Что такое графен: кем открыт, свойства и сферы применения

12 мая 2023

Графен — это один из самых перспективных материалов, открытых в последние десятилетия. Он представляет собой одноатомный слой углерода, который обладает невероятными свойствами, такими, как высокая прочность, уникальная проводимость тепла и электричества. В этой статье мы рассмотрим основные свойства графена и его потенциальное применение в будущем.

Что такое графен и почему он уникален

Графен — это одноатомный слой углерода, представляющий собой двумерный материал с гексагональной кристаллической структурой. Он в миллион раз тоньше человеческого волоса и в 200 раз прочнее стали (разумеется, если сравнивать сталь аналогичной толщины), обладает наилучшей из известных материалов тепло- и электропроводностью, и при определенных условиях даже может быть легче воздуха.

Идеальная кристаллическая структура графена представляет собой гексагональную кристаллическую решётку / Авторство: AlexanderAlUS, CC BY-SA 3.0Источник: Wikimedia

Эти свойства делают его полезным для широкого спектра применений, включая электронику, энергетику, медицину, транспорт и многие другие области.

Кто открыл графен

Графен открыли в 2004 году британские ученые российского происхождения Андрей Гейм и Константин Новоселов. Работая в Манчестерском университете, они исследовали свойства углеродных материалов, в том числе графита. Экспериментируя с графитом, они смогли изолировать одноатомный слой углерода, который и получил название графен. Интересно, что в работе они использовали обычный скотч, который позволил отделить слой графита толщиной в один атом углерода. Результаты исследований были опубликованы в журнале Science. За свою работу Гейм и Новоселов были удостоены многих научных наград, в том числе Нобелевской премии по физике в 2010 году.

Безопасен ли графен

Графен состоит из углерода — естественного элемента, не имеющего токсичных свойств. Однако так как это относительно новый материал, свойства графена и его влияние на человека еще только предстоит изучить в долгосрочной перспективе. На текущий момент есть исследования, как доказывающие безопасность графена, так и приводящие к иным выводам. В частности, определенную опасность представляет оксид графена, например, стоит избегать его попадания в легкие.

Кроме того, при работе с графеном необходимо соблюдать соответствующие меры безопасности. Любой материал, может стать опасным, если его используют неправильно или непрофессионально.

Необычные свойства графена

Материал обладает уникальными свойствами, которые делают его полезным для создания различных устройств и технологий. Среди его основных достоинств можно выделить высокую прочность, электропроводность, теплопроводность и прозрачность.

1. Высокая прочность. Это тонкий и прочный материал, который может выдерживать внушительный вес, не ломаясь. Предел его прочности равен 55 Н · м −1. Например, гамак из графена площадью 1 квадратный метр может выдержать кошку весом 4 килограмма, при этом гамак будет практически невидимым.
2. Высокая электропроводность. По этому показателю он превосходит, например, медь. Более того, показатель подвижности носителей заряда в графене выше, чем в кремнии. Это делает его полезным для создания электронных устройств.
3. Высокая теплопроводность. Материал может передавать тепло очень быстро и эффективно (в 10 раз лучше меди), что делает его полезным для создания теплоотводов и терморегулирующих устройств, например, термопасты или охлаждения для центрального процессора компьютера.
4. Прозрачность. Такой тонкий материал сложно увидеть, к тому же он поглощает 2,3% падающего света, поэтому практически прозрачен.
5. Гибкость. Он может быть изогнут в разные формы без потери своих свойств. В сочетании с электропроводностью и прозрачностью материал можно использовать, например, при создании гибкой электроники.

Где уже используют графен

Новый материал уже сейчас используется в различных областях и порой находит совершенно неожиданное применение: от изготовления более легких и прочных теннисных ракеток до использования в составе одежды, для питания внешних светодиодов и в солнечных батареях.

• Электроника. В продаже можно найти самую разную электронную продукцию. Так, канадская компания Ora Graphene Audio выпустила графеновые наушники. Благодаря тому, что материал отлично проводит тепло, он применяется в системах охлаждения смартфонов, также его добавляют в термопасту. Одно из популярных сегодня направлений — аккумуляторы. Существуют даже графеновые лампочки, которые экономичнее и долговечнее светодиодных аналогов.

Изображение: market.yandex.ru

• Медицина. Применение этого инновационного материала в медицине носит широкий характер: от самых простых изделий вроде медицинских масок до браслетов для мониторинга и борьбы с диабетом и в качестве средства доставки лекарств к раковым клеткам.
• Транспорт. Материал может применяться в создании легких, прочных и гибких материалов для авиации и автомобилестроения. Например, в 2018 году был представлен первый в мире беспилотный летательный аппарат с графеновым покрытием. А простые граждане уже сейчас могут купить велосипедные шины с графеном, спрей-покрытие для защиты кузова автомобиля и присадку для моторного масла.
• Защита. Благодаря высокой прочности этот материал используется для создания защитных покрытий: бронежилетов, шлемов, брони для техники и т. п. Так, китайский ударный вертолет Z-10 получил броню из графена, а в тайской армии закупают инновационные бронежилеты для защиты солдат.

Где можно применять графен в будущем

Этот материал может быть использован для создания новых технологий и продуктов. Его изучением занимаются ученые из разных стран, в нем заинтересованы крупные компании, такие, как Airbus, Samsung, IBM и многие другие. Ниже перечислены лишь некоторые возможные области применения материала в будущем, и его потенциал может быть еще больше раскрыт в научных исследованиях и разработках.

• Квантовые вычисления. Для создания квантовых компьютеров, которые будут работать намного быстрее и эффективнее, чем современные компьютеры. В частности, финские ученые разработали болометр (инструмент для измерения энергетического состояния кубитов) на основе графена, у которого рекордная чувствительность, что позволяет существенно снизить энергопотребление квантовых компьютеров и сделать их компактнее.
• Робототехника. Производство гибких и прочных материалов для роботов, которые будут иметь возможность двигаться и приспосабливаться к различным условиям. Например, индийские ученые рассказывают о самовосстанавливающейся коже для андроидов, а в Австралии разработали биосенсор из графена, позволяющий управлять роботами.
• Космические исследования. Производство легких и прочных материалов для космических кораблей, космических станций и спутников. Так, в Китае ученые предложили перемещаться в космосе при помощи солнечных парусов, изготовленных из графена, а графеновая броня сможет защитить космические аппараты от микрометеоритов.
• Экология. Фильтры с применением графена можно использовать для очистки воды и воздуха, а также для создания более эффективных и экологически чистых источников энергии. Возможно применение и на атомных электростанциях с целью повышения экономичности и снижения вредных выбросов углекислого газа.

Почему графен до сих пор не используется массово

Хотя этот материал имеет огромный потенциал во многих областях, его применение в промышленных масштабах все еще ограничено технологическими проблемами и высокой стоимостью производства. По данным на 2020 год, стоимость тонны графена составляла до $200 000. Однако ученые постоянно находят новые способы производства, например, использование углеродосодержащих отходов в качестве сырья для получения графена, что позволяет снизить затраты. При этом некоторые идеи приходят совершенно случайно.

<iframe src=»https://vk.com/video_ext.php?oid=-48265019&id=456239548&hash=5c98f0f21d6d7317&hd=2&autoplay=1&ext123=&partner_ext=123″ allow=»autoplay; encrypted-media; fullscreen; picture-in-picture;» frameborder=»0″ allowfullscreen></iframe>

Компания Ford тестирует графен для применения в автомобильной промышленности. Источник: YouTube-канал Ford

Для промышленного использования графена необходимо проводить дополнительные исследования и тестирования, инвестировать время и средства, поэтому не стоит ожидать, что все крупные компании в одночасье смогут наладить выпуск продукции. К примеру, компания Ford начала изучение графена в 2014 году, в 2022-м компания применяет его в производстве, используя как добавку к полиуретановой пене, которой обрабатывают кузов автомобилей для снижения шума и вибраций. Серьезно подходят к исследованиям и другие крупные компании вроде химического гиганта BASF или южнокорейского производителя электроники LG.

Таким образом, графен рано или поздно будет применяться массово, однако это не может произойти моментально.

Что еще почитать и посмотреть о графене

1. «Предыстория графена» — статья на сайте «За науку», которая описывает историю открытия и развития представлений о двумерных материалах в физике.
2. «Методы получения графена» — статья на сайте «Русграфен», российской компании, запустившей производство CVD-графена.
3. «Главный элемент жизни» — видео на канале Droider, в котором рассказывается об углероде и других материалах на его основе.
4. Graphene — What Is It? — англоязычная статья на сайте Graphenea, одной из лидирующих компаний по производству графена.

Это тоже интересно:

<iframe src=»https://vk.com/video_ext.php?oid=-48265019&id=456239536&hash=6267b2026e2c863c&hd=2&autoplay=1&partner_ext=123&partner_ext=123″ allow=»autoplay; encrypted-media; fullscreen; picture-in-picture;» frameborder=»0″ allowfullscreen></iframe>

Автор: Тарас Сухов

технологии

Подпишитесь на нас

Новости Hi-Tech Mail.ru

Нажимая «Подписаться» вы соглашаетесь с условиями использования

• Mail.Ru
• О компании
• Реклама

• Редакция
• Условия использования материалов
• Обратная связь

---

Инновационная одежда с графеном: будущее или настоящее?

У него рекордная теплопроводность и хорошая электропроводность, он двухсоткратно прочнее стали и считается одним из самых перспективных материалов будущего. Графен. Что же это за материал, почему его первооткрыватели получили Нобелевскую премию и как он применим в мерче? Разбираемся в этой статье.

Пандемийные годы обострили нашу тревожность по поводу респираторных инфекций и усилили социологический тренд заботы о здоровье. Помимо вынужденного тренда на маски, санитайзеры и всевозможные товары с антибактериальным покрытием, стал активнее развиваться и рынок инновационной одежды. Она способна согреть, снизить риск простуды и защитить от переохлаждения — но совсем не стандартным «многослойным» способом.

Кроме мембранной технологии, уже давно и широко применяемой при изготовлении одежды, на рынке постепенно появляется и одежда с использованием графена. В ассортименте «Проекта 111» она представлена в брендах Thermalli и Manevr. Что же это за материал?

Графен: свойства и области применения

В 2010 году Нобелевский комитет при Шведской королевской академии наук присудил премию по физике Андрею Гейму и Константину Новоселову за «новаторские эксперименты, касающиеся двухмерного материала графена». Так что же это за уникальный материал такой — графен? Если вкратце, графен — двухмерный материал, представляющий собой пленку углерода толщиной в один атом.

Фото: Transhumania

Дело в том, что углерод может существовать во множестве кристаллических модификаций — в виде алмаза, карбина, графита, фуллеренов и нанотрубок. И каждая из этих форм имеет свои особые свойства. Что такое алмаз, уголь и графит, известно всем, а вот карбин — это линейный полимер углерода. Молекулы карбина представляют собой длинные тонкие цепочки из углеродных атомов; фуллерены — полые молекулы, имеющие форму выпуклого замкнутого многогранника и состоящие из большого (до 560-ти) числа атомов углерода; а нанотрубки — состоящие из атомов углерода вытянутые полые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких микрон. Графен же — это, собственно говоря, пленка углерода толщиной в один атом, имеющая строго упорядоченную гексагональную кристаллическую структуру. Таким образом, графен можно считать развернутой в плоскость одностенной нанотрубкой, или двухмерным фуллереном, или же отдельно взятым атомарным слоем из множества таких слоев, составляющих кристалл графита.

Представьте себе материал в миллион раз тоньше листа писчей бумаги. Казалось бы, он должен быть крайне непрочным. Ничего подобного! Гексагональная кристаллическая структура — своего рода плоские пчелиные соты из атомов углерода — придает графену гибкость, прочность, эластичность, а главное — высокую стабильность, в том числе и при комнатной температуре.

Фото: Transhumania

Уникальность графена в том, что он обладает такой же структурой, как и полупроводники, при этом он сам проводит электричество — как проводники. А еще у него высокая подвижность носителей заряда внутри материала. Поэтому графен в фото- и видеотехнике обнаруживает сигналы намного быстрее, чем другие материалы. Графен обладает хорошей теплопроводностью, гибкостью и упругостью, он на 97% прозрачный. При этом, графен — самый прочный из известных материалов: он конкурирует по прочности со сталью и своим «родственником» алмазом.

Фото: Transhumania

Уже сейчас из-за уникальных физико-химических свойств графен применяется при производстве легких и прочных теннисных ракеток, электронных устройств и умной одежды, а его биосовместимость позволяет считать разработки в области медицины очень перспективными. Также у графена интересные оптические свойства, поэтому он является передовым материалом для создания оптических инструментов, работающих одновременно в широком диапазоне частот — от видимого света до терагерцового или даже микроволнового излучения. Но вернемся к тем областям, где графен уже успешно используется — к умной одежде.

Технологичная одежда Thermalli

Молодой французский бренд Thermalli (владелец: компания Uno Apparel Europe, основанная в 2002 году в Сингапуре, штаб-квартира расположена в Париже) в разработке линейки технологичной одежды сделал акцент на электро- и теплопроводность графена. Графеновые подушки, или вставки из углеродного волокна, добавлены на куртках и жилетах в ключевых зонах потери тепла — на спине, на шее и на груди, в зависимости от модели. Подушки вшиты под подкладку и практически незаметны, их вес также минимален.

В целом, маркетинговый посыл бренда Thermalli вполне можно перенести и на месседж подарка: с помощью технологичной, легкой и теплой одежды сделать жизнь людей, живущих в холодном или неблагоприятном климате, комфортнее и теплее. Ведь ощущение тепла, физическое и метафорическое, одно из базовых чувств для нас с вами.

Инновационная технология подогрева на базе графена решает несколько задач: обеспечивает постоянный источник тепла и убирает тяжесть традиционной многослойной теплой одежды, снимая дополнительную нагрузку с позвоночника.

Графен позволяет быстро и эффективно проводить волновые импульсы и увеличивать коэффициент обогрева. Графеновые подушки соединены электрическими кабелями с аккумулятором (рекомендуем использовать внешние аккумуляторы емкостью 5000 мАч и выше), обогрев идет по принципу технологии «теплого пола». Разъем подключения к аккумулятору расположен в кармане. Кнопки подогрева в базовой линейке выведены снаружи в зоне груди и спрятаны внутрь в премиальной серии.

Новинка коллекции — премиальная модель Everest, где, помимо зон подогрева, добавлен массажный элемент в воротнике. Три режима массажа помогут не только согреться, но и расслабить мышцы шеи. Лаконичный светоотражающий элемент в задней нижней части куртки — дополнительная забота о безопасности в темное время суток.

Кстати, может возникнуть вопрос: не создается ли в процессе работы аккумулятора в тандеме с графеновой подушкой какое-либо электрическое или магнитное поле, возможны ли волновые эффекты и не повредит ли это здоровью? Например, хотя графен и не имеет прямого постоянного контакта с кожей, безопасно ли использование такой одежды для людей с кардиостимуляторами? Команда Thermalli позаботилась о безопасности и протестировала всю линейку одежды с подогревом, а также снабдила все новые модели (в ассортименте «Проекта 111» это Everest и младше) сертификатом безопасности RoHS, который обычно используется в области бытовой электроники.

Manevr: модный и инновационный бренд

В ассортименте бренда Manevr также представлена куртка с внутренним графеновым покрытием. В отличие от Thermalli, разработчики Manevr обратили внимание на другое свойство графена — водонепроницаемость. Тесные атомные связи графена делают его непроницаемым для почти всех газов и жидкостей. Но молекулы воды являются единственным исключением. Это означает, что куртка может быть как дышащей, так и водонепроницаемой.

В унисекс модели Shtorm из графена выполнено внутреннее покрытие, которое обеспечивает сохранение тепла и предохраняет от влаги. Подкладка выполнена из полиэстера, так что прямого контакта графена с кожей не происходит. Дополняют защитные функции куртки прорезиненные молнии и проклеенные швы.

Одежда с подогревом — актуальный и современный подарок или элемент мерча. Да, его отнюдь не назовешь бюджетным, но в случаях, когда решает не бюджет, а стратегия и работа на долгой дистанции — стоит обратить внимание на современные технологичные бренды. Такая одежда носится годами, и все это время работает на вас и на ваш бренд, увеличивая лояльность покупателей. Возможно, это не затраты на подарки, а инвестиции в сотрудничество?

Источники:

1. Science. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films (англ.)

2. РБК. Что такое графен и как он изменит нашу жизнь? (рус.)

3. Science Direct. Graphene based materials: Past, present and future (англ.)

4. Dezeen. Vollebak launches first graphene jacket that acts as a radiator (англ.)

5. Forbes. Битва за графен (рус.)

Что такое графен? | Graphene-Info

Графен представляет собой слой атомов углерода толщиной в один атом, расположенных в гексагональной решетке. Это строительный блок графита (который используется, среди прочего, в кончиках карандашей), но графен сам по себе является замечательным веществом — с множеством удивительных свойств, которые неоднократно приносили ему титул «чудо-материал». .

Свойства графена

Графен — самый тонкий из известных человеку материалов толщиной в один атом, а также невероятно прочный — примерно в 200 раз прочнее стали. Кроме того, графен является отличным проводником тепла и электричества и обладает интересными способностями к поглощению света. Это действительно материал, который может изменить мир, с неограниченным потенциалом для интеграции практически в любую отрасль.

Для получения дополнительной информации о свойствах графена нажмите здесь

Потенциальные области применения

Графен — чрезвычайно разнообразный материал, который можно комбинировать с другими элементами (включая газы и металлы) для получения различных материалов с превосходными свойствами. Исследователи во всем мире продолжают постоянно исследовать и патентовать графен, чтобы изучить его различные свойства и возможные применения, в том числе:

• батареи
• транзисторы
• компьютерные чипы
• производство энергии
• суперконденсаторы
• секвенирование ДНК
• фильтры для воды
• антенны
• сенсорные экраны (для LCD или OLED дисплеев)
90 017 солнечные элементы
• Продукты, связанные со спинтроникой

Графен захватывающий материал, привлекающий большое внимание, особенно после того, как Нобелевская премия по физике 2010 г. была присуждена Андрею Гейму и Константину Новоселову, которые впервые выделили графен в 2004 г.

Производство графена

Графен действительно очень интересен, но производство высококачественных материалов по-прежнему остается сложной задачей. Десятки компаний по всему миру производят различные типы и сорта графеновых материалов — от высококачественного однослойного графена, синтезированного с помощью процесса на основе CVD, до графеновых чешуек, производимых из графита в больших объемах.

Высококачественные графеновые листы в основном используются в исследованиях и разработках или в экстремальных приложениях, таких как датчики, но графеновые чешуйки, производимые в больших объемах и по более низким ценам, используются во многих приложениях, таких как спортивный инвентарь, бытовая электроника, автомобили и многое другое. .

Изделия из графена

Несколько компаний предлагают графен и изделия на основе графена. Вы можете проверить наш список компаний, связанных с графеном, чтобы найти компанию, которая предлагает продукты, которые вам нужны.

В декабре 2011 года компания Vorbeck Materials сообщила, что началось поставки противоугонного упаковочного устройства Siren, в котором используется схема Vor-Ink на основе графена (показана ниже), и это был первый в мире коммерчески доступный продукт на основе графена.

Сегодня на рынке появилось еще несколько изделий из графена. Спортивная индустрия была одной из первых, и уже в 2013 году HEAD начала поставлять теннисные ракетки с улучшенным графеном (серия YouTek Graphene Speed). Сегодня можно купить усиленные графеном шлемы, лыжное снаряжение и даже снаряжение для лакросса.

Графен также появился на рынке бытовой электроники — например, в некоторых флагманских смартфонах Huawei используется технология охлаждения графеновой пленкой для управления теплом. Еще одна известная компания, использующая графен, — это Ford, которая в 2019 году использует пенопластовые покрытия, армированные графеном, для шумных компонентов.Машины F-150 и Мустанг. Ford использует графен, смешанный с компонентами пенопласта, в результате чего детали становятся на 17% тише, на 20% прочнее и на 30% более термостойкими

Интересным рынком для графена является рынок сенсоров. Например, в 2016 году компания Nanomedical Diagnostics из Сан-Диего (теперь называется Cardea) начала поставлять свои датчики на основе графена и систему AGILE R100, которая позволяет обнаруживать малые молекулы в режиме реального времени. Графеновый датчик обеспечивает более быструю обработку образцов, большую точность, портативность и экономию средств.

Дополнительная литература

• Подпишитесь на нашу ежемесячную рассылку, чтобы быть в курсе последних новостей о графене
• Узнайте о лучших способах инвестирования в графеновую революцию
• Не пропустите The Graphene Handbook, наш собственный справочник по рынок графена
• Прочитайте эту захватывающую статью о потенциале графена на рынке аккумуляторов
• Узнайте, как графен может произвести революцию в производстве солнечных панелей
• Получите обзор текущего состояния графеновых продуктов

Что такое графен? Вот что вам следует знать

Технологический прогресс определяет ход истории.

Бронза и железо были настолько важны для распространения древних обществ, что в их честь названы целые эпохи. С подъемом американской сталелитейной промышленности железнодорожные пути распространились от Атлантики до Тихого океана, металлические жилы, по которым текла кровь нации. Кремниевые полупроводники обеспечили рост компьютеров и самый большой скачок в развитии информационных технологий со времен печатного станка. Эти материалы сформировали развитие общества и помогли определить, какие страны доминировали в геополитике.

Дальнейшее чтение

• Девять удивительных применений графена: от фильтрации воды до умной краски
• Что такое Hyperloop? Вот все, что вам нужно знать

Сегодня новый материал может изменить будущее. Названный «сверхматериалом», графен заставляет исследователей всего мира изо всех сил пытаться лучше понять его. Длинный список чудесных свойств графена делает его почти волшебным, но он может иметь очень реальные и радикальные последствия для будущего физики и техники.

Содержание

• Что такое графен?
• История графена: рулон ленты и мечта
• Возможные области применения
• Будущее исследований графена

Что такое графен?

Простейший способ описать графен состоит в том, что это один тонкий слой графита — мягкого чешуйчатого материала, используемого в грифеле карандаша. Графит является аллотропом элемента углерода, то есть он имеет те же атомы, но они расположены по-другому, что придает материалу другие свойства. Например, и алмаз, и графит являются формами углерода, но имеют совершенно разную природу. Алмазы невероятно прочны, а графит хрупок. Атомы графена расположены в виде шестиугольника.

Атомы графена расположены в виде сот Alex LMX / Shutterstock

Интересно, что когда графен выделяют из графита, он приобретает некоторые чудесные свойства. Это первый из когда-либо обнаруженных двумерных материалов толщиной всего в один атом. Несмотря на это, графен также является одним из самых прочных материалов в известной Вселенной.

Обладая пределом прочности на разрыв 130 ГПа (гигапаскалей), он более чем в 100 раз прочнее стали.

Невероятной прочности графена

, несмотря на то, что он такой тонкий, уже достаточно, чтобы сделать его удивительным, однако его уникальные свойства на этом не заканчиваются. Он также гибкий, прозрачный, обладает высокой проводимостью и, по-видимому, непроницаем для большинства газов и жидкостей. Кажется, что нет области, в которой графен не преуспел бы.

История графена: рулон ленты и мечта

Графит давно известен (люди используют его с эпохи неолита). Его атомная структура хорошо задокументирована, и долгое время ученые размышляли, можно ли выделить отдельные слои графита. Однако до недавнего времени графен был всего лишь теорией, поскольку ученые не были уверены, что когда-нибудь удастся разрезать графит на один лист толщиной в атом. Первый изолированный образец графена был обнаружен в 2004 году Андреем Геймом и Константином Новоселовым в Манчестерском университете.

Можно было бы ожидать, что они изолировали легендарное вещество, используя какое-то массивное и дорогое оборудование, но инструмент, который они использовали, был забавно простым: рулон скотча.

При использовании ленты для полировки большого блока графита исследователи заметили на ленте исключительно тонкие чешуйки. Продолжая отслаивать слой за слоем от чешуек графита, они в итоге изготовили максимально тонкий образец. Они нашли графен. Открытие было настолько странным, что научный мир поначалу отнесся к нему скептически. Популярный журнал

Nature даже дважды отклонял их статью об эксперименте. В конце концов, их исследование было опубликовано, а в 2010 году Гейм и Новоселов были удостоены Нобелевской премии по физике за свое открытие.

Возможные приложения

Если бы у графена была лишь одна из его многочисленных превосходных характеристик, он стал бы предметом интенсивных исследований потенциальных применений. Будучи таким замечательным во многих отношениях, графен вдохновил ученых на поиск широкого спектра применений этого материала в таких разных областях, как потребительские технологии и наука об окружающей среде.

Гибкая электроника

БОННИСТУДИО / Shutterstock

БОННИСТУДИО / Shutterstock

В дополнение к своим мощным электрическим свойствам графен также обладает высокой гибкостью и прозрачностью. Это делает его привлекательным для использования в портативной электронике. Смартфоны и планшеты могли бы стать намного более прочными с использованием графена и, возможно, даже могли бы складываться, как бумага. Носимые электронные устройства в последнее время набирают все большую популярность. С графеном эти устройства можно было бы сделать еще более полезными, спроектировав их так, чтобы они плотно прилегали к конечностям и сгибались, чтобы приспособиться к различным формам упражнений.

Однако гибкость и микроскопическая ширина

Graphene открывают возможности, выходящие за рамки обычных потребительских устройств. Это также может быть полезно в биомедицинских исследованиях. Небольшие машины и датчики могут быть изготовлены из графена, способные легко и безвредно перемещаться по человеческому телу, анализировать ткани или даже доставлять лекарства в определенные области. Углерод уже является важным компонентом человеческого тела; немного графена может не помешать.

Солнечные элементы/фотогальваника

Педросала / Shutterstock

Педросала / Shutterstock

Графен обладает высокой проводимостью и прозрачностью. Таким образом, он имеет большой потенциал в качестве материала для солнечных батарей. Как правило, в солнечных элементах используется кремний, который производит заряд, когда фотон попадает на материалы, выбивая свободный электрон. Кремний высвобождает только один электрон на фотон, который попадает в него. Исследования показали, что графен может высвобождать несколько электронов на каждый попавший на него фотон. Таким образом, графен может намного лучше преобразовывать солнечную энергию. Вскоре более дешевые и мощные графеновые элементы могут обеспечить массовый всплеск возобновляемой энергии.

Фотоэлектрические свойства графена

также означают, что его можно использовать для разработки более совершенных датчиков изображения для таких устройств, как камеры.

Полупроводники

Торсак Таммахот / Shutterstock

Торсак Таммачот / Shutterstock

Благодаря своей высокой проводимости графен можно использовать в полупроводниках для значительного увеличения скорости передачи информации. Недавно Министерство энергетики провело испытания, которые показали, что полупроводящие полимеры проводят электричество гораздо быстрее, если их поместить поверх слоя графена, чем слоя кремния. Это справедливо даже в том случае, если полимер толще. Полимер толщиной 50 нанометров, помещенный поверх слоя графена, проводил заряд лучше, чем слой полимера толщиной 10 нанометров. Это противоречило предыдущей мудрости, согласно которой чем тоньше полимер, тем лучше он проводит заряд.

Самым большим препятствием для использования графена в электронике является отсутствие у него запрещенной зоны, промежутка между валентной зоной и зоной проводимости в материале, который при пересечении обеспечивает протекание электрического тока. Ширина запрещенной зоны позволяет полупроводниковым материалам, таким как кремний, работать как транзисторы; они могут переключаться между изоляцией или проведением электрического тока, в зависимости от того, выталкиваются ли их электроны через запрещенную зону или нет.

Исследователи проверяли различные методы создания запрещенной зоны графена; в случае успеха это может привести к созданию гораздо более быстрой электроники на основе графена.

Фильтрация воды

А_Лесик / Shutterstock

А_Лесик / Shutterstock

Плотные атомные связи графена

делают его непроницаемым практически 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 Манчестерского университета проверили проницаемость графена спиртом и смогли перегнать очень крепкие образцы спирта, поскольку только вода в образцах могла пройти через графен.

Конечно, использование графена в качестве фильтра имеет потенциал не только для дистилляции более крепких спиртных напитков. Графен также может быть чрезвычайно полезен для очистки воды от токсинов. В исследовании, опубликованном Королевским химическим обществом, исследователи показали, что окисленный графен может даже втягивать радиоактивные материалы, такие как уран и плутоний, присутствующие в воде, оставляя жидкость свободной от загрязняющих веществ. Последствия этого исследования огромны. Некоторые из самых больших экологических опасностей в истории, в том числе ядерные отходы и химические стоки, могут быть очищены от источников воды благодаря графену.

Поскольку перенаселение продолжает оставаться одной из самых насущных экологических проблем в мире, поддержание запасов чистой воды будет становиться все более важным. Действительно, от нехватки воды страдают более миллиарда человек во всем мире, и это число будет только расти, учитывая нынешние тенденции. Графеновые фильтры обладают огромным потенциалом для улучшения очистки воды, увеличивая количество доступной пресной воды. Фактически, Lockheed Martin недавно разработала графеновый фильтр под названием «Perforene», который, по утверждению компании, 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. Чтобы произвести большое количество питьевой воды, давление требует огромного количества энергии. Инженер Lockheed Martin утверждает, что их фильтры Perforene могут снизить энергопотребление в сто раз меньше, чем другие фильтры.

MIT создал графен с «нанопорами»

Фильтрация — одно из наиболее очевидных применений графена, и инженеры Массачусетского технологического института добились больших успехов в совершенствовании способности графена разделять молекулы. В 2018 году команда Массачусетского технологического института придумала метод создания крошечных отверстий в листах графена. Исследователи Массачусетского технологического института используют подход «рулон 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 газообразный водород, что по существу вызывает образование луж графена. Графеновая пленка выходит из печи и наматывается на вторую катушку.

Теоретически этот процесс позволяет формировать большие листы графена за относительно короткое время, что имеет решающее значение для коммерческих приложений. Исследователям пришлось отрегулировать процесс, чтобы графен сформировался идеально, и, что интересно, несовершенные попытки на этом пути впоследствии оказались полезными. Когда команда Массачусетского технологического института пыталась создать поры в графене, они начали с использования кислородной плазмы, чтобы вырезать их. Поскольку этот процесс оказался трудоемким, они хотели чего-то более быстрого и искали решения в своих предыдущих экспериментах. Понижая температуру во время роста графена, они заставили появиться поры. 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 сочетании с оксидом меди празеодима-церия, исследователи из Массачусетского технологического института обнаружили еще одно поразительное свойство: правильная конфигурация. Исследователи сложили два кусочка графена, но сместили их под углом 1,1 градуса. Согласно отчету, опубликованному в журнале Nature, «физик Пабло Харилло-Эрреро из Массачусетского технологического института (MIT) в Кембридже и его команда не искали сверхпроводимость, когда ставили свой эксперимент. Вместо этого они изучали, как ориентация, получившая название «магический угол», может повлиять на графен».

Они обнаружили, что когда они пропускали электричество через необычный графеновый пакет, он функционировал как сверхпроводник. Этот простой процесс подачи электричества делает графен более легким для изучения, чем аналогичный класс сверхпроводников, купратов, хотя эти материалы проявляют сверхпроводимость при гораздо более высоких температурах. Большинство материалов, обладающих сверхпроводимостью, делают это только при температуре, близкой к абсолютному нулю. Некоторые так называемые «высокотемпературные сверхпроводники» могут проявлять сверхпроводимость при температурах около 133 Кельвинов (-140 по Цельсию), что является относительно высоким показателем; сероводород, при достаточном давлении, проявляет чудодейственные свойства в -70 градусов по Цельсию!

Графеновую композицию пришлось охладить до 1,7 градуса выше абсолютного нуля, однако исследователи считают ее поведение похожим на поведение купратов, и поэтому они надеются, что это будет гораздо более легкий материал для изучения нетрадиционной сверхпроводимости, которая все еще остается областью вызывает большие разногласия среди физиков. Поскольку сверхпроводимость обычно возникает только при таких низких температурах, сверхпроводники используются только в дорогостоящем оборудовании, таком как аппараты МРТ, но ученые надеются однажды найти сверхпроводник, работающий при комнатной температуре, что снизит затраты за счет устранения необходимости в охлаждающих устройствах.

В исследовании, опубликованном в 2019 году, исследователи показали, как скручивание слоев графена под определенными «магическими» углами может обеспечивать сверхпроводящие свойства при более низких температурах, чем раньше.

Защита от комаров

Немногие существа столь же отвратительны, как комары, с их зудящими укусами и склонностью к распространению ужасных болезней, таких 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 блокирует комаров от укусов, но и в первую очередь удерживает их от приземления на кожу. Одно из возможных объяснений состоит в том, что графен мешал комарам чуять добычу.

Будущее исследований графена

Учитывая, казалось бы, бесконечный список сильных сторон графена, можно было бы ожидать, что он будет встречаться повсюду. Почему же тогда графен не получил широкого распространения? Как и в большинстве случаев, все упирается в деньги. Графен по-прежнему чрезвычайно дорог в производстве в больших количествах, что ограничивает его использование в любом продукте, требующем массового производства. Более того, при производстве больших листов графена возрастает риск появления в материале крошечных трещин и других дефектов. Каким бы невероятным ни было научное открытие, успех всегда будет определяться экономикой.

Помимо проблем с производством, исследования графена ни в коем случае не замедляются. Исследовательские лаборатории по всему миру, в том числе Манчестерский университет, где впервые был обнаружен графен, постоянно подают заявки на патенты на новые методы создания и использования графена.