Графен, его производство, свойства и применение в электронике и др.
Графен, его производство, свойства и применение в электронике и др.
Графен является самым прочным материалом на Земле. В 300 раз прочнее стали. Лист графена площадью в один квадратный метр и толщиной, всего лишь в один атом, способен удерживать предмет массой 4 килограмма. Графен, как салфетку, можно сгибать, сворачивать, растягивать. Бумажная салфетка рвется в руках. С графеном такого не случится.
Описание графена
Свойства и преимущества графена
Физические свойства графена
Получение графена
Получение графена в домашних условиях
Применение графена
Другие формы углерода: графен, усиленный – арматурный графен, карбин, алмаз, фуллерен, углеродные нанотрубки, “вискерсы”.
Описание графена:
Графен – это двумерная аллотропная форма углерода, в которой объединённые в гексагональную кристаллическую решётку атомы образуют слой толщиной в один атом. Атомы углерода в графене соединяются между собой sp
Углерод имеет множество аллотропов. Некоторые из них, например, алмаз и графит, известны давно, в то время как другие открыты относительно недавно (10-15 лет назад) – фуллерены и углеродные нанотрубки. Следует отметить, что известный многие десятилетия графит представляет собой стопку листов графена, т.е. содержит несколько графеновых плоскостей.
На основе графена получены новые вещества: оксид графена, гидрид графена (называемый графан) и флюорографен (продукт реакции графена со фтором).
Графен обладает уникальными свойствами, что позволяет его использовать в различных сферах.
Свойства и преимущества графена:
– благодаря двумерной структуре графена, он является очень гибким материалом, что позволит использовать его, например, для плетения нитей и других верёвочных структур. При этом тоненькая графеновая «верёвка» по прочности будет аналогична толстому и тяжёлому стальному канату,
– в определённых условиях у графена активируется ещё одна способность, которая позволяет ему «залечивать» «дырки» в своей кристаллической структуре в случае её повреждений,
– графен обладает более высокой электропроводностью. Графен практически не имеет сопротивления. У графена в 70 раз мобильность электронов выше, чем у кремния. Скорость электронов в графене составляет 10 000 км/с, хотя в обычном проводнике скорость электронов порядка 100 м/с.
– обладает высокой электроемкостью. Удельная энергоемкость графена приближается к 65 кВт*ч/кг. Данный показатель в 47 раз превышает тот, который имеют столь распространенные ныне литий-ионные аккумуляторы,
– характерна полная оптическая прозрачность. Он поглощает всего 2,3% света,
– графеновая плёнка пропускает молекулы воды и при этом задерживает все остальные, что позволяет использовать ее как фильтр для воды,
– самый легкий материал. В 6 раз легче пера,
– инертность к окружающей среде,
– впитывает радиоактивные отходы,
– благодаря Броуновскому движению (тепловым колебаниям) атомов углерода в листе графена последний способен «производить» электрическую энергию,
– при протекании соленой воды по листу графена последний способен генерировать электрическую энергию за счет преобразования кинетической энергии движения потока соленой воды в электрическую (т.н. электрокинетический эффект).
Физические свойства графена*:
| Наименование показателя: | Значение: |
| Длина связи С–С, нм | 0,142 |
| Плотность, мг/м2 | 0,77 |
| Удельная площадь поверхности, м2 /г | 2630 |
| Подвижность электронов, см | 1,5 × 104 |
| Модуль Юнга, ТПа | 1 |
| Теплопроводность, Вт/(м К) | 5,1 × 103 |
| Оптическая проницаемость | 0,977 |
* при комнатной температуре.
Получение графена:
Основными способами получения графена считаются:
– микромеханическое отшелушивание слоев графита (метод Новоселова – метод скотча). Образец графита помещали между лентами скотча и последовательно отшелушивали слои, пока не остался последний тонкий слой, состоящий из графена,
– диспергирование графита в водных средах,
– механическая эксфолиация;
– химическое парофазное охлаждение (CVD-процесс),
– метод “выпотевания” углерода из растворов в металлах или при разложении карбидов.
Получение графена в домашних условиях:
Необходимо взять кухонный блендер мощностью не менее 400 Вт. В чашу блендера выливают 500 мл воды, добавляя в жидкость 10-25 миллилитров любого моющего вещества и 20-50 грамм толченого грифеля от карандаша. Далее блендер 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.
Применение графена:
– солнечная энергетика,
– водоочистка, фильтрация воды, опреснение морской воды,
– электроника (ЖК-мониторы, транзисторы, микросхемы и пр.),
– в аккумуляторах и источниках энергии. Графеновый аккумулятор позволяет автомобилю без подзарядки преодолевать 1000 км, время зарядки которого не более 16 секунд,
– медицина. Ученые обнаружили, что графеновые чешуйки оксида графена ускоряют размножение стволовых клеток и регенерацию клеток костной ткани,
– создание суперкомпозитов,
– очистка воды от радиоактивных загрязнений. Оксид графена быстро удаляет радиоактивные вещества из загрязненной воды. Хлопья оксида графена 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.
карта сайта
как сделать графен википедия материал аккумулятор свойства аэрогель углерод графит купить цена видео россия презентация плотность
техническое применение открытие получение технология производство структура изобретение графена в светодиодных устройствах мастер нож
Коэффициент востребованности 2 727
comments powered by HyperCommentsxn--80aaafltebbc3auk2aepkhr3ewjpa.xn--p1ai
«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
hitech.vesti.ru
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
Открытие графена и его использование в домашних условиях
Развитие такой отрасли науки и техники, как нанотехнологии, позволило найти применение удивительным качествам углерода. Одно из ярких событий в науке ознаменовалось открытием графена. Многих читателей интересует, что такое графен, и когда он появился. Надо обратиться к истории его изобретения.
Кристаллическая решётка графена
История открытия
Графен – это пластина, представляющая собой кристаллическую решётку из двухмерных кристаллов углерода. Автором нового материала, учёным Уоллесом, в 1947 году были замечены необычные свойства графена. Он утверждал, что вещество по своим характеристикам аналогично металлам.
Невозможность получения углерода в чистом виде в те времена объяснялось отсутствием должного оборудования. С появлением нанотехнологии в 2004 году учёными Новосёловым и Геймом был получен этот материал. Выходцам из России, работающим в Манчестерском университете, за графен присуждена Нобелевская премия.
Описание графена
Чтобы понять, что это такое графен, достаточно провести карандашом по бумаге. Графитовый след будет состоять из слоя кристаллов этого вещества. Грифель состоит из множества слоёв кристаллических решёток нановещества. Такой материал, как графен, представляет собой слой атомов углерода, объединённых в форму шестигранных сот.
Структура графена
На рисунке в левом нижнем углу изображен графит, его можно обнаружить в простом карандаше. Его структура выглядит, как слои торта. Прочные пласты графена перемежаются слабыми прослойками. Свёрнутые листы в виде трубки или шара называют фуллеренами. Их подразделяют на цилиндры – углеродные нанотрубки (в нижнем ряду по центру) и на сферы – бакиболсы (там же справа).
Свойства и преимущества графена
Это самый тонкий в мире материал, полученный лабораторным путём. Из-за ничтожной толщины материал графен абсолютно прозрачен. Его прочность превышает в 200 раз показатель стали. В перспективе новый материал станет заменой кремния и медных проводников в интегральных микросхемах.
Важно! С каждым годом учёные мира обнаруживают новые свойства графеновых материалов. Это открывает окно бескрайних возможностей в развитии нанотехнологии. Новый материал – настоящее чудо современной науки. Он обладает непревзойдёнными термическими, оптическими, электрическими и механическими качествами.
Получение
Графен был получен вышеупомянутыми учёными, когда они стали поступательно отделять от графита чешуйки вещества, применяя липкую ленту (скотч). Сейчас делаются попытки получения материала химическим способом. Однако ещё требуются усилия по преодолению трудностей, связанных с полным разделением графеновых слоёв и препятствованием их сворачиваемости.
Совсем недавно учёные Стэндфордского университета и специалисты из Китая опубликовали совместную статью о новом способе извлечения наноматериала. Получение графена представляет довольно сложный процесс, состоящий из обработки химреактивами графита, воздействия ультразвуком, нагрева взвеси до 10000 С. В результате графит, как ножом, разрезается на множество слоёв.
В это же время ирландские учёные опубликовали другой способ, основанный на скрупулёзном подборе интеркоагулянтов. В результате этого графитовый порошок становится гидрофильным веществом. В растворе под воздействием ультразвука графитовая взвесь легко расслаивается. Оба метода признаны успешными.
Получение графена в домашних условиях
Несмотря на сложность вышеперечисленных методик, получить графен в обычных домашних условиях вполне возможно. Надо следовать следующей инструкции:
- Дома нужно воспользоваться мощным блендером (400 Вт).
- Графитовый стержень от обычного карандаша измельчают до порошкообразного состояния.
- В агрегат заливают ½ литра воды вместе с 20 мл моющего средства для посуды.
- Блендером сбивают раствор в течение получаса. В результате сверху появится взвесь чешуек графена.
- Ленту скотча опускают на поверхность жидкости липкой стороной вниз, чтобы чешуйки прилипли к ней.
- Скотч складывают вдвое, затем разнимают половинки. Чешуйки разделятся на две части. Процесс можно повторять до десяти раз.
- В результате появятся светлые лепестки графена, переливающиеся разными цветами. Образец помещают под окуляр 100-кратного микроскопа. Если повезёт, можно будет наблюдать совсем прозрачные чешуйки.
Дефекты
Кажущаяся лёгкость получения графена неразрывно связана с фундаментальной проблемой – термодинамической устойчивостью двумерных проводников. Новый наноматериал, представленный слоистыми кристаллами, относится к 2D системам. Двумерные слоистые структуры, обладая металлическими свойствами, термодинамически крайне неустойчивы.
В условиях понижения окружающей температуры графеновые материалы теряют свойства металлов. То есть происходит переход из металла в диэлектрик. Проблема требует дальнейших исследований.
Возможные применения
Уникальные свойства графена позволили применять его практически во всех сферах деятельности человека. Уже сейчас появляются новейшие разработки использования графена в различных устройствах.
Оксиды наноматериала
Оксид – продукт взаимодействия атомов кислорода с молекулярной структурой какого-либо вещества. Учёные, занимающиеся вопросом, что такое графен и областью его применения, обнаружили по краям углеродной сетки графена оксидные группы молекул. Несколькими граммами этого вещества можно накрыть футбольное поле. Наноматериал уже используют в биомедицине.
Биомедицинское применение
Сверхспособности вещества в оптике и электронике позволят врачам распознавать злокачественные опухоли на ранней стадии развития. Оксид графена способен осуществлять адресную доставку лекарства к определённому органу человека, минуя окружающие ткани. Недавно было сделано заявление о создании сорбентовых датчиков, которые могут распознавать молекулы ДНК, используя свойства нановещества.
Индустриальное применение
Адресные сорбенты оксида графена будут способны деактивировать территории, заражённые в результате техногенных катастроф. Сейчас рассматривается применение продукта для очистки водных ресурсов и воздушного пространства от радионуклидов.
Новые технологии на основе оксида графена совершат технологическую революцию в химической промышленности. Они позволят значительно снизить затраты по извлечению драгоценных металлов из бедных руд.
Дополнительная информация. Внедрение наноматериала в пластиковый полимер сделает его способным проводить ток. Замена кремния в микросхемах сделает переворот в создании новых компьютеров с огромными возможностями.
Перспективы использования нановещества в оборонной промышленности практически неограниченны. Появление брони, выдерживающей самые мощные снаряды, даст толчок в создании новой бронетехники и бронежилетов.
Использование в автомобилестроении
Удельная энергоёмкость графена в 50 раз превышает энергоёмкость литий-ионных аккумуляторов. Заметив это свойство, учёные приступили к разработке аккумуляторных батарей нового поколения.
Проблема, связанная с громоздкостью и ограниченностью заряда аккумуляторов для электромобилей, в ближайшее время будет решена. Машина с графеновой батареей сможет за один раз проехать тысячу километров, причём на одну зарядку аккумулятора понадобится около 8 минут.
Графеновый аккумулятор
Обратите внимание! Автомобилисты часто пользуются аэрогелем с графитовой смазкой. Средство покрывает тонкой плёнкой автодетали, предохраняя их от коррозии, проникая в заржавевшие резьбовые соединения. В какой-то мере это прообраз графена.
Сенсорные экраны
Углеродный наноматериал используют при изготовлении сенсорных экранов с диагональю в несколько метров. Это позволяет получить сенсорные дисплеи, которые можно будет скручивать в трубку для переноски.
Физика
Физическая природа графена объясняется электрическими свойствами атомов вещества. Материал имеет общее сходство с графитом и алмазами.
Теория
Теоретические исследования ещё 70 лет назад предсказали существование такого вещества, как графен. Утверждалось, что углерод способен создавать кристаллические двумерные пространственные решётки в виде тончайших плёнок толщиной в 1 атом. Теория была подкреплена практическими опытами в 2012 году, когда были получены первые образцы наноматериала.
Кристаллическая структура
Группа правильных шестиугольников образует решётку, что отражает эквивалентную гексагональную структуру построения атомов углерода. На рисунке жёлтым фоном выделена элементарная ячейка. В кругу розового цвета видны атомы с векторами. Синие и красные кружочки отображают различные подрешётки кристалла, являющиеся базисом решётки.
Кристаллическая графеновая решётка
Зонная структура
Суть термина выражает близкие связи электронов. Вокруг ядра атома углерода вращаются электроны. Три из них связаны с соседними атомами, формируя связи в кристаллической решётке. Четвёртый электрон образует связи в одной плоскости. Диаграмма зонной структуры графена выглядит в виде конусов.
Конусы зонной структуры
Линейный закон дисперсии
Выявление зонной структуры нановещества позволило вывести закон дисперсии одномерных нанотрубок.
Закон дисперсии определён уравнением Дирака. Математическое выражение подтверждает линейную зависимость дисперсии и вытекает из уравнения Шредингера для зонной структуры вещества при малых затратах энергии электронов.
Эффективная масса
Линейный закон дисперсии определяет эффективную массу электронов и дырок в структуре наноматериала, не имеющую никакой величины. Но при вращении электронов вокруг ядра получается иная масса, называемая энергией Ландау.
Хиральность и парадокс Клейна
Трёхмерное уравнение Дирака для частиц без массы (нейтрино) определяет постоянную величину – спиральность в квантовой электродинамике. В графене выявлен аналог, который называют хиральностью, то есть проекцией псевдоспина в сторону движения.
Эксперимент
Практически все эксперименты связаны с отшелушиванием чешуек – кристаллических решёток. Извлечение графена в результате опытов описано выше.
Проводимость
Было замечено, что наноматериал ведёт себя как полупроводник. Из-за этого графен имеет перспективу полностью заменить кремний в интегральных микросхемах. Это принесёт существенный экономический эффект от производства дешёвых радиокомпонентов.
Квантовый эффект холла
Когда на двумерную кристаллическую решётку воздействуют перпендикулярно направленным магнитным полем, возникает эффект холла. Взаимодействие направленного движения тока в графене с поперечным магнитным потоком вызывает напряжение, которое называют холловским эффектом.
Двухслойный графен
Американские учёные в результате многочисленных опытов обнаружили, что при воздействии на двойной слой графена высоким давлением материал приобретает твёрдость алмаза. Явление уникально тем, что таких качеств нет у однослойного и многослойного наноматериала. В связи с этим ведутся активные изыскания по созданию сверхтонкого защитного покрытия.
Вид двухслойного графена
Открытие непревзойдённых качеств графена рисует перед учёными мира перспективу технологической революции во всех сферах деятельности человечества. Однако, наряду с этим, высказываются мнения, охлаждающие пыл энтузиастов.
Видео
amperof.ru
Битва за графен-2: коммерческое применение | 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
10 способов применения графена, которые изменят вашу жизнь
Он прочный, он гибкий и он уже здесь: после долгих лет исследований и экспериментов графен приходит в нашу жизнь, а именно – в продукты, которыми мы пользуемся каждый день. В скором времени графен изменит мир смартфонов, аккумуляторов, спортивной экипировки, суперкаров и сверхпроводников. Свойства этого материала настолько невероятные, что некоторые люди даже считают, что графен достался нам от инопланетных кораблей, оставленных на нашей планете задолго до появления человечества.
Это, конечно же, фантастика, но потенциал графена не может не рождать подобные теории заговора. Прошло более 60 лет с тех пор, как ученые и производители электроники впервые попытались раскрыть всю мощь нового материала, однако его практическое применение стало реальным только сейчас. Новости о технологических прорывах в этой области не прекращаются, и очередной всплеск инфоповодов по этой теме состоялся в ходе недавней выставки мобильной электроники MWC 2018. Далее речь пойдет о 10 способах использования графена, которые изменят вашу жизнь в обозримом будущем.
Миниатюрные УФ-сканеры
Обычная одежда спасает нас от вредных ультрафиолетовых лучей, но зачастую этого бывает недостаточно, особенно в жарких солнечных странах. Проблема будет решена с помощью небольшого гибкого УФ-сканера, который может крепиться на кожу, как обычный пластырь, либо изначально встраиваться в одежду. Когда этот сканер определит, что вы слишком долго находитесь под прямыми солнечными лучами, он отправит соответствующее уведомление на смартфон, предупредив вас об опасности.
Умные стельки для атлетов
Производители обуви и спортивных товаров также делают большую ставку на графен. Сегодня уже существуют носки и стельки, распознающие силу давления в той или иной области подошвы. Но подавляющее большинство таких продуктов оснащены всего несколькими датчиками, графен позволяет разместить более 100 датчиков, которые никак не повлияют на вес обуви. Прототипы высокотехнологичных стелек существуют уже сегодня, они изготовлены из специальной пены и измеряют давление с точностью до миллиграмма.
Графеновый крио-кулер для охлаждения базовых станций 5G
Всем модулям беспроводной связи при увеличении объема передаваемых данных требуется все больше охлаждения, иначе оборудование перегреется. Таким образом, многократное повышение пропускной способности в приближающихся 5G-сетях. Разработанный в Швеции компактный охлаждающий насос способен понижать температуру базовых станций вплоть до -150 градусов, поддерживая стабильный сигнал.
Аудиотехника
Хотя впервые графен был получен в Университете Манчестера, исследования данного материала ведутся по всему миру, а наибольшее число патентов по использованию графена принадлежит Китаю. Неудивительно, что крупнейший производитель электроники в этой стране стал одним из первых брендов, внедривших графен в свои продукты. Так, Xiaomi Mi Pro HD являются наушниками с графеновой диафрагмой, которая позволяет передавать более громкий, чистый и насыщенный звук. Также у Xiaomi есть терапевтический пояс PMA A10 из ткани, покрытой графеном.
Самые эффективные в мире солнечные батареи
В Италии ученые разрабатывают солнечную батарею на основе графена и органических кристаллов. Такая технология позволяет делать солнечные ячейки более крупными, что повышает эффективность сбора энергии и удешевляет производство в 4 раза.
Графеновые самолеты
В авиации вес – это все, от него напрямую зависит стоимость полета. Именно поэтому Ричард Брэнсон (и другие, менее известные люди) предсказывают полный переход коммерческих авиакомпаний на гораздо более легкий и прочный графен уже в ближайшее десятилетие. И это не просто слова – к примеру, Airbus уже не первый год активно занимается этим направлением.
Чехлы для смартфонов
Чехлы со встроенной батареей так и не прижились на рынке, а проблема быстро разряжающихся мобильных аккумуляторов никуда не делась. Чехлы с задней панелью из графена смогут намного эффективнее охлаждать смартфон, прибавляя до 20% ко времени работы батареи в вашем мобильном устройстве.
Супертонкие электронные книги
На MWC 2017 компания FlexEnable продемонстрировала построенную на основе графена полноцветную пиксельную матрицу для энергоэффективных дисплеев и дисплеев с электронными чернилами. Такие экраны будут иметь толщину обычной бумаги. К тому же, эти матрицы будут гибкими, что избавляет от необходимости использования толстого защитного стекла.
Автомобили
Графен раскрывает широкие перспективы для автомобилестроения, в частности для электромобилей. Дело в том, что с изготовленные из графена транспортные средства обладают меньшим весом и большей жесткостью кузова, что позволяет им быстрее ускоряться и расходовать значительно меньше электроэнергии.
Сверхбыстрые зарядки
Что, если бы вы могли зарядить свой смартфон на 100% за 5 минут? Именно столько времени требуется зарядному устройству от Zap & Go. И хотя тестовый прототип имел емкость всего 750 мАч, этот результат не может не впечатлять. А в следующем году инженеры компании обещают снизить этот показатель до 15-20 секунд. Тем временем, в Huawei разработали обычные литий-ионные батареи, которые благодаря применению графена могут работать на температурах до 60оС, что на 10 превышает показатель стандартных аккумуляторов на 10 градусов, что продлевает срок эксплуатации батареи почти в 2 раза.
www.computerra.ru
Графен, применение графена в строительстве — Стройфора
Графен – одна из форм наноуглерода. Наноструктурные материалы изучаются и разрабатываются уже давно, и появление нано-частиц на наших стройках — в составе бетонов, лакокрасочных материалов, электротехнических устройствах и еще много где — это вовсе не фантастика. Бетон и сталь для нас привычны. А что будет через пятьдесят лет? А через сто? Что за материалы появятся на строительных площадках, вот если бы заглянуть в будущее…
Ну заглянуть-то не вопрос. Ученые пишут статьи, публикуют их не только в научных журналах, но и популяризируют, а об особо интересных разработках, например – о новом мобильнике с экраном из пленочного графена, прошитом металловолокнами – уже давно знают все, кто интересуется подобными вещами, из прессы. Такой мобильник можно ронять и бить экраном, и даже трещин не будет. Из подобных материалов можно делать космические скафандры.
Что такое графен
Графен – уникален как материал и чрезвычайно разнообразен по свойствам. Получают графен из обыкновенного графита. И так же, как и графит, графен состоит из одних только атомов углерода. В одном миллиметре графита содержится более трех миллионов слоев графена.
Разница состоит в кристаллической структуре, у графита она трехмерная, а у графена – двумерная. Шестиугольная структура в виде сот, углеродные атомы в которой распределены в идеальном порядке. Толщина кристалла графена – страшно подумать – 0,3 нанометра (один нанометр – это одна миллионная доля миллиметра).
Свойства графена
Графен имеет электропроводность лучшую, чем металлы. Намного лучшую, чем медь. По сравнению со сталью графен прочнее в десять раз, а по массе легче в 6 раз. Практически светопрозрачный материал, поглощает не более 2% спектра. Плотность такова, что даже легкие газы, вроде гелия и водорода, не проходят сквозь слой графена.
Солнечная батарея, изготовленная из графена, имеет толщину бумажного листа. Красочные материалы, в основе которых порошок известняка и графен, придадут фасадам зданий защитные свойства, которые позволят не бояться атмосферный воздействий, любых перепадов температур. При эксплуатации в экстремальных условиях износ строений будет минимальным!
Увы, дифирамбы графену немного вянут от следующего пакета информации – не все так просто. Есть проблема возможного урона окружающей природе. Оказывается, графен может изменять свои свойства под действием воды. В реках и озерах его частицы могут оказать пагубное воздействие на биосферу, и эта проблема пока не решена.
В перспективе графен будет широко применяться в таких отраслях, как медицина – суперпрочные имплантаты, электроника – светопрозрачные покрытия мониторов, проводники и многое другое. Наверное, космонавтика. Электропроводящие пластмассы, вечные супертонкие контейнеры для герметичного хранения продуктов, новые электрические аккумуляторы на графеновой пудре. Уникальные по прочности конструкции, тросы, кабеля и балочные элементы зданий в сочетании с классическими строительными материалами позволят создавать сооружения, поражающие воображение.
Производство графена сложно, и для строительства этот материал пока еще чрезвычайно дорог, и использовался мало, в чрезвычайно дорогих и сложных проектах. Возможно, ситуация в скором будущем изменится, так как в настоящее время проводятся исследования возможности производства графена химическим путем. Вопрос в цене, и если ученым удастся этот вопрос решить… то сферу строительных материалов ждут перемены. Будет ли это процессом, близким к эволюционному, или нас ждет настоящая графеновая революция… поживем, увидим.
Искусственная паутина
Загадочное природное явление – паутина обыкновенная – поражает людей необычностью свойств с древних времен. С одной стороны – невероятная прочность при малой толщине нити. Если посчитать, то выясняется, что сталь далеко не так крепка и надежна, как паутина, просто никакого сравнения.
Паутина имеет не только уникальную прочность, есть еще одно свойство, не менее интересное – паутина сохраняет натяжение в экстремальных условиях, когда окружающая среда крайне агрессивна. Это свойство – не провисать – исследовали ученые во Франции и Великобритании.
Паутинная нить существует в двух абсолютно противоположных фазах – имеет свойство одновременно сжиматься, как жидкости, и растягиваться, как твердые тела. Именно это состояние делает паутину в три раза прочнее самых прочных созданных человеком синтетических нитей, например, нейлона. Данное открытие, как считают ученые, может совершить прорыв не только в науке, но и в технологиях, в частности, в строительных.
Один из секретов паутины был раскрыт. Клейкое вещество, находящееся на паутинных нитках, предназначено природой не только для ловли мух. Как оказалось, у этой паучьей слюны имеется и другая функция. Данный клей работает по типу самосжимающейся пружины, когда воздействия – ветра – нет, клеевые капли сматывают в себя паутину, как в клубок, а при увеличении нагрузок – отпускают, тонко регулируя стабильность поверхностного натяжения паутины.
Жидкая нитка была воссоздана лабораторно. Новый биотехнологический материал – искусственная паутина – был создан из тончайших пластиковых проводов и склеивающего вещества на основе масла. Поведение синтетической паутины, как конструкции, не отличается от настоящей.
Разработчики идеи утверждают, что волокна синтетической паутины возможно сделать практически из любого материала. Перспективы созданной человеком по природному образцу паутины – на настоящее время развитие микротехнологий и реверсивные микродвигатели, а что значат для строительства сверхлегкие волокна с прочностью стали, как для производства новых стройматериалов, так и для развития технологий… никакой фантастике не снилось.
stroyfora.ru