Двумерный кристалл, изменивший все: как графен влияет на электронику, медицину и зеленую энергетику. Что такое графен простыми словами его применение

Что такое графен простыми словами его применение - Интервью Нобелевского лауреата Константина Новоселова Читайте «Хайтек» в Графен в России Описание графена. Структура графена. Открытие графена: Интервью профессора, доктора химических наук Дарьи Андреевой

Влияние графена на организм человека изучено недостаточно хорошо, но никто не доказал токсичность графена. Единственную опасность представляет графен, полученный путем размешивания графита или углерода в воде. Попадая в клетку, такие мелкие частицы могут фактически убить ее.

Волшебный графен, который никак не выйдет за пределы лаборатории

Графен — удивительный материал, как по своим свойствам, так и по сложности получения. Он никогда не производился в больших масштабах с тех пор, как впервые был получен в лаборатории Великобритании русскими людьми в 2004 году. В мире производятся либо небольшие количества высококачественного графена, либо нюансы, низкокачественные промышленные дозы, которые частично испаряют магию будущего материала.

Почему чистый графен так трудно получить? Какие существуют технологии для выделения графена? Где эксперименты, которые уже продемонстрировали его удивительные свойства? И почему эти магические свойства возбуждают ученых и не оставляют попыток коммерциализировать их?

Свойства материала — это не только химические элементы, входящие в его состав. Пространственное расположение атомов также важно. Алмаз и графит состоят из одних и тех же атомов углерода, но первый используется для резки камня и бетона, а второй — в качестве грифеля для карандашей. Твердость алмаза обусловлена плотной тетраэдрической структурой его атомов. Графит на атомном уровне представляет собой слой различных плоскостей атомов, образующих шестиугольники.

Графен является двумерным. У него есть длина и ширина, но нет глубины, так сказать. Именно плоскости атомов углерода образуют кристаллическую решетку. И именно эта модификация гарантирует его механическую гибкость, оптическую прозрачность, высокую теплопроводность и подвижность электронов. Этот сверхпрочный материал способен проводить электричество и в будущем может заменить кремний в наноэлектронике.

Например, супербетон

Исследования ученых из Исследовательского центра графена при Эксетерском университете в Великобритании продемонстрировали, насколько широким является спектр применения графена. В 2018 году группа исследователей создала бетон намного прочнее обычного, добавив в него графен. Полученный композитный материал имел на 146% большую сжимаемость и на 88% большую теплоемкость.

Ученые отделили графеновый слой от частиц графита в лаборатории с помощью высокоскоростной машины. Полученный графен и жидкость использовались для создания суспензии. В эту суспензию было добавлено поверхностно-активное вещество, чтобы предотвратить прилипание графена к большим кучам.

Суспензия графена была смешана с наиболее часто используемым портландцементом, песком и заполнителем. Полученный бетон заливался в кубики со стороной 10 см и хранился в воде. По сравнению с контрольными бетонными кубами, в которых вместо графеновой суспензии использовалась вода, инновационные кубы, полученные в лаборатории, обладали рядом интересных и перспективных свойств.

Во-первых, модуль Юнга (способность выдерживать растяжение и сжатие при упругой деформации) увеличился на 80,5%, а прочность на сжатие составила 146% от уже опубликованной. Графеновые бетонные кубики имели в несколько раз меньшую проницаемость и, наоборот, на 88% большую теплоемкость. Все эти показатели зависят от концентрации графена в исходной суспензии.

Учитывая, насколько широко бетон распространен в современном строительстве, улучшение свойств композитных материалов сулит большие выгоды. Да, мы уже говорили, что чистый графен очень трудно получить. Но даже в своей «грязной» форме он может быть полезен в конкретном деле.

Графен также можно использовать в качестве сенсорного слоя в сенсорных экранах благодаря его высокой электропроводности и прозрачности. Сенсорные экраны смартфонов, стеклянные двери морозильных камер и даже окна кабин самолетов широко используют тончайшие пленки из оксида иконита. Если эффективность использования индия или масштабы переработки не увеличатся, этот запас редких металлов может быть исчерпан в ближайшие десятилетия.

Графен может принять эстафету и спасти мир, если не от исчезновения сенсорных экранов, то от заметного роста цен на смартфоны, поскольку альтернативные варианты на основе оксида индия стоят дорого.

И это лишь некоторые из областей, где ученые пытаются применить волшебные свойства графена. Эксперименты с краской для волос, которая остается неизменной после 30 стирок. Большие надежды возлагаются на солнечную энергию для получения максимальной мощности. Укрепление структуры битума с помощью графеновых добавок решает одну из давних проблем России. Используйте материал в батареях, воздушных фильтрах, опреснителях, декоре, броне и политической одежде.

Но все это эксперименты с очень малыми объемами или грязным графеном, ожиданиями и желаниями. Приятно читать, что научная фантастика скоро станет реальностью и что квадратные метры графена будут сравнимы с весом четырехфунтового кота, отдыхающего на таком графическом гамаке. Мир будущего, который хочет использовать графен, сталкивается с трудной задачей получения его в промышленных масштабах в чистом виде.

Графеновые нанотрубки?

Еще один перспективный сектор — углеродные нанотрубки. Это стеновые трубки, образованные обернутыми графеновыми листами. В таких структурах электроны обладают необычным движением, перескакивая из положения в положение и оставляя положительно заряженные дырки. Тем не менее, проводимость таких нанотрубок можно регулировать. Кроме того, поскольку ток представляет собой направленное электронное движение, няня может быть использована в качестве основы для очень чувствительных датчиков или оптоэлектронных детекторов, которые преобразуют оптический сигнал в движение, управляемое электронами, — электрический сигнал.

Для этого российские исследователи из Государственного исследовательского университета имени Миэто использовали фемтосекундные лазеры (лазеры с очень короткими импульсами) для изменения структуры графеновых нанотрубок таким образом, что одно место обладает почти металлическими свойствами, а другое — полуметаллическими. Проводимость этой второй части нанотрубки зависит от света. Когда он ударяет по ней, электроны из металлической части устремляются на другую сторону, образуя электрический импульс.

Такие фотоэлектронные детекторы очень чувствительны и быстродейственны. Разработчики технологии считают, что они могут найти применение в наноклеточках, камерах высокого разрешения и квантовых компьютерах.

Углеродные нанотрубки уже производятся. Временами вырастают целые леса с рекордной высотой 14 см. Это происходит в лаборатории на подложке, где углерод осаждается из газовой фазы. В России кислород производит углеродные нанотрубки в больших количествах и успешно их продает. Однако, по мнению Константина Новоселова, который обнаружил, что графен — это несколько иной материал. Точнее, это не совсем правильно. Замечательные свойства графена обусловлены его двумерной структурой. Промышленные углеродные нанотрубки представляют собой массу довольно неупорядоченных нанотрубок. Они не обладают таким же сопротивлением, как отдельные нанотрубки, но имеют практическое применение. Они используются для изготовления велосипедных аксессуаров, которые являются более прочными нанопоксидными смолами.

— Они сильно поглощают свет всех видимых длин волн. Это объясняет черный цвет тонера. Однако простые графеновые листы почти прозрачны из-за своей высокой деликатности.

Что такое графен? Каковы его свойства?

Граферс — это сущность из чистого углерода, сделанная в виде листьев толщиной с человека. Графен в 200 раз прочнее стали и такой же гибкий, как резина. Кроме того, он эффективно поднимает электричество и тепло.

Графен не является природным веществом. Физики теоретизировали о его свойствах с 1960-х годов, но открыт он был только в 2004 году. На момент появления графена методы его производства были очень дорогими, но исследователям удалось снизить затраты. Именно поэтому графен используется в многочисленных областях, таких как медицина, электроника компьютерной техники и т.д.

Двойные связи между атомами углерода в сочетании с тонкой индивидуальной толщиной объясняют специфические свойства графена. Считается, что его способность эффективно проводить электричество и тепло обусловлена небольшими, прочными углеродными связями.

Граферс представляет собой образование из чистого углерода и выполнен в форме листа толщиной в человеческий рост. Графен в 200 раз прочнее стали и такой же гибкий, как резина. Кроме того, он эффективно передает электричество и тепло

Каковы преимущества графена?

Графен может быть использован в качестве сырья для широкого спектра продуктов. Основные преимущества этого материала — высокая электропроводность, в 200 раз выше, чем у кремния, он эффективно отводит тепло и достаточно тонок, чтобы считаться двумерным материалом.

Графен прозрачный, прочный, легкий, гибкий и проводящий.

Является ли график Шенсе — рискованным для здоровья?

Зависит от режима производства. Графен, используемый в настоящее время в биоэлектронике, отличается высоким качеством и собирается методом химического осаждения из паровой фазы. При этом материал не является токсичным, так как не взаимодействует с клетками.

Исследователи также работали с графеном и обычным стеклом для создания клеток. Они обнаружили, что графен вызывает у них гораздо больше положительных эмоций благодаря своей биосовместимости.

Существуют также куртки и платья из графена. Последние, в частности, оснащены светодиодными лампами LED 4, которые реагируют на дыхание и температуру тела, меняя цвет.

Кто открыл графен?

Теоретические исследования графена начались в середине 20-го века, но в течение десятилетий никому не удавалось получить этот материал на практике. Графен был получен в лаборатории только в 2004 году российскими учеными Андре Геймом и Константином Новоселовым, которые работали в Манчестерском университете в Великобритании. Они использовали клейкую ленту для удаления верхнего слоя тонера. Затем исследователи растянули ленту, чтобы разбить тонер на еще более мелкие слои. После долгих трудов они обнаружили, что только одна толщина графита — немного графена. В знак признания важности своего открытия Гейм и Новоселов были удостоены Нобелевской премии по физике.

Фото Андре Гейма и Константина Новоселова.

Андре Гейм и Константин Новоселов. Фото: ТАСС.

Свойства графена

Поведение графена как материала удивляет многих ученых. Перечислим его основные функции.

Прочность и жесткость.

Графен считается самым прочным материалом из когда-либо обнаруженных. Он примерно в 200 раз прочнее стали. Стоит отметить, что графен является одновременно жестким и упругим. Это позволяет удлинить материал на поразительную величину (20-25% от первоначальной длины) без разрыва.

Электронные свойства.

Они также очень необычны. Электроны в графене обладают высокой подвижностью, что позволяет создавать компьютерные чипы, работающие быстрее и потребляющие меньше энергии, чем используемые в настоящее время.

Визуальные особенности.

При толщине всего в один атом ультратонкий графен почти полностью прозрачен. Графен пропускает от 97% до 98% света. Для сравнения, для оконного стекла этот процент не превышает 90%.

Фотография графена предоставлена.

Фото: среднее.

Как мы можем использовать графен?

Графен часто используется в медицине. Он используется для создания датчиков, обнаруживающих биомаркеры. В частности, иммуноглобулины, опасные токсины и биомаркеры, связанные с онкологией и сердечно-сосудистыми заболеваниями. Это позволяет врачам диагностировать заболевания новыми способами.

Кроме того, графен рассматривается как отличная альтернатива существующим материалам, которые достигли своих естественных пределов. Например, кремниевые транзисторы (выключатели, используемые в качестве памяти и логики для принятия компьютерных решений) за последние десятилетия уменьшились в размерах и стали более мощными. Однако ученые уже давно высказывают опасения, что дальнейшие усовершенствования ограничены законами физики. Замена кремния графеном позволит создать еще более компактные и быстрые транзисторы.

Аналогичным образом, графен способен произвести революцию в других областях технологии, которые были ограничены традиционными материалами. Например, его можно использовать для создания экономичных и рентабельных солнечных батарей и энергосберегающих устройств. Такие компании, как Samsung, Nokia и IBM, разрабатывают графен в качестве альтернативы сенсорным экранам, транзисторам и флэш-памяти, но разработки пока находятся на очень ранней стадии.

Оцените статью
club-cs.ru