Графен

Что это такое

Это устройство еще называют одностенной углеродной нанотрубкой. Внешне она похожа на свернутую в трубку графеновую плоскость. Благодаря необычным физическим качествам изобретение становится универсальным аддитивом. Оно дает возможность повысить удельные характеристики 70% базовых материалов.

Алгоритм работы простой. Если внести в матрицу материала графеновую нанотрубку, которая хорошо диспергирована, то образуется трехмерная армирующая и электропроводящая сеть. Она открывает ряд новых параметров и практически не влияет на изначальный цвет и другие характеристики конечного продукта.

Есть два вида изобретения:

• одностенное;
• многостенное.

Они имеют разные свойства и по-разному воздействуют на материалы. Более подробно об этом в таблице:

Тихая графеновая революция

«У графена очень много интересных физических свойств и явлений, например электронные свойства, которые позволяют использовать графен для конструирования сложных электронных наноустройств. Есть работы, в которых его используют для защиты наночастиц от окисления», — рассказал в беседе с RT старший научный сотрудник кафедры химической кинетики химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова Владимир Боченков.

Также по теме

Новые свойства графена помогут создавать топливо «из воздуха»

Исследование, проведённое физиками в Университете Манчестера, показало, что открытый в 2010 году графен может быть использован в…

Кроме того, графен поможет решить одну из главных задач современности — получить недорогие, надёжные и экологически безопасные источники энергии. Так, графеновые композиты позволяют создать более эффективные солнечные панели. Учёные из Массачусетского технологического института доказали, что при помощи графена можно сделать эластичные, дешёвые и прозрачные солнечные элементы, превращающие практически любую поверхность в источник электроэнергии. Солнечные батареи из графена, по словам учёных, могут производить энергию даже в дождь.

«В графене можно делать определённые отверстия, выбивая некоторые атомы углерода, и получать регулируемые поры, которые можно использовать в качестве мембраны в батареях и топливных ячейках. Также мембраны на основе графена могут удешевить производство тяжёлой воды. Она необходима в атомной промышленности для получения относительно экологически чистой энергии. Здесь опять же уникальные свойства графена позволяют быстрее разделять субатомные частицы, делая весь процесс очень экономичным. В результате мы получаем более зелёную и дешёвую атомную энергию», — отметил Боченков.

Крупнейшие технологические компании уже приступили к созданию литийионных аккумуляторов для смартфонов с использованием графена. Инновационная технология позволяет заряжать батарею быстрее и хранить заряд дольше.

Графен можно использовать в качестве мембраны для фильтрации атомов водорода в воздухе и получить биологически чистое топливо. К такому выводу пришли первооткрыватели графена. Андрей Гейм и Константин Новосёлов выяснили, что при высоких температурах и присутствии платины в качестве ускорителя реакции графен пропускает положительно заряженные ионы водорода (протоны) и задерживает практически всё остальное. Такая технология поможет совершить прорыв в развитии зелёной энергетики.

Также по теме

«Рассеять энергию пули»: как нанотехнологии используются в военном деле

В России и мире активно ведутся разработки в области материалов, которые позволяют создавать новые средства индивидуальной бронезащиты…

Взяли на вооружение графен и производители военной продукции. Выяснилось, что материал обладает пуленепробиваемыми свойствами. Учёные из Нью-Йоркского университета получили очень прочные и почти невесомые бронежилеты. В ходе эксперимента физики запустили стеклянную микропулю в листы графена толщиной от десяти до 100 слоёв. Графен рассеял энергию пули, летящей на скорости 3000 м/с. Однако в точке удара материал вытянулся в форме конуса, а затем треснул. Появление трещин не позволяет пока поставить графеновые бронежилеты на службу полицейским. По оценкам специалистов, чтобы защитить своих обладателей, такие бронежилеты должны состоять из миллионов слоёв графена. А для этого требуется наладить его производство в промышленных масштабах.

Проник графен и в биологию. В 2016 году китайские учёные накормили шелкопрядов тутовыми листьями, которые были сбрызнуты препаратами, содержащими графен. В итоге экспериментаторы получили прочную и хорошо проводящую электричество графеновую шёлковую нить.

Где можно применять графен в будущем?

Есть и еще одно свойство графена: он биосовместим, то есть взаимодействует с живыми клетками. Ученые обещают, что материал поможет диагностировать и лечить рак . Это делают с помощью чипа с графеном, который придает повышенную чувствительность. На поверхность чипа высаживают раковые клетки и тестируют на них различные лекарства.

Такие чипы можно использовать и для тестирования других лекарств, а также — определения биомаркеров: иммуноглобулина, ДНК, нейрональных биорецепторов.

Из графена также планируют делать дешевые солнечные батареи, опресняющие устройства для морской воды, гибкие дисплеи, сверхпрочные бронежилеты, сверхчувствительные микропроцессоры, элементы для беспилотников и космических ракет, телефоны с бесконечной зарядкой и умную одежду.

Для России самым перспективным применением графена могут стать нефте- и газодобыча. На основе графена делают жидкости, которые позволят управлять толщиной и свойствами фильтрационной корки буровых растворов. А еще можно делать полимерные трубы и покрытия для нефте- и газопроводов с применением графена.

Экономика инноваций

Единорог из трубки: фоторепортаж из уникального сибирского стартапа

Как мы можем использовать графен?

Графен часто применяют в медицине. Его используют при создании сенсоров, определяющих биомаркеры. В частности, иммуноглобулин, опасные токсины, а также биомаркеры, связанные с онкологией и сердечно-сосудистыми заболеваниями. Это позволяет врачам по-новому диагностировать заболевания.

Более того, графен считается отличной заменой существующим материалам, которые были доведены до своих физических пределов. Например, кремниевые транзисторы (коммутационные устройства, используемые в качестве запоминающих устройств и логических элементов для принятия решений в компьютерах) за последние несколько десятилетий последовательно уменьшались и становились всё более мощными. Но учёные уже давно выражают опасения, что дальнейшие усовершенствования ограничены законами физики. Замена кремния графеном позволит создать ещё более мелкие и быстрые транзисторы. 

Таким же образом графен мог бы революционизировать и другие области технологии, ограниченные традиционными материалами. Например, с его помощью можно создать конкурентоспособные по стоимости и более эффективные солнечные панели и более энергоэффективное оборудование для передачи энергии. Такие компании, как Samsung, Nokia и IBM уже разрабатывают графеновые заменители для сенсорных экранов, транзисторов и флэш-памяти, но разработка всё ещё находится на очень ранней стадии.

Who discovered graphene?

Photos: The discovery of carbon nanotubes in 1991 helped spur researchers on to
produce the first sample of graphene in 2004. Picture of aligned carbon nanotubes by Junbing Yang courtesy of Argonne National Laboratory
published on Flickr
under a Creative Commons Licence.

Scientists have been puzzling over graphene for decades. Back in 1947, Canadian physicist Philip Wallace wrote a pioneering paper about the electronic behaviour of graphite that sparked considerable interest in the field.
Nobel-Prize winning chemist Linus Pauling was speculating about how flat, single layers of carbon atoms would behave as long ago as
1960. In 1962, such materials were named «graphene» by German chemist
Hanns-Peter Boehm, who had spotted them under
his electron microscope the year before.

Theoretical research into graphene continued for the next four decades, boosted in
the 1980s and 1990s by the discoveries of fullerenes (effectively, graphene curled up into balls) and carbon nanotubes
(graphene folded into a pipe). Even so, no-one could ever actually make the stuff in practice;
graphene was only produced in a laboratory in 2004, by Russian-born
scientists
Andre Geim and
Konstantin
Novoselov working at the UK’s University of Manchester.
They made graphene by using pieces of sticky tape to pull off flakes of graphite,
then folding the tape and pulling it apart to cleave the graphite into even smaller layers.
Eventually, after a great deal of work, they were amazed to find they had some bits of
graphite only one atom thick—graphene, in other words.

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

Новый материал – настоящее чудо современной науки. Он обладает непревзойдёнными термическими, оптическими, электрическими и механическими качествами.

В чём отличие графена от графита?

Начнём с графена. Это моноатомный слой, составленный из атомов углерода, который, как собственно и графит, обладает решёткой в виде сот. Что такое графит? В его слоистой структуре, слои графена сложены друг на друга! В графите, связь слоёв графена реализована посредством весьма слабых Ван-дер-Ваальсовых связей, по этой самой причине есть возможность разъединить их. К примеру, когда мы пишем обыкновенным карандашом, то снимаются слои графита, только вот след от карандаша, оставленный на бумаге, ещё не графен — это графеновая многослойная структура.

Если свести подобную структуру к одному слою — пожалуйста, перед вами настоящий графен. Такие расщепления воплотила в реальность пара Нобелевских лауреатов по физике — Новосёлов и Гейм. Они расщепили графит воспользовавшись скотчем и после того, как учёные досконально изучили свойства этого «графитового слоя», стало известно, что у него великолепные параметры для применения в микроэлектронике.

Creation or Isolation of Graphene

Scientists use a number of techniques to produce graphene. Mechanical exfoliation, also known as the adhesive tape technique, is one effective way of creating single layer and few layer graphene. However, various research institutions worldwide are trying to find the most efficient way of creating high-quality graphene cost effectively on a large scale.

Chemical vapour deposition (CVD) is the most suitable technique for producing monolayer or few layer graphene. This technique is capable of extracting carbon atoms from a carbon rich source by reduction. However, a major drawback in this technique is the difficulty in locating a suitable substrate to grow graphene layers on as well as the complexity in removing the graphene layers from the substrate without altering or damaging the graphene’s atomic structure.

Что такое графен?

Учёные давно обнаружили, что углерод имеет две основные, но поразительно разные формы:

• графит — мягкий, черный материал в карандашных грифелях;
• алмаз — сверхтвёрдые, блестящие кристаллы в ювелирных изделиях.

Оба эти радикально отличающихся материала состоят из одинаковых атомов углерода. Но атомы внутри них расположены по-разному, и это дает двум формам совершенно разные свойства. 

Так что же такое графен? Графен — это один слой графита. Он имеет плоскую кристаллическую решетку, состоящую из взаимосвязанных шестиугольников атомов углерода, плотно связанных между собой. Слои имеют высоту всего в один атом. Поэтому, чтобы получить графен толщиной 1 мм, понадобится стопка примерно из 3 миллионов таких слоёв.

Кристаллическая решетка графена. Фото: Коммерсант

Способ получения и свойства

Способ получения графена К. Новоселов и А. Гейм разработали технологически простой, но достаточно трудоемкий. Ученые просто закрашивали графитовым карандашом обычный скотч, а затем складывали его и разлепляли. В результате графит разделялся на два пласта. Далее ученые повторяли эту процедуру огромное количество раз до получения самого тонкого слоя в один атом.

Поскольку связи в двухмерной решетке этого материала необыкновенно прочны, на настоящий момент он является самым тонким и прочным из всех известных человечеству. Свойства графен имеет следующие:

• почти полную прозрачность;
• хорошую теплопроводность;
• гибкость;
• инертность к кислотам и щелочам при обычных условиях.

Вес графен имеет очень небольшой. Всего несколько грамм этого материала можно использовать для того, чтобы полностью покрыть футбольное поле.

Также графен является идеальным проводником. Учеными была создана лента этого материала, в которой электроны способны пробегать, не встречая препятствий, более 10 микрометров.

Расстояние между атомами в этой углеродной модификации очень невелико. Поэтому через этот материал не могут проходить молекулы каких-либо веществ.

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

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.

How to buy Graphene?

Graphene is available from a number of online and offline resellers. The price of graphene is not very attractive at the moment: around $300 (approx. 250 EUR)
for 1 gram of pure, 3nm filtered graphene nanopowder. Of course, graphene price is expected to reduce as the number of manufacturers increases. Alternatively,
if you’re looking to make money instead of spending it, take a look at How To Invest in Graphene.

How to make Graphene at home

It turns out that many readers want to make graphene at home, so here’s a spoiler: it is possible to create small quantities
of homemade graphene by yourself! However, although possible, it’s not easy to make considerable amounts. In fact, as of this writing,
scientists still have no clue how to efficiently make graphene in large quantities and high qualities,
because the technological processes have not yet been developed.
Still, it’s pretty trivial to make DIY graphene sheets in small quantities.

The bits you will be able to make in DIY conditions will be only a few nanometers in length,
so forget about macroscopic graphene sheets or strips. The largest piece of graphene that you can make yourself is
about 0.25mm2 (but you’ll make a lot of them). That’s not much larger than the area of the dot in an exclamation mark on this webpage!
In industrial uses, scientists make transistors with gate lengths of under 25nm… so your dot-sized piece of
graphene, although it looks insignificantly small to you, could be used to make hundreds of transistors.
Still interested in making graphene? Great, read on!

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.

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.

Первое – насыпьте в блендер немного графитового порошка. Добавьте воды и моющего средства, и смешайте всё это на высокой скорости. Поздравляем, вы только что получили супер-материал будущего – графен.

Этот на удивление простой рецепт – самый лёгкий способ массового производства чистого графена, плёнок углерода толщиной в один атом. Этот материал способен произвести революцию в индустрии электроники благодаря его необычным электрическим и термическим свойствам. Однако до сегодняшнего дня производство высококачественного графена в больших количествах было весьма сложным процессом – лучшие лабораторные техники позволяли производить его со скоростью не более половины грамма в час.

«Существуют компании, которым удаётся производить графен в гораздо больших объёмах, но его качество отнюдь не идеально», говорит Джонатан Колман из Колледжа Тринити, Дублин.

Команда Колмана получила заказ от Thomas Swan – химической компании из Консетта, Британия, для разработки лучшего решения. Из прежних работ им уже было известно, что графен можно получать из графита, поскольку тот фактически состоит из слоёв графена, сложенных вместе как колода карт.

Команда поместила графитовый порошок и жидкий растворитель в лабораторную центрифугу и заставила её вращаться. Анализ с помощью электронного микроскопа показал, что таким способом действительно можно получать графен со скоростью около 5 граммов в час. А чтобы определить, насколько масштабируем этот процесс, учёные перепробовали множество типов моторов и растворителей. В результате они обнаружили, что обычный кухонный блендер и моющее средство Fairy точно также справляются с этой работой.

Единственная техническая сложность применения этого метода в домашних условиях заключается в том, что необходимый объём моющего средства зависит от свойств графитового порошка – например, распределения размеров его зёрен, и наличия примесей. А эти параметры можно определить только с помощью продвинутого лабораторного оборудования. Также метод не превращает весь графит в графен, так что в конце необходимо каким-либо образом их разделить.

Однако, этот процесс прекрасно масштабируется до уровня промышленного производства – 10000-литровый танк с правильным типом мотора может производить 100 граммов чистого графена в час. И Thomas Swan уже начала работу над пилотной системой.

Где применяется технология

У одностенных нанотрубок несколько сфер использования. Они широко применяются при производстве литий-ионных аккумуляторов, углепластиковых материалов, а также в автомобильной промышленности.

Так, если добавить нанотрубки в кислотно-свинцовый аккумулятор, то заметно вырастет количество циклов перезарядки.

На данный момент один километр трассы «Дон» покрыли асфальтом, в составе которого есть рассматриваемая технология. В ходе испытаний раскрылось несколько интересных фактов:

• больше, чем на 60% повысилась устойчивость к образованию колеи;
• на 10% возросла температура размягчения;
• практически на 70% увеличилась устойчивость к усталостному трещинообразованию.

Нельзя не отметить и сферу производства шин. На данный момент в шинах много углерода (поэтому, кстати, они черного цвета). Это делается для того, чтобы в них не скапливалось статистическое электричество. Когда мы заменим углерод незначительным количеством нанотрубок, износостойкость шин станет выше, а электропроводность останется на прежнем уровне. Кроме этого, на дорогах мы сможем увидеть шины самых разных цветов.

Взрывоопасная среда – еще одно поле для борьбы со статистическим электричеством. Казалось бы, мукомольный завод является совершенно безопасным местом, но это не так. Здесь взвесь муки, которая находится в воздухе, может стать отличной взрывчаткой.

Добавлять изобретение можно в материал покрытия для пола и подошву обуви. Тем самым мы избежим «чирканья» по полу. Что интересно, если покрыть стеклянную бутылку или банку нанотрубками, то емкости станут в разы прочнее.

Как главная составляющая сверхточных и миниатюрных детекторов графен может совершить революцию в медицине. Также материал используется для создания гибких и прочных тачскринов нового поколения.

От: admin

Эта тема закрыта для публикации ответов.