Графен формула: Что такое графен и как он изменит нашу жизнь?

Что такое графен и как он изменит нашу жизнь?

Вокруг графена образовалось немало хайпа — и среди ученых, и среди бизнеса. Но графен так и не стал нашей повседневной реальностью. Почему? Разбираемся вместе с автором YouTube-канала «Индустрия 4.0» Николаем Дубининым

Впервые о графене заговорили в 2004 году, когда Андрей Гейм и Константин Новоселов — британские ученые российского происхождения — опубликовали статью в журнале Science [1]. В ней говорилось о новом материале, который получили с помощью обычного карандаша и скотча. Ученые просто снимали клейкой лентой слой за слоем, пока не дошли до самого тонкого — в один атом. В 2010-м за это их наградили Нобелевской премией. С тех прошло уже десять лет.

Как графен меняет нашу жизнь?

Что такое графен и чем он так уникален?

Углерод — это материал, состоящий из кристаллической решетки, которую образуют шестиугольники атомов. Графен — это один слой решетки толщиной в 1 атом.

Отсюда — его первое уникальное свойство: самый тонкий.

• Графен в 60 раз тоньше мельчайшего из вирусов.
• В 3 тыс. раз тоньше бактерии.
• В 300 тыс. раз тоньше листа бумаги.

Так выглядит структура углерода. Если отделить один из слоев — получим графен

Такую структуру графен приобретает за счет sp2-гибридизации. Дело в том, что на внешней оболочке атома углерода расположены четыре электрона. При sp2-гибридизации три из них вступают в связь с соседними атомами, а четвертый находится в состоянии, которое образовывает энергетические зоны. В результате графен еще и прекрасно проводит электрический ток.

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: прочнее стали и алмаза.

Наглядная графика о свойствах графена

Миф о токсичности графена

Влияние графена на человеческий организм до конца не изучено, но и токсичность графена никто не доказал. Единственную опасность представляет графен, который получают путем размешивания графита или углерода в воде: попадая в клетку, такие мельчайшие частицы действительно могут ее убить [2].

Однако сейчас в биоэлектронике используют другой способ получения графена — путем химического осаждения из газовой фазы. Частицы получаются достаточно крупными. Потом их закрепляют на подложке, и проникнуть сквозь клеточную мембрану они уже не могут.

Где уже используют графен?

Сейчас графен успешно применяют в электронике. Самый массовый продукт — это пауэрбанк [3]: производители обещают, что сам он заряжается за 20 минут, а топовый смартфон заряжает наполовину за полчаса.

Существуют также графеновые куртки и платья. Последние, в частности, оснащены светодиодами [4], которые реагируют на дыхание и температуру тела, меняя цвет.

Теннисные ракетки с графеном весят до 300 грамм меньше, чем обычные, при той же силе удара.

Наконец, машинное масло с графеном призвано снизить износ двигателя.

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 [5]. 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.

Графеновый бум

За 7 лет после вручения премии вышло больше 130 тыс. научных работ, посвященных графену и его свойствам. Доля таких исследований среди всех остальных выросла с 0,2% в 2010 году до 1% в 2016-м.

Профессор Катарина Паукнер в Будапеште, 2016 год

Исследователь Прабхурадж Балакришнан в Лондоне, 2017 год

Доктор Хан Лин в Мельбурне, 2019 год

В научном сообществе тестирование свойств графена стало почти мемом. Доходит до того, что в графен добавляют куриный помет, чтобы проверить, как это отразится на его качествах [6].

Всего в мире зарегистрировано более 50 тыс. патентных заявок с упоминанием графена. Больше половины из них принадлежит Китаю, следом идут Южная Корея, США, Япония и Тайвань.

В Китае исследованиями занимаются государственные вузы. В 2013 году здесь создали Инновационный альянс графеновой промышленности, который пророчит Китаю в этой сфере долю в 80% от общемировой.

В остальных странах в графен активно вкладываются коммерческие компании. В Евросоюзе за это отвечает проект Graphene Flagship с инвестициями в €1 млрд [7]. В США — Национальная графеновая ассоциация, в консультативный совет которой входят представители Apple, IBM и Cisco.

В графене заинтересованы гиганты аэрокосмической отрасли: Boeing, Lockheed Martin, Airbus и Thales. Они рассчитывают, что новые материалы позволят им в разы снизить расход топлива — как композиты, которые экономят до 30% горючего в Boeing 787.

Электронные корпорации включились в графеновую гонку в надежде, что это принесет им лидерство на рынке смартфонов и аксессуаров к ним.

Среди них — Samsung [8]: компания уже скупила десятки патентов, которых хватит на целую линейку продуктов с графеном. В частности, она представила новый тип аккумуляторов, которые можно будет заряжать за рекордные 12 минут. Такие появятся в новых смартфонах бренда не позднее 2021-го года. Их главный конкурент — Apple — запатентовала акустические диафрагмы с графеном для использования в устройствах следующих поколений. И это, судя по всему — только начало.

В России тоже занимаются изучением графена и даже патентуют электронные устройства на его основе — на базе в Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ. Двое ученых-выпускников этого вуза — гендиректор ведущего производителя Graphene 3D Lab Inc. Елена Полякова и профессор Свободного университета Берлина Кирилл Болотин — входят в ту самую американскую ассоциацию.

Почему же графен до сих пор не изменил нашу жизнь?

Во-первых, он все еще очень дорогой. При этом пока нельзя однозначно посчитать, сколько его нужно и для каких целей. Для этого материала нет единой шкалы измерения, так как он может иметь разную структуру — в зависимости от способа получения.

• 1 грамм чистого графена, который используют в электронике, стоит около $28 млрд.
• 1 грамм графена, смешанного с пылью — около $1 тыс.

Во-вторых, массовое производство графена пока не налажено, потому что нет технологий, которые бы позволили бы это: например, сложные электронные устройства с графеном делают вручную. Для графена нужна какая-то подложка — например, кварцевая — которая и определяет свойства конечного продукта. При этом пока еще не совсем понятно, какие именно это должны быть свойства.

Что еще почитать и посмотреть о графене

При взаимодействии с водородом графен превращается в графан

Хотя графит известен как одно из самых инертных химических веществ, группе ученых из Англии, Голландии и России удалось добиться химической реакции единичного атомного слоя графита — графена — с водородом. В результате образуется совершенно новое вещество — графан, которое при очень низких температурах ведет себя как изолятор. Наблюдения с помощью просвечивающего электронного микроскопа показывают, что графан тоже обладает двумерной гексагональной кристаллической структурой, но с более коротким шагом решетки, чем у графена.

О плоском монослое атомов углерода, плотно упакованных в гексагональную кристаллическую решетку, или, проще говоря, графене, написано столько, что кажется, что чем-то новым никого уже не удивишь. Но, как оказалось, возможно. «Графенную экзотику» еще можно получить на стыке физики и химии. Если химическое взаимодействие структурного «родственника» графена, углеродной нанотрубки, с другими элементами изучено уже довольно хорошо, о химических реакциях с участием самого графена почти ничего не известно.

Группе ученых из Англии, России и Голландии путем гидрирования (взаимодействия с водородом) удалось превратить графен в новое вещество — графан. Об этом сообщается в статье Control of Graphene’s Properties by Reversible Hydrogenation: Evidence for Graphane, опубликованной в одном из последних выпусков журнала Science. Что интересно, в число авторов работы входят Эндрю Гейм и Костя Новосёлов — ученые, первыми получившие графен.

Впервые термин «графан» появился в 2006 году — в статье американских физиков-теоретиков Graphane: a two-dimensional hydrocarbon, опубликованной в архиве препринтов, а затем в журнале Physical Review B. В этой работе теоретически показано, что в результате взаимодействия графена с атомарным водородом может образоваться новое вещество с химической формулой CH — это вещество и было названо графаном. Кристаллическая структура графана, так же как и графена, — двумерная гексагональная. При этом атомы водорода присоединяются по обе стороны от плоскости атомов углерода. Кроме этого, авторы статьи дополнительно рассчитали зонную структуру нового материала, предсказали, что графан должен быть полупроводником, а также обсудили вероятные способы получения нового вещества и его возможное применение в электронике. И вот теперь настало время практической реализации предсказанного материала, а заодно и проверки расчетов теоретиков.

Как же был получен графан? Исходный материал — кристаллы графена — был приготовлен традиционным образом — микромеханическим отшелушиванием слоев графита, находящегося на подложке из оксида кремния (толщина подложки составляла 300 нм). В том, что получен именно единичный слой атомов углерода, исследователи убеждались оптическими методами и с помощью рамановской спектроскопии. Далее полученный графен отжигался при температуре 300°C в атмосфере аргона в течение 4 часов. (Эта процедура необходима для избавления кристаллов исходного материала от возможных примесей и загрязнений.) Затем образцы графена подвергались воздействию так называемой «direct-current» плазмы — смеси аргона и молекулярного водорода (доля Н₂ составляла 10%), находящейся при низком давлении — около 0,1 миллибара (1 миллибар = 100 Па). «Direct-current» плазма создавалась с помощью разряда между алюминиевыми электродами (отсюда ее название). Чтобы избежать возможного повреждения ионами, образующимися в плазме в результате облучения, графенные плоскости располагались на расстоянии 30 см от зоны разряда. После того как образцы два часа находились в плазме, и получался графан. На рис. 1 приведено сравнение кристаллической структуры графена (A) и графана (B).

Чтобы удостовериться в том, что получено действительно новое вещество, ученые повторили описанные выше манипуляции с графеном, но уже без 10-процентной примеси водорода в плазме, и с помощью рамановской спектроскопии убедились, что никаких трансформаций графена в другое вещество не происходило.

Проведенные резистивные измерения подтверждают теоретические предсказания полупроводниковых свойств графана. График на рис. 2 показывает температурную зависимость сопротивления нового материала (голубые квадраты). Как видим, с ростом температуры T сопротивление ρ уменьшается, как и у полупроводников. При переходе от температуры 300 К к температуре жидкого гелия (около 4 К) графан проявляет изолирующие свойства: его сопротивление вырастает на два порядка, а подвижность зарядов по сравнению с графеном падает более чем в 1000 раз. Собственно, зависимость ρ(T) хорошо приближается функцией exp[(T₀/T)^1/3], где T₀ — некоторая температура, равная приблизительно 250 К.

Любопытно, что реакция гидрирования графена является обратимой, и графан можно снова превратить в графен с помощью отжига при температуре 450°C в течение 24 часов. Свойства такого отожженного графена практически не изменяются: его сопротивление опять слабо зависит от температуры и подвижность зарядов возвращается почти на прежний уровень.

Источник: D. C. Elias, R. R. Nair, T. M. G. Mohiuddin, S. V. Morozov, P. Blake, M. P. Halsall, A. C. Ferrari, D. W. Boukhvalov, M. I. Katsnelson, A. K. Geim, K. S. Novoselov. Control of Graphene’s Properties by Reversible Hydrogenation: Evidence for Graphane // Science. 2009. V. 323. P. 610–613.

Юрий Ерин

новые методы получения и последние достижения • Александр Самардак • Новости науки на «Элементах» • Нанотехнологии, Физика

Графен всё более притягателен для исследователей. Если в 2007 году вышло 797 статей, посвященных графену, то за первые 8 месяцев 2008 года — уже 801 публикация. Каковы же наиболее значимые исследования и открытия последнего времени в области графеновых структур и технологий?

На сегодняшний день графен (рис. 1) — самый тонкий материал, известный человечеству, толщиной всего в один атом углерода. Он вошел в учебники по физике и в нашу реальность в 2004 году, когда исследователи из Манчестерского университета Андре Гейм и Константин Новоселов сумели его получить, используя обычную ленту-скотч для последовательного отделения слоев от обычного кристаллического графита, знакомого нам в виде карандашного стержня (см. Приложение). Замечателен тот факт, что графеновый лист, помещенный на подложку из оксидированного кремния, можно рассмотреть в хороший оптический микроскоп. И это при его толщине всего в несколько ангстрем (1Å = 10^–10 м)!

Популярность графена среди исследователей и инженеров растет день ото дня, поскольку он обладает необычными оптическими, электрическими, механическими и термическими свойствами. Многие эксперты предсказывают в недалеком будущем возможную замену кремниевых транзисторов более экономичными и быстродействующими графеновыми (рис. 2).

Несмотря на то что механическое отслоение с помощью скотча позволяет получать графеновые слои высокого качества для фундаментальных исследований, а эпитаксиальный способ выращивания графена может обеспечить наикратчайший путь к электронным микросхемам, химики пытаются получить графен из раствора. В добавление к низкой стоимости и высокой производительности, этот метод открывает дорогу ко многим широко используемым химическим техникам, которые позволили бы внедрять графеновые слои в различные наноструктуры либо интегрировать их с различными материалами для создания нанокомпозитов. Однако при получении графена химическими методами есть некоторые трудности, которые должны быть преодолены: во-первых, необходимо достигнуть полного расслоения графита, помещенного в раствор; во-вторых, сделать так, чтобы отслоенный графен в растворе сохранял форму листа, а не сворачивался и не слипался.

На днях в престижном журнале Nature были опубликованы две статьи независимо работающих научных групп, в которых авторам удалось преодолеть вышеназванные трудности и получить графеновые листы хорошего качества, подвешенные в растворе.

Первая группа ученных — из Стэнфордского университета (Калифорния, США) и Пекинского института физики (Китай) — внедряла серную и азотную кислоты между слоями графита (процесс интеркаляции; см. Graphite intercalation compound), и затем быстро нагревала образец до 1000°C (рис. 3a). Взрывное испарение молекул-интеркалянтов производит тонкие (толщиной в несколько нанометров) графитовые «хлопья», которые содержат множество графеновых слоев. После этого в пространство между графеновыми слоями химически внедряли два вещества — олеум и гидроокись тетрабутиламмония (ГТБА) (рис. 3b). Обработанный ультразвуком раствор содержал как графит, так и графеновые листы (рис. 3c). После этого методом центрифугирования проводили отделение графена (рис. 3d).

В тоже время вторая группа ученых — из Дублина, Оксфорда и Кембриджа — предложила другую методику для получения графена из многослойного графита — без использования интеркалянтов. Главное, по словам авторов статьи, использовать «правильные» органические растворители, такие как N-метил-пирролидон. Для получения высококачественного графена важно подобрать такие растворители, чтобы энергия поверхностного взаимодействия между растворителем и графеном была такой же, как для системы графен–графен. На рис. 4 показаны результаты пошагового получения графена.

Успех обоих экспериментов основан на нахождении правильных интеркалянтов и/или растворителей. Конечно, существуют и другие методики для получения графена, такие как преобразование графита в оксид графита. В них используется подход, называемый «оксидирование–расслоение–восстановление», в ходе которого базисные плоскости графита покрываются ковалентно-связанными функциональными группами кислорода. Этот окисленный графит становится гидрофильным (или попросту влаголюбивым) и может легко расслаиваться на отдельные графеновые листы под действие ультразвука, находясь в водяном растворе. Полученный графен обладает замечательными механическими и оптическими характеристиками, но его электрическая проводимость на несколько порядков ниже, чем проводимость графена, полученного при помощи «скотч-метода» (см. Приложение). Соответственно, такой графен вряд ли сможет найти применение в электронике.

Как оказалось, графен, который был получен в результате двух вышеобозначенных методик, более высокого качества (содержит меньшее количество дефектов в решетке) и, как результат, обладает более высокой проводимостью.

Очень кстати пришлось еще одно достижение исследователей из Калифорнии, которые недавно сообщили о высокоразрешающей (разрешение до 1Å) электронной микроскопии с низкой энергией электронов (80 кВ) для прямого наблюдения за отдельными атомами и дефектами в кристаллической решетке графена. Ученым впервые в мире удалось получить изображения атомной структуры графена высокой четкости (рис. 5), на которых можно своими глазами увидеть сеточную структуру графена.

Еще дальше ушли исследователи из Корнелловского университета. Из листа графена им удалось создать мембрану толщиной всего в один атом углерода, и надуть ее, как воздушный шарик. Такая мембрана оказалась достаточно прочной для того, чтобы выдерживать давление газа в несколько атмосфер. Эксперимент состоял в следующем. На подложку из оксидированного кремния с предварительно вытравленными ячейками были помещены листы графена, которые вследствие ван-дер-ваальсовых сил плотно прикрепились к поверхности кремния (рис. 6a). Таким образом были образованы микрокамеры, в которых можно было удерживать газ. После этого ученые создавали разность давлений внутри и снаружи камеры (рис. 6b). Используя атомно-силовой микроскоп, измеряющий величину отклоняющей силы, которую кантилевер с иглой чувствует при сканировании мембраны на высоте всего нескольких нанометров от ее поверхности, исследователям удалось наблюдать степень вогнутости-выгнутости мембраны (рис. 6c–e) при изменении давления до нескольких атмосфер.

После этого мембрана была использована в роли миниатюрного барабана для измерения частоты ее вибраций при изменении давления. Было установлено, что гелий остается в микрокамере даже при высоком давлении. Однако поскольку графен, использованный в эксперименте, был не идеален (имел дефекты кристаллической структуры), то газ понемногу просачивался через мембрану. В течение всего эксперимента, который продолжался более 70 часов, наблюдалось неуклонное уменьшение натяжения мембраны (рис. 6e).

Авторы исследования указывают, что подобные мембраны могут иметь самые разнообразные применения — например, использоваться для изучения биологических материалов, помещенных в раствор. Для этого будет достаточно накрыть такой материал графеном и изучать его сквозь прозрачную мембрану микроскопом, не опасаясь за утечку или испарение раствора, поддерживающего жизнедеятельность организма. Также можно сделать проколы атомного размера в мембране и затем наблюдать, изучая диффузионные процессы, как отдельные атомы или ионы проходят сквозь отверстие. Но самое главное — исследование ученых из Корнелловского университета еще на шаг приблизило науку к созданию одноатомных сенсоров.

Стремительный рост количества исследований на графене показывает, что это действительно очень перспективный материал для широкого круга применений, но до воплощения их в жизнь еще следует построить немало теорий и провести не один десяток экспериментов.

Источники:
1) Xiaolin Li et al. Highly conducting graphene sheets and Langmuir–Blodgett films // Nature Nanotech (2008). V. 3. P. 538–542.
2) Yenny Hernandez et al. High-yield production of graphene by liquid-phase exfoliation of graphite // Nature Nanotech (2008). V. 3. P. 563–568.
3) Jannik C. Meyer et al. Direct Imaging of Lattice Atoms and Topological Defects in Graphene Membranes // NanoLetters (2008), doi: 10.1021/nl801386m.
4) Andre K. Geim, Philip Kim. Carbon Wonderland // Scientific American (2008). No. 4. P. 90–97. См. также по-русски: Андре Гейм и Филип Ким «Углерод — страна чудес» // «В мире науки» № 7, 2008.
5) J. Scott Bunch et al. Impermeable Atomic Membranes from Graphene Sheets (доступен полный текст) // NanoLetters. V. 8. No. 8. P. 2458–2462 (2008).

Александр Самардак

(PDF) Моделирование взаимодействия фуллерена С 60 с эпитаксиальным графеном

1562

ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2018, том 92, № 10, с. 1562–1566

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФУЛЛЕРЕНА С60

С ЭПИТАКСИАЛЬНЫМ ГРАФЕНОМ

© 2018 г. С. Ш. Рехвиашвили*, М. М. Бухурова

Российская академия наук, Кабардино-Балкарский научный центр, Институт прикладной математики и

автоматизации, Нальчик, 360000 Россия

*е-mail:[email protected],

**е-mail:[email protected]

Поступила в редакцию 16.11.2017 г.

С использованием парного потенциала Леннарда-Джонса выведены формулы для потенциала и си-

лы взаимодействия молекулы фуллерена С60 с эпитаксиальным графеном, который адсорбирован

на толстой подложке. Показано, что характер этого взаимодействия определяется в основном си-

стемой “фуллерен-графен”; подложка вносит определяющий вклад в силу притяжения на больших

расстояниях между фуллереном и графеном. Проведено численное моделирование падения моле-

кулы фуллерена на эпитаксиальный графен. Вблизи поверхности молекула совершает колебатель-

ное движение, характер которого зависит от начальных условий и параметров взаимодействия. По-

лучена формула для удельной энергии адгезии графена.

Ключевые слова: эпитаксиальный графен, фуллерен, потенциал взаимодействия, удельная энергия

адгезии, адсорбция

DOI: 10.1134/S0044453718100266

Эпитаксиальный графен имеет многообещаю-

щие перспективы применения в современной

электронике – это контакты и теплоотводы раз-

личных электронных компонентов, функцио-

нальные слои в оптоэлектронике и интегральных

схемах. При этом эпитаксиальный графен может

быть получен путем механического расслоения

графита, различных химических реакций (в част-

ности, на поверхностях карбида кремния и метал-

лов), CVD-процесса и контролируемой поверх-

ностной сегрегации атомов углерода. Направлен-

ное изменение физико-химических свойств

графена достигается за счет внедрения примес-

ных атомов и/или молекул из газовой фазы [1],

что аналогично роли легирования в технологии

объемных полупроводниковых материалов.

В работах [2–5] проводились исследования ад-

гезии графена на металлических подложках (ни-

кель, медь). Приходится констатировать, что по

величине удельной энергии адгезии результаты

этих работ сильно отличаются. Взаимодействие

между молекулой фуллерена C60 и однослойным

свободным графеном изучалось в [6–11]. В целом

было отмечено, что ключевую роль в данном слу-

чае играют дисперсионные силы Ван-дер-Вааль-

са, что обусловливает физическую адсорбцию

молекул фуллерена на идеальном графене. Если

же лист графена имеет дефекты в виде вакансий,

то не исключается также химическое взаимодей-

ствие.

Теоретически взаимодействие молекулы фул-

лерена C60 с эпитаксиальным графеном до сих

пор не исследовалось. Этому вопросу посвящена

настоящая статья. В работе применяется т.н. кон-

тинуальное приближение, в рамках которого ре-

зультирующий потенциал вычисляется путем ин-

тегрирования парного межатомного потенциала

по поверхностям и объемам взаимодействующих

тел [12, 13]. Применение данного приближения в

нашем случае обосновывается возможным вра-

щением адсорбирующейся молекулы фуллерена,

которое естественным образом усредняет потен-

циал взаимодействия. Предполагается, что меж-

атомное взаимодействие не приводит к деформа-

ции молекулы фуллерена и прогибу графена. В

качестве парного потенциала во всех расчетах ис-

пользуется потенциал Леннарда-Джонса

(1)

где r – расстояние между атомами, D и – глуби-

на потенциальной ямы и равновесное расстоя-

ние.

УДК: 544.22

СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

И КВАНТОВАЯ ХИМИЯ

Графен поможет увеличить емкость жестких дисков на порядок

В то время как твердотельные накопители более популярны для портативных и мобильных устройств, жесткие диски по-прежнему широко используются для хранения файлов на настольных компьютерах, в основном из-за низкой стоимости производства и покупки. Их роль может только возрасти, если технологический прорыв, намеченный учеными Кембриджского университета в содружестве с командами из университета Эксетера, а также Индии, Швейцарии, Сингапура и США, воплотится в жизнь.

Как известно, жесткие диски содержат два основных компонента – пластины и головки. Данные записываются с помощью магнитных головок, которые быстро перемещаются над пластинами при их вращении. Пространство между головками и пластинами постоянно уменьшается, чтобы обеспечить более высокую плотность записи. В настоящее время значительную часть этого промежутка занимают покрытия на углеродной основе – COC (Сarbon-based OverCoat), используемые для защиты пластин от механических повреждений и коррозии. C 1990 года толщина COC уменьшилась с 12,5 нм примерно до 3 нм, что соответствует одному терабайту на квадратный дюйм. Но использование графена позволил исследователям умножить это число на десять.

Исследователи из Кембриджа заменили коммерческие COC на 1-4 слоя графена, проверив затем трение, износ, коррозию, термическую стабильность и совместимость со смазочными материалами. Тончайшие слои графена обладают буквально идеальными свойствами внешнего покрытия для жестких дисков. Так, графен позволил вдвое снизить трение и обеспечить куда меньшую коррозию и износ, чем современные решения. Фактически, один единственный слой графена снижал коррозию в 2,5 раза.

Ученые перенесли графен на жесткие диски, где сплав из железа и платины использовался в качестве магнитного записывающего слоя, и протестировали тепловую магнитную запись HAMR (Heat-Assisted Magnetic Recording) – новую технологию, которая позволяет увеличить плотность хранения за счет нагрева записывающего слоя до высоких температур. Заметим, что современные COC в отличие от графена, не работают при таких температурах. В результате, графен в сочетании с HAMR смог обеспечить для жестких дисков плотность записи данных, превышающую 10 терабайт на квадратный дюйм.

Скачок плотности данных на жестких дисках в десять раз и значительное снижение степени износа имеют решающее значение для достижения более устойчивой и надежной записи магнитных данных. Впрочем, стоит заметить, что с момента открытия графена в 2004 году большая часть его практических применений, позволяющая, например, более эффективно фильтровать воду или выборочно убивать раковые клетки, все еще не вышла из лабораторий в реальный мир.

Мощность излучения электрона в графене

Рассмотрена динамика и излучение заряженной частицы, движущейся в постоянном электромагнитном поле и обладающей линейным законом дисперсии: . Такой закон дисперсии характерен для электрона в графене и сходных ему наноструктурах. Найдено общее решение уравнений движения частицы. Получены явные выражения для излученной энергии. Показано, что при излученная электроном энергия за бесконечное время конечна.

Electron radiation power in graphene.pdf Введение Графен является первым из открытых двумерных кристаллов [1]. Он обладает большой механической жесткостью [2], теплопроводностью [3] и мобильностью носителей заряда [4]. Также графен является ключом к пониманию свойств наноструктур, образующихся из него, например, таких, как нанотрубки, двухслойный графен и графит [4]. Электроны в графене обладают постоянной по модулю скоростью и нулевой эффективной массой [4, 5]. Линейный закон дисперсии справедлив для энергий электрона, не превышающих эВ. На сегодняшний день получены аналогичные графену по структуре двухмерные кристаллы: германен, борофен, фосфорен и силицен. Они не образованы на основе углерода и состоят из атомов германия, бора, фосфора и кремния соответственно. Методы получения графена, на сегодняшний день, становятся все эффективней и имеют перспективы выхода в промышленность с целью коммерческого использования [6, 7]. Одним из применений графена в промышленности является создание на его основе ТГц-транзисторов [8]. Излучение электронов в графене в сильных полях исследовалось в работах [9, 10]. Также изучено излучение электронов в гофрированном графене [11, 12] и в графеновых нанотрубках [13]. Было показано, что графен может служить источником ТГц-излучения [14]. В данной работе мы найдем точное решение уравнений движения электрона в графене в баллистическом режиме, т.е. на временах, много меньших времени свободного пробега, и вычислим полную мощность создаваемого им излучения. Для массивной частицы в электрическом и скрещенном полях излученная энергия за бесконечное время движения бесконечна. Однако для электрона в графене это не так. В постоянном электрическом и скрещенном полях частица излучает конечную энергию за бесконечное время. 1. Модель частицы с линейным законом дисперсии Динамику электрона в графене в квазиклассическом приближении можно описать, используя модель заряженной частицы с зарядом , которая имеет линейный закон дисперсии и стандартным образом взаимодействует с электромагнитным полем (см., например, [15]). Данная модель задается функционалом действия [16] (1) где — тензор напряженности электромагнитного поля, — метрика Минковского, — множитель Лагранжа, , см/с — скорость Ферми, с которой движется электрон в графене вблизи точек Дирака [4, 5]. Здесь и далее выбрана система единиц, в которой скорость света . Проварьировав функционал (1), получаем систему уравнений (2) (3) (4) . (5) В калибровке лагранжев множитель . Система уравнений (2) — (5) является хорошим приближением для квазиклассического описания динамики и излучения одного электрона в графене [15] на временах, много меньших , где — длина свободного пробега. Длина свободного пробега уменьшается с увеличением температуры. Так, для температуры 1.8 К, мкм, а для 200 К — мкм [17]. Ансамбль электронов создает плотность тока (6) где двойка появилась после суммирования по спинам электронов, (7) а — распределение Ферми — Дирака. При функция распределения подчиняется уравнению Лиувилля (8) для которого уравнения (2) — (4) являются характеристиками. При некогерентном сложении амплитуд излучения спектрально-угловое распределение, найденное для одной частицы, позволяет легко получить спектр излучения, создаваемого током (6). Предполагая, что электроны не вырываются из поверхности графена, ограничим рассматриваемую систему уравнений на плоскость, в которой лежит графен. Тогда (9) Будем считать, что внешнее электромагнитное поле постоянно и однородно. Тогда можно совершить поворот в плоскости графена так, чтобы компонента в новой системе координат была равна нулю. Пользуясь произвольностью в определении параметра , перейдем к так, что . Этот переход задается формулой (10) Далее будем работать в этой калибровке и штрихи у переменной и полей не ставим. 2. Общее решение Динамика существенным образом зависит от параметра (11) В зависимости от его значения имеются три режима: 1) ; 2) ; 3) . В первом случае: , (12) где мы воспользовались условием (2) и (13) Кроме того, введены безразмерные параметры (14) При существуют два особых случая: a) при решения уравнений движения (12), а также (17) для режима 2, описывают равномерное прямолинейное движение. В этом случае сила Лоренца, действующая на частицу, сонаправлена скорости частицы. В силу линейности закона дисперсии модуль скорости электрона является фиксированной величиной и сила, действующая вдоль его скорости, не приводит к ускорению; б) при сила, действующая на частицу, противоположно направлена скорости и электрон также движется равномерно и прямолинейно. Однако, в отличие от случая а), такой режим движения неустойчив. Любое малое возмущение траектории частицы приводит к тому, что частица под действием поля разворачивается и стремится при больших временах к устойчивому режиму движения а). Приближение линейного закона дисперсии (2) справедливо при . Это приводит к соотношению (15) Чем ближе траектория к прямолинейной, тем дольше электрон может описываться приближением линейного закона дисперсии. Помимо ограничения (15) необходимо, чтобы электрон при движении во внешнем электромагнитном поле оставался в образце графена и пройденный им путь был бы меньше длины свободного пробега, т.е. (16) где — характерный размер образца, который может варьироваться от 35 нм до величин порядка 10 мкм [5, 7]. Второй случай, , является аналогом скрещенного поля для электрона в вакууме. Решение уравнений движения имеет вид (17) где (18) Ограничения на параметр в этом режиме запишутся как (19) Как и в случае , это условие будет выполняться тем лучше, чем ближе траектория к прямолинейной, т.е. когда . Третий режим, , отвечает случаю, когда доминирует магнитное поле. Траектория, соответствующая этому случаю: (20) где (21) Как и для обычного электрона в вакууме [18], энергия и скорость сохраняются при . Условие имеет вид (22) Оно не зависит от , а , входят в него только в виде комбинации . Система уравнений (2) — (4) в случае постоянного поля, , имеет интеграл движения . (23) Он является аналогом интеграла движения для заряженной частицы в пространстве Минковского в постоянном и однородном электромагнитном поле [19]. 3. Излучаемая энергия Полная энергия, излучаемая в единицу лабораторного времени, дается формулой Лармора: (24) Наличие сохраняющейся величины (23) позволяет упростить вычисления (24) и получить простое выражение (25) в котором вся зависимость от траектории содержится только в , а параметр имеет вид (14). Для траектории , , мощность излучения запишется как (26) Энергия, излученная за интервал времени , равна (27) где и определены в формуле (15). Особенностью рассматриваемой модели является то, что при полная излученная энергия за любой интервал времени, в том числе бесконечный, конечна при . Если и имеет место случай б) (см. п. 2), то излученная энергия стремится к бесконечности. В частном случае, при , излученная энергия за бесконечное время конечна и равна . (28) Данная формула применима при . Интеграл (27) очень быстро насыщается и уже при дает энергии, излученной за интервал времени . Подставляя в условие (15), получаем ограничения на начальную энергию и угол влета (29) В режиме излученная энергия за интервал времени запишется как (30) где (31) За бесконечное время излученная энергия конечна и равна (32) Данная формула применима, когда (33) При излученная энергия за бесконечное время уже не конечна. За периодов будет излучено (34) Если электрическое поле отсутствует, то и (34) переходит в (35) Излученная энергия не зависит от начального угла влета. Как можно видеть из (35), при излучение частицы в магнитном поле подавлено множителем по сравнению с излучением в электрическом поле (35). Мощность излучения (27), (30), (34) нужно рассматривать на временах не меньших, чем время формирования излучения. В нерелятивистском случае время формирования излучения порядка , где — круговая частота излученного фотона. Максимум излучения приходится на частоты порядка характерного масштаба изменения траектории относительно . Из (12), (17) и (20) получаем (36) Время формирования излучения должно быть меньше времени свободного пробега, т.е. (37) Это приводит к ограничениям на начальную энергию электрона для каждого из случаев (38) В частности, для мкм и электромагнитных полей, таких, что эВ/см, имеем эВ при и эВ при . Заключение Была рассмотрена модель заряженной частицы, обладающей эффективной нулевой массой. В размерности 2+1 данная ситуация реализуется при низких энергиях в графене [5, 4]. Было получено общее решение квазиклассических уравнений движения (2) — (4) в постоянном однородном электромагнитном поле. Изучены условия применимости рассматриваемого подхода к описанию динамики и излучения в графене. Показано, что при начальном угле влета электрон не ощущает действующую на него силу Лоренца и движется равномерно и прямолинейно. Если при этом (случай б)), то такой режим движения не является устойчивым. Любое малое возмущение приводит к тому, что электрон отклоняется от прямолинейной траектории и стремится при больших временах к равномерному и прямолинейному движению, отвечающему , (случай а)). Режим движения а) является аттрактором для электрона в графене в постоянном однородном внешнем электромагнитном поле при . Найдены явные выражения для излучаемой энергии в трех режимах движения. Показано, что при излучаемая энергия за бесконечное время остается конечной. Это связанно с тем, что электрон быстро выходит в режим а), в котором он движется равномерно и прямолинейно. При излученная энергия (34) расходится за бесконечное число периодов . Данная ситуация схожа со случаем заряженной частицы, движущейся в магнитном поле [18]. В чисто магнитном поле электрон в графене движется по окружности. Его излучение является синхротронным и на гармонике c номером состоит из закрученных фотонов с проекцией полного момента импульса на ось равной , где знак определяется направлением движения электрона в графене [20].

Ключевые слова

графен, линейный закон дисперсии, излученная энергия, баллистическое приближение, формула Лармора, graphen, linear dispersion law, radiated energy, ballistic approximation, Larmor formula

Авторы

Казинский Пётр Олегович	Национальный исследовательский Томский государственный университет	д.ф.-м.н., профессор каф. квантовой теории поля, ведущ. науч. сотр. лаб. теоретической и математической физики НИ ТГУ	[email protected]
Лазаренко Георгий Юрьевич	Национальный исследовательский Томский государственный университет	инженер-исследователь лаб. теоретической и математической физики НИ ТГУ	[email protected]

Всего: 2

Ссылки

Novoselov K.S. et al. // Science. — 2004. — V. 306. — P. 666-669.

Bunch J.S. et al. // Science. — 2007. — V. 315. — P. 490-493.

Ghosh S. et al. // Appl. Phys. Lett. — 2008. — V. 92. — No. 15.

Castro Neto A.H. et al. // Rev. Mod. Phys. — 2009. — V. 81. — No. 1. — P. 110-162.

Novoselov K.S. et al. // Nature. — 2005. — V. 438. — P. 197-200.

Saqib Shams S. et al. // Mater. Sci. Poland. — 2015. — V. 33. — No. 3. — P. 566-578.

Nurhazah Md Disa et al. // Adv. Mater. Res. — 2015. — V. 1109. — P. 40-44.

Давидович М.В., Глухова О.Е., Слепченков М.М. // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Физика. — 2017. — Т. 17. — № 1. — С. 44-54.

Гаврилов С.П., Гитман Д.М. // Изв. вузов. Физика. — 2016. — Т. 59. — № 11. — С. 123-126.

Gavrilov S.P., Gitman D.M., and Yokomizo N. // Phys. Rev. D. — 2012. — V. 86. — P. 125022.

Ktitorov S.A. and Myhamadiarov R.I. // arXiv:1501.06471v2 [hep-th].

Khwanchai Tantiwanichapan et al. // Nanotechnology. — 2013. — V. 24. — No. 37.

Artru X. et al. // Phys. Rep. — 2005. — V. 412. — P. 89-189.

Tianrong Zhan et al. // Phys. Rev. B. — 2014. — V. 89. — P. 245434.

Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. T. 9 / под ред. Л.П. Питаевского. — М.: Физматлит, 2004. — 496 с.

Kazinski P.O. and Sharapov A.A. // Class. Quantum Grav. — 2003. — V. 20. — P. 2715-2725.

Luca Banszerus et al. // Nano Lett. — 2016. — V. 16. — No. 2. — P. 1387-1391.

Багров В.Г., Бордовицын В.А. и др. Теория излучения релятивистских частиц / под ред. В.А. Бордовицына. — М.: Физматлит, 2002. — 575 с.

Багров В.Г., Маркин Ю.A. // Изв. вузов. Физика. — 1967. — Т. 10. — № 5. — С. 37-42.

Bogdanov O.V., Kazinski P.O., and Lazarenko G.Yu. // Phys. Rev. A. — 2018. — V. 97. — No. 3. — P. 033837-1-033837-27.

Графеновое покрытие — Тюнинг ателье TOP LEVEL MOTORSPORT

IRON OFF
• Сбалансированная формула pH
• Работает на колесных дисках и лкп
• Растворяет отложения железа
• При вступлении в реакцию изменяет цвет
• Имеет слабый запах

 

PRIME POLISH
• Формула на основе диоксида кремния
• Работает как грунтовка для покрытий
или автономно
• Может использоваться для коррекции покрытий
• Очень простой в использовании
• Ручное или DA нанесение

 

PANEL WIPE
• Отличный продукт для подготовки поверхности
• Безопасен для защитных покрытий
• Готовит поверхность к нанесению
защитных составов
• Безопасен для всех внешних поверхностей

 

ENVO QD+
• Гидрофобные свойства
• Работает на всех внешних поверхностях
• Полимер, формула без силикона
• Уникальный свежий аромат
• Универсальный продукт

 

AQUABEAD
• Безопасен для всех внешних поверхностей
• УФ-защита, химическая стойкость
• Очень простой в нанесении
• На основе диоксида кремния
• Защита до 3 месяцев

 

FABRIC
• Защита текстильных поверхностей
• Устойчив к пятнам и загрязнениям
• Водо- и масло- отталкивающий
• Формула быстрого высыхания
• Распылить и оставить до полного
высыхания

 

SILICA SOAP
• Формула на основе цитрусовых
• Оставляет защитный слой
• Быстродействующая очищающая способность
• Не содержит каустических ингредиентов
• Работает на автомобилях с покрытием и без покрытия

 

PPS PRO
Покрытие с высоким содержанием твердых частиц,
обеспечивающее высокую устойчивость к царапинам,
химикатам, ультрафиолетовым лучам, при этом
обеспечивая высокий уровень глянца и гидрофобных
свойств. PPS Pro может быть используется автономно
или как базовый слой, чтобы затем добавить Top Coat
или SHC в качестве заключительного шага. PPS Pro
также может быть многослойным, чтобы добавить
больше защитных свойств.
PPS Pro можно использовать на: лакокрасочном
покрытии, стекле, металле, пластике и дисках

 

TOP COAT
Top Coat представляет собой смесь фтора и
диоксида кремния, мы объединили в Top Coat
ультра гладкий и гидрофобный заключительный
слой. Покрытие можно использовать на
различных поверхностях в качестве основного, а
также последнего или финишного слоя. При
правильном уходе, верхнее покрытие прослужит
до 2 лет. Top Coat также улучшит ваше базовое
покрытие, повышая его прочность.
Можно использовать на: ЛКП| Дисках | PPF |
Виниловых плёнках| Металле | Пластике

 

GLASS COATING
Керамическое покрытие на нано-основе для всех
стеклянных поверхностей. Glass Coating
отталкивает воду и снижает вероятность
появления водяных пятен. При нанесении на
лобовое стекло Glass Coating безопасен для
стеклоочистителей, а также имеет высокий
механический износ. Как результат — более
безопасные условия вождения. Во время дождя
вода скатывается по поверхности. Glass Coating
поможет при размораживании стекла. Срок
службы покрытия составляет до 1 года.

 

WHEEL COATING
Wheel Coating — это очень прочная, термостойкая
система защиты колес и суппортов, которую легко
наносить. После нанесения покрытие Wheel
Coating создает твердый химически стойкий слой,
который обеспечивает защиту от ультрафиолета,
стойкость к тормозной пыли и упрощает очистку.
Можно использовать на: дисках | Выхлопных
насадках | тормозных суппортах |
хромированных и металлических
поверхностях.

 

T+SIO2
T + SiO2 — гибридное покрытие из диоксида
кремния и титана. Использование обоих
ингредиентов создает твердую, глянцевую и
гидрофобную поверхность. Предотвращает
воздействие УФ-лучей, химических веществ а
также добавляет ЛКП устойчивости к царапинам.
При правильном уходе T + SiO2 прослужит до 2
лет.
Можно использовать на: ЛКП| Дисках | PPF |
Виниловых плёнках | Металле| Пластике

Top Level Motorsport является эксклюзивным дистрибьютором продукции WAXED SHINE в Украине.

Стать дилером WAXED SHINE в Украине:

+38067 430 37 37

Приобрести продукцию вы можете в разделе Защитные покрытия

Графен: структура и форма | Graphene-Info

Графен представляет собой двумерный аллотроп углерода. Он состоит из атомов углерода, расположенных в форме шестиугольника, который, можно сказать, напоминает проволочную сетку.

Один слой атомов углерода, расположенный в такой сотовой структуре, образует единый лист графена. Несколько листов, уложенных друг на друга, считаются многослойным графеном, вплоть до того момента, когда материал становится графитом (обычно более 30 слоев, хотя четкая стандартизация в настоящее время сильно отсутствует).Графит, трехмерный кристалл, состоящий из слабо связанных слоев графена, является относительно распространенным материалом, который используется в наконечниках карандашей, батареях и многом другом.

В графене каждый атом углерода ковалентно связан с тремя другими атомами углерода. Благодаря прочности ковалентных связей между атомами углерода графен может похвастаться большой стабильностью и очень высокой прочностью на разрыв (силой, с которой вы можете растянуть что-либо, прежде чем оно сломается). Поскольку графен плоский, каждый атом находится на поверхности и доступен с обеих сторон, поэтому взаимодействие с окружающими молекулами больше.Кроме того, атомы углерода связаны только с тремя другими атомами, хотя они могут связываться с четвертым атомом. Эта способность в сочетании с вышеупомянутой прочностью на разрыв и высоким отношением площади поверхности к объему графена может сделать его привлекательным для использования в композитных материалах. Графен также обладает более высокой подвижностью электронов, чем любой известный материал, и исследователи разрабатывают методы использования этого свойства в электронике.

Используя графен, когда-нибудь станет возможным изготавливать транзисторы и другие электронные устройства, которые будут намного тоньше, чем устройства, сделанные из традиционных материалов, и это только один пример потенциала графена в области электроники.Поскольку графен электропроводный, прозрачный, прочный и гибкий, он также может быть привлекательным материалом для использования в сенсорных экранах. Графен также обладает очень высокой теплопроводностью, поэтому его можно использовать для отвода тепла от электронных схем.

Графен как основа других углеродных структур

Графен может быть исходной формой для многих углеродных структур, таких как вышеупомянутый графит, углеродные нанотрубки (которые можно рассматривать как свернутые листы графена, сформированные в трубки) и букиболов. (сферические структуры с каркасной структурой из графена только с некоторыми шестиугольными кольцами, замененными пятиугольными кольцами).

Графен — один из первых и самых известных примеров двумерного кристалла. Двумерные материалы и системы во многом принципиально отличаются от трехмерных. Графен можно использовать в качестве модельной системы для изучения двумерной физики и химии в целом, и поэтому он вызывает большой академический интерес с момента его выделения в 2004 году. Также считается, что он обладает огромным потенциалом для множества приложений, таких как следующие. gen аккумуляторы, датчики, солнечные элементы и многое другое — благодаря широкому спектру свойств, некоторые из которых уже упоминались в этой статье, например, отличная электрическая и теплопроводность, механическая прочность, уникальные оптические свойства и многое другое.

Графен | химия | Британника

Раскройте науку о графеновых мембранах для опреснения воды

Мембраны из нанопористого графена можно использовать для опреснения воды. Молекулы воды проходят через поры, а ионы соли поворачиваются обратно.

© Массачусетский технологический институт (партнер по изданию Britannica) См. Все видео к этой статье

Графен , двумерная форма кристаллического углерода, либо один слой атомов углерода, образующих сотовую (гексагональную) решетку, либо несколько спаренные слои этой сотовой структуры.Слово графен , когда используется без указания формы (например, двухслойный графен, многослойный графен), обычно относится к однослойному графену. Графен является исходной формой всех графитовых структур углерода: графита, который представляет собой трехмерный кристалл, состоящий из относительно слабо связанных слоев графена; нанотрубки, которые можно представить в виде свитков графена; и бакиболлы, сферические молекулы из графена с некоторыми шестиугольными кольцами, замененными пятиугольными кольцами.

Первые исследования графена

Теоретические исследования графена были начаты в 1947 году физиком Филипом Р.Уоллес как первый шаг к пониманию электронной структуры графита. Термин графен был введен химиками Ханнсом-Питером Боем, Ральфом Сеттоном и Эберхардом Штумппом в 1986 году как сочетание слова графит , относящегося к углероду в его упорядоченной кристаллической форме, и суффикса -ен , относящегося до полициклических ароматических углеводородов, в которых атомы углерода образуют гексагональные или шестигранные кольцевые структуры.

В 2004 году физики из Манчестерского университета Константин Новоселов и Андре Гейм с коллегами выделили однослойный графен с помощью чрезвычайно простого метода отслаивания от графита.В их «методе скотча» использовалась клейкая лента для удаления верхних слоев с образца графита и последующего нанесения слоев на материал подложки. После снятия ленты на подложке осталось немного графена в однослойном виде. На самом деле получение графена само по себе не является сложной задачей; Каждый раз, когда кто-то рисует карандашом на бумаге, карандашный след содержит небольшую долю однослойного и многослойного графена. Достижением манчестерской группы было не только выделение хлопьев графена, но и изучение их физических свойств.В частности, они продемонстрировали, что электроны в графене обладают очень высокой подвижностью, а это означает, что графен может быть использован в электронных приложениях. В 2010 году Гейм и Новоселов были удостоены Нобелевской премии по физике за свои работы.

В этих первых экспериментах подложкой для графена был кремний, естественно покрытый тонким прозрачным слоем диоксида кремния. Оказалось, что однослойный графен создает оптический контраст с диоксидом кремния, достаточно сильный, чтобы сделать графен видимым под стандартным оптическим микроскопом.У такой видимости есть две причины. Во-первых, электроны в графене очень сильно взаимодействуют с фотонами видимого света, поглощая около 2,3% интенсивности света на атомный слой. Во-вторых, оптический контраст сильно усиливается интерференционными явлениями в слое диоксида кремния; это те же явления, которые создают цвета радуги в тонких пленках, таких как мыльная пленка или масло на воде.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Электронная структура графена

Основная электронная структура графена и, как следствие, его электрические свойства очень своеобразны.Применяя напряжение затвора или используя химическое легирование адсорбированными атомами и молекулами, можно создать электронную или дырочную (область, где отсутствует электрон, который действует как положительный электрический заряд) проводимость в графене, аналогичную проводимости, создаваемой в полупроводниках. . Однако в большинстве полупроводников есть определенные энергетические уровни, на которых электроны и дырки не имеют разрешенных квантовых состояний, и, поскольку электроны и дырки не могут занимать эти уровни, для определенных напряжений затвора и типов химического легирования полупроводник действует как изолятор.С другой стороны, графен не имеет изоляторного состояния, и проводимость остается конечной при любом легировании, включая нулевое. Существование этой минимальной проводимости для нелегированного случая — разительное отличие графена от обычных полупроводников. Состояния электронов и дырок в графене, имеющие отношение к транспорту носителей заряда, аналогичны состояниям ультрарелятивистских квантовых частиц, то есть квантовых частиц, движущихся со скоростью света (предельная скорость в природе, согласно теории относительности).

Сотовая решетка графена фактически состоит из двух подрешеток, обозначенных A и B, так что каждый атом в подрешетке A окружен тремя атомами подрешетки B и наоборот. Это простое геометрическое расположение приводит к тому, что электроны и дырки в графене обладают необычной степенью внутренней свободы, обычно называемой псевдоспином. Фактически, делая аналогию более полной, псевдоспин имитирует спин или внутренний угловой момент субатомных частиц. В рамках этой аналогии электроны и дырки в графене играют ту же роль, что и частицы и античастицы (например,ж., электроны и позитроны) в квантовой электродинамике. Однако в то же время скорость электронов и дырок составляет всего около 1/300 скорости света. Это делает графен испытательным стендом для физики высоких энергий: некоторые квантовые релятивистские эффекты, которые трудно достижимы в экспериментах с субатомными частицами с использованием ускорителей частиц, имеют явные аналоги в физике электронов и дырок в графене, которые легче измерить и изучить, потому что их более низкой скорости. Примером может служить парадокс Клейна, в котором ультрарелятивистские квантовые частицы, вопреки интуиции, легко проникают через очень высокие и широкие энергетические барьеры.Таким образом, графен обеспечивает мост между материаловедением и некоторыми областями фундаментальной физики, такими как релятивистская квантовая механика.

www.ChemistryIsLife.com — Химия графена

Графен — это однослойная двумерная форма углерода, которая прочнее стали, лучше проводит проводник, чем любой другой материал, и является революционным веществом. Я решил исследовать это, потому что это довольно новое открытие в области технологий, физики и химии — всех областях, которыми я надеюсь продолжить в колледже.Из-за своего недавнего открытия графен все еще находится на начальной стадии массового производства, поэтому его нет в повседневной жизни. Однако исследования графена растут, и продукты, связанные с графеном, действительно можно купить. С открытием более эффективных методов производства графен будет чаще встречаться в нашей повседневной жизни. Состав …

Основным и единственным компонентом графена является углерод. Графен — это просто версия более распространенной, встречающейся в природе формы углерода, графита толщиной в один атом.Графен состоит из изотопа углерода-12 основного элемента углерода, что означает, что он имеет 6 протонов, 6 нейтронов и 6 электронов. Самый внешний энергетический уровень имеет 4 валентных электрона, что значительно упрощает создание связей с другими атомами. атомы углерода образуют гексагональный узор, из которого происходят многие свойства графена.

Основные химические вещества, соединения, компоненты

Как указывалось ранее, графен полностью состоит из атомов углерода-12. Каждый атом углерода связан с тремя другими атомами углерода.Единственный способ, которым это может произойти, — это гексагональный узор. Этот шестиугольный узор может повторяться снова и снова, любой длины. Структура вносит свой вклад в большинство свойств графена. Важные свойства проводимости тепла и электричества проистекают из этой структуры. Электроны могут свободно перемещаться по сильно связанной структуре, и тепло очень легко переносится через форму. Другой важный аспект структуры заключается в том, что на самом базовом уровне графен имеет толщину в один атом, но его можно сложить друг с другом, чтобы создать связную многослойную структуру.В самом простом масштабе графен считается двумерным, что является еще одним замечательным свойством.

Роль химии

Как и все в этом мире, графен имеет большое отношение к химии. Первый вопрос, который нужно задать, — встречается ли графен в этом мире в природе. Ответ на этот вопрос — и да, и нет. Графит, встречающаяся в природе форма углерода, по сути представляет собой множество слоев графена. Однако в природе графен не существует в однослойной форме.Поскольку он разделен в лаборатории, это означает, что его трудно создавать в больших количествах, что повышает ценность продукта. Способ создания графена на удивление прост, но требует очень много времени. Хотя ученые пытаются найти более эффективный метод, в настоящее время наиболее часто используется метод скотча. На самом базовом уровне ученые наклеивают ленту на графит и отклеивают ее — процесс, для которого требуется всего несколько слоев графита. Этот процесс повторяется, пока он не станет толщиной в один слой.

Графен обладает множеством потрясающих качеств, все из которых обусловлены его химическим составом. Одним из важных аспектов графена является его прозрачность. Он поглощает только 2% падающего на него света. Это потому, что между этими атомами есть пространство, и из-за их абсолютной тонкости. Стопка слоев графена могла бы улавливать больше света, но, поскольку графен настолько тонкий, он пропускает большую часть света. Еще одна важная характеристика, которую можно объяснить с помощью химии, — это ее прочность, которая в 200 раз прочнее стали.Каждый углерод связан с тремя другими атомами углерода, и эти связи очень прочные, потому что они ковалентны. Это удивительно, потому что он очень гибкий. Графен также является одним из лучших проводников электричества. Это связано с тем, что электроны, являющиеся основой электричества, могут проходить через плотно связанные ковалентно связанные атомы углерода. Ковалентные связи позволяют электронам двигаться быстрее, и гексагональная форма помогает этому. Графен также является лучшим проводником тепла, известным человеку. Он превосходит все другие материалы.Он также невероятно легкий — всего 0,78 миллиграмма на квадратный метр, а это означает, что лист графена размером с футбольное поле будет весить около 3,8 грамма. Одним из важных фактов о графене является то, что, когда он становится слишком большим, он теряет некоторые свои свойства.

Предпосылки исследования

Графен был впервые открыт в 2004 году Андре Геймом и его ассистентом Костей Новоселовым, профессорами Манчестерского университета. Хотя именно они его открыли, концепцию графена впервые исследовал П.Р. Уоллес в 1947 году, который исследовал свойства трехмерного аналога графена, графита. Перед тем как разделить монослой графена, на других металлах был «выращен» другой тип графена, названный эпитаксиальным графеном. Теперь сбор графена осуществляется с помощью микромеханического расщепления или использования адгезива для одновременного захвата нескольких слоев объемного графита. Когда этот процесс повторяется, можно извлечь единственный слой графена. Поскольку графен является однослойным, он обладает такими свойствами, как огромная прочность, отличная проводимость тепла и электричества и почти прозрачность.

Ресурсы

http://www.graphenea.com/pages/graphene#.VmjjVBqDGkq

Что такое графен?

Чистый углерод

Гексагональная форма

Однослойный, толщиной в один атом

Длина связи между молекулами 0,124 нанометра

Это самая маленькая форма графита, его стопки образуют оксид графита в сочетании с кислородом

Самое тонкое соединение известно человеку

В 100-300 раз прочнее стали

Свойства графена

Основные характеристики

http: // www.newyorker.com/magazine/2014/12/22/material-question

Как его открыли Андре Гейм и Костя Новоселов

Propertes

http://www.graphene.manchester.ac.uk/explore/the- story-of-graphene /

Обнаружен в Манчестерском университете

Свойства и способы применения

В 2004 году

1984 был впервые предложен теоретически

Костя Новоселов работал с Андре

Возможно использование для очистки воды

Огромные свойства, которые может быть полезно

https: // en.wikipedia.org/wiki/Graphene#History

Соединения интеркалирования графита

Из чего он пришел

Кристаллический аллотроп

http://www.nature.com/news/graphene-the-quest-for-supercarbon-1.14193

используется для чехлов для смартфонов

доставить из лаборатории в цех

дорого сделать в больших листах

когда сделать в больших листах, свойства скомпрометированы

флагманский проект графена

Автор

Джордж Dyre

Что такое графен? Свойства и приложения графена

Графен — это сотовый слой из атомов углерода толщиной в атом.Это строительный блок для других графитовых материалов (поскольку типичный атом углерода имеет диаметр около 0,33 нанометра, в 1 мм графита содержится около 3 миллионов слоев графена).

Единицы графена известны как нанографен; они предназначены для конкретных функций, и поэтому процесс их изготовления более сложен, чем у обычного графена. Нанографен получают путем селективного удаления атомов водорода из органических молекул углерода и водорода. Этот процесс называется дегидрированием.

Тверже алмаза, но упругее каучука; прочнее стали, но легче алюминия. Графен — самый прочный из известных материалов.

Чтобы представить это в перспективе: если бы лист пищевой пленки (например, кухонной пленки) имел ту же прочность, что и чистый монослой графена, для его прокола потребовалась бы сила, приложенная массой 2000 кг или большим автомобилем. это карандашом.

Графен обладает и другими удивительными характеристиками: его высокая подвижность электронов в 100 раз выше, чем у кремния; он проводит тепло в 2 раза лучше, чем алмаз; его электропроводность в 13 раз лучше, чем у меди; поглощает только 2.3% отражающего света; он непроницаем, так что даже самый маленький атом (гелий) не может пройти через бездефектный однослойный лист графена; а его высокая площадь поверхности в 2630 квадратных метров на грамм означает, что с помощью менее 3 граммов вы можете покрыть все футбольное поле (ну, практически вам потребуется 6 граммов, поскольку 2630 м2 / г — это площадь поверхности для обеих сторон поля). лист графена).

Графен является основным строительным блоком для других графитовых материалов; он также представляет собой концептуально новый класс материалов толщиной всего в один атом, так называемые двухмерные (2D) материалы (они называются 2D , потому что они простираются только в двух измерениях: длине и ширине; поскольку материал только толщиной один атом, третье измерение, высота, считается равным нулю).

Графен также очень привлекателен для изготовления смешанных ван-дер-ваальсовых гетероструктур, которые могут быть выполнены путем гибридизации графена с 0D квантовыми точками или наночастицами, одномерными наноструктурами, такими как нанопровода или углеродные нанотрубки, или трехмерными объемными материалами.

Ожидается, что за счет усиления стандартов и создания специально подобранных высококачественных материалов графен выйдет за рамки нишевых продуктов и приложений и к 2025 году выйдет на широкий рынок. Затем графен можно будет использовать в повсеместно распространенных товарах, таких как шины, аккумуляторы и электроника.

Графен Инфографика

Мы собрали инфографику, которая обобщает ключевые свойства, факты и области применения графена. Нажмите, чтобы увеличить, и не стесняйтесь вставлять и делиться.

Что такое графен (щелкните изображение, чтобы увеличить). Скачать в формате PDF (13,9 МБ).

Необычные характеристики графена происходят от 2p-орбиталей, которые образуют полосы π-состояний, которые делокализуются по слою углерода, составляющему графен.

Графен стал одним из самых многообещающих наноматериалов из-за его уникального сочетания превосходных свойств: это не только один из самых тонких, но и самых прочных материалов; он лучше всех других материалов проводит тепло; это отличный проводник электричества; он оптически прозрачен, но настолько плотен, что непроницаем для газов — даже гелий, мельчайший атом газа, не может пройти через него.

Эти удивительные свойства и его многофункциональность делают графен пригодным для широкого спектра применений, от электроники до оптики, датчиков и биоприборов.

Исследования графена превратились в обширную область: ежегодно публикуется около 10 000 научных работ по широкому кругу тем.

Открытие графена

Углерод бывает разных форм (так называемые аллотропы , ), от графита в карандашах до самых дорогих алмазов в мире.В 1980 году мы знали только три основные формы углерода, а именно алмаз, графит и аморфный углерод. Затем были открыты фуллерены и углеродные нанотрубки, а в 2004 году к клубу присоединился графен.

До того, как графен был впервые продемонстрирован Андре Геймом и Константином Новоселовым, двумя физиками из Манчестерского университета, в 2004 году (за который они получили Нобелевскую премию в 2010 году) ученые утверждали, что строго двумерные кристаллические материалы термодинамически нестабильны и не могут существовать.

В своих первоначальных экспериментах Гейм и Новоселов извлекли графен из куска графита, такого как обычные карандаши.С помощью обычного скотча удалось получить чешуйку углерода толщиной всего в один атом. Это механическое отшелушивание — самый простой из методов подготовки, и, что удивительно, именно он сделал реальностью автономный графен.

Как получают графен

Качество графена играет решающую роль, так как наличие дефектов, примесей, границ зерен, множественных доменов, структурных нарушений, складок в листе графена может отрицательно сказаться на его электронных и оптических свойствах.

В электронных приложениях основным узким местом является потребность в образцах большого размера, что возможно только в случае процесса CVD, но трудно получить высококачественные тонкие пленки из монокристаллического графена, обладающие очень высокой электрической и теплопроводностью, а также отличная оптическая прозрачность.

Другая проблема, вызывающая беспокойство при синтезе графена обычными методами, связана с использованием токсичных химикатов, и эти методы обычно приводят к образованию опасных отходов и ядовитых газов.Следовательно, существует необходимость в разработке экологически чистых методов производства графена, следуя экологически безопасным подходам.

В настоящее время наиболее распространенные методы, доступные для производства графена, схематически показаны ниже, которые включают микромеханическое расщепление, химическое осаждение из паровой фазы, эпитаксиальный рост на подложках SiC, химическое восстановление расслоенного оксида графена, жидкофазное расслоение (LPE) графита и расстегивание молнии. углеродных нанотрубок.

Однако каждый из этих методов может иметь как свои преимущества, так и ограничения в зависимости от целевого приложения (приложений).Чтобы преодолеть эти барьеры на пути к коммерциализации графена, исследователи из различных научно-исследовательских институтов, университетов и компаний со всего мира прилагают согласованные усилия для разработки новых методов крупномасштабного производства недорогого и высококачественного графена с помощью простых и экологически чистых технологий. -дружественные подходы.

Однако — большое предостережение: мировое производство графена, похоже, страдает от серьезных проблем с качеством, и похоже, что на рынке почти нет графена высокого качества, как это определено ISO.Подробнее: Остерегайтесь поддельного графена.

Схема, показывающая традиционные методы, обычно используемые для синтеза графена, а также их ключевые особенности, а также текущие и будущие приложения. (Изображение: CKMNT) (щелкните изображение, чтобы увеличить)

Свойства графена

Электронные свойства Одна из причин, по которой исследователи-нанотехнологии, работающие над молекулярной электроникой, так увлечены графеном, — это его электронные свойства — это один из лучших электрических проводников на Земле.Уникальное атомное расположение атомов углерода в графене позволяет его электронам легко перемещаться с чрезвычайно высокой скоростью без значительной вероятности рассеяния, экономя драгоценную энергию, обычно теряемую в других проводниках. Ученые обнаружили, что графен остается способным проводить электричество даже на пределе номинально нулевой концентрации носителей, потому что электроны, кажется, не замедляются или не локализуются. Электроны, движущиеся вокруг атомов углерода, взаимодействуют с периодическим потенциалом сотовой решетки графена, что приводит к появлению новых квазичастиц, которые потеряли свою массу, или массы покоя (так называемые безмассовые фермионы Дирака ).Это означает, что графен никогда не перестает проводить. Также было обнаружено, что они перемещаются намного быстрее, чем электроны в других полупроводниках. Механические свойства Впечатляющие внутренние механические свойства графена, его жесткость, прочность и ударная вязкость — одна из причин, по которым графен выделяется как отдельный материал, так и как усиливающий агент в композитах. Они вызваны стабильностью sp2-связей, которые образуют гексагональную решетку и противостоят различным деформациям в плоскости. Подробное обсуждение механических свойств графена и нанокомпозитов на его основе можно найти в этой обзорной статье. Жесткость Разрывная сила, полученная экспериментально и при моделировании, была практически идентична, а экспериментальное значение упругой жесткости второго порядка было равно 340 ± 50 Н · м-1. Это значение соответствует модулю Юнга 1,0 ± 0,1 ТПа при эффективной толщине 0,335 нм. Прочность Бездефектный однослойный графен считается самым прочным из когда-либо испытанных материалов с прочностью 42 Н · м-1, что соответствует внутренней прочности 130 ГПа. Прочность Вязкость разрушения, которая имеет большое значение для инженерных приложений, является одним из наиболее важных механических свойств графена и была измерена как критический коэффициент интенсивности напряжений 4,0 ± 0,6 МПа. Исследовательские группы по всему миру работают над разработкой промышленно производимых листов графена, которые обладают высокой прочностью и ударной вязкостью во всех направлениях листов для разнообразных приложений, таких как композиты на основе графена для транспортных средств, оптоэлектроники и нейронных имплантатов.Недавним примером потребительского продукта, в котором используются механические свойства графена, является мотоциклетный шлем Momo Evo Graphene, разработанный итальянскими компаниями Momodesign и Istituto Italiano di Tecnologia (IIT). Это первый в мире шлем из углеродного волокна с пропиткой графеном, который использует тонкие, прочные, проводящие, гибкие и легкие характеристики материала, чтобы создать шлем, который поглощает и рассеивает удары лучше, чем обычный шлем. Кроме того, он более эффективно рассеивает тепло, поэтому он более прохладный. Другой пример — графеновый велосипед Dassi Interceptor ™ — первый в мире графеновый велосипед. Усиление углеродного волокна графеном позволяет изготавливать более легкие и тонкие трубки, которые прочнее обычного углерода. Это означает, что рама имеет аэродинамическую форму без каких-либо обычных потерь веса. Благодаря усиленной графеном раме этот велосипед на 30% легче, но в то же время вдвое прочнее и сверхжестче. Использование и применение графена Накопители энергии и солнечные элементы Исследователи также обнаружили критическую и неожиданную взаимосвязь между химической / структурной дефектностью графена как материала-хозяина для электродов и его способностью подавлять рост дендритов — отложения нитей в виде ветвей на электродах, которые могут проникать через барьер между двумя половинами батареи и потенциально могут вызвать короткое замыкание, перегрев и возгорание («Бездефектный графен может решить проблему дендритов литий-металлических батарей»).Эти примеры выделяют четыре основные области, связанные с энергетикой, на которые графен будет иметь влияние: солнечные элементы, суперконденсаторы, графеновые батареи и катализ для топливных элементов. Благодаря своим превосходным свойствам переноса электронов и чрезвычайно высокой подвижности носителей графен и другие однослойные материалы с прямой запрещенной зоной, такие как дихалькогениды переходных металлов (TMDC) и черный фосфор, демонстрируют большой потенциал для использования в недорогих, гибких и высокоэффективных фотоэлектрические устройства. Это наиболее перспективные материалы для современных солнечных батарей. Авторы отмечают, однако, что до того, как наноматериалы и устройства на основе графена найдут широкое коммерческое использование, необходимо решить две важные проблемы: первая — это получение наноматериалов на основе графена с четко определенной структурой, а другая — контролируемое производство. из этих материалов в функциональные устройства. Применение датчиков Функционализированный графен имеет исключительные перспективы для биологических и химических сенсоров. Исследователи уже показали, что характерная двумерная структура оксида графена (GO) в сочетании с его сверхпроницаемостью для молекул воды приводит к появлению сенсорных устройств с беспрецедентной скоростью («Сверхбыстрый датчик графена контролирует ваше дыхание, пока вы говорите»).Ученые обнаружили, что химические пары изменяют спектры шума графеновых транзисторов, что позволяет им выполнять селективное обнаружение газа для многих паров с помощью одного устройства, сделанного из чистого графена — функционализация поверхности графена не требуется («Селективное определение газа с использованием чистого графена») . Оптическое изображение беспроводного графенового сенсора, биотрансферное на поверхность зуба. (Изображение: McAlpine Group, Принстонский университет) Чернила графеновые Графен обладает уникальной комбинацией свойств, которая идеально подходит для электроники следующего поколения, включая механическую гибкость, высокую электропроводность и химическую стабильность.Многочисленные исследования уже продемонстрировали возможность изготовления электроники на основе графена с помощью стратегий высокопроизводительной печати чернилами. Создание графеновых чернил для струйной печати приводит к недорогому и масштабируемому пути использования свойств графена в реальных технологиях (подробнее читайте здесь: «Струйная печать графена для гибкой электроники» и здесь: «Прямая запись высокопроводящими графеновыми чернилами»). Транзисторы и память Некоторые из наиболее многообещающих применений графена — это электроника (в качестве транзисторов и межсоединений), детекторы (в качестве сенсорных элементов) и управление температурой (в качестве боковых теплораспределителей).Первые графеновые полевые транзисторы (FET) — с нижним и верхним затворами — уже были продемонстрированы. В то же время, чтобы любой транзистор мог использоваться для аналоговой связи или цифровых приложений, уровень электронного низкочастотного шума должен быть снижен до приемлемого уровня («графеновые транзисторы могут работать без большого шума»). Транзисторы на основе графена считаются потенциальными преемниками некоторых кремниевых компонентов, используемых в настоящее время. Из-за того, что электрон может двигаться через графен быстрее, чем через кремний, этот материал обладает потенциалом для терагерцовых вычислений. Графеновое устройство: оптическое изображение графенового устройства, сделанного из литографически вырезанного листа графена поверх SiO2, с золотыми электродами и задним затвором из легированного Si. (© IOP; А. Х. Кастро Нето, К. Новоселов, 2011 Rep. Prog. Phys. 74 082501) В совершенном наноразмерном транзисторе, получившем название баллистического транзистора , электроны избегают столкновений, т. Е. Существует практически беспрепятственный ток. Баллистическая проводимость обеспечит невероятно быстрое переключение устройств.Графен может использовать баллистические транзисторы при комнатной температуре. Эксперименты продемонстрировали преимущества графена как платформы для флэш-памяти, которые демонстрируют возможность превзойти производительность современной технологии флэш-памяти за счет использования внутренних свойств графена. Гибкая, растягиваемая и складывающаяся электроника Для гибкой электроники используются гибкие подложки, а для действительно складной электроники требуется складная подложка с очень стабильным проводником, который выдерживает складывание (т.е.е. край субстрата в месте сгиба, на котором появляются складки, и деформация сохраняется даже после разворачивания). Это означает, что в дополнение к складной подложке, такой как бумага, проводник, нанесенный на эту подложку, также должен быть складным. С этой целью исследователи продемонстрировали процесс изготовления складных графеновых схем на основе бумажных подложек. Фотографии приложений. а, б, в) Работа светодиодного чипа с графеновыми схемами на бумажной подложке при складывании на 180 ° и на 180 °.г) Массив светодиодных чипов на трехмерной печатной плате, включая сгибание под отрицательным и положительным углом. д, е, ж) Работа светодиодной микросхемы на печатной плате на бумажной основе до и после смятия. (Печатается с разрешения Wiley-VCH Verlag) Превосходная проводимость, прочность и эластичность графена также сделали его многообещающим выбором для растягиваемой электроники — технологии, которая направлена ​​на создание схем на гибких пластиковых подложках для таких приложений, как сгибаемые солнечные элементы или искусственная кожа, подобная роботам. Ученые разработали метод химического осаждения из паровой фазы (CVD) для превращения листов графена в пористую трехмерную пену с чрезвычайно высокой проводимостью. Пропитав эту пену полимером на основе силоксана, исследователи получили композит, который можно скручивать, растягивать и сгибать без ущерба для его электрических или механических свойств («Графен: вспенивание для растягиваемой электроники»). Фотоприемники Исследователи продемонстрировали, что графен можно использовать в телекоммуникационных приложениях и что его слабый и универсальный оптический отклик может быть использован в приложениях сверхбыстрой фотоники.Они также обнаружили, что графен потенциально может быть использован в качестве насыщающегося поглотителя с широким оптическим откликом от ультрафиолетового, видимого, инфракрасного до терагерцового («Возникновение графена в сверхбыстрой фотонике»). Существует очень большой исследовательский интерес к использованию графена для приложений в оптоэлектронике. Фотодетекторы на основе графена были реализованы раньше, и пригодность графена для фотодетектирования с высокой пропускной способностью была продемонстрирована в оптическом канале передачи данных 10 Гбит / с («Графеновые фотодетекторы для высокоскоростной оптической связи»). Покрытия Покрытие объектов графеном может служить разным целям. Например, теперь исследователи показали, что можно использовать листы графена для создания супергидрофобного материала покрытия, который демонстрирует стабильную супергидрофобность как в статических, так и в динамических (удар капель) условиях, тем самым формируя чрезвычайно водоотталкивающие структуры. Снимки капли воды, ударяющейся о поверхность графеновой пены с тефлоновым покрытием. Скорость удара непосредственно перед тем, как капля ударилась о поверхность, составляла ~ 76 см / сек.Последовательность снимков показывает историю деформации капли при ударе. Капля распространяется, затем втягивается и успешно отскакивает от поверхности. Коэффициент восстановления (то есть отношение скорости удара капли к скорости выброса) составляет ∼0,37 для пенопласта с тефлоновым покрытием. (Печатается с разрешения Wiley-VCH Verlag) Графен также является самым тонким из известных покрытий в мире для защиты металлов от коррозии. Было обнаружено, что графен, нанесенный непосредственно на медь или никель или перенесенный на другой металл, обеспечивает защиту от коррозии.Исследователи продемонстрировали использование графена в качестве прозрачного проводящего покрытия для фотонных устройств и показали, что его высокая прозрачность и низкое удельное сопротивление делают этот двумерный кристалл идеально подходящим для электродов в жидкокристаллических устройствах (ЖКД). Еще одно новое применение покрытия, полезное для исследователей, — это изготовление полимерных зондов АСМ, покрытых однослойным графеном, для улучшения характеристик зондов АСМ. Прямая лазерная запись графена на кевларе делает защитную одежду «умной».Кевлар — хорошо известный высокопрочный полимер, который, благодаря своим превосходным механическим характеристикам, нашел множество важных применений для обеспечения безопасности, особенно в текстильных изделиях (например, пуленепробиваемые жилеты или защитная одежда пожарных). Будьте готовы к тому, что защитная одежда следующего поколения станет многофункциональной, то есть «умной». Эти материалы не только смогут защитить человеческое тело от травм, но также будут обладать интеллектуальными функциями, такими как мониторинг физиологических сигналов и обнаружение потенциальных опасностей, таких как газы, патогены или радиация. Другое применение Громкоговорители Исключительные электрические и механические свойства графена были использованы для создания очень эффективного электрического / звукового преобразователя. Этот экспериментальный графеновый громкоговоритель без какой-либо оптимизированной акустической конструкции прост в изготовлении и уже работает сравнимо или лучше, чем коммерческие аналоги аналогичного размера, и с гораздо меньшим энергопотреблением. Наушники Artisanphonics CB-01 Nanene® имеют диафрагменную мембрану в каждом наушнике, сделанную из графена, поэтому она намного тоньше, но имеет такую ​​же прочность и долговечность, как обычная мембрана.Однако, поскольку он гибкий, им можно лучше управлять, что позволяет улучшить высокие и низкие частоты. Биотехнология и медицина В ходе многолетних поисков создания искусственных мышц многие материалы были исследованы на предмет их пригодности для применения в исполнительных механизмах (срабатывание — это способность материала обратимо изменять размеры под воздействием различных стимулов). Помимо искусственных мышц, потенциальные области применения включают микроэлектромеханические системы (МЭМС), биомиметические микро- и нанороботы, а также микрожидкостные устройства.В ходе экспериментов ученые показали, что графеновые наноленты могут обеспечивать срабатывание. Радиационная защита Управление температурой Из-за быстрого увеличения плотности мощности в электронике управление возникающим теплом стало одной из наиболее важных проблем при проектировании компьютеров и полупроводников. Фактически, рассеяние тепла стало фундаментальной проблемой электронного транспорта в наномасштабе. Одним из недавних потребительских продуктов в этой области является NanoCase для iPhone X, iPhone 8/8 Plus и iPhone 7/7 Plus, который содержит графеновую пленку, которая быстро рассеивает избыточное тепло внутри телефона. Графеновая пленка NanoGtech ™ нанесена на внутреннюю часть корпуса телефона. Поскольку материал NanoGtechô остается в контакте с задней частью устройства, он эффективно рассеивает тепло от смартфона. Температура снижается, и тесты показывают (по данным производителя), что устройство с NanoGtech ™ может работать на 20% дольше, чем устройство без NanoGtechô. Маскировка Концепция плазмонной маскировки основана на использовании тонкого покрытия из метаматериала для подавления рассеяния от пассивного объекта.Исследования показывают, что даже один слой атомов с потрясающими проводящими свойствами графена может обеспечить эту функциональность в плоской и цилиндрической геометриях. Это делает один слой графена самой тонкой маскировкой-невидимкой. Смазка За последнее десятилетие были разработаны различные твердые смазочные материалы, микро / наноразмеры и процессы обработки поверхности для эффективной работы и увеличения срока службы в приложениях MEMS / NEMS, а также для различных производственных процессов, таких как литография наноимпринтов и трансферная печать.Одним из важных соображений при нанесении твердой смазки на микро- и наноуровне является толщина смазки и совместимость процесса нанесения смазки с целевым продуктом. Графен с его атомарно тонкой и прочной структурой с низкой поверхностной энергией является хорошим кандидатом для этих приложений («Графен — самая тонкая твердая смазка»). Очистка воды Относительно новым методом очистки солоноватой воды является технология емкостной деионизации (CDI).Преимущества CDI в том, что он не имеет вторичного загрязнения, экономичен и энергоэффективен. Исследователи разработали приложение CDI, в котором графеноподобные наночешки используются в качестве электродов для емкостной деионизации. Они обнаружили, что графеновые электроды дают лучшие характеристики CDI, чем обычно используемые материалы из активированного угля («Опреснение воды с помощью графена»). Маски для лица Маски для лица стали важным инструментом в борьбе с пандемией COVID-19.Однако неправильное использование или утилизация масок может привести к «вторичной передаче». Группа исследователей успешно произвела маски для лица из графена с антибактериальной эффективностью 80%, которую можно повысить почти до 100% при воздействии солнечного света в течение примерно 10 минут. Хорошо, пора пройти нашу викторину по графену и посмотреть, сможете ли вы ответить на все вопросы! Введение в нанотехнологии Приложения нанотехнологий

Графен массового производства | Американский ученый

Что, если бы вы обнаружили бесконечно тонкий материал, способный проводить электричество, способный удерживать вес в миллионы раз больше собственного веса, но при этом достаточно пористый, чтобы фильтровать самую мутную воду? А что, если эта субстанция была создана из того же элемента, что и заполнение обычного карандаша?

Растущие кадры ученых стремятся сделать этот необычный материал, графен, основным технологическим материалом ко второй половине 21 века.Неудовлетворенные этим графиком, некоторые предприниматели хотели бы увидеть широкое распространение графена в течение следующего десятилетия.

Графен элегантен. Он создан из одного элемента, углерода, образованного только одним типом связи. Несмотря на кажущуюся простоту графена, изолировать материал было труднодостижимым как для химиков, так и для физиков. Графен отлично скрывает на виду, и усовершенствованные за последние два десятилетия методы и инструменты сыграли решающую роль в его открытии.

Углерод, единственная составляющая графена, повсюду вокруг нас. Этот элемент является четвертым по распространенности во всей вселенной. Большинство людей думают о материалах как об атомах и молекулах, где молекулы состоят из определенных типов и количества атомов. В случае графена подсчет атомов углерода несущественен. Решающее значение имеет только способ, которым составляющие атомы углерода связаны друг с другом, поскольку эта особенность отделяет графен от других полностью углеродных материалов, таких как алмазы и графит.На атомном уровне исключительно углеродный графен напоминает шестиугольный забор из проволочной сетки, в котором каждый атом углерода составляет вершину шестиугольника. Гексагональное распределение делает возможными свойства графена, потому что распределение позволяет отдельным атомам углерода графена лежать плоско.

Это свойство графена нельзя не заметить. Графен — идеальная аномалия в мире химии: плоская двумерная молекула с одним листом графена толщиной всего в один атом.Вы можете сразу же усомниться в структурной целостности графена из-за его восхитительно упрощенной конструкции, но переплетение углеродных шестиугольников по всей структуре делает атомно тонкий материал неожиданно прочным.

Вы испытали синтез графена, может быть, даже раньше, в очень малых масштабах. Давление, оказываемое вашей рукой и кончиками пальцев, вероятно, привело к образованию нескольких слоев графена, когда вы в последний раз проводили карандашом по блокноту, превращая скромный графит в графен, как вы составляли список покупок на этой неделе.

После того, как два исследователя из Великобритании, Константин Новоселов и Андре Гейм, были удостоены Нобелевской премии по физике в 2010 году, технологические журналы повсюду провозгласили новую эру «чудесных материалов», основанных на этой атомарно тонкой мозаике атомов углерода. Обладая невероятно высокой прочностью и почти невероятно низким электрическим сопротивлением, графен отдернул скрытую завесу, позволяя ученым мельком увидеть чудеса, которые лежали за его пределами.

Тем не менее, первые инвесторы были обожжены предпринимателями, которые обещали слишком много и недостаточно обеспечивали производительность продуктов (особенно композитов, таких как пластмассы), в которых был графен, но которые не использовали графен таким образом, чтобы его включение стоило дополнительных расход.В некоторых случаях это было просто добавление немного змеиного масла. Поскольку общий объем новых методов производства и качество получаемого графена со временем увеличиваются, мы, наконец, начинаем видеть истинные преимущества графена.

Если графен сделан из углерода, и ученые знают, как изолировать этот материал более десяти лет, почему на рынке так мало продуктов из графена?

Дорожная карта от лаборатории фундаментальных исследований до полки магазина никогда не является прямым путем, хотя время, которое проходит между открытием и коммерческим применением, быстро сокращается.

Графеновые хлопья на кремниевых пластинах на самом деле являются лишь первыми каплями на дне химического стакана по сравнению с революцией, которая произойдет, когда кто-то решит загадку того, как сделать нетронутые листы графена большой площади.

Последнее десятилетие или около того, аддитивное производство (AM) было в моде. Возможно, вы знаете AM по более распространенному названию — 3D-печать. Многие устройства AM раннего поколения использовали только пластик, чтобы создавать интересные трехмерные изображения различных объектов, но технология стала значительно более функциональной.

Структурные материалы аддитивного производства — очевидное место для начала добавления графеновых хлопьев. Исследователи из Массачусетского технологического института, используя специальную машину AM, напечатали различные трехмерные объекты из графена и протестировали их, чтобы измерить их физические свойства по сравнению с деталями, производимыми более традиционным способом. Результаты были ошеломляющими. Некоторые из образцов, напечатанных на 3D-принтере, имели в 10 раз большую прочность стали при 1/20 массы. Теперь они могут печатать детали и узлы, которые в некоторых случаях могут заменять изготовленные на заказ стальные детали для повышения механической прочности.

Для того, чтобы графен совершил все предсказанные революционные изменения (и, в некоторых случаях, действительно протестированы), должен существовать автоматизированный производственный процесс, позволяющий производить килограммы графена в день или тонны материала в год, а не просто несколько граммов тут и там. Графит — это в основном графен, наложенный на себя, ожидающий, пока кто-нибудь его отделит. Однако здесь все усложняется.

Прежде всего, вероятно, следует исключить массовое производство графена тем методом, которым он был первоначально выделен.Хотя забавно представить себе огромную комнату, заполненную людьми, использующими клейкую ленту для отделения листов графена от стопки грифеля карандаша, это просто непрактично. Возможно, кто-то сможет придумать, как автоматизировать этот конкретный процесс, но даже в этом случае маловероятно, что он будет хорошо масштабироваться для необходимого массового производства. Другими словами, не вкладывайте свои пенсионные сбережения в фьючерсы на клейкую ленту!

Исследователи из Университета Рутгерса делают листы графена из обычных хлопьев графита и небольшого количества серной или азотной кислоты.Добавление кислоты окисляет графеновые листы, из которых состоит графит, и заставляет атомы кислорода между листами графена расщепляться, образуя листы оксида графена, взвешенные в кислоте и воде. Затем жидкость фильтруется, оставляя хлопья оксида графена, забивающие фильтр. Сумма всех засоров на фильтре в конечном итоге образует лист оксида графена, похожий на бумагу. Затем этот похожий на бумагу лист можно удалить с фильтра, растворив фильтр с помощью растворителя, который не вступает в реакцию с оксидом графена.Последний шаг — удалить кислород с помощью гидразина, оставив только покрытие из чистого графена.

Полученный материал называется восстановленным оксидом графена , сокращенно или RGO. В этом случае «восстановленный» относится к химическому использованию этого слова, когда степень окисления каждого графенового углерода была уменьшена за счет удаления кислорода гидразином. В этом случае гидразин является восстановителем, который окисляется в результате реакции с оксидом графена.

Метан, богатое углеродом газообразное соединение, с которым мы, люди, очень хорошо знакомы, может реагировать с медью при высоких температурах с образованием графена. Просто нагрейте медь примерно до 1000 градусов по Цельсию и подвергните ее воздействию метана. Слои графена образуются на поверхности меди из многочисленных атомов углерода в газообразном метане. Этот процесс называется химическим осаждением из паровой фазы (CVD). У этого метода есть две большие проблемы: требуется много времени, чтобы сделать даже небольшой графен, и качество получаемого графена не очень хорошее.

Дэвид Бойд из Калифорнийского технологического института вместе со своими сотрудниками-исследователями нашел способ улучшить метод CVD, чтобы он работал при более низких температурах и производил графен более высокого качества. Они тоже используют медь и метан, но добавляют немного азота, чтобы улучшить наслоение графена на меди. В этом методе еще нужно добавить энергии, но не так много. Реакция идет вперед при «простых» 420 градусах. Мировая промышленность имеет значительный опыт работы с сердечно-сосудистыми заболеваниями, поэтому в конечном итоге должна появиться возможность крупномасштабной автоматизации процесса; цель состоит в том, чтобы производить сантиметры или даже метры высококачественного графена за один раз.

Чтобы воплотить в жизнь замечательные чудеса графена, его нужно производить в огромных количествах — дешево.

Опасные химические вещества, сложные механизмы и многоступенчатые химические реакции и процессы слишком сложны на ваш вкус? Затем рассмотрим этот подход, открытый в Государственном университете Канзаса, где они получили графен путем взрыва. Вы когда-нибудь строили лопаточный пистолет? Как правило, если вы возьмете трубу из ПВХ длиной от одного до двух метров, создайте камеру сгорания на одном конце, используя свечу зажигания и быстро закрывающуюся крышку, набейте картофель на другом конце и заполните теперь герметичную камеру сгорания. с легковоспламеняющимся паром (подойдет лак для волос), тогда у вас есть распылитель.После того, как картофель окажется на месте, камера заправлена ​​лаком для волос, а затем запечатана, вы можете направить дальний конец ПВХ-трубы на цель и разрядить аккумулятор, чтобы свеча зажигания искра искра. В результате небольшой взрыв создает волну давления, которая выталкивает картофель из конца камеры сгорания, перемещая его вверх по соплу ПВХ-трубы в воздух, часто отбрасывая его на десятки метров вдаль. Физика того, что происходит в камере сгорания, очень похожа на метод, который ученые из Университета штата Канзас использовали для создания графена, который может стать масштабируемым процессом, который может стать шагом к массовому производству.

Интересно, что графен был не тем, что пытались создать ученые. Вместо этого они пытались создать нечто, называемое аэрозольным гелем угольной сажи, для использования в системах изоляции и очистки воды. Об этих гелях внезапно забыли, когда они поняли, что их сажа была не тем, что они искали, а графеном. И не только немного графена. Они утверждают, что их процесс является наименее дорогостоящим для потенциально массового производства графена и не требует больших затрат энергии.Конечно, нет ничего проще, но этот подход кажется хорошим для использования в сочетании с другими методами.

Вместо трубы из ПВХ ученые использовали более прочную камеру для горения. Они заменили лак для волос ацетиленом или этиленом, смешанным с кислородом. Они использовали свечу зажигания, чтобы создать горение, так же, как мы это сделали с нашим пистолетом-распылителем. Топливо, ацетилен или газообразный этилен, было превращено в графен и некоторые другие углеродные детриты.

Еще есть метод соевого масла — то же самое, что вы можете использовать дома, когда готовите.Исследовательская группа в Австралии нашла способ использовать повседневные соевые бобы для производства однослойных листов графена поверх никелевой подложки, потенциально создавая листы с большими площадями одновременно. Этот процесс представляет собой разновидность процесса CVD, описанного ранее, но с существенным отличием: он выполняется в окружающем воздухе (без специальных вакуумных камер и т. Д.), И требуемая энергия не так велика, как для других процессов CVD.

Секрет кроется в используемом катализаторе из никелевой фольги и в тщательном контроле температуры процесса для предотвращения, насколько это возможно, образования диоксида углерода.Вуаля: идет соевое масло — выходит графен. Стоит отметить, что команда исследовала другие металлические фольги, включая медь, и никакие другие не способствовали образованию графена. Только никель.

Когда ничего не помогает, почему бы просто не пойти домой и не использовать свой блендер, чтобы приготовить чудо-материал 21 века? По сути, именно это сделал Джонатан Коулман из Тринити-колледжа в Дублине, когда он и его команда поместили немного графита в блендер, добавили безрецептурную жидкость для мытья посуды и нажали кнопку запуска.Поскольку для разделения вновь сформированных листов графена требуется лишь немного больше обработки, Коулман и его коллеги обнаружили, что они могут производить несколько сотен граммов в час, используя довольно скромный набор смесительного оборудования в чане емкостью 10 000 литров. Однако пока неясно, может ли этот метод обеспечить высококачественный графен.

Поиск в научной литературе обнаруживает множество методов, с помощью которых можно производить графен различного качества. Их объединяет сложность, энергия и тот факт, что они могут производить только небольшое количество графена, который затем необходимо отделить от других продуктов реакции.На сегодняшний день не существует простой технологии производства, позволяющей получать большие количества высококачественного графена. Чтобы воплотить в жизнь поистине замечательные чудеса графена, его нужно производить в огромных количествах — дешево.

Хотите купить монослой графеновых хлопьев размером 10 х 10 мм на кремниевой подложке? 146 долларов. Как насчет монослоя графена на меди размером 60 х 40 мм? 172 доллара. Есть компании, специализирующиеся на графене, которые будут продавать образцы отдельным пользователям по очень разумным ценам.Фактически, они продадут вам немного графена на вашей собственной подложке за 124 доллара и выше.

Однако сделать графен нетривиально. Лучший графен для массового рынка поступает из химически расслоенного природного, добытого графита, и компании, которым принадлежит доля в графитовых рудниках, уже зарекомендовали себя в качестве участников этой графеновой революции, используя свой преимущественный доступ к сырью для повышения цен на акции.

Но без соглашения на рынке или регулирования, как покупатели могут определить, какой так называемый графеновый продукт лучше всего подходит для их нужд?

Центр современных 2D-материалов (CA2DM) Национального университета Сингапура установил семь различных тестов, с помощью которых он измеряет графитовые материалы для определения качества и идентичности.К сожалению, только некоторые из этих тестов доступны в типичной лаборатории компании; другие требуют дорогостоящего оборудования, которое должно эксплуатироваться и обслуживаться специально обученными специалистами.

Три самых дешевых теста для определения размера конкретной чешуйки, степени дефектов в данном образце и элементного состава образца. Размер чешуйки определяют с помощью оптического микроскопа, тогда как образец графена / графита на опорной поверхности измеряют с помощью обычного светового микроскопа.Камера и компьютер могут измерить приблизительные размеры частиц графена / графита и приблизительно сообщить, насколько велики получающиеся хлопья.

Поскольку электронные свойства графена очень чувствительны к дефектам в хлопьях, степень этих дефектов является важным параметром для измерения. Это измерение производится с помощью так называемой рамановской спектроскопии, которая измеряет колебательные структуры в образце. Окисление углерод-углеродных связей в графене кислородом открывает графен для деградации окружающей среды, а введение других атомов на поверхность графена приводит к резкому изменению различных свойств.Например, добавление даже одного атома водорода к структуре графена приводит к тому, что графен становится магнитным.

Измерения дефектов будут подтверждены элементным анализом, в частности анализом углерод-азот-водород-сера (CNHS). Добытый графит будет содержать остатки ранее живого вещества, из которого он был создан, и эти элементы в конечном итоге ухудшат качество графена через тот или иной механизм. К сожалению, анализ CNHS — деструктивный метод.Часть образца должна быть сожжена для анализа компонентов. Хотя это было бы полезно для контроля от партии к партии относительно дешевого промышленно расслоенного графита, это неприемлемо для образцов графена, полученных другими методами.

Есть много способов определить количество слоев в данной пластинке графита. В одном из таких тестов, называемом атомно-силовой микроскопией (АСМ), используется игла толщиной с волос, установленная на небольшом рычаге, похожем на трамплин, для измерения атомных сил между иглой и образцом.Лазер отражается от верхней части рычага, который может измерять величину отклонения вверх или вниз, которое испытывает игла при взаимодействии с поверхностью. Показания показывают измеренную толщину, и, поскольку чешуйки графита укладываются на постоянное расстояние друг от друга, вы можете выполнить математические вычисления, чтобы определить количество слоев. AFM может создавать изображение из множества сканированных изображений, поскольку он складывает последовательные одномерные линии вместе для отображения топографии образца. По сути, он создает карту высот поверхности.

Все это стало возможным благодаря наиболее распространенному, наиболее универсальному и наиболее важному из всех элементов — углероду.

Сканирующая электронная микроскопия и просвечивающая электронная микроскопия — это методы изучения того, как выглядит чешуйка графена, но на гораздо более тонком уровне, чем способна оптическая микроскопия. Эти два анализа имеют гораздо более высокое разрешение при увеличении и, следовательно, позволяют обнаруживать разрывы, разрывы и другие проколы на отщепе; такие проколы могут существовать естественным образом или образоваться во время выделения графена или обращения с ним.Эти два анализа в сочетании с АСМ дадут наиболее полную трехмерную картину графена / графитового образца в целом.

Последним крупным анализом, выполненным CA2DM, является рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS). XPS определяет химический состав образца неразрушающим образом и, таким образом, предоставит вам всю информацию, которую предоставляет CNHS, но при этом позволит вам восстановить образец. В этом методе рентгеновские лучи направляются на поверхность графена, и часть рентгеновских лучей поглощается электронами в образце.Электроны выбрасываются из образца с энергетической характеристикой элемента в образце, которая сообщает вам, какие элементы присутствуют и в каком количестве.

Помимо метода скотча и химического отшелушивания, какие у нас могут быть варианты для производства графена в больших количествах? Есть ли способ распечатать или вырастить что-нибудь в графен? Для отделения кусков графита от поверхности более крупных кусков графита можно использовать механическое расслоение, с последовательным отслаиванием, проводимым для изоляции нескольких однослойных листов.За прошедшие годы этот процесс был значительно улучшен, и действительно, сейчас используются специальные ленты, которые легче растворяются в воде или других растворителях, чем офисная лента. Это делает нанесение хлопьев графена еще проще, чем раньше.

Второй метод, химическое отшелушивание, восходит к концу 1800-х годов. Как и в случае с процессом механического отшелушивания, исследователи расширили эту область, разработав новые параметры отшелушивания. Как правило, они менее агрессивны к графиту и, таким образом, сводят к минимуму повреждение графеновых поверхностей.Возможно, в этом методе используются перерабатываемые материалы, что чрезвычайно важно для любой компании, которая хочет производить буквально тонны графена в год. Некоторые из улучшений улучшают выход чистых однослойных хлопьев, что является наиболее важной из всех оптимизаций.

Графен также может быть выращен из карбида кремния для получения так называемого эпитаксиального графена .

Рост графенового слоя в результате разложения карбида кремния в настоящее время является чрезвычайно сложным процессом, в котором кремний сублимируется при высокой температуре, но атмосфера над поверхностным слоем изменчива.Настройка среды над поверхностью позволяет исследователям производить графен с большей эффективностью, чем в атмосфере под открытым небом. В редакционной статье 2009 года Nature Materials Питера Саттера описан прогресс в эпитаксиальном росте, который включал удаление воздуха над поверхностью карбида кремния и замену его атмосферой инертного благородного газа. С тех пор исследования вернулись к реактивной атмосфере.

В результате три группы со всей Германии разработали метод, в котором они приклеили пластик, сделанный из множества ароматических шестиугольников бензола, на поверхность карбида кремния и обнаружили, что этот пластик на самом деле значительно улучшил размер и качество монослоев графена, полученных из кремния. сублимация.Эта работа была вдохновлена ​​более ранней статьей, в которой CVD сочетается с эпитаксиальным ростом для улучшения выхода графена. Кажется, что каким-то образом комбинация этих двух процессов создает продукт, который на лиги лучше любого изолированного метода. Если время покажет, что эта комбинация окажется воспроизводимой и экономичной, она может подготовить почву для взлета повседневной важности графена. Более того, он может даже вытеснить природный графит, добытый из высокотехнологичного графена. Это может обернуться катастрофой для компаний, занимающихся добычей графита, которые делают ставку на свои фьючерсы на продажу потребителям графена.Это будет разработка, за которой нужно внимательно следить.

Дорогие, редкие или другие ценные исходные материалы вызовут значительный спрос на эти исходные материалы, что ограничит использование графена в повседневных материалах. Следовательно, абсолютно необходимо найти способ надежного изготовления графена из дешевого (или бесплатного) ресурса. Если бы графен можно было сделать из вещей, которые в противном случае пошли бы впустую, это значительно снизило бы долгосрочную цену графена, так что любой мог бы иметь к нему доступ.

Если бы такой процесс был доступен, те, кто его изобрел, были бы оценены так же высоко, как Фриц Габер, получивший Нобелевскую премию по химии в 1918 г. «за синтез аммиака из его элементов». Габер взял азот из воздуха и водород из метана, объединил их под высоким давлением и температурой над металлическим катализатором, чтобы ускорить реакцию, и бум! Аммиак вышел из реакции, готовый к внесению в удобрение. Изобретение Габера буквально кормит мир.

Какой исходный материал мы могли бы использовать для получения углерода в качестве сырья, которое не будет чрезмерно облагать налогом типичные источники углерода, такие как ископаемое топливо или природный газ? Конечно, один из вариантов — собрать углекислый газ из воздуха и вернуть его обратно до C.Однако это чрезвычайно энергоемкий процесс, и никакие технологические достижения в рамках известных законов физики не уменьшат эту потребность в энергии.

Если бы графен мог быть сделан из вещей, которые в противном случае пошли бы впустую, это значительно снизило бы долгосрочную цену графена.

Это возвращает нас к размышлениям о том, что в изобилии повсюду вокруг нас, эффективно использует улавливание углерода и может улавливать этот углерод без прямого поступления энергии от человека: растения.Растения поглощают пассивный солнечный свет и углекислый газ из атмосферы и в большинстве мест растут сами по себе. Огромные деревья — поглотители углерода, ставшие возможными благодаря фотосинтезу. За год образуется много растительных отходов, которые могли бы пойти на создание графена, если бы в противном случае он занимал бы место на свалке. Инвазивные виды растений, такие как кудзу и бамбук на юго-востоке США, могут служить в качестве сырья.

Джеймс Тур довел это до логического предела в 2011 году, сделав ставку.Тур думал о способах использования уже свободного углерода в окружающей среде. Ему удалось преобразовать оргстекло (полиметилметакрилат) в графен, и его следующей целью был столовый сахар. После того, как столовый сахар превратился в хлопья графена пиролиза-CVD на куске медной фольги, один из его коллег оживился и осмелился Тур сделать графен из шести различных углеродных материалов: печенья, шоколада, травы, полистирола (пенополистирола). , тараканы и собачьи фекалии.Этот результат интересен, поскольку упомянутая выше австралийская лаборатория потерпела неудачу при использовании подложки из медной фольги для процесса переработки соевого масла. Однако эти противоречивые истории означают, что есть огромные возможности для улучшения нашего понимания того, как графен образуется из газообразных молекул.

Используя тот же метод, что и для столового сахара, все предложенные необычные источники углерода производили небольшие хлопья высококачественного графена. Тур и его коллеги подчеркнули, что никакой подготовки или очистки этих странных материалов не требуется.Другими словами, ногу таракана можно было уронить на фольгу, нагреть и получить графен. С такой легкостью не получится даже испечь торт. Открытие Тура в 2011 году в сочетании с результатами CVD-эпитаксии, сделанными немецкой командой в 2016 году, может предоставить четкий путь к созданию больших, дешевых бездефектных образцов графена.

В настоящее время НАСА изучает способы переработки углекислого газа, выделяемого дыханием астронавтов на Международной космической станции, в графен. Это улучшение системы жизнеобеспечения будет иметь двойной бонус.Во-первых, отходы, такие как углекислый газ, в противном случае требуют улавливания с помощью специальных химикатов, которые необходимо отправлять специальными грузами с Земли. Обработка углекислого газа в графен будет означать, что потребуется меньше миссий по пополнению запасов.

Превращение углекислого газа в графен дает еще одно преимущество: полученный графен может быть включен в новые солнечные элементы, или может быть использован в системах очистки воды, или в тысяче других возможностей, вместо того, чтобы пытаться выбросить его наружу. воздушный шлюз.Эта возможность помогает удлинить пуповину между станцией и Землей. В конце концов, нам нужно полностью отрезать эту пуповину, если мы хотим когда-нибудь отправить людей в расширенные миссии на другие планеты и за их пределы.

К счастью, для нас, землян, есть и побочная выгода. Подобный процесс также сможет забрать углекислый газ из атмосферы и превратить наше собственное дыхание в органическую электронику или миллион других вещей, в которых можно найти применение графену. Хотя превращение углекислого газа в графен не было бы рентабельным или энергоэффективным на Земле (прямо сейчас), обильная энергия солнечных элементов на борту Международной космической станции может дать толчок, необходимый для удаления кислорода из углекислого газа.Компании могут «добывать» атмосферу, чтобы получить углекислый газ из процессов, которые не могут не производить его, и превращать отработанный газ в сырье для дальнейшей продукции. Принцип «не тратьте, не хочу», который хорошо знает каждый путешественник и исследователь, означает, что система, предназначенная для повторного использования, в конечном итоге увеличит шансы на успех миссии (будь то на Земле или в космосе), а также сведет к минимуму воздействие на окружающую среду. Избыточность на Земле может быть только хорошей вещью. В космосе это абсолютное требование.

Графен состоит из чистого углерода в виде одного листа в виде плоского шестиугольника. Любые изменения в этой структуре означают, что образующийся химикат технически больше не является графеном; вместо этого это производное графена. Графен ведет себя совсем не так, как оксид графена, и оба ведут себя иначе, чем графен, легированный литием.

Возьмем, к примеру, разницу между двумя образцами вспененного графита от двух разных компаний. Один образец мог быть расслоен с помощью довольно жесткого процесса, так что расслоение добавляло дефекты атомов кислорода или спиртовых групп к чешуйкам графена.Второй образец можно было расслоить более мягко, чтобы сохранить структуру, состоящую только из углерода, без появления дырок или разрывов на хлопьях. Что лучше другого? Как их отличить? Оба производителя наклеили на бутылку «Графен» и продали его вам по непомерно высокой цене; они должны быть неотличимы в составе продукта, и поэтому вы можете просто выбрать более дешевый вариант, не так ли? Не так. Источник графена и способ его приготовления имеют огромное значение для его работы.Устройство может вообще не работать или просто работать хуже, чем ожидалось.

Стандартов для производства графена еще не существует, и не все компании вообще поддерживают их. Эти стандарты могут иметь множество возможных форм и не обязательно означают правовое регулирование. Совершенно очевидно, что это была бы крайняя мера, и она не имела бы исковой силы в других странах. Учитывая международное игровое поле для графена, это было бы значительным препятствием. Никто этого не хочет.Однако на данный момент большинство продуктов, представленных на рынке с пометкой «графен», на самом деле не являются графеном. Скорее, это тонкие чешуйки графита, толщина которых может достигать нескольких сотен слоев. Некоторые производители могут производить хлопья с высоким выходом монослойного графена, и эти компании с радостью сообщат вам, что они производят гарантированный процент монослойного графена, при этом большая часть остальной части образца состоит из агрегатов чешуек толщиной от двух до десяти слоев. . Несколько слов тем из вас, кто заинтересован в использовании настоящего графена для приложения: спросите об этой толщине чешуек у своего поставщика.Крайне важно передать то, что они говорят, в независимую лабораторию для проверки, чтобы установить окончательный уровень доверия.

В идеале изложенные стандарты должны сортировать графен с учетом таких параметров, как выход монослойных чешуек, размер этих чешуек и элементный анализ образца (как минимум). Таким образом, продавец может оплатить стоимость производства своего так называемого образца графена, а не завышать стоимость графита, измельченного в кухонном блендере. Caveat emptor. С другой стороны, если поставщик продает эпитаксиально выращенный графен с большой площадью поверхности с повторяемым или поддающимся проверке сертификатом анализа, то у вас может быть оправдание платить больше за этот образец.

Потенциал графена изменить ход бесчисленных отраслей промышленности ограничен только воображением и хитростью бизнес-лидеров, которые разделяют видение со знающим химиком, инженером или физиком. Более смелые и предприимчивые технологии будут развиваться, добавляя к графену различные молекулы, рассматривая его как основу, на которую можно прививать биомолекулы, возможно, как пассивные сенсоры для химического и биологического оружия.

Графен в качестве материала покрытия может даже изменить отрасль в краткосрочной перспективе. Поскольку графен в основном нереактивен и очень гидрофобен, любая поверхность, покрытая слоем графена, будет двигаться через воду с уменьшенным трением из-за поверхностного натяжения вода-металл. Слой графена на танкерах повысит эффективность судоходства по всему миру. Добавление слоя графена на лобовое стекло создаст поверхность, которая будет не только прозрачной (потому что сам графен прозрачен), но и естественным образом отталкивает воду и повышает безопасность водителя во время ливня.Хотите уменьшить сопротивление воздуха высокопроизводительному автомобилю? Убедитесь, что его оболочка совершенно атомарно плоская, заключив ее в графен. Возможно, особенно талантливый инженер в будущем спроектирует автомобиль с идеально плавным и равномерным обтеканием кузова автомобиля, вырабатывая еще несколько лошадиных сил от двигателя и еще несколько миль на галлон от бака.

И все это стало возможным с помощью одного из самых распространенных, наиболее универсальных и наиболее важных из всех элементов, углерода — того же углерода, который составляет основу всех известных форм жизни на Земле и позволяет формировать графен. : графен — сверхпрочный, сверхтонкий и сверхразмерный материал, который произведет революцию в мире.

---

Эта статья взята из и адаптирована из Graphene: Super Strong, Superthin и Superversatile Material, который революционизирует мир (Prometheus Books, 2018). Печатается с разрешения издателя.

McLaren Racing — Гоночная машина на запястье: история графена

Вы, наверное, уже видели RM 50-03 Tourbillon Split Seconds Chronograph Ultralight McLaren F1, новые потрясающе красивые часы от роскошного швейцарского часового бренда Richard Mille.

Вы, наверное, также видели демонстрационный автомобиль McLaren-Honda в уникальной ливрее, свисающий со стропил на стенде компании на выставке SIHH в Женеве, Швейцария. Красиво, да? Красочный…

И вы, возможно, читали, что RM 50-03 весит всего 40 грамм и считается самым легким механическим хронографом из когда-либо созданных. И все это достижение было возможно благодаря использованию нового чудо-наноматериала под названием графен — в шесть раз легче стали, но в 200 раз прочнее.

Пока все хорошо; но если вы, как и мы, вероятно, задавались вопросом, что делает графен таким уникальным, мы подумали, что вам может потребоваться немного более контекстный совет.

Наш постоянный представитель по графену (а также главный операционный директор Group) Джонатан Нил вмешивается, чтобы рассказать вам все, что вы всегда хотели знать о графене, но боялись спросить:

Итак, Джонатан, что такое графен?

«На рынке существует много недоразумений по поводу графена, особенно в материаловедении, где он рекламируется как следующий большой шаг. Когда люди говорят о графене, они не имеют в виду объемный материал — вы не получаете блоки или рулоны графена — он существует на атомном уровне, но может использоваться для упрочнения, повышения жесткости и облегчения композитов из углеродного волокна.

«Технически говоря, графен представляет собой один слой атомов углерода, расположенных в двумерной гексагональной решетке, но для практических целей он бывает самых разных форм, каждая из которых имеет различные преимущества и недостатки в зависимости от области применения. А процесс, посредством которого графен используется для улучшения полимерных систем, называется армированием нанопластинок ».

Вы можете просто объяснить усиление нанопластинок?

«Да, графен вводится или смешивается с системами смол, и эти системы смол для применения в создании композитов из углеродного волокна затем объединяются и отверждаются слоями углеродного волокна.Графеновая нанопластинка представляет собой небольшую плоскую форму — на самом деле очень маленькую, микроскопически маленькую. Когда вы помещаете эти пластинки в полимерную систему и смешиваете ее со своими обычными слоями углеродного волокна, вы, помимо других механических свойств, значительно увеличиваете прочность межламинарного соединения. Раньше, когда вы полагались на обычные смолы для удержания слоев углеродного волокна вместе, была вероятность того, что эти слои могли разъединяться — обычная и хорошо известная ахиллесова пята композитов. Добавляя в смолу другие структуры, вы можете повысить прочность на сдвиг.”

Насколько шагом вперед является технология графена?

«Мы думаем, что свойства графена просто потрясающие. Некоторые механические свойства композитов с улучшенным графеном могут быть улучшены на двузначные проценты по сравнению с обычными композитами из углеродного волокна. В машиностроении мы часто говорим об улучшениях в долях процента; внезапно ввести улучшения в этом порядке — это невероятно, но это дает вам очень четкое представление о том, насколько много мы открываем о свойствах графена и насколько это меняет наше существующее понимание материаловедения.

Как McLaren сотрудничал с Ричардом Миллем?

«Работа McLaren с Ричардом Миллем была сосредоточена на двух конкретных областях часов: первая — это корпус, сделанный из очень тонкого углеродного волокна. Это такая сложная и нежная структура, но невероятно прочная и легкая из-за вливания графена. Фактически, наша лаборатория дизайна в McLaren Applied Technologies работает с Национальным институтом графена при Манчестерском университете и помогла смешать определенный тип графена в структуре корпуса.Тонкие слои карбона создают красивые текстуры и контуры, потому что все в значительной степени уменьшено.

«Второй областью разработки был полиуретановый ремешок, который, очевидно, все еще мягкий и податливый, но также был усилен за счет улучшения системы смол с помощью другого вливания графена».

Есть ли естественное сходство между часовым искусством и конструкцией Формулы-1?

«Конечно, есть четкие параллели с точки зрения НИОКР, материаловедения и высокотехнологичного производства.Но, пожалуй, наиболее интересным кроссовером является тот факт, что обе отрасли должны учитывать и учитывать роль человека — владельца часов или гонщика Гран-при — при разработке и работе с высококачественными материалами ».

«Итак, хотя сами часы невероятно прочные и легкие, вы создаете что-то, в котором сочетаются инженерия и искусство; вам не обязательно стремиться к абсолютным качествам, вы стремитесь соответствовать тем, которые соответствуют требованиям владельца.”

«В Формуле 1 наши методы конструкции из углеродного волокна означают, что мы могли бы значительно увеличить жесткость и прочность монокока, но это значительно увеличило бы нагрузки на водителя, чего мы хотим избежать. И именно поэтому каждый автомобиль Формулы 1 должен иметь деформируемые противоударные конструкции вокруг автомобиля; они спроектированы так, чтобы постепенно деформироваться, чтобы наилучшим образом защитить водителя.

«Итак, вы можете видеть, что в обоих наших мирах вы не преследуете самые абсолютные ценности, а создаете что-то, что сочетает в себе требования человека и машины — а это на самом деле гораздо более сложная задача.”

Расчетные исследования вакансионных и адатомных дефектов в графене с сильной связью (Журнальная статья)

Чжан, Вэй, Лу, Вэнь-Цай, Чжан, Хун-Син, Хо, К. М. и Ван, К. З. Расчетные исследования вакансионных и адатомных дефектов в графене . США: Н. П., 2016. Интернет. DOI: 10.1088 / 0953-8984 / 28/11/115001.

Чжан, Вэй, Лу, Вэнь-Цай, Чжан, Хун-Син, Хо, К.М., и Ван, К. З. Расчетные исследования вакансионных и адатомных дефектов в графене . Соединенные Штаты. https://doi.org/10.1088/0953-8984/28/11/115001

Чжан, Вэй, Лу, Вэнь-Цай, Чжан, Хун-Син, Хо, К. М., и Ван, К. З. Пт. «Расчетные исследования вакансионных и адатомных дефектов в графене с сильной связью». Соединенные Штаты. https: // doi.org / 10.1088 / 0953-8984 / 28/11/115001. https://www.osti.gov/servlets/purl/1249343.

@article {osti_1249343,
title = {Расчетные исследования вакансионных и адатомных дефектов в графене с сильной связью},
author = {Zhang, Wei and Lu, Wen-Cai and Zhang, Hong-Xing and Ho, K. M. and Wang, C. Z.},
abstractNote = {Вычислительные исследования сложных дефектов в графене обычно требуют работы с большим числом атомов, чем могут обрабатывать современные методы из первых принципов.Мы показываем, что недавно разработанный трехцентровый потенциал сильной связи для углерода очень эффективен для крупномасштабного атомистического моделирования и может точно описывать структуры и энергии различных дефектов в графене. Используя трехцентровый потенциал сильной связи, мы систематически исследовали стабильные структуры и энергии образования вакансионных и внедренных атомных дефектов различного размера, вплоть до 4 вакансий и 4 погруженных атомов в графене. В заключение, наши расчеты выявляют низкоэнергетические дефектные структуры и дают более полное представление о структуре и стабильности дефектов в графене.},
doi = {10.1088 / 0953-8984 / 28/11/115001},
url = {https://www.osti.gov/biblio/1249343}, journal = {Физический журнал. Конденсированное вещество},
issn = {0953-8984},
число = 11,
объем = 28,
place = {United States},
год = {2016},
месяц = ​​{2}
}

.