Что такое графен?
Более сильный чем сталь, более тонкий чем бумага, графен смог быть будущим техники

Автор: Будет Ли Николь

Технологические достижения управляют ходом истории. Бронза и железо были настолько важны для распространения древних обществ, что в их честь были названы целые эпохи. С подъемом американской сталелитейной промышленности, железнодорожные пути распространились от Атлантического до Тихого океана, металлические жилы, которые несли кровь нации. Кремниевые полупроводники обеспечили рост компьютеров и самый большой всплеск информационных технологий со времен печатного станка. Эти материалы сформировали развитие общества и помогли определить, какие страны доминируют в геополитике.

Девять удивительных применений для графена, от фильтрации воды до смарт-краски

Сегодня новый материал обладает потенциалом изменить будущее. Получивший название "сверхматериал", графен имеет исследователей во всем мире карабкаются, чтобы лучше понять его. Длинный список чудесных черт графена делает его почти волшебным, но он может иметь очень реальные и радикальные последствия для будущего физики и техники.

Что именно такое графен?

Самый простой способ описать графен заключается в том, что он представляет собой единый, тонкий слой графита — мягкого, слоистого материала, используемого в карандашном свинце. Графит является аллотропом углерода элемента, то есть он обладает теми же атомами, но они расположены по-разному, давая материалу различные свойства. Например, и алмаз, и графит являются формами углерода, но они имеют совершенно разные природы. Алмазы невероятно прочны, а графит хрупок. Атомы графена расположены в гексагональном расположении.

Интересно, что когда графен изолирован от графита, он приобретает некоторые чудесные свойства. Это всего лишь один атом толщиной, первый двумерный материал, когда-либо обнаруженный. Несмотря на это, графен также является одним из самых сильных материалов в известной вселенной. С прочностью на растяжение 130 GPa (gigapascals), он больше чем 100 времен более сильн чем сталь.

Невероятная прочность графена, несмотря на то, что он настолько тонкий, уже достаточно, чтобы сделать его удивительным, однако его уникальные свойства на этом не заканчиваются. Она также гибка, прозрачна, сильно проводна, и по-видимому непромокаема к большинств газам и жидкостям. Это почти кажется, как будто нет области, в которой графен не выделяется.

История графена: рулон скотча и мечта

Графит был известен в течение длительного времени (люди использовали его с эпохи неолита). Его атомная структура хорошо документирована, и в течение длительного времени ученые размышляли, можно ли изолировать отдельные слои графита. Однако до недавнего времени графен был всего лишь теорией, поскольку ученые не были уверены, будет ли когда-нибудь возможно разрезать графит до одного тонкого листа атома. Первый изолированный образец графена был обнаружен в 2004 году Андре Геймом и Константином Новоселовым в Университете Манчестера. Можно было бы ожидать, что они изолировали легендарное вещество, используя какой-то массивный, дорогой механизм, но инструмент, который они использовали, был забавно прост: рулон скотча.

При использовании ленты для полировки большого блока графита исследователи заметили исключительно тонкие хлопья на ленте. Продолжая отслаиваться слой за слоем от чешуек графита, они в конечном итоге получили образец настолько тонкий, насколько это возможно. Они нашли графен. Это открытие было настолько странным, что научный мир поначалу отнесся к нему скептически. Популярный журнал Nature даже дважды отклонил их статью об эксперименте. В конце концов, их исследования были опубликованы, и в 2010 году Гейм и Новоселов были удостоены Нобелевской премии по физике за их открытие.

Потенциальное применение
Если бы графен обладал только одной из своих многочисленных превосходных черт, он стал бы предметом интенсивного исследования потенциальных применений. Будучи столь замечательным во многих отношениях, графен вдохновил ученых на размышления о широком спектре применений этого материала в таких различных областях, как потребительские технологии и экологическая наука.

Гибкая электроника
графенэфлексируемый

В дополнение к своим мощным электрическим свойствам, графен также очень гибок и прозрачен. Это делает его привлекательным для использования в портативной электронике. Смартфоны и планшеты могут стать гораздо более прочными с использованием графена, и, возможно, даже могут быть сложены, как бумага. Носимые электронные устройства в последнее время набирают все большую популярность. С графеном эти устройства можно было бы сделать еще более полезными, предназначенными для плотного прилегания к конечностям и сгибания для размещения различных форм упражнений.

Гибкость графена и микроскопическая ширина обеспечивают возможности за простыми приборами едока, однако. Он также может быть полезен в биомедицинских исследованиях. Небольшие машины и датчики могут быть изготовлены из графена, способного легко и безвредно перемещаться по человеческому телу, анализировать ткани или даже доставлять лекарства в определенные области. Углерод уже является важным ингредиентом в человеческом организме; немного графена, добавленного в него, может не повредить.

Солнечные батареи/фотовольтаика

Графен обладает высокой электропроводностью и прозрачностью. Как таковой, он имеет большой потенциал как материал в фотоэлементах. Как правило, солнечные элементы используют кремний, который производит заряд, когда фотон попадает в материалы, выбивая свободный электрон. Кремний выделяет только один электрон на фотон, который попадает в него. Исследования показали, что графен может высвобождать несколько электронов для каждого фотона, который попадает в него. Таким образом, графен может быть гораздо лучше в преобразовании солнечной энергии. Вскоре более дешевые и мощные графеновые ячейки могли бы вызвать массовый всплеск возобновляемой энергии.

Фотоэлектрические свойства графена также означают, что он может быть использован для разработки лучших датчиков изображения для таких устройств, как камеры.

Полупроводниковые компоненты

Благодаря своей высокой проводимости, графен может быть использован в полупроводниках, чтобы значительно увеличить скорость, с которой распространяется информация. Недавно Департамент энергетики провел испытания, которые показали, что полупроводниковые полимеры проводят электричество гораздо быстрее, когда они помещены поверх слоя графена, чем слой кремния. Это справедливо даже в том случае, если полимер толще. Полимер толщиной 50 Нм, помещенный поверх графенового слоя, проводил заряд лучше, чем 10-нанометровый слой полимера. Это шло вразрез с прежней мудростью, которая утверждала, что чем тоньше полимер, тем лучше он может проводить заряд.

Самым большим препятствием для использования графена в электронике является его отсутствие запрещенной зоны-промежутка между валентными и проводящими полосами в материале, который при пересечении позволяет протекать электрическому току. Запрещенная зона-это то, что позволяет полупроводниковым материалам, таким как кремний, функционировать в качестве транзисторов; они могут переключаться между изоляцией или проводимостью электрического тока, в зависимости от того, выталкиваются ли их электроны через запрещенную зону или нет.

Исследователи тестировали различные методы, чтобы дать графену запрещенную зону; в случае успеха это может привести к гораздо более быстрой электронике, построенной с графеном.

Фильтрация воды

Плотные атомарные связи графена делают его непроницаемым почти для всех газов и жидкостей. Любопытно, что молекулы воды являются исключением. Поскольку вода может испаряться через графен, в то время как большинство других газов и жидкостей не могут, графен может быть исключительным инструментом для фильтрации. Исследователи из Университета Манчестера проверили проницаемость графена со спиртом и смогли дистиллировать очень сильные образцы спиртов, так как только вода в образцах смогла пройти через графен.


Конечно, использование графена в качестве фильтра имеет потенциал, выходящий за рамки дистилляции более сильных спиртов. Графен также может быть чрезвычайно полезен для очистки воды от токсинов. В исследовании, опубликованном Королевским обществом химии, исследователи показали, что окисленный графен может даже втягивать радиоактивные материалы, такие как Уран и плутоний, присутствующие в воде, оставляя жидкость свободной от загрязнений. Последствия этого исследования огромны. Некоторые из самых больших экологических опасностей в истории, включая ядерные отходы и химический Сток, могут быть очищены от источников воды благодаря графену.

Поскольку перенаселение по-прежнему является одной из самых насущных экологических проблем в мире, поддержание запасов чистой воды будет только возрастать. Действительно, нехватка воды затрагивает более миллиарда человек во всем мире, и это число будет только расти с учетом нынешних тенденций. Графеновые фильтры обладают огромным потенциалом для улучшения очистки воды, увеличивая количество доступной пресной воды. На самом деле, Lockheed Martin недавно разработал графеновый фильтр под названием “перфорин”, который, как утверждает компания, может революционизировать процесс опреснения.

Современные опреснительные установки используют метод обратного осмоса для фильтрации соли из морской воды. Обратный осмос использует давление для перемещения воды через мембрану. Для того чтобы произвести большое количество питьевой воды, задействованное давление требует огромного количества энергии. Инженер Lockheed Martin утверждает, что их перфорированные фильтры могут снизить энергетические потребности в сто раз меньше, чем у других фильтров.

MIT создал графен с “нанопорами”

Фильтрация является одним из самых очевидных применений графена, и инженеры MIT добились больших успехов в совершенствовании способности графена отделять молекулы. В 2018 году группа ученых из Массачусетского технологического института разработала метод создания крошечных “булавочных” отверстий в листах графена. Исследователи MIT используют подход” от рулона к рулону” для производства графена. Их установка включает в себя две катушки: одна катушка подает лист меди в печь, где он нагревается до соответствующей температуры, затем инженеры добавляют метан и водородный газ, что по существу приводит к образованию пулов графена. Графеновая пленка выходит из печи, наматываясь на вторую катушку.

В теории, этот процесс позволяет для больших листов графена быть сформированным в относительно коротком периоде времени, который критический для коммерческих применений. Исследователи должны были точно настроить процесс, чтобы получить графен, чтобы сформировать совершенно, и интересно, что несовершенные попытки по пути оказались полезными позже. Когда команда MIT попыталась создать поры в графене, они начали использовать кислородную плазму, чтобы вырезать их. Поскольку этот процесс оказался трудоемким, они захотели что-то более быстрое и посмотрели на свои предыдущие эксперименты для решений. При понижении температуры во время роста графена они получили поры, чтобы появиться. То, что казалось дефектами в процессе разработки, оказалось полезным способом создания пористого графена.

Сверхпроводимость

Вскоре после того, как ученые из Кембриджа продемонстрировали, что графен может действовать как сверхпроводник (материал без электрического сопротивления) в паре с оксидом меди празеодима церия, исследователи из MIT обнаружили еще одно поразительное свойство: он, по-видимому, может функционировать как сверхпроводник в одиночку, в правильной конфигурации. Исследователи сложили два куска графена, но сдвинули их на угол 1,1 градуса. Согласно отчету, опубликованному в Nature, “физик Пабло Харильо-Эрреро из Массачусетского технологического института (MIT) в Кембридже и его команда не искали сверхпроводимость, когда они установили свой эксперимент. Вместо этого они исследовали, как ориентация, названная волшебным углом, может повлиять на графен.”

что такое сверхпроводник графена a 720x720

Они обнаружили, что когда они пропускали электричество через разреженный графеновый стек, он функционировал как сверхпроводник. Этот простой процесс применения электричества делает графен более легким для изучения, чем аналогичный класс сверхпроводников-купратов, хотя эти материалы проявляют сверхпроводимость при гораздо более высоких температурах. Большинство материалов, демонстрирующих сверхпроводимость, делают это только вблизи температуры абсолютного нуля. Некоторые так называемые " высокотемпературные сверхпроводники” могут демонстрировать сверхпроводимость при температурах около 133 Кельвинов (-140 по Цельсию), что является относительно высоким показателем; сероводород, под достаточным давлением, показывает свойство на чудесном -70 градус Цельсия !

Графеновая композиция должна была быть охлаждена до 1,7 градуса выше абсолютного нуля, однако исследователи считают ее поведение сходным с поведением купратов, и поэтому они надеются, что это будет гораздо более легкий материал для изучения нетрадиционной сверхпроводимости, которая все еще является областью больших разногласий среди физиков. Поскольку сверхпроводимость обычно происходит только при таких низких температурах, сверхпроводники используются только в дорогостоящих машинах, таких как МРТ-аппараты, но ученые надеются когда-нибудь найти сверхпроводник, который работает при комнатной температуре, что снизит затраты, удалив необходимость в холодильных установках.

В исследовании , опубликованном в 2019 году, исследователи показали, как скручивающиеся слои графена при определенных” волшебных " углах могут создавать сверхпроводящие свойства при более низких температурах, чем раньше.

Защита от комаров

Немногие существа так же отвратительны, как комар, с их зудящими укусами и тенденцией распространять ужасные болезни, такие как малярия. К счастью, исследователи из Университета Брауна нашли возможное решение с использованием графена. Исследование, опубликованное в 2019 году, демонстрирует, что графеновая пленка на коже не только блокировала комаров от укусов, но даже удерживала их от посадки на кожу в первую очередь. Одно из возможных объяснений заключается в том, что графен не позволяет комарам учуять добычу.

Будущее графеновых исследований

Учитывая кажущийся бесконечным список сильных сторон графена, можно было бы ожидать увидеть его повсюду. Почему же тогда графен не получил широкого распространения? Как и в большинстве случаев, все сводится к деньгам. Графен все еще чрезвычайно дорог для производства в больших количествах, ограничивая его использование в любом продукте, который потребовал бы массового производства. Кроме того, при производстве больших листов графена существует повышенный риск появления в материале крошечных трещин и других дефектов. Каким бы невероятным ни было научное открытие, успех всегда будет определяться экономикой.

Помимо производственных вопросов, исследование графена ни в коем случае не замедляется. Исследовательские лаборатории по всему миру, включая Манчестерский университет, где впервые был открыт графен, постоянно подают заявки на патенты для новых методов создания и использования графена. Европейский союз одобрил финансирование флагманской программы в 2013 году, которая будет финансировать исследования графена для использования в электронике. Между тем, крупнейшие технологические компании в Азии проводят исследования по графену, в том числе Samsung.

Революции не происходят в одночасье. Кремний был открыт в середине 19-го века, но потребовалось почти столетие, прежде чем кремниевые полупроводники проложили путь для подъема компьютеров. Может ли графен, с его почти мифическими качествами, быть ресурсом, который управляет следующей эрой человеческой истории? Только время покажет.