Графен — Что такое Графен?
Графен — это двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в 1 атом.
Графит — это уложенные друг на друга слои графена, связанные между собой слабыми Ван-дер-Ваальсовыми связями, которые удалось разорвать.Свойства графена изучили учеными К. Новоселовым и А. Геймом за что в 2010 г. получили Нобелевскую премию.
Графен обладает большой жесткостью, теплопроводностью и подвижностью заряда, что делает его перспективным материалом для использования в самых разных приложениях, особенно в области наноэлектроники.
Графен вместе с магнитными молекулами ( органические молекулы, в составе которых есть 1 или несколько ионов металла с неспаренными электронами) может стать строительными блоками для будущих квантовых компьютеров, обеспечивая сверхбыстрые и энергоэффективные вычисления.
Обработка информации связана со скоростью тактовой частоты.
Носители заряда у графена ведут себя как релятивистские частицы с нулевой эффективной массой, что позволит создать работающие на терагерцовых частотах устройства,что недоступно кремнию.
Графен высокого качества экспериментально получен учеными К. Новоселовым и А. Геймом в 2004 г., за исследования его свойств они в 2010 г. получили Нобелевскую премию.
Правда «скотч-метод», которым они получили графен далек от промышленного и позволял получить его только в малом количестве — для исследований.
В 2015 г. британская Graphene NanoChem поведала о тестировании бурового раствора PlatDrill, который можно использовать при гидравлическом разрыве пласта (ГРП), и который на 25% более биоразлагаем, чем отраслевые требования. В 2017 г. Graphene NanoChem пописала контракт на поставку 4 000 баррелей PlatDrill на рынке сланцевого газа в Китае на сумму около 360 000 долл США.
В 2017 г.
о разработках с использованием графена заговорили в Газпроме, анонсировав намерение сотрудничать с институтами Российской академии наук (РАН) для разработки технологии хранение природного газа с использованием нанонопористого графена в качестве абсорбента.
В июле 2019 г. ученые немецкого института в г. Карлсруэ заявил о получении графена из углекислого газа.
Битва за графен: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего
Графен — это всего лишь одна из форм углерода, который может существовать во множестве кристаллических модификаций: например, как графит, алмаз, фуллерены или углеродные нанотрубки. Непосредственно графен можно представить в виде одной плоскости объемного кристалла графита — это первый кристалл толщиной всего лишь в один атом, экспериментально полученный в лабораторных условиях.
C одной стороны это очень простой материал, с другой очень сложно совместить двумерный материал толщиной в один атом с трехмерным миром приборов.
Казалось бы на данный момент графен достаточно хорошо исследован, но тем не менее он еще таит в себе сюрпризы. Например, из графена можно удалять атомы углерода (с какой-то периодичностью или в виде какого-то узора) — получается материал с другими свойствами.
Можно в графен добавлять атомы других материалов — это еще один материал с новыми свойствами. Свойства графена во многом определяются подложкой, например, химические свойства графена в зависимости от материала подложки еще не изучены. Очень мало информации и по физическим свойствам в зависимости от материала подложки. Техника постоянно совершенствуется, мы учимся работать со все меньшими и меньшими объектами и получаем все больше интересной информации. Одна из ключевых задач — встроить графен (двумерные материалы) в существующий цикл микроэлектронного производства, пока все такие устройства делаются вручную.
Реклама на Forbes
Разнообразие применений графена возможно из-за его уникальных физико-химических свойств, которые моментально сделали этот двумерный материал объектом для фундаментальных исследований. Так, двумерность графена, а также характерное для него особое поведение электронов, открыли возможность для экспериментальной демонстрации различных явлений квантовой физики, среди которых квантовый эффект Холла, парадокс Клейна, сверхпроводимость и многие другие.
У рассматриваемого материала интересные оптические свойства: является перспективным материалом для создания оптических инструментов, работающих одновременно в широком диапазоне частот — от видимого света до терагерцового или даже микроволнового излучения. Это лишь небольшая часть из интересных особенностей графена, но главное — его свойства сильно зависят от материала подложки, наличия дефектов и примесей, внешних воздействий и многого другого. Так что поле для научных изысканий здесь очень велико, и вложения в эту сферу только продолжат расти.
Исследовательский бум
Поэтому доля научных публикаций с упоминанием графена год от года непрерывно растет. Если в 2010 году мы имели 0,2% относительно всех научных публикаций, то в 2016 году — это уже 1% с прогнозом на 2017 — около 1,3%, согласно базе данных научных публикаций Web of Science.
Где мы?
Если в первые годы после открытия графена Россия была весьма заметным игроком в области графеновых исследований, то сейчас мы с каждым годом понемногу отстаем: 5,6% публикаций в середине 2000-х и 2,3 % в 2016 году.
По общему числу публикаций с упоминанием графена за 2014-2016 гг. мы находимся на 14 месте, а по числу публикаций с высоким индексом цитирования или среднему цитированию на одну работу мы не входим в список 20 лучших стран. При этом надо отметить, что такое положение нашей страны обеспечиваются главным образом за счет сотрудничества с зарубежными коллегами. Например, доля России в высокоцитируемых работах 2014-2016 гг., где авторы в качестве места работы указали российскую научную организацию, составляет всего 12%. То есть даже имеющиеся скромные показатели — не полностью заслуга нашей страны. Свидетельством тому является отсутствие патентов и приглашенных докладов на профильных международных конференциях. Так, на крупнейшей конференции Graphene за последние три года Россия была представлена только одним устным докладом.
Графен и Россия
В нашей стране исследования с графеном проводятся по инициативе отдельных ученых. Помимо ряда институтов РАН в исследовании графена заметны успехи МГУ, СПбГУ и МФТИ.
Физтех (МФТИ), помимо нобелевских лауреатов, подарил миру графена целый ряд других выдающихся ученых. Это, например, Александр Баландин (исследование теплопроводности графена), Леонид Левитов (теоретические исследования графена), Виктор Рыжий (графеновая оптоэлектроника) и другие. Не так давно на Физтехе был создан Центр фотоники и двумерных материалов, объединяющий несколько лабораторий. Его основная задача — разработка и создание с использованием графена и других двумерных материалов принципиально нового класса оптоэлектронных приборов и компонентов широкого спектра применений (наносенсоры, биосенсоры, нанолазеры, инфракрасные камеры, энергоэффективные световые устройства и многое другое). Нам уже удалось создать высокочувствительные графеновые биосенсоры, которые могут помочь в создании новых лекарств и вакцин от опасных заболеваний, в том числе от ВИЧ и рака. А сейчас совместно с датскими коллегами мы работаем над технологиями низкотемпературного синтеза графена, чтобы выращивать его непосредственно на элементах приборов электроники.
Кто виноват?
У стран, которые обгоняют нас в графеновой гонке, есть кое-что общее: исследования в области двумерных материалов в них последовательно поддерживаются на государственном уровне. Например, в одном лишь городе-государстве Сингапуре вложения в эту область превышают $300 млн. А Европейская комиссия, запустила программу Graphene Flagship и выделила более €1 млрд на десятилетние исследования и разработки, которые проводят ведущие исследовательские институты и корпорации в 23 европейских странах. При этом только Великобритания дополнительно выделила более £235 млн на эти же цели. И это не считая финансирования, которое выделяется национальными научными фондами на конкурсной основе. В России же отсутствуют какие-либо целевые программы по исследованиям в области графена даже в рамках научных фондов, а ведущие российские университеты, несмотря на отчаянную гонку в мировых рейтингах, не выделяют эту тематику в качестве своих приоритетов.
Что делать?
В странах, которые сделали ставку на графен, ученым дают большой простор для научных исследований: обеспечивают необходимыми финансами и оборудованием, и предоставляют свободу в выборе тем исследований. При этом новые научные результаты — не главное в истории с графеном. Выявляемые и исследуемые уникальные свойства графена позволяют создать на его основе целый класс устройств нового типа, а потому исследовательская гонка сейчас — это гонка за захват рынка графеновых технологий. Причем речь далеко не всегда идет о принципиально новых рынках. Графен рассматривается в качестве материала, который изменит авиастроение, технологии освоения космоса, вооружение и военную технику, а также энергетическую отрасль. Все это — лишь вопрос времени. Не уделяя должного внимания материалам из двумерного мира, можно потерять позиции в том числе и в этих отраслях. Необходимо осознать важную вещь: в мире произошла графеновая революция, как когда-то с изобретением транзистора состоялась революция в электронике.
Каких технологий нам стоит ожидать и когда они выйдут к массовому потребителю — в следующем материале серии.
Что такое Графен?. И как в домашних условиях сделать самый… | by Сергей Базанов
Графен обладает многими невероятными свойствами. Это самый тонкий и прочный материал, известный человеку. Это превосходный тепло и электро проводник, даже лучший чем бриллианты, медь и серебро. Он сверхлегкий, но в то же время в 200 раз прочнее стали, и, кроме того, он биологически разлагаем, поэтому не представляет угрозы для окружающей среды.
Вы подумаете, что с такими впечатляющими свойствами графен должен быть очень сложным и специфическим материалом. Это отчасти верно; но в то же время как графен достаточно трудно производить в больших масштабах, он уже есть в вашем доме.
Как вы уже догадались из названия, этот материал происходит из графита, того самого, который находится внутри обычных чертежных карандашей. Когда вы пишете, чешуйки графита толщиной в несколько слоев прилипают к бумаге, но истинный графен более тонкий.
Какую толщину имеет самый тонкий материал в мире? Один атом! Это настолько тонко, что можно считать этот материал двумерным в виду того что он практически не имеет толщины, только ширину и длину. Поэтому он производится в аккуратных тончайших листах. Таким образом, графен представляет собой гексагональную решетку атомов углерода толщиной в один атом. Вы можете самостоятельно создать его, удалив лишний слой графита из бумаги с помощью липкой ленты, сложив ленту и снова развернув её, чтобы отделить пласты углерода друг от друга.
Именно так его открыли в 2004 году ученые сэр Андрей Гейм (Andre Geim) сэр Константин Новоселов, которые впоследствии получили Нобелевскую премию по физике за свои открытия, а также звания рыцаря-бакалавра указом королевы Елизаветы II.
Когда графен был обнаружен, это был шок для многих учёных, которые не верили, что один слой углерода может быть стабильным, особенно при комнатной температуре.
Тем не менее, он не только был стабильным, он проводил электроны быстрее, чем любое другое вещество при комнатной температуре, учитывая идеальное, высокое качество его решётки. Отсутствие дефектов в структуре решётки означает отсутствие рассеянных электронов, что приводит к очень сильной, но гибкой связи. Манипулирование этими электронами также означает, что графен может быть преобразован в магнит толщиной в один атом-потенциально увеличивая хранение данных в миллион раз.
Где ещё может применяться графен? Список длинный и очень интересный.
Графен может выдерживать нагрузку 5 тонн и более без разрушения. Он прочнее алмаза, хотя алмаз и графен не слишком далеки друг от друга. Оба они состоят из углерода, который может стать только двумя естественными кристаллами — графитом или алмазом. Но алмаз не такой стабильный, как графен. Прочность графена может привести к созданию гибких небъющихся экранов телефонов, лучших пуленепробиваемых жилетов и более прочных городских строений. Предполагается, что графен станет будущим строительным материалом для космических кораблей, автомобилей, поездов, самолетов и даже лифтов, поднимающихся в космос.
Компания Samsung уже работает над внедрением графена в свои батареи с помощью графеновых шариков. В результате электрическая емкость увеличилась на 45%, а скорость зарядки — в пять раз. Полная зарядка такой батареи для телефона Samsung занимает 12 минут. Батарея также очень стабильна к перепадам температур. 20 минут зарядки подобного графенового аккумулятора дадут вам 600 км езды на электромобиле.
Электронное хранилище из графена обеспечит более эффективные солнечные элементы, которые смогут работать даже когда идет дождь.
Слои графена непроницаемы. Смешивание его с такими материалами, как резина или пластмасса, могут сделать их воздухонепроницаемыми, что обеспечивает более безопасные корабли и пищу, которая может сохраняться намного дольше.
Графеновые оксидные мембраны позволяют получить более дешевую воду для засушливых бедных районов мира. В то время как современные процессы опреснения воды являются дорогостоящими и используют много энергии, применение графена, как показали эксперименты, дало сокращение энергопотребления на 46%, что делает опресненную воду намного более доступной.
Есть некоторые препятствия, которые необходимо преодолеть в отношении оксида графена и его проницаемости для соли, но прогресс в этой области является многообещающим.
Другие потенциальные сферы применения графена включают фильтрацию ядерных отходов, использование в суперкомпьютерах, а также создание лучших медицинских сканеров, транзисторов и секвенсоров ДНК. Внедряя графен непосредственно в наши клетки, врачи могли контролировать наше тело изнутри с помощью наноботов. Предполагается, что биоприложения графена станут реальностью к 2030 году.
Так почему же мы до сих пор не видим его повсюду?
Недостаток графена состоит в том, что его очень сложно производить. До сих пор учёным удавалось изготавливать его лишь в небольших количествах, самым крупным из которых был лист размером с кредитную карту. До недавнего времени мы даже не могли изготовить его за пределами лаборатории.
Для того чтобы произвести лист графена размером с кредитную карточку, масло сои было нагрето до 800 градусов Цельсия на листе фольги никеля, что заставило углерод упорядочиться в тонкую пластину графена.
Но это все равно пока остается проблемой масштабирования. При попытке получить большие по размерам листы графена, материал получался низкого качества. Однако, эта проблема баланса чистоты и размера графеновых материалов напоминает аналогичную проблему получения чистого кремния, которая была в прошлые годы. Сферы применения этого материала и получаемая выгода слишком огромны, чтобы не продолжать исследования.
Графеновая гонка. Как графен может изменить нашу жизнь?
2021 год был объявлен в России Годом науки и технологий, а месяц июнь, согласно календарному плану Года, посвящен новым производственным технологиям и материалам. Сегодня мы поговорим об одном из таких новых перспективных материалов — графене.
Графен — самый тонкий материал из когда-либо обнаруженных. Впервые он был выделен в начале нулевых, а в 2010 году выпускникам МФТИ, сотрудникам Манчестерского университета Андрею Гейму и КонстантинуНовоселову за это открытие присудили Нобелевскую премию по физике.
Есть много идей, как можно применить этот тонкий и чрезвычайно прочный материал, о котором так много говорят в последние годы.
Слой углерода толщиной в один атом
Толщина графена составляет всего один атом — это самый тонкий материал в мире, его можно назвать двумерным объектом. Представьте обычный грифель карандаша, которым вы пишете — он состоит из нескольких миллионов слоев графена, и, по сути, графит в карандаше — это уложенные друг на друга слои графена. Поэтому каждый из нас хотя бы раз в жизни держал графен в руках. Материал был обнаружен Геймом и Новоселовым, когда они изучали проводимость графита. Приклеив скотч к куску графита, ученым удалось получить один слой графена.
Идея отделить слой графена от графита с помощью скотча пришла к ученым спонтанно. Скотч, с помощью которого образцы графита готовят для работы на сканирующем туннельном микроскопе, после процедуры обычно отправляется в мусорное ведро. Однако Новоселов и Гейм решили найти куску скотча с остатками тонкого слоя материала другое применение — за это впоследствии их в шутку окрестили garbage scientists (мусорные ученые).
В возможность отделить один слой никто не верил. Семьдесят лет назад Лев Ландау и Рудольф Пайерлс доказали, что таких материалов существовать не может: силы взаимодействия между атомами должны смять их в гармошку или свернуть в трубочку, пишет Forbes. Однако графен оказался исключением из этого правила.
Практическое применение
Графену приписывают множество самых разнообразных практических применений. Его возможно использовать для создания имплантов для мозга, он может применяться в системе охлаждения для спутников, графен можно превратить в сверхпроводник; полезен он и в быту: например, в качестве краски для волос. Уже сегодня графен применяется в электронике, медицине: работы по нейродевайсам и биосенсорам ведутся с 2008 года — но когда графеновую биоэлектронику начнут массово применять на практике, пока трудно сказать.
Этот материал особо ценится за его прочность и упругость. А еще графен очень прозрачный: его прозрачность составляет 97%.
«Сейчас есть много идей о том, как можно применять графен.
Были идеи, что получится его использовать в качестве транзистора, как замена элементной базы современной электроники. Но это, насколько я знаю, не пошло, и теперь пытаются использовать его упругие свойства. Если сравнить атомарный слой углерода (чем по своей сути графен и является) и атомарный слой, скажем, алюминия, то мы увидим, что жесткость графена будет как минимум в десять раз выше. Так как графен одноатомный, то он спокойно пропускает свет, то есть вы видите через него всё. С другой стороны, он достаточно прочный, чтобы обеспечить необходимую защиту от каких-то механических воздействий. Поэтому графен можно применять как прозрачный, но прочный экран для предохранения жидкокристаллических дисплеев, например. Его прочность может быть полезной для создания гибких небьющихся экранов, городских строений и др., возможно, он станет будущим строительным материалом для космических кораблей, общественного транспорта и т.д.», — рассказывал в интервью «Научной России» заместитель директора Института теоретической физики им.
Л.Д. Ландау РАН Игорь БУРМИСТРОВ.
Нобелевские лауреаты К. Новоселов (слева) и А. Гейм. Источник фото: https://panorama.pub/
Некоторые эксперты считают, что графен даже может спровоцировать новый скачок в развитии человеческой цивилизации. Кремниевая эра скоро закончится, говорят ученые, ведь кремневая элементная база, на которой создается современная техника, уже подходит к своему технологическому и физическому пределу, и в этом смысле графен может стать отличной альтернативой. Использование графена в электронике поможет создать более мощные компьютеры и системы. В мире его уже используют для создания гибких мобильных телефонов.
В свое время освоение металлов кардинально изменило жизнь людей — ту же судьбу пророчат графену, называя его самым загадочным и многообещающим новым материалом будущего, который способен произвести революцию в энергетике. Графен дает возможность получать энергию совершенно новым способом. Этот материал обладает возможностью пропускать позитивно заряженные атомы водорода, при том, что он непроницаем для других газов, в том числе и для самого водорода.
Это открывает перед учеными невероятные перспективы по созданию топливных элементов на основе водорода. Так, например, можно будет собирать в таких элементах водород из воздуха, а затем получать с помощью графена электричество и воду, практически не порождая никаких отходов.
В прошлом году физики из США показали, что графен можно использовать для сбора энергии: он способен вырабатывать энергию с помощью окружающей среды. Учеными из Университета Арканзаса была разработана схема, способная улавливать тепловое движение графена и преобразовывать его в электрический ток.
«Энергосберегающая схема, основанная на графене, может быть встроена в чип для обеспечения чистой, безграничной, низковольтной энергии для небольших устройств или датчиков», — отметил Пол Тибадо, профессор физики, участвовавший в эксперименте.
Графен может быть использован для создания квантовых компьютеров, благодаря этому материалу такие компьютеры могут стать компактнее. У графена могут быть и более общедоступные применения, например в дизайне одежды.
Вещи из графена, легкие и плотные, уже сегодня можно найти на мировых рынках.
Графеновое будущее
Разработки на основе графена уже близки к массовому внедрению в экономику, считает член-корреспондент РАН, научный руководитель Корпоративного энергетического университета Евгений Аметистов. При этом в графеновой гонке Россия отнюдь не лидирует, и наши технологии далеки от совершенства.
В рамках программы финансирования науки (2014-2020 гг.) Евросоюз выделил один миллиард евро на запуск производства графена в промышленных масштабах. Проект объединяет 23 страны и 142 научно-исследовательских коллективов и промышленных партнёров. Не так давно, в 2015 году, в Манчестере открылся Национальный графеновый институт, строительство которого финансировали Европейский фонд регионального развития и правительство Великобритании. Однако более половины мировых публикаций и заявок на патенты в области графена сегодня принадлежит Китаю, где действует так называемый Инновационный альянс графеновой промышленности.
А как обстоят дела в России? По числу исследований графена Россия сегодня находится на 14-м месте в мире, пишет российский деловой еженедельник «Эксперт». Причем процент российских научных публикаций по теме графена падает, отмечает издание: в 2000-е годы он составлял 5,6%, а в 2021 — только 2,3%.
Исследованиями графена в России занимаются свыше 30 организаций, среди них различные институты Российской академии наук, МГУ им. М.В. Ломоносова, предприятия ГК «Роскомос», частные фирмы. В нашей стране есть свой Институт графена, на базе которого впервые в России была создана установка полупромышленного типа для производства чистого (почти 100%) графена.
«Сейчас идет своеобразная графеновая гонка. Наши позиции изначально были очень хорошими, поскольку традиционно Россия сильна в плане фундаментальной физики. Конечно, мы немного упустили тот момент, когда мир рванул вперед», — рассказывал директор центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Валентин Волков на Международной конференции по двумерным материалам в г.
Сочи.
Уже сегодня в России графеновые и графеноподобные материалы применяют для повышения ударной прочности экспериментальных образцов карбидокремниевой брони для ударных вертолетов и военных шлемов, при производстве солнечных панелей, используют в составе литий-ионных аккумуляторов и т.д. Однако массовое применение графена — вопрос будущего.
Фотографии в материале, включая фото на главной странице сайта: https://ru.123rf.com
Графен использовали для создания звукового аналога лазера — Наука
ТАСС, 10 июня. Физики использовали графен для создания излучателя акустических волн, похожего по своим свойствам на оптический лазер. Это устройство может стать основой для квантовых оптомеханических датчиков, пишет пресс-служба НИУ ВШЭ со ссылкой на статью в научном журнале Optics Express.
Графен – это одиночный слой атомов углерода, соединенных между собой структурой химических связей, которые напоминают структуру пчелиных сот. За получение и изучение первых образцов графена присудили Нобелевскую премию 2010 года по физике – ее получили Константин Новоселов и Андрей Гейм.
Однако некоторые характеристики графена мешают его практическому применению. Поэтому Гейм и его коллеги из МФТИ смогли приспособить графен для использования в качестве датчика терагерцовых волн лишь три года назад.
В ходе нового исследования российские и китайские физики под руководством профессора Университета электронных наук и технологий Китая Дэна Гуан-Вэя приспособили графен для создания сазера – звукового аналога лазера. Физики пытаются разработать такое устройство уже несколько десятилетий.
Сазеры – это оптомеханические приборы, которые могут вырабатывать фононы – акустические колебания атомов кристаллической решетки. В данном случае они ведут себя так же, как и частицы света в импульсах лазерного излучения. Первые прототипы сазеров появились в 2009 году. Впоследствии было создано несколько других вариантов подобных акустических приборов, однако все они были чересчур велики и, кроме того, отличались другими ограничениями в использовании и интеграции в другие оптические или механические устройства.
Дэн и его коллеги предположили, что если создать сазер на основе графена, то многих подобных проблем можно будет избежать. Дело в том, что графеновые листы могут служить своеобразным «зеркалом» для акустических колебаний. Руководствуясь этой идеей, ученые собрали набор из своеобразных графеновых «барабанов» и проверили, будут ли они вырабатывать и усиливать механические колебания.
Эти «барабаны» представляют собой набор из лунок и каналов, выточенных с помощью лазера и плазмы на поверхности пластины из кремния и покрытых двумерной пленкой из графена. Если облучать подобную структуру лазером с определенной длиной волны, частицы света оказываются в пространстве между кремнием и графеном. В результате внутри графенового барабана возникают механические колебания соответствующей частоты.
По словам специалистов, подобные сазеры можно производить, используя классические методы печати современных микросхем. Также их можно встраивать в оптоволокно и различные оптоэлектронные приборы.
Ученые НИТУ «МИСиС» вырастили графен при комнатной температуре
Уникальный метод синтеза мультиграфеновых пленок при комнатной температуре удалось создать научному коллективу НИТУ «МИСиС». Это позволит наносить мультиграфен на поверхность легкоплавких металлических порошков для создания качественно новых 3D-композитов. Работа опубликована в журнале Materials Chemistry and Physics.
Добавки графена в материалы, используемые в 3D-печати, улучшают механические и функциональные свойства композиционных изделий: повышается их теплопроводность, механическая прочность, электропроводность. Это является актуальной задачей при создании сложных деталей для аэрокосмической промышленности методами 3D-печати.
Простейшим методом синтеза графена является микромеханическое расслоение графита, предложенное лауреатами Нобелевской премии 2011 года Геймом и Новоселовым, однако, он малопроизводителен и применяется, в основном, для лабораторных исследований.
Один из способов получения графена электрохимическим способом — его формирование из расплавов солей.
Однако, синтез графена в данном случае проводится при температуре 500-700оС, что исключает возможность его осаждения на частицы легкоплавких металлов, таких как алюминий, а значит, значительно сужает круг возможных композитов, модифицированных графеном.
Ученые лаборатории «Катализ и переработка углеводородов» НИТУ «МИСиС» решили эту проблему, разработав новую низкотемпературную технологию получения мультиграфена для нанесения на силуминовые (сплав на основе алюминия и кремния) порошки, применяемые в создании композитов методом 3D-печати.
«Нашей задачей было производство значительного количества порошкового композита на основе графена и силумина для 3D-печати. Для этого мы проводили электрохимическое осаждение графена из слабого раствора серной кислоты с добавлением сахарозы. При осаждении графена на порошок силумина, температура раствора не превышала 25-30оС. Затем полученные композиты подвергались сплавлению методом SLM с получением 3D-изделий», — рассказал соавтор исследования, инженер кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов НИТУ «МИСиС» Сергей Ерёмин.
По словам разработчиков, предложенная технология позволяет регулировать толщину нанесенного слоя графена и поддерживать его равномерное распределение в порошке.
В дальнейшем коллектив разработчиков планирует усовершенствовать технологию синтеза мультиграфена за счет контроля толщины получаемых графеновых слоев, а также научиться получать непрерывные графеновые пленки.
Второе направление развития технологии — прямое получение порошка графена с высокой удельной поверхностью, которая обеспечит улучшение сорбирующих качеств для создания фильтрующих материалов. Если модифицировать такие порошки наночастицами серебра или меди, к высоким фильтрующим свойствам добавится и бактерицидный эффект. Фильтры на их основе можно будет применять для очистки воды и воздуха в промышленных и бытовых условиях.
Исследования ведутся в рамках выполнения проекта РНФ 19-79-30025.
Российские физики накачали графен светом
Манипулирование светом на наномасштабе — одна из важнейших задач, которую необходимо решить для создания сверхкомпактных устройств преобразования и хранения энергии оптического излучения.
Поверхностные плазмон-поляритоны — это свет, локализованный на границе раздела двух материалов с резким контрастом по показателю преломления, в частности — проводника и диэлектрика.
Преимущество работы с такими поверхностными волнами — это возможность локализации света на очень малых пространственных масштабах порядка нескольких нанометров. В зависимости от сочетания материалов проводника и диэлектрика можно добиться различной степени локализации поверхностных волн; в простейшем случае используют сочетание металла и воздуха.
Оказывается, что самого сильного эффекта можно достичь тогда, когда свет локализуется на двумерном материале, обладающем толщиной всего лишь в один атомарный слой, поскольку такие двумерные материалы обладают достаточно большим показателем преломления.
Эффективность энергопередачи света в плазмон-поляритоны на двумерной поверхности при использовании существующих схем составляет не более 10 процентов. Для того чтобы поднять процент, можно использовать промежуточные преобразователи сигнала в виде нанообъектов различного химического состава и геометрии.
В качестве таких объектов авторы работы использовали полупроводниковые квантовые точки, которые имеют размер от 5 до 100 нанометров и химический состав, сходный со сплошным полупроводником, из которого они изготовлены. Однако оптические свойства квантовой точки сильно зависят от ее размера. Поэтому, меняя размер квантовой точки, можно настроиться на интересующую длину волны света. Если светить на ансамбль квантовых точек разного размера естественным светом, то одни из них откликаются на одну длину волны, другие — на другую.
Квантовые точки различаются химически и геометрически. Это могут быть цилиндры, пирамидки, сферы. Авторы в своей работе использовали эллипсоидные квантовые точки с диаметром 40 нанометров. Квантовые точки служили рассеивателями, находящимися над поверхностью графена, на которую падало инфракрасное излучение на длине волны 1,55 мкм. Между квантовыми точками и графеном располагалась буферная прослойка из диэлектрика толщиной несколько нанометров.
Идея использовать в качестве рассеивателя квантовую точку не нова: были работы, в которых квантовая точка находилась над поверхностью графена и взаимодействовала и со светом, и с электромагнитной волной, бегущей по поверхности, на одной общей для этих двух процессов длине волны.
Это достигалось подбором нужного размера квантовой точки. Такую систему достаточно просто настроить на резонанс, но при этом большую роль начинают играть процессы тушения люминесценции — перетекания энергии падающего света в тепло, а также обратного перерассеяния света. В результате эффективность перетекания энергии именно в плазмон-поляритоны оказывалась на уровне не выше 10 процентов.
«Мы рассмотрели схему, в которой квантовая точка, располагающаяся над поверхностью графена, одновременно взаимодействует и с падающим светом, и с бегущей поверхностной электромагнитной волной, но частоты, на которых происходит это взаимодействие, разные.
Со светом она взаимодействует на длине волны 1,55 микрометра, а с электромагнитной волной, бегущей по поверхности, то есть с плазмоном-поляритоном — на длине волны 3,5 микрометра. Этого можно достичь, если использовать гибридную схему взаимодействия», — комментирует соавтор работы Алексей Прохоров, старший научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ и доцент Владимирского государственного университета.
Суть гибридной схемы взаимодействия заключается в том, что в работе используется не два энергетических уровня — верхний и нижний — а включается еще промежуточный уровень. То есть авторы решили использовать схему, напоминающую энергетическую структуру лазера. Только теперь промежуточный энергетический уровень служит исключительно для того, чтобы осуществлялась сильная связь квантовой точки с поверхностной электромагнитной волной. Возбуждение квантовой точки происходит на длине волны лазера, который ее подсвечивает, а преобразование в поверхностную волну происходит уже на длине волны, соответствующей резонансу квантовой точки с плазмон-поляритоном.
«Мы работали с различными материалами для изготовления квантовых точек и с различными типами графена. Графен может быть в чистом виде, а может быть так называемый допированный графен. В зависимости от типа допирования, при котором в графен встраиваются элементы из соседних групп таблицы Менделеева, меняется его химический потенциал. Мы оптимизировали параметры квантовой точки, ее химию, геометрию и тип графена так, чтобы эффективность передачи энергии света в поверхностные плазмон-поляритоны становилась максимальной. В качестве квантовой точки использовался антимонид индия InSb, в качестве графена — допированный графен», — рассказывает Алексей Прохоров.
Но, хотя энергия заводится через квантовую точку в графен с достаточно высокой эффективностью, интенсивность волн, которые там возникают, ничтожна. Поэтому нужно использовать большое число квантовых точек, которые располагаются над поверхностью графена в определенном порядке.
Задача ученых заключалась в том, чтобы найти именно ту геометрию, то расстояние между квантовыми точками, при котором происходило бы усиление сигналов за счет фазировки ближних полей от каждой квантовой точки, расположенной над графеном.
В ходе работы они подобрали такую геометрию, в результате чего сигнал, формируемый в графене, становился на порядки мощнее того, что имел место при случайном расположении квантовых точек. Для последующих численных расчетов авторы использовали программные модули собственной разработки. Эффективность преобразования из света в предложенной схеме, по расчетам, достигает 90–95 процентов. С учетом всех возможных негативных факторов эффективность все равно сохранится выше 50 процентов, что в разы превышает ранее достигнутые показатели.
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.«Большая цель исследований — создание ультракомпактных приборов, которые могли бы с высокой эффективностью преобразовывать энергию света в поверхностные плазмон-поляритоны на очень маленьком пространственном масштабе и, таким образом, записать энергию света в какую-то структуру.
К тому же поляритоны можно копить, то есть потенциально возможно разработать сверхтонкую аккумуляторную батарею в несколько атомарных слоев. Можно на основе этого эффекта создать преобразователи световой энергии вроде солнечных батарей, только с эффективностью в разы больше. Другое перспективное применение — это детектирование различных нано- и биообъектов», — прокомментировал Валентин Волков, директор Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Графен — новый чудо-материал | Физика
Молекула бесценна, но дело не в стоимости — несколько сотен долларов за килограмм. Ценность заключается в его потенциале. Рассматриваемая молекула называется графен, и ЕС готов выделить на нее 1 млрд евро (1,3 млрд долларов) в период с 2013 по 2023 год, чтобы выяснить, сможет ли она изменить ряд секторов, таких как электроника, энергетика, здравоохранение и строительство.
По данным библиографической базы данных Scopus, с 2005 года о графене написано более 8000 статей.
Как видно из названия, графен извлекается из графита, материала, используемого в карандашах. Как и графит, графен полностью состоит из атомов углерода, а 1 мм графита содержит около 3 миллионов слоев графена. В то время как графит представляет собой трехмерную кристаллическую структуру, графен представляет собой двумерный кристалл толщиной всего в один атом. Углерод идеально распределен в гексагональной сотовой структуре толщиной всего 0,3 нанометра и всего 0,1 нанометра между каждым атомом.
Эта 100% чистая углеродная простота наделяет графен некоторыми замечательными свойствами, очень близкими к расчетным теоретическим, как наблюдали авторы Дорожной карты для графена, опубликованной в журнале Nature в прошлом году.
Графен проводит электричество лучше, чем медь. Он в 200 раз прочнее стали, но в шесть раз легче. Он почти идеально прозрачен, так как поглощает только 2% света.
Он непроницаем для газов, даже таких легких, как водород или гелий, и, если этого было недостаточно, на его поверхность можно добавить химические компоненты, чтобы изменить его свойства.
«Графен — это платформа, похожая на шахматную доску, на которую можно поставить пешки по своему желанию. Тонкость заключается в нахождении правильных позиций.«В его простоте есть настоящая красота», — объяснил Винсент Бушиа из Института Нееля в Гренобле, входящего в состав Национального центра научных исследований (CNRS). «Будущее за карандашным графитом!» — сказала Анник Луазо из Национального офиса. для аэрокосмических исследований и исследований (ONERA), придумав слоган. Она является французским представителем в исполнительном офисе Graphene Flagship, исследовательского консорциума, финансируемого ЕС в течение следующих 10 лет.
Проект был официально запущен в прошлом месяце.«Мы уже многому научились, но в определенных ситуациях могут появиться новые результаты — только мы еще не знаем, какие из них», — сказал Марк Гербиг, другой исследователь CNRS, работающий на кафедре физики твердого тела в Университете Париж-Сюд Орсе.
Этот чудо-материал прошел долгий путь. Теоретически такая двумерная структура считалась нестабильной и поэтому лучше скручивалась, как это наблюдалось в 1990-х годах с углеродными нанотрубками.
В 2004 году двое российских ученых, Андре Гейм и Константин Новоселов, вместе с другими, опубликовали первые электронные измерения, доказывающие, что они изолировали графен.Они удалили углеродные чешуйки с графита с помощью кусочков липкой ленты — что в конечном итоге привело к получению Нобелевской премии по физике в 2010 году.
«Теория действительно верна только для двух измерений, но на самом деле кристалл растет в трех измерениях. -мерное пространство и небольшие поверхностные колебания, такие как волны, стабилизируют кристалл », — сказал Гербиг. Эксперименты быстро подтвердили изумительное поведение этого нового материала, которое можно объяснить своего рода морем электронов на поверхности, которые ничто не может остановить и которые не взаимодействуют друг с другом.
Как будто электроны не имеют массы и движутся со скоростью в 300 раз медленнее скорости света. Математическое уравнение для их описания ближе к уравнению для частиц высоких энергий, чем для твердого вещества, отсюда и эти выдающиеся характеристики, которые предполагают множество потенциальных применений.
Будучи прозрачным, а также хорошим проводником, графен может заменить индиевые электроды, используемые в сенсорных экранах. Поскольку графен легкий, его можно интегрировать в композитные материалы, чтобы исключить воздействие молнии на фюзеляжи самолетов.Он также водонепроницаем и идеально подходит для использования в резервуарах с водородом.
Поскольку ничто не может остановить электроны, графен нельзя «выключить», поэтому теоретически он малопригоден в транзисторах, которые являются ключевыми компонентами современных электронных товаров. Однако ведутся исследования способов создания искусственной запрещенной зоны, которая позволила бы отключить ее и, следовательно, использовать для этой цели.
Европейский консорциум решил сосредоточиться на ряде приложений.«Наша цель — поддержать инновации в Европе, а также создать сеть специалистов, контактирующих с компаниями для долгосрочных проектов НИОКР», — сказал Стефан Рош, ответственный за одно из подразделений проекта, и исследователь Каталонского института медицины. Нанонаука и нанотехнологии в Барселоне.
На цветок кладут кусок графенового аэрогеля весом всего 0,16 миллиграмма на кубический сантиметр. Фотография: Long Wei / EPA Основные шаги в этом процессе уже начались. Несколько начинающих компаний уже производят графен, в основном для лабораторий, с использованием различных технологий.На смену «исторической» липкой ленте пришла химическая эксфолиация. Альтернативой является использование углеродной и кремниевой подложки, которая нагревается для удаления атомов кремния, оставляя на поверхности слой графена. Еще один метод — нанести углерод на поверхность меди, которая после нагревания катализирует реакцию образования графена.
Команда из Университета Райса в США даже использовала ногу таракана в качестве источника углерода.
В Европе лидерами являются Applied Graphene Materials (AGM) в Великобритании, а также Avanzare и Graphenea в Испании.«Если мы хотим, чтобы сегодня графен стал эквивалентом кремния в микроэлектронике, важно контролировать материал и его качество», — сказал Этьен Кенель из Французской комиссии по альтернативной энергии и атомной энергии, отвечающий за энергетический аспект Graphene Flagship. который также работает со специалистами-производителями.
Гиганты отрасли тоже в бегах. IBM выпустила несколько прототипов электронных компонентов, а Samsung — плоский экран (70 см по диагонали) с графеновыми электродами.Производитель теннисных ракеток Head использовал чемпионов по теннису Новака Джоковича и Марию Шарапову для продвижения ракеток, сделанных из графена. BASF и Daimler-Benz разработали концептуальный электромобиль под названием Smart Forvision, который включает графен в проводящий электронный текстиль.
В 2012 году BASF подготовила отчет о будущем графена, в котором прогнозируется, что рынок будет стоить 1,5 млрд долларов в 2015 году и 7,5 млрд долларов в 2025 году.
Само собой разумеется, что Китай также участвует в гонке: в Европе было опубликовано 2600 статей. Имея более 2200 патентов, она превзошла Европу и США.
Прошлым летом один из стартапов, Bluestone Global Tech, объявил о партнерстве с производителем мобильных телефонов для первых сенсорных экранов на основе графена, которые появятся на китайском рынке в ближайшие месяцы. Тем не менее, массовое применение еще не готово.
«Людям продают графен, который на самом деле является графитом, только дороже», — сказал Марк Монтиу из исследовательского центра CEMES в Тулузе на конференции по композитным материалам на основе графена, состоявшейся в Париже в начале этого года.Строго говоря, графен однослойный, но производственные процессы могут создавать стопки из нескольких слоев. Когда создается более 10 слоев, свойства сильно меняются и напоминают графит больше, чем графен.
«На сегодняшний день графен не абсолютно превосходит углеродные нанотрубки», — сказал Монтиу. По словам Луазо, «в композитах необходимо, чтобы молекулы углерода, графена или нанотрубок« соприкасались »друг с другом, чтобы быть проводящими. Для удлиненных нанотрубок это легче, чем для графена в форме чешуек, что объясняет разницу.«На разработку композитного материала уходит много времени, и нанотрубки обладают тем преимуществом, что являются более зрелым материалом. Исследователи нанотрубок не были счастливы, увидев прибытие графена, которое привлекло как внимание, так и финансирование.
Тем не менее, накопленный опыт нанотрубок очень полезен для ускорить работу над графеном. «На создание первых транзисторов с нанотрубками ушло шесть лет, — сказал Луазо. — С графеном мы провели первые электрические измерения за год».
Что касается его использования в медицине, знания из одного материала служит для другого.Важнейший аспект европейского проекта посвящен тому, как защитить людей, работающих с графеном, а также конечных пользователей, в дополнение к исследованию возможных медицинских приложений.
«В настоящее время у нас есть исследования, показывающие отсутствие эффекта, в то время как другие указывают на потенциальный риск», — сказал Альберто Бьянко, руководитель исследований CNRS в Институте молекулярной и клеточной биологии в Страсбурге, который является соруководителем европейского проекта по аспектам здоровья и окружающей среды.
Фактически, как и в случае с углеродными нанотрубками, необходимо учитывать значительное разнообразие типов графена.Размер, конечно, имеет значение, но также имеет значение химическое состояние. Молекула может быть окислена в большей или меньшей степени или содержать различные количества остаточных примесей в результате того, как синтезируется графен, или как строятся его слои. Однозначного ответа нет. В статье, опубликованной в апреле в Angewandte Chemie, научном журнале Немецкого химического общества, Бьянко процитировал несколько противоречивых исследований, некоторые из которых обнаружили токсическое воздействие на микроорганизмы, а другие — нет.
Также не было пролито света на то, как графен может вызывать повреждение клеток. Прорезает ли графен стенку ячейки перпендикулярно или покрывает ячейку?
«Одно оптимистичное замечание состоит в том, что химия может позволить нам модулировать биологическую активность этого наноматериала», — сказал Бьянко. Например, связывая различные химические группы, можно сделать графен более или менее растворимым или направить его к определенной терапевтической цели. Поэтому требуется дополнительная работа. Консорциум изучит воздействие на различные типы клеток (раковые, нейрональные, связанные с иммунной системой и т. Д.), А также на земноводных.
Еще одно преимущество графена состоит в том, что он открывает пути к другим двумерным материалам размером с атомы. Нитрид бора, сульфат молибдена и вольфрам или даже 100% кремний-силлицен — вот некоторые из странно звучащих названий, которые могут стать более распространенными. Одни изолируют, другие проводят. Накопление этих молекул слой за слоем приведет к созданию новых материалов с новыми свойствами.
Игра началась.
Эта статья появилась в Guardian Weekly , который включает материалы из Le Monde
В эту статью 26 ноября 2013 г. были внесены поправки, исправляющие название и детали компании Bluestone Global Tech
Интересные факты о графене | ACS Материал
Графен привлекает внимание новаторов по всему миру.Может ли этот простой, легкий, потенциально недорогой возобновляемый материал изменить мир? Мы так думаем. Мы думаем, что после того, как вы немного познакомитесь с графеном, вы согласитесь.
Основы
Графен представляет собой одинарный слой чистых атомов углерода, связанных вместе sp2-связями в гексагональной решетке. Сложенные слои графена образуют графит. Графен толщиной в один атом (0,345 нм) является самым тонким из известных соединений. Фактически, он двухмерный. До того, как графен был выделен, обычно считалось, что двумерные соединения не могут существовать, потому что они будут слишком нестабильными, но связи углерод-углерод в графене небольшие, прочные и полностью стабильные.
Хотя он в значительной степени прозрачен, графен даже толщиной всего в один атом можно увидеть невооруженным глазом.
История
Графен теоретически изучался в течение многих лет, но впервые был выделен в 2004 году физиками Андре Геймом, Константином Новоселовым и другими сотрудниками из Манчестерского университета в Великобритании. Их первоначальный вопрос был: можем ли мы сделать транзистор из графита? Во время своих исследований Гейм и Новоселов извлекли тонкие слои графита из кристалла графита с помощью скотча, перенесли эти слои на кремниевую подложку, а затем прикрепили электроды и создали транзистор.Эти исследователи получили Нобелевскую премию по физике в 2010 году. После этого открытия исследования графена во всем мире резко выросли.
Недвижимость
В графене все необычно.
- Самый тонкий. При толщине в один атом это самый тонкий материал, который мы можем увидеть.
- Самый легкий. Один квадратный метр графена весит около 0,77 миллиграмма. Что касается масштаба, то один квадратный метр обычной бумаги в 1000 раз тяжелее графена, а один лист графена, достаточно большой, чтобы покрыть футбольное поле, будет весить меньше грамма.3 Вт · м − 1 · К − 1.
- Лучший проводник электроэнергии. В графене каждый атом углерода связан с тремя другими атомами углерода в двухмерной плоскости, что оставляет один электрон свободным для электронной проводимости. Недавние исследования показали подвижность электронов при значениях более 15 000 см2 · В-1 · с-1. Графен перемещает электроны в 10 раз быстрее, чем кремний, используя меньше энергии.
- Лучший поглотитель света. Графен может поглощать 2,3% белого света, что примечательно из-за его чрезвычайной тонкости.Это означает, что, как только оптическая интенсивность достигает флюенса насыщения, происходит насыщающееся поглощение, что позволяет достичь полнополосной синхронизации мод.
- Самый возобновляемый. С точки зрения статистики, углерод — четвертый элемент по распространенности во всей Вселенной (по массе). Из-за этого изобилия графен вполне может быть устойчивым и экологически безопасным решением для все более сложного мира.
- Самый исключительный. Что больше всего поражает воображение, так это то, что графен — это простой материал, который сам по себе обладает всеми этими удивительными качествами.Никакой другой материал в мире не является самым тонким, прочным, легким и растяжимым, а также сверхбыстрым проводником тепла и электричества одновременно.
Что касается масштаба, то один квадратный метр обычной бумаги в 1000 раз тяжелее графена, а один лист графена, достаточно большой, чтобы покрыть футбольное поле, будет весить меньше грамма.3 Вт · м − 1 · К − 1.
Из-за этого изобилия графен вполне может быть устойчивым и экологически безопасным решением для все более сложного мира.Производство
Чтобы графен смог успешно перейти из лаборатории на рынок, методы производства нуждаются в улучшении. Как упоминалось ранее, графен изначально был изолирован с помощью скотча. Этот метод, называемый отшелушиванием, позволяет получить отдельные слои графена с несколькими этапами отшелушивания, каждая из которых дает срез с меньшим количеством слоев, повторяется до тех пор, пока не останется только один слой, графен.Отшелушивание остается наиболее эффективным способом выделения высококачественного графена в небольших количествах.
Исследователи и инженеры разрабатывают альтернативные методы выделения графена, которые можно использовать для создания массовых количеств. Одним из наиболее перспективных методов является химическое осаждение из газовой фазы (CVD) или эпитаксия. Проще говоря, процесс CVD заключается в помещении тонкой металлической подложки, которую часто можно использовать повторно, в печь, нагретую до чрезвычайно высоких температур (от 900 до 1000 ° C). Разложившийся газообразный метан, содержащий необходимый углерод и водород, затем вводится в камеру, что приводит к реакции с поверхностью металлической пленочной подложки, которая приводит к образованию графена.Подложки из меди, никеля и кобальта обычно используются с разными результатами. Затем камера быстро охлаждается, чтобы предотвратить образование нескольких слоев графена. Хотя CVD-графен многообещающий, результаты по-прежнему сильно различаются по ряду причин. Во-первых, условия охлаждения влияют на рост и качество графеновых отложений. Во-вторых, качество металлической подложки влияет на качество графена.
В-третьих, количество и качество реакционных газов также влияет на выход графена.Точное понимание и контроль каждой из этих переменных имеет решающее значение для успеха CVD как метода производства товарного количества графена. На данный момент вопрос о том, как производить большие листы высококачественного графена эффективно и с постоянным качеством, остается самой большой проблемой, с которой сталкивается массовый рынок графена.
Возможные области применения
Помимо проблем, графен — невероятно захватывающее соединение с очень реальным потенциалом изменить мир.Первоначально графен будет использоваться для повышения производительности существующих приложений, но потенциал графена выходит далеко за рамки этого. Он будет использоваться вместе с другими появляющимися двумерными соединениями, чтобы произвести революцию в нашем взаимодействии с миром.
- Электроника. Графен проводит электричество быстрее, чем любое другое соединение, а также меньше и тоньше, что позволяет всей нашей электронике становиться еще меньше и быстрее, чем сейчас. Графен также является прозрачным проводником, поэтому он может заменить хрупкий и дорогой оксид индия-олова (ITO) в сенсорных экранах, световых панелях и солнечных элементах.Он также гибкий, что значительно расширяет возможности. Представьте себе складной телевизор или окна в вашем доме, которые также являются проекторами.
- Биологическая инженерия. Большая площадь поверхности, высокая проводимость, тонкость и высокая прочность графена делают его идеальным для нового класса быстрых и эффективных биоэлектрических сенсорных устройств для мониторинга таких вещей, как секвенирование ДНК, уровни глюкозы и гемоглобина, а также холестерин. Легкие, гибкие «резиновые ленты», наполненные графеном, могут улавливать мельчайшие движения, такие как дыхание, пульс и небольшие движения, и позволяют удаленно контролировать уязвимых пациентов, таких как недоношенные дети.Оксид графена также обещает произвести революцию в доставке лекарств. Исследования уже изучали использование оксида графена для безопасного и точного лечения рака и противовоспалительных препаратов.
- Фильтрация. Графен позволяет воде проходить через него, но в то же время почти полностью непроницаем для жидкостей и газов. Благодаря своей прочности и тонкости пор графен может использоваться в системах фильтрации воды, системах опреснения и производстве биотоплива
- Смешанные материалы.Из графена можно производить все, что должно быть прочным и легким. Графен полезен для самолетов, бронежилетов, военной техники и всего, что требует прочности при небольшом весе. Его электропроводность также открывает новые возможности. Например, корпус самолета, сделанный из графена, может противостоять ударам молнии, а также сообщать пилотам о любых проблемах с конструкцией в электронном виде. Также разрабатываются бетон и другие материалы, в которых используются многие исключительные свойства графена.
- Батареи. Батареи, в которых для хранения энергии используется графен, а не традиционные литий-ионные, будут более прочными, стабильными и эффективными и прослужат дольше. Электромобили, ноутбуки и другие устройства могут быть более прочными, легкими и эффективными с батареями с усиленным графеном.
Графен также является прозрачным проводником, поэтому он может заменить хрупкий и дорогой оксид индия-олова (ITO) в сенсорных экранах, световых панелях и солнечных элементах.Он также гибкий, что значительно расширяет возможности. Представьте себе складной телевизор или окна в вашем доме, которые также являются проекторами.
Электромобили, ноутбуки и другие устройства могут быть более прочными, легкими и эффективными с батареями с усиленным графеном.Графен — мощный универсальный материал. Изоляция этого удивительного материала резко расширила возможности того, чего мы можем достичь. Прежние ограничения исчезли, и перед нами лежит целая вселенная приложений, которые только и ждут своего открытия.
Что такое графен? — Research & Development World
Графен представляет собой плоскую гексагональную решетку атомов углерода толщиной всего в один атом. Это форма углерода, связанная с углеродными нанотрубками и бакиболами (C60). Хотя это всегда происходило естественным путем, только недавно оно было выделено и изучены его индивидуальные свойства. Теперь известно, что графен обладает исключительными электрическими, структурными и химическими свойствами, что привело к тому, что он был провозглашен чудо-материалом с множеством будущих применений.Однако по ряду причин большая часть этого потенциала в настоящее время не реализована.
Отдельные листы графена обладают чрезвычайно высокой прочностью, почти в 20 раз превышающей прочность самых прочных углеродных волокон, что наводит на мысль о возможности реализации этой прочности в объемных материалах. Однако графен в природе уже встречается в обычных формах углерода. Графит, используемый в карандашах, состоит из плоских слоев графена; эти гладкие слои могут легко скользить друг по другу, придавая материалу мягкость.
Графит, используемый в композитах из углеродного волокна, также состоит из слоев графена, но в этой форме графеновые листы смяты, заставляя их сцепляться вместе, придавая материалу высокую прочность и жесткость. В обоих этих примерах именно соединения между листами графена, а не свойства самих листов графена определяют прочность объемного материала. Если необходимо реализовать чрезвычайно высокую теоретическую прочность графена, потребуется какой-то способ создания прочных взаимосвязей между листами.
Графен тесно связан с бакминстерфуллереном, также известным как бакиболлы или C60.
C60 имеет структуру, аналогичную графену, но некоторые шестиугольники уменьшены до пятиугольников. Это заставляет решетку изгибаться в сферу с очень похожей структурой на футбольный мяч. С момента открытия C60 в 1985 году было создано множество других полых молекул с комбинациями колец, содержащих пять, шесть, а иногда и семь атомов углерода. Эти материалы обычно известны как фуллерены и включают углеродные нанотрубки (УНТ).УНТ — это трубки из графена, свернутые в полый цилиндр. УНТ разного диаметра могут быть сформированы в многостенные трубки, а группы естественным образом образуют пучки, похожие на веревку.
Некоторые потенциальные применения графена и углеродных нанотрубок включают более прочные и легкие структуры, более эффективные электрические системы, недорогие солнечные элементы, опреснение и водородные топливные элементы. Применение C60 несколько более ограничено, с большим потенциалом в качестве смазочного материала, а также с возможным использованием в качестве катализатора и для доставки фармацевтических препаратов в организм.
Что такое графен?
Графен — это обычный двумерный материал из углерода. Когда он сложен слоями, он известен как графит, темное вещество, с которым большинство людей сталкивается, смешанное с глиной в так называемых «свинцовых» карандашах.
Благодаря уникальному сочетанию структурных, тепловых и электромагнитных свойств графен привлек большое внимание из-за его потенциальной роли в разнообразных технологиях будущего.
Каждый атом углерода в листе графена прочно связан с тремя другими атомами под одинаковыми углами, образуя плоскую сотовую структуру.Подобно алмазу, который представляет собой трехмерный кристалл углерода, каждый атом которого связан с четырьмя соседями, эти прочные связи придают структуре значительную прочность.
В частности, графен обладает невероятной прочностью на разрыв, особенно в малых масштабах. Это означает, что по сравнению с тонкой нитью кристаллизованной стали диаметром всего несколько микрометров, графен более чем в шесть раз труднее разорвать на части.
Тесты с другими, менее идеальными формами стали ранее показали, что она может быть в сотни раз прочнее.
Основная гексагональная форма графена образует основу фуллеренов, которые представляют собой полую молекулярную структуру, состоящую из 60 или более молекул углерода, подобных тем красивым углеродным сферам, которые называются «бакиболлы». Наноразмерная сетка на этих структурах настолько гибкая, что ее можно свернуть в полые цилиндры, что делает их потенциально полезными контейнерами в молекулярном масштабе.
Слои графена, бакки-шар и нанотрубка (mstroeck / Wikimedia commons / GFDL)
Поскольку элемент углерод имеет четыре доступных электрона для связывания, каждый атом в листе графена вносит в молекулу как минимум один несвязанный электрон.Этот холостой отрицательный заряд придает материалу невероятные проводящие и сверхпроводящие свойства, что делает его пригодным для использования в современной электронике.
Добавьте к этим талантам его непроницаемость для многих жидкостей и газов и способность отталкивать воду, а также невероятную прозрачность, и легко понять, почему графен был назван «чудо-материалом», на который следует обращать внимание.
Как был открыт графен?
В то время как основные структурные свойства графита были определены экспериментально в начале 20 века, первая реальная теория уникального химического состава графена не была разработана до 1947 года, когда канадский физик-теоретик Филип Рассел Уоллес попытался найти способы объяснить свойства графита. электрические свойства.
Каким бы интересным ни казался материал, заставить графит проливать более нескольких отдельных листов за один раз было непросто.
В 2004 году исследователи из Манчестерского университета Андре Гейм и Костя Новоселов разработали знаменитый способ получения достаточного количества для исследования путем отделения графена от графита с помощью всего лишь липких пленок скотча. С тех пор они получили Нобелевскую премию за свои новаторские исследования этого материала.
В будущем использование графена будет зависеть от гораздо более эффективных методов производства, что вдохновит исследователей на поиск новых инновационных способов изготовления огромных листов плоской двумерной углеродной сетки.
Все тематические статьи определяются проверкой фактов как правильные и актуальные на момент публикации. Текст и изображения могут быть изменены, удалены или добавлены по решению редакции, чтобы информация оставалась актуальной.
Графен — обзор | Темы ScienceDirect
4.6.3 Семейство графена
Графен является представителем материалов с двумерными атомными слоями. С момента его успешного выделения в 2004 г. [89] графен привлекает все большее внимание из-за его многих удивительных свойств, характерных для 2D-систем.В частности, уникальная линейная дисперсия полос — так называемый конус Дирака — приводит к чрезвычайно высокой подвижности носителей (~ 100 000 см 2 / Вс). Кроме того, его высокая теплопроводность и надежные механические свойства имеют множество потенциальных применений.
Контакт графена с металлической подложкой приводит к значительному изменению его свойств (см. Рис. 4.21A) [90]. Например, однослойный графен на подложке из благородного металла приводит к сдвигу уровня энергии точки Дирака из-за легирования носителями заряда.
На подложке из переходного металла конус Дирака исчезает из-за гибридизации между p z -состоянием графена и d -состоянием подложки. Между расстоянием между графеном и подложкой и электронными состояниями существует взаимно однозначное соответствие. Теоретические расчеты показывают, что расстояние графен – подложка можно разделить на две группы в зависимости от величины взаимодействия [91]. Следовательно, определение расстояния между графеном и подложкой имеет решающее значение для выяснения происхождения электронных свойств графена, адсорбированного на данной подложке.Экспериментальных исследований расстояния графен – подложка немного, за исключением подложки Ni (111) [92]. Таким образом, расстояние между графеном и подложкой еще предстоит решить экспериментально.
Рисунок 4.21. (A) Структурная модель графена / Co (0001) (верхняя панель: вид сверху; нижняя панель: вид сбоку). Маленький (серый) и большой (синий) кружки обозначают атомы C и Co соответственно.
(B) Кривые качания для пятен 0 0 для графена / Co (0001) (верхняя кривая) и графена / Cu (111) (нижняя кривая) в условиях одного луча. Кружки и , линии обозначают эксперименты и расчеты соответственно. (C) Кривые качания, рассчитанные для графена / Cu (111) для различных расстояний между графеном и подложкой d .
Эксперименты RHEPD ясно показали — для графена / Co (0001) и графена / Cu (111) — что расстояние между графеном и подложкой изменяется в зависимости от материала подложки [93].Расстояние между пиками на кривой качания для графена / Co (0001) больше, чем для графена / Cu (111) (рис. 4.21B). Ситуацию легко понять из уравнения Брэгга [Ур.
(4.4)]. То есть, поскольку расстояние между слоями обратно пропорционально углу скольжения, расстояние между графеном и подложкой для графена / Co (0001) уже, чем для графена / Cu (111). Интерпретация подтверждается моделированием, основанным на теории динамической дифракции (рис. 4.21C): пики смещаются в сторону меньших углов скольжения с увеличением расстояния между графеном и подложкой.На основе анализа кривой качания расстояние графен / подложка для графена / Cu (111) было определено как 3,34 Å, а для графена / Co (0001) — 2,06 Å. Первое близко к расстоянию между слоями в графите, что указывает на слабое взаимодействие из-за сил Ван-дер-Ваальса. С другой стороны, последний примерно на 1 Å меньше первого, что свидетельствует о сильном взаимодействии и образовании химических связей. Высота первого слоя подложки Co (0001) немного смещена вниз, что, вероятно, связано с сильным взаимодействием с графеном.Даже с учетом разницы высот между двумя узлами с атомами углерода в элементарной ячейке графена нет улучшений в точности согласования между экспериментами и расчетами.
Это означает, что графен на этих подложках имеет плоскую структуру. Таким образом, графен на подложке из благородного металла слабо взаимодействует с подложкой по сравнению с графеном на подложке из переходного металла. Результат для графена / Co (0001) хорошо согласуется с расчетами по теории функционала плотности (DFT) [90,94,95].Для графена / Cu (111) результат немного выше, чем у расчетов методом DFT [90,95,96]. Небольшое различие между экспериментами и теоретическими расчетами может быть связано с учетом дальнодействующей силы Ван-дер-Ваальса в расчетах DFT [97]. Как указывалось в предыдущем исследовании [94], расстояние между графеном и подложкой тесно связано с гибридизацией с d -состоянием материалов подложки.
Графен тонкий, но не бесконечно
- Джон Проктор
- Школа вычислений, науки и инженерии, Солфордский университет, Солфорд, Великобритания
& bullet; Physics 12, 104
Атомно тонкий графен считается прототипом 2D-материала, но эксперименты под высоким давлением теперь показывают трехмерную природу его механических свойств.
×Мы живем в трехмерном мире, но сейчас 2D материалы — одна из самых горячих тем в физике. Графен (рис. 1), пожалуй, самый известный пример.Проще говоря, материал «выглядит» 2D, потому что его толщина составляет всего один атом. Но действует ли он в 2D? Что касается электронных свойств, ответ — да, поскольку графен имеет электронную зонную структуру, которая отличается от его трехмерного аналога, графита. Точно так же тепловое расширение графена демонстрирует характерные двумерные характеристики. Но как насчет механических свойств графена? Ивэй Сун из Лондонского университета королевы Марии и его коллеги обратились к этому вопросу, подвергнув этот прототипный 2D-материал традиционному 3D-эксперименту [1].Команда сжала чешуйки графена до давления 12 ГПа (в 120000 раз больше, чем атмосферное давление) и показала, что результирующий сдвиг энергии колебаний графена (фононов) согласуется с трехмерным материалом, а не с двухмерным. Это открытие может иметь значение для применения графена и других 2D-материалов в качестве механических датчиков и структурных усилителей.
Прежде всего необходимо уточнить, что ни один полностью плоский, отдельно стоящий материал никогда не будет устойчивым. Причина в том, что фононы, перпендикулярные 2D-плоскости, будут, говоря простым языком, всегда расшатывать материал при любой температуре выше абсолютного нуля [2–4].Корень этого эффекта заключается в том, как фононы ведут себя в 2D-материале: плотность состояний фононов линейна с волновым вектором k, что приводит к появлению большого количества фононов с низкой энергией. Для сравнения, плотность фононных состояний в трехмерных материалах спадает намного быстрее при низкой энергии, потому что она изменяется как k2. Теоретики знали о разрушающем влиянии фононов задолго до того, как 2D-материалы вошли в моду [2], поэтому открытие действительно стабильного 2D-материала подняло бы некоторые серьезные теоретические проблемы.
Исследователи смогли стабилизировать графен и родственные ему семейства материалов, поддерживая их на подложке, хотя материалы по-прежнему имеют рябь в своей форме.Однако использование подложки означает, что измерения свойств графена должны учитывать влияние материала подложки. Около десяти лет назад я и мои коллеги превратили эту проблему в возможность, используя измерения на образце графена, поддерживаемом подложкой, и при высоком давлении, чтобы сделать вывод о свойствах графена при известной деформации [5]. В нашем эксперименте графен прочно прилипал к подложке, поэтому любое сжатие подложки транслировалось в известную деформацию графена.Но из-за подложки такой эксперимент не может напрямую определить напряжение на графене, которое является параметром, используемым в моделях механических свойств.
В своей работе Sun et al. идут на один лучше, чем в предыдущем исследовании. Они избавляются от несущей подложки, помещая хлопья монослоя графена в вязкую жидкость [1]. Жидкость предотвращает сминание и / или склеивание хлопьев с образованием графита на время, достаточное для проведения эксперимента.При таком подходе приложенное давление к жидкости напрямую преобразуется в известное напряжение на графен.
Sun et al. сжал жидкость, содержащую графен, между двумя алмазами в форме наковальни — установка, известная как ячейка с алмазной наковальней (DAC). Используя оптическую рамановскую спектроскопию, они подробно и внимательно изучили колебания графенового листа при высоком давлении. Их анализ показывает, что с точки зрения механических свойств мы не можем рассматривать графен как полностью двумерный материал.В частности, они обнаружили, что вибрации смещаются к более высоким значениям с давлением. Такое же качественное поведение наблюдается как в 2D, так и в 3D материалах, но для точного моделирования и объяснения наблюдаемых сдвигов в графене Sun et al. пришлось рассматривать его как трехмерный материал с постоянной упругостью вне плоскости — это означает, что графен может становиться тоньше при сжатии. Кажется, что графен больше похож на картон, чем на лист бумаги.
Подобные эксперименты с высоким давлением легко описать, но, как известно, их сложно выполнить.Чтобы выровнять ЦАП и образец с точностью до микрометра, требуется сложная ручная работа. Из-за этих требований такие эксперименты также имеют высокий процент неудач. Таким образом, способность Сан и его коллег изучать графен при известной высокой нагрузке — впервые — является большим достижением.
Результаты команды также будут иметь конкретные последствия. Если бы графен был бесконечно тонким, нужно было бы знать только его постоянную упругости в плоскости, чтобы понять, как он будет вести себя при любом виде напряжения. Тот факт, что графен трехмерен, означает, что направление вне плоскости также имеет значение.С микроскопической точки зрения этот вывод имеет смысл: хотя графен имеет толщину в один атом, каждый атом имеет электронные орбитали (2pz-орбитали), которые простираются на некоторое расстояние выше и ниже графенового листа и сопротивляются сжатию (рис. 1). Следовательно, имеет смысл описать упругие свойства в отношении этой оси, а также осей в плоскости.
Мы можем ожидать, что это исследование будет использовано при разработке датчиков деформации на основе графена. Это также может повлиять на то, как рамановская спектроскопия используется в качестве диагностического инструмента для новых типов графеновых композитов, которые служат для усиления других материалов.Здесь спектроскопия помогает определить степень, в которой напряжение или деформация передается от основного материала к графеновому армированию. Знание трехмерных характеристик графена поможет исследователям оптимизировать это усиливающее поведение.
Это исследование опубликовано в Physical Review Letters .
Ссылки
- YW Sun, W. Liu, I. Hernandez, J. Gonzalez, F. Rodriguez, DJ Dunstan и CJ Humphreys, «3D-деформация в 2D-материалах: до какой степени монослойный графитовый графит?», Phys .Rev. Lett. 123 , 135501 (2019).
- Гейм А.К., Новоселов К.С. Возникновение графена // Нац. Матер. 6 , 183 (2007).
- А. Х. Кастро Нето, Ф. Гвинея, Н. М. Р. Перес, К. С. Новоселов, А. К. Гейм, «Электронные свойства графена», Rev. Mod. Phys. 81 , 109 (2009).
- Дж. Э. Проктор, Д. А. Мелендрез Армада и А. Виджаярагхаван, Введение в графен и углеродные нанотрубки (CRC Press, Бока-Ратон, 2017) [Amazon] [WorldCat].
- J. E. Proctor, E. Gregoryanz, K. S. Novoselov, M. Lotya, J. N. Coleman, M. P. Halsall, «Рамановская спектроскопия графена при высоком давлении», Phys. Ред. B 80 , 073408 (2009).
Об авторе
Джон Проктор получил докторскую степень. из Манчестерского университета в 2008 году. С тех пор его исследования были посвящены области физики высоких давлений. В первую очередь, используя ячейку высокого давления с алмазной наковальней, он сосредоточился на нанотрубках и графене, сверхтвердых материалах, гидридах и, в последние годы, сверхкритических жидкостях.В настоящее время он является старшим преподавателем физики и руководителем исследовательской группы по физике и материалам в Салфордском университете. Недавно он опубликовал свой первый учебник, An Introduction to Graphene and Carbon Nanotubes , и написал его для журнала Physics World .