования графена — это вложения в светлое будущее, пусть пока и без четкого понимания, каким оно будет. Именно поэтому сейчас так сложно спрогнозировать объемы рынка через несколько лет, по текущим прогнозам, рынок графена в течение десятилетия вырастет в 30-100 раз. Но он может вырасти и в тысячи раз — достаточно только появиться умным контактным линзам с графеном, запустить в серийное производство быстрозаряжающиеся аккумуляторы или разработать любую другую технологию, которую представить сейчас мы не можем. Так же, как когда-то не могли представить, как разовьется рынок лазеров или компьютерной техники.
Двумерный мир
Материалы на основе графена изменят мир, потому что они сами по себе — это уже другой мир, двумерный. Хотя будет это не революционным новшеством, а, как подчеркивает Андрей Гейм, медленной диффузией материала в нашу повседневную жизнь. Рисуя эти картины светлого будущего, нужно ответить на неизбежный вопрос: где же во всем этом Россия, родина нобелевских лауреатов, получивших премию за передовые опыты с графеном? Если в области фундаментальных исследований у нас есть определенные результаты, то о лидерстве в области прикладных разработок говорить пока не приходится, хотя именно конкретные технологические решения будут формировать основную часть рынка графена в ближайшем будущем. О том, что поможет нашей стране не упустить место под солнцем графеновых технологий — в следующем материале серии.
www.forbes.ru
Что представляет собой графен? | FizPortal
Новые технологии. Графен
Все знают, что углерод − один из самых распространенных в природе элементов. А знаете ли вы, что атомы углерода − замечательный строительный материал для самых разнообразных кристаллов и молекул? Алмазу, одной из кристаллических модификаций углерода, принадлежит рекорд твердости. Сложные органические молекулы белков, у которых атомы углерода (и азота) составляют своего рода атомный скелет, образуют основу живых организмов. Конечно, для нахождения природных алмазов потребуется проведение геологических изысканий. Но затраты на поиски столь полезного минерала стоят того. Подавляющее большинство природных алмазов, а также все искусственные алмазы являются техническими. Инструменты, армированные техническими, природными или искусственными алмазами, служат для обработки металлов. Они используются:
- для распиловки
- резания
- обтачивания
- расточки
- сверления
- вытачивания
- штамповки
- волочения
и т.д. стали и других металлов, карбидов, оксида алюминия (искусственного корунда), кварца, стекла, керамики и прочих твердых материалов. Для бурения скважин в твердых породах.
- Алмазные пилы применяют при добыче и обработке строительного камня и для резки поделочных камней.
- Алмазный порошок служит для обдирки, шлифовки и полировки сталей и сплавов, а также для шлифовки и огранки ювелирных алмазов и других твердых драгоценных камней
Большое разнообразие атомных конструкций с участием атомов углерода объясняется тем, что углерод, элемент IV группы таблицы Менделеева, имеет четыре электрона во внешней валентной оболочке и может образовывать химические связи с четырьмя, тремя или двумя ближайшими соседями. Если у углерода четыре ближайших соседа, атомная конструкция получается трехмерной. Пример такой конструкции − кристалл алмаза, в котором каждый атом углерода находится в середине правильного тетраэдра, вершины которого − ближайшие атомы углерода. Если ближайших соседей два, возникают линейные (т.е. одномерные) конструкции, например длинные полимерные молекулы. В случае же трех ближайших соседей атомные конструкции содержат плоские участки.
Теперь о графене Графен (graphene) − новый материал с удивительными свойствами. С графеном пока работают в стенах лаборатории, но скоро (!) он получит и промышленное применение. Графен − это пленка углерода толщиной в один атом, имеющая строго упорядоченную гексагональную кристаллическую структуру. Вот несколько высказываний о графене.- Графен − самый тонкий и самый прочный материал во вселенной, − заявил 19 июня английский физик Андре Гейм (Andre Geim) из Университета Манчестера со страниц журнала «Наука» (Science).
- Углеродная пластина толщиной в один атом, по свойствам прочнее алмаза, а электричество проводит в 100 раз лучше, чем кремний используемый для изготовления компьютерных чипов.
- Количества материала массой несколько граммов достаточно для того, чтобы покрыть футбольное поле, − Род Руофф (Rod Ruoff), который изучает свойства графена в Университете Остина, штат Техас.
- Отличительной особенностью графена является потрясающая гибкость − материал можно сгибать, складывать, сворачивать в рулон.
Мы очень часто сталкиваемся с простыми корандашами, стержень используемый в карандашах − графит, есть ни что иное, как множество слоев графена. Каждый из слоев прочный, но связи между слоями слабые. Когда мы пишем карандашом, слои легко распадаются, оставляя след на бумаге, доске и т.д.Сфера применения графена. - Сенсорные экраны
- Солнечные батареи
- Накопители энергии
- Сотовые телефоны
- Супербыстрые компьютерные чипы.
- Высокочувствительные сенсоры для химического анализа жидкостей и газов.
- И т.д.
5 октября 2010 г. в Стокгольме были объявлены лауреаты премии 2010 года по физике. Премией по физике были удастоены два молодых ученых: Андре Гейм и Костя Новоселов за работы, увенчавшиеся успехом всего шесть лет назад. Учёные создали на основе графена миниатюрный транзистор, работающий при комнатной температуре, и попутно обнаружили в нём новое физическое явление. Константин Новосёлов − первооткрыватель графена вместе Андре Гейм (в 2000 г. за использование магнитного поля для демонстрации левитации лягушек был удостоен шнобелевской премии, учредителем которой является американский научно-сатирический журнал Annals of Improbable Research ("Ежегодник невероятных исследований")) работают в Великобритании, в Манчестерском университете.
Рецепт получения графена от К. Новоселова.
В промышленных масштабах производство графена развивается все лучше и лучше. То что графит расщепляется на мелкие кусочки известно уже сотни лет (открыт графит 1564 г.). На скотч нанести слой графита нарисовав простым карандашом. Затем переложить скотч несколько раз, расщепив тем самым нанесенный графит на слои, чем более яркая и блестящая пудра тем лучше. Затем надо выложить на подложку оксид кремния (которой, по понятным причинам, под руками нет). Можно воспользоваться поверхностью мобильного телефона. Компания Samsung впервые планирует использовать свойства графена в тачскринах мобильных телефонов в 2012 г. Чтобы домашний эксперимент, по получению графена удался необходимо: 1. подготовить поверхность (обезжирить, кислородной плазмы, понятно, под руками нет) на которой и будет расположен графеновый слой. 2. использовать чистый графит, а не синтетический, как стержень карандаша. Прикладываем скотч на поверхность мобильного телефона, проводим плотно по обратной поверхности скотча и убираем пленку-скотч. В результате самый нижний слой графита остался на поверхности экрана-подложки мобильного телефона. Если мы посмотрим на поверхность, то увидим блестящие частички это все еще графит. Графен так просто увидеть не получится. Можно быть уверенным в том, что те частички которые вы не видите и есть графен.
Качественные задачи и вопросы по физике. Физические явления, интересные физические вопросы, о физике интересно.
fizportal.ru
5 направлений, где применяется графен. Графеновая лихорадка / Устой…
Читайте также:5 зеленых трендов, которые всколыхнули мир за последние 10 летКак известно, графен — это сверхпрочный и сверхэлектроёмкий материал. Он обладает в 100 раз более высокой электропроводностью, чем кремний, используемый сегодня в солнечных батареях.
Он был открыт в Манчестерском университете бывшими советскими, а ныне британскими физиками Андреем Геймом и Константином Новосёловым.
В 2004 году в журнале Science они впервые написали о графене, а в 2010 году ученые получили за свое открытие Нобелевскую премию.
«У графена есть свойства, которых нет ни у одного материала, — говорит Новоселов, — это в буквальном смысле материя, ткань. С ней можно делать то же самое, что вот с этой салфеткой: сгибать, сворачивать, растягивать…» Бумажная салфетка неожиданно рвется у него в руках. С графеном такого не случится, замечает физик, это самый прочный материал на Земле.
Сейчас графеновыми исследованиями плотно занимается, так называемая испанская тройка:
- Университет Кордобы занимается вопросами проектирования и конструирования.
- Grabat Energy — компания, специализирующаяся в области нанотехнологий и энергетики. Отвечать за производство графеновых батарей в промышленных масштабах.
- Graphenano, является одним из основных производителей графеновых изделий в Испании. Здесь занимаются созданием этого материала и изготовлением его в виде полимера.
Графен в автомобилестроении
Графеновый аккумулятор, который позволяет автомобилю без подзарядки преодолевать 1000 км очень обнадеживает всех ценителей экологического транспорта. Тем более, что такие же исследования с графеном проводились исследователями в Институте науки и технологий, Кванджу, Южная Корея и им также удалось создать батареи автомобиля с той же мощности, но, время зарядки сокращается до 16 секунд.
Заметьте, это исследования, которые проводились еще в 2013 году. А уже через год испанцы опубликовали о том, что их батарея будет продуктивней Тесла в 2,5 раза и зарядка батареи будет всего 8 минут. А главное два немецких автопроизводителя были заинтересованы в попытке установить графеновые аккумуляторы на своих автомобилях.GTA Spano — испанский суперкар с графеновым кузовом
Испанский суперкар GTA Spano полностью сделан из графена. Здесь компания Graphenano тестирует графен совсем не в качестве батареи, а как материал для создания корпуса и салона автомобиля. Графен здесь можно найти не только в шасси, но и в кузове и кожаной обивке.
По всей видимости из графена пытаются сделать не только батарею а полностью весь автомобиль. Обратите внимание на табличку с надписью «графеновая батарея»
Поролон из графена
Графеновый поролон может стать самым теплопроводимым материалом в мире, утверждает ведущий производитель полиуретановой пены, компания Мурсия, которая включила этот материал в ассортимент своей продукции. После длительного периода исследований и испытаний в своих лабораториях, они сумели успешно внедрить этот материал. Графеновый поролон имеет высокую теплопроводимость и уменьшает образование клещей и бактерий внутри эластичного пенополиуретана. Он может служить как прекрасный утеплитель в стенах, так и в мягкой мебели и салоне автомобиля. Видимо, в салоне GTA Spano его уже применили.
Что важно, при производстве графенового поролона не используется метиленхлорид и значительно уменьшаются выбросы CO2, что сказывается на экологичной составляющей этого продукта.
Графен восстанавливает кости
Исследователи из института медицинских наук Amrita и научно-исследовательского центра в Индии показали, что оксид графена способен восстанавливать костную ткань.
Они обнаружили, что графеновые чешуйки оксида ускоряют размножение стволовых клеток и регенерацию клеток костной ткани. 
Сейчас идет активная проверка графенового оксида на токсичность и если все пройдет успешно, то вскоре мы можем ожидать новых революционных методов лечения переломов костей.
Графен лечит от рака
Ученые выявили, что при помощи оксида графена можно уничтожить раковые стволовые клетки, в то же время, никак не влияя на здоровые клетки. Если включить лечение оксидом графена в комплексное лечение при раковых опухолях, то разрастание опухоли прекратиться, а также графен поможет предотвратить метастазирование и повторное развитие опухоли в будущем. Такие заключения сделали специалисты после изучения свойств углеродного материала.
Специалисты предполагают, что их работа все же достигнет стадии клинических испытаний, и оксид графена можно будет применять для лечения раковых опухолей.
Графен впитывает радиоактивные отходы
Оксид графена быстро удаляет радиоактивные вещества из загрязненной воды, утверждают исследователи из МГУ им. Ломоносова и американского Университета Райса. Микроскопические, толщиной в атом хлопья этого материала быстро связываются с естественными и искусственными радиоизотопами и конденсируют их, превращая в твердые вещества. Сами хлопья растворимы в жидкости, и их легко производить в промышленных масштабах.
Таким образом можно очистить загрязненные участки, пострадавшие от выбросов ядерных отходов, как например на АЭС в Фукусиме. Оксид графена оказался гораздо лучше, чем бентонитовая глина и гранулированный активированный уголь, который обычно используется при ядерной очистке. Также графеном можно очистить подземные воды, которые загрязняются при добыче нефти, газа и редкоземельных металов. И что примечательно такой метод очистки значительно дешевле традиционных.
Графен действительно уникальный материал и он может принести много пользы для нашей планеты. И в дальнейшем, мы будем следить за всеми новостями связанными с исследованиями в этой области.
rodovid.me
