Графен применение: Уникальное вещество и его применения – Наука – Коммерсантъ

Содержание

Битва за графен-2: коммерческое применение

  • Технологии
Фото John Tlumacki / The Boston Globe via Getty Images

После того как в 2004 году был открыт первый двумерный материал графен, в мире начался настоящий графеновый бум. Крупнейшие страны разворачивают большие государственные программы в гонке за лидерство в области графеновых технологий

Помимо фундаментальных исследований коллективы по всему миру активно работают над прикладными разработками — целым классом устройств и материалов нового типа, которые могут быть созданы благодаря необычным свойствам нового материала. В одном только Китае, по данным Jiangnan Graphene Research Institute (Китай), число заявок на патенты с применением графена к сентябрю 2016 года превысило 50 000. Чем обусловлен такой интерес к двумерному материалу и что сдерживает выход графеновых технологий на массовый рынок — в новом материале серии «Битва за графен».

  • Битва за графен: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего

Тонны графена

Если вы решите разобраться, как устроена графеновая отрасль, то неизбежно наткнетесь на десятки коммерческих отчетов, которые оценивают объемы рынка и ранжируют страны по количеству производимого ими графена. Например, эксперты предрекают, что емкость рынка графена к 2027 году будет составлять 3800 тонн в год. Поэтому, исследуя графеновый рынок, неспециалист может решить, что речь идет о мешках, бочках или вагонах с графеном — о больших объемах двумерного материала, в производстве которого соревнуются Китай, США, весь Евросоюз и другие страны.

Разумеется, это не так. Сам по себе графен не стоит рассматривать как продукцию для экспорта, и обогатиться на нем нельзя. Производство графена будет расти, что неизбежно приведет к снижению его стоимости, ведь получить сам графен не проблема. Если первые эксперименты были выполнены на небольших чешуйках графена, которые отслаивались от графита с помощью клейкой ленты, то сейчас удается получать высококачественный графен большой площади осаждением в печи при высокой температуре на медную фольгу — это достаточно просто и дешево. Основой для синтеза графена также являются углеводородные газы или даже нефть. Например, совсем недавно ученым из США удалось разработать способ получения графена из ацетилена — природного газа. Сейчас графен уже продается менее чем за один евро за квадратный сантиметр, а к 2022 году, по прогнозам одной из крупнейших компаний-производителей графена, будет стоить меньше евроцента за квадратный сантиметр. То есть квадратный метр графена обойдется исследователям менее чем в сто евро.

Рынок графеновых технологий

По последним данным, в мире насчитывается 142 организации, которые производят графен. Однако в действительности рынок графена — это не килограммы «графенового сырья», а технологии на его основе: прикладные разработки и патенты. Дело в том, что графен, как и другие двумерные материалы, можно комбинировать друг с другом, получая принципиально новые свойства. Так, например, применение графена и оксида графена в биочипах, технология создания которых существует уже несколько лет, позволяет в десятки раз увеличить их чувствительность. Использование графена в качестве одного из фоточувствительных элементов матриц камер позволяет в сотни раз увеличить их чувствительность и существенно расширить их спектральный диапазон.

Возможности таких комбинаций, как отмечает прозванный отцом графена Андрей Гейм, практически безграничны, и вряд ли все из них мы сможем реализовать в перспективе хотя бы ближайших пятидесяти лет. Внедрение графена в различные устройства дает колоссальные перспективы. Но именно здесь пока нет однозначных результатов.

Технологии в массы

Действительно, массовых графеновых технологий, несмотря на серьезные финансовые вливания в эту область, до сих пор не появилось. Основная сложность с широкомасштабным применением графена — создание работающего устройства. Графен — двумерный материал, и использовать его в трехмерном мире достаточно сложно. Совмещение технологий производства графена с существующими технологиями микроэлектроники и других отраслей промышленности позволит создать целый класс новых продуктов, но как раз это сейчас и составляет основную трудность. Выращенный графен можно переносить на ту или иную подложку вручную, но это плохо соотносится с технологиями массового производства. Именно над проблемой интеграции графена в различные устройства работают многие ученые и исследовательские центры: ведутся исследования по низкотемпературному росту графена на различных подложках и разрабатываются автоматизированные технологии его переноса.

На решение этой проблемы, например, нацелен графеновый центр в Самсунге. Этой проблемой занимаемся и мы на Физтехе в сотрудничестве с датской компанией Newtec. Ее решение — лишь вопрос времени, а потому, если еще пару лет назад в мире был определенный скепсис по части прикладных разработок на основе графена, то сейчас это уже ничем не сдерживаемый оптимизм.

Применения

Сейчас уже с уверенностью можно сказать: во всех устройствах будущего в том или ином виде будет присутствовать графен или другой двумерный материал. Перечислить все потенциальные применения графена невозможно. Его можно совместить даже биологическими организмами. Например, ученым Университета Тренто (Италия) и Центра по разработкам с использованием графена Кембриджского университета удалось «накормить» графеном пауков, после чего те стали производить паутину, которая оказалась в несколько раз прочнее обычной. Похожую работу провели китайские исследователи, скормив графен шелкопряду и получив прочную шёлковую нить, которая проводит электричество и может быть использована, например, в носимой электронике.

В одном из своих интервью Андрей Гейм высказывал мысль, что выделять какую-то одну наиболее перспективную область применения даже вредно: «Поле [применений] настолько велико, что сосредоточение в одном из направлений приведет к ослаблению развития в целом». Так или иначе, вы можете быть уверены: в камерах ваших телефонов, в ваших очках или умных контактных линзах, любой гибкой носимой электронике, умных настенных покрытиях, в разрабатываемых сейчас биосенсорах и нейроинтерфейсах и многом другом, не говоря о новых функциональных материалах для любых применений, например, в авиастроении или оборонной сфере — будет графен. Есть области, где этот двумерный материал используется уже сейчас. Теннисисты Новак Джокович, Энди Мюррей и Мария Шарапова играют ракетками, содержащими графен, а Билл Гейтс финансирует создание прочных и тонких графеновых презервативов. Научные конференции сопровождаются шоурумами, где стартапы и лидеры индустрии представляют свои последние разработки.

Например, на выставке Mobile World Congress в фервале 2017 года был представлен концепт автомобиля с корпусом из графенового пластика. А в марте на Женевском автосалоне был презентован китайский  электромобиль на основе графеновых батарей, который планирует конкурировать с Tesla. И количество приложений будет только расти.

  • Применения графена (видео)

Прогнозы рынка

Вложения в исследования графена — это вложения в светлое будущее, пусть пока и без четкого понимания, каким оно будет. Именно поэтому сейчас так сложно спрогнозировать объемы рынка через несколько лет, по текущим прогнозам, рынок графена в течение десятилетия вырастет в 30-100 раз. Но он может вырасти и в тысячи раз — достаточно только появиться умным контактным линзам с графеном, запустить в серийное производство быстрозаряжающиеся аккумуляторы или разработать любую другую технологию, которую представить сейчас мы не можем. Так же, как когда-то не могли представить, как разовьется рынок лазеров или компьютерной техники.

Двумерный мир

Материалы на основе графена изменят мир, потому что они сами по себе — это уже другой мир, двумерный. Хотя будет это не революционным новшеством, а, как подчеркивает Андрей Гейм, медленной диффузией материала в нашу повседневную жизнь. Рисуя эти картины светлого будущего, нужно ответить на неизбежный вопрос: где же во всем этом Россия, родина нобелевских лауреатов, получивших премию за передовые опыты с графеном? Если в области фундаментальных исследований у нас есть определенные результаты, то о лидерстве в области прикладных разработок говорить пока не приходится, хотя именно конкретные технологические решения будут формировать основную часть рынка графена в ближайшем будущем. О том, что поможет нашей стране не упустить место под солнцем графеновых технологий — в следующем материале серии.

  • Алексей Арсенин

    Автор

  • Юрий Стебунов

    Автор

#высокие технологии #Новые материалы #графен

Рассылка Forbes

Самое важное о финансах, инвестициях, бизнесе и технологиях

Графен в медицине

Ксения Рыкова для ПостНауки

Биоэлектроник Дмитрий Киреев о графеновых устройствах для лечения и диагностики заболеваний и их преимуществах перед кремниевыми девайсамиВ проекте «Мир вещей.
Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

В 2010 году Андрей Гейм и Константин Новоселов получили Нобелевскую премию за «новаторские эксперименты, касающиеся двухмерного материала графена». С тех пор физики и химики по всему миру начали исследовать свойства нового материала и находить им все новые практические применения. Графен используется для создания электронных чипов, сенсоров для газов, мембран для очищения воды. С появлением графена начался новый этап развития медицинских технологий и биоэлектроники.

Свойства графена

Графен — это двумерный материал, аллотропная модификация углерода. В случае графена атомы углерода выстроены в шестигранную структуру и формируют слой толщиной в один атом — это и есть графен. Такую структуру он приобретает за счет sp2-гибридизации. 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. Поэтому из-за sp2-гибридизации графен обладает уникальными электрическими свойствами и прекрасно проводит электрический ток. Графен также имеет впечатляющие механические свойства: он гибкий, тонкий и на 97% прозрачный.

Теоретические работы доказывают, что графен очень жесткий и стойкий к механическому воздействию. В то же время, если положить его на подложку из мягкого материала, он примет его свойства. Эти характеристики полезны в биоэлектронике, в рамках которой ученые разрабатывают устройства для применения в живых организмах. В этой области приоритет отдается мягким материалам, более совместимым с тканями организма. Кремний и твердые металлы, которые используются в обычной электронике, для этого плохо подходят. С 2008 года появляются работы по графеновым нейродевайсам и биосенсорам: ученые исследуют возможности нового материала и уже достигают ощутимых результатов в этой области [1] [2].


Гексагональная решётка — идеальная кристаллическая структура графена

 // wikipedia. org


Нейродевайсы: считывание активности нейронов

На основе уникальных свойств графена можно делать нейродевайсы, считывающие активность нейронов. Базовый элемент таких устройств — графеновый (амбиполярный, полевой) транзистор, через который протекает ток, если приложить напряжение. Разработчики биоэлектроники делают чипы, на которых размещают графеновые транзисторы на гибких подложках. Поверх этого чипа выращивают нейрональные клетки. Примерно через три недели, когда клетки достаточно вырастают, они взаимодействуют между собой и спонтанно возбуждаются, производят импульс. На поверхности клетки изменяется заряд — быстро и незначительно, на десятки милливольт. Этот поверхностный заряд влияет на проводимость графена за счет эффекта поля, то есть нейрональный импульс изменяет ток на всем транзисторе. Ученые считывают его и тем самым видят активность нейронов. Нейродевайсами занимаются в Center for Microelectronics Research в Техасском университете в Остине, а также в Institute of Bioelectronics в Юлихском исследовательском центре в Германии. Технология работает в лабораторных условиях, сейчас на ее основе ученые из Техасского университета изготавливают девайсы, которые можно имплантировать в мозг. Несколько таких устройств уже создали другие исследовательские группы, они смогли протестировать их in vivo на мышах и крысах [3].

В перспективе эту технологию можно применять и для людей. Нейродевайсы могут облегчить жизнь людям с болезнью Паркинсона, которые часто сталкиваются с тремором, непроизвольным сокращением мышц. Чтобы регулировать судороги, пациентам имплантируются мультиэлектродные массивы, которые глубоко стимулируют головной мозг электрическими импульсами. При наступлении судорог пациент нажимает кнопку на мини-девайсе, и через электрод поступает несколько сигналов в часть мозга, которая отвечает за заболевание.

Проблема стандартных мультиэлектродных массивов в том, что они сделаны из твердого кремния. Имплантировать кремниевое устройство в мозг — все равно что пытаться поместить гвоздь в мягкую конфету. Организм реагирует на кремниевую электронику как на инородное тело. Вокруг таких устройств формируются глиальные клетки, с помощью которых мозг пытается защитить нейроны и вытолкнуть чужеродный предмет. Поэтому стимуляторы меняют каждые 2–5 лет. На основе графена можно разрабатывать совсем другие девайсы — гибкие, тонкие и мягкие. Клетки апробируют такое устройство, защитная реакция не запустится. Тогда девайсы можно будет менять намного реже — раз в несколько десятков лет.

Облегчение болезни Паркинсона — далеко не единственная область применения графеновых нейродевайсов. Они будут полезны исследователям, работающим с любыми нейродегенеративными заболеваниями. Большинство из них до сих пор недостаточно изучены: ученым не хватает данных о том, как работает человеческий мозг. Сейчас для таких наблюдений тоже используют кремниевые устройства, так что более эффективные графеновые девайсы заменят их и в исследовательских задачах. 

Сенсоры: определение биомаркеров

Другая область применения графена — создание сенсоров, которые определяют  биомаркеры. Таким образом можно измерять нейрональные биорецепторы, ДНК, иммуноглобулин, биомаркеры, связанные с раком или сердечно-сосудистыми заболеваниями. Это дает врачам новые возможности для диагностики заболеваний.

 

Устройства для биосенсоров тоже работают на графеновых транзисторах, но они устроены сложнее. Графен — это углеродная решетка в одной плоскости. Чтобы сделать биосенсор, молекула должна взаимодействовать с графеном. Для этого нужно построить его двух- или трехуровневую функционализацию — присоединить к графену несколько химических групп. Для начала графен функционализируется с пиреном — химическим соединением с формулой C16h20, (циклическим полиароматическим углеводородом). Эту молекулу уже можно функционализировать с другими: например, добавить к ней глюкозооксидазу, и в результате получится биосенсор для глюкозы. Когда глюкоза приблизится к глюкозооксидазе, эти два элемента вступят в химическую реакцию. Она спровоцирует изменение тока в графеновом транзисторе, которое ученые могут наблюдать и делать выводы об уровне биомаркера в организме.  Группа корейских исследователей встроила глюкозный сенсор в мультифункциональные контактные линзы — они определяют уровень глюкозы на основе состава слезы. В 2017 году эту технологию испытали на кроликах. Совсем недавно российская группа создала биосенсоры на основе графена, позволяющие измерять токсины, в частности охратоксин А, считающийся одним из самых опасных. В перспективе все эти технологии позволят точнее диагностировать заболевания и отслеживать их течение.

 

Миф о токсичности графена

На любых конференциях неминуемо поднимается вопрос потенциальной токсичности графена. Каждый раз ученым приходится объяснять, что это не совсем так. Графен можно производить несколькими способами. Один из них — это простое размешивание графита или углерода в воде, в результате которого получаются маленькие частицы с латеральными размерами графена меньше ста нанометров. Графен такого вида действительно опасен для клеток: в 2010-х годах исследователи Ахаван и Гадери опубликовали работу, которая доказывала, что мелкие частицы проходят через клеточную мембрану и убивают клетку.

В современной биоэлектронике используется высококачественный графен, выращенный методом химического осаждения из газовой фазы. Он представляет собой однородный слой атомов на очень большой площади — до 100 на 100 миллиметров. Потом разработчики уменьшают его до порядка 100 на 100 микрометров и закрепляют на подложке. В этом случае он не может проявить токсичность, потому что не плавает среди клеток. Более того, есть несколько работ, в рамках которых ученые выращивали клетки поверх графена на подложке и на обычном стекле и сравнивали результаты. Выяснилось, что клетки растут гораздо активнее именно на графене. Графен — биосовместимый материал, ведь это обычный углерод.

Предусиление сигнала: проблема передачи данных на расстоянии

Один из недостатков графена для электроники — это отсутствие запрещенной зоны — такой области значений, которыми не могут обладать электроны в веществе. В графене у электронов произвольная энергия. Он слишком хорошо проводит ток, поэтому на его основе нельзя сделать классический транзистор с положениями 1 и 0, наличием и отсутствием тока. Графеновый транзистор никогда не закрывается: он просто проводит ток либо хорошо, либо плохо. Из-за этого он не выполняет логические операции, с которыми справляются классические кремниевые транзисторы. Для современной графеновой электроники это значительная проблема.

 

Биоэлектрические потенциалы, создаваемые нейрональными клетками вокруг мембраны, довольно слабые: от десяти до двухсот микровольт в зависимости от клетки, ширины щели между ней и графеном и прочих факторов. Передавать их на расстояние нескольких метров без потерь практически невозможно:  электромагнитные волны от других устройств заглушают слабый сигнал. На основе графена нельзя построить транзисторы, которые будут выполнять логические операции для усиления сигнала. Оптимальным решением будет использовать графен для измерения и создавать дополнительные транзисторы из других 2D-материалов. Они позволят предусилить сигнал от 10 микровольт до 10 милливольт, которые можно проводить без потерь на 10 километров. Это важная задача и для обычной электроники, и для медицинских девайсов. Предусиление сигнала позволит сделать все технологии беспроводными и взаимодействовать с устройствами через транзисторные системы.

Перспективы практического применения графена

Сложно сказать, когда графеновую биоэлектронику начнут широко применять на практике. Ученые испытывают нейродевайсы, биосенсоры и другие исследовательские проекты в лабораторных условиях. Чтобы вывести их на уровень медицинского применения, нужно развивать индустрию производства графеновых устройств. Для исследований обычно изготавливают от 10 до 100 аппаратов. Медицинская практика требует гораздо больших масштабов: нужны тысячи и миллионы таких устройств. Сейчас кажется, что перспектива практического применения пока далеко за горизонтом, но через 5–10 лет можно будет сказать нечто более определенное. Исследовательские группы экспериментируют с графеном в разных направлениях, применяют его для решения многих задач. Пока сложно однозначно выделить перспективные подходы, на это нужно время и инвестиции, которые помогут развивать уже имеющиеся исследования.

Графен в электронике: сегодня и завтра

Графен у всех на слуху, однако не все четко представляют себе, что это за материал и как он применяется в настоящее время.

В данном обзоре, не претендующем на всеохватность этой бурно развивающейся сейчас темы, представлена информация об этом материале и областях его применения.  

Общие сведения

Графен был экспериментально обнаружен в 2004 г. двумя английскими учеными российского происхождения — Андреем Геймом и Константином Новосёловым, за что они вскоре получили Нобелевскую премию по физике. Графен представляет собой слой атомов углерода, соединенных в гексагональную двумерную кристаллическую решетку. Это, по сути, пленка углерода толщиной в один атом, имеющая строго упорядоченную кристаллическую структуру. Графен можно считать развернутой в плоскость одностенной нанотрубкой или двумерным фуллереном, или же отдельно взятым атомарным слоем из множества таких слоев, составляющих монокристалл пиролитического графита.  

Структура графена  

Слой графита толщиной в один атом обладает рядом ценных свойств: отличается высокой стабильностью, в т.ч. и при комнатной температуре, а также высокой тепло- и электропроводностью. Подвижность электронов в графене в 10—20 раз выше, чем в арсениде галлия. Из этого материала можно создавать чипы, пригодные для работы на терагерцовых частотах. Хотя монослои графита обладают такой же подвижностью носителей зарядов при комнатной температуре, как и нанотрубки, однако для него, в общем случае, применима обычная, отработанная годами планарная технология. К тому же, благодаря двумерной структуре управляющий ток может быть легко увеличен за счет изменения ширины проводящего канала.

Проводник или полупроводник?

На пути создания графеновой электроники остается еще много препятствий, в т.ч. невозможность выращивания больших графеновых пластин, высокая стоимость материала и трудности с управлением его проводимостью. В частности, еще недостаточно разработаны способы получения полупроводников из графена — до сих пор графен и его производные известны только в виде проводников и изоляторов.

Недавно был получен полупроводниковый материал на основе графена, в котором атомы кислорода заключены в гексагональную структуру графена. По замыслу исследователей, в ходе нагрева оксида графена в вакууме должен был выделиться кислород и получиться многослойный графен. Однако при повышении температуры атомы углерода и кислорода стали выстраиваться в упорядоченную структуру моноокиси графена, не существующего в естественном виде.

Исследователи демонстрируют атомную структуру моноокиси графена

Полученный материал обладает полупроводниковыми свойствами и имеет широкие перспективы применения в производстве электроники. Меняя температуру нагрева, исследователи получили четыре новых материала, которые были отнесены к категории GMO. В настоящее время определяется устойчивость моноокиси графена и возможность масштабировать этот материал для производства.

Ранее было открыто другое интересное свойство графена, которое заключается в том, что определяющую роль в формировании свойств графена играет материал, на котором он выращивается. В частности, если подложку, на которой будет выращена структура, активировать кислородом, то полученный лист графена будет обладать свойствами полупроводника, если водородом – то свойствами металла. «Варьируя химический состав подложки, мы можем управлять природой графена, наделяя его свойствами полупроводника или металла», — сообщил Сарож Наяк (Saroj Nayak), профессор кафедры физики и астрономии Ренсселарского политехнического института.

Управление током в графене: нитрид бора может статью ключом к графеновой микроэлектронике

Графен — самый тонкий в мире материал. Почти единственным на сегодняшний день принципиальным препятствием для его применения является невозможность управления электронным потоком по графену. Например, до сих пор не удалось найти способ остановить ток в графене: на атомарном уровне работают законы квантовой механики, которые сильно отличаются от тех, что действуют на макроуровне. Электроны в слое графена проходят сквозь препятствия (т. н. туннельный эффект, применяемый также в некоторых радиоэлектронных приборах), а не отскакивают от них, как это происходит в макромире. Недавно было обнаружено, что при наложении слоя графена на слой нитрида бора возникает новая гексагональная структура, которая определяет путь прохождения электронов по образцу.

Один из способов создания графенового двоичного триггера. Квадратная графеновая ячейка разбивается на два треугольных участка. Электроны отражаются, когда напряжения имеют разную полярность, и проходят, когда напряжения одинаковы.

Этот факт может стать ключом к созданию нового типа электронных устройств, отличающихся малым размером и низким энергопотреблением. Из-за этой особенности контролировать распространение электронов по слою очень сложно. Недавние исследования показали, что при наложении пленки нитрида бора на слой графена удается задержать некоторые электроны. Это первый шаг на пути решения проблемы.

Нитрид бора имеет сходную с графеном структуру, однако является диэлектриком. Пленки из нитрида бора можно использовать также для улучшения электрических свойств графена. Они предотвращают флуктуации электронного заряда.

Формирование гексагональной структуры при наложении нитрида бора на графен

Если менять угол между кристаллическими решетками, количество электронов, которые не могут проходить сквозь решетку, увеличивается. Коэффициент задержания зависит от размера гексагонального рисунка, который возникает при угловом смещении одного из слоев (аналогичный эффект – возникновение муарового рисунка при наложении линейчатых структур). По сути, этот рисунок является картой электрического потенциала.

Размер рисунка в зависимости от угла наложения: а слишком мелкий, б правильный

В настоящее время идет процесс изучения различных графеновых структур с помощью сканирующего туннельного микроскопа, который позволяет получить изображение сверхрешетки и измерить ее размер. Если гексагональный рисунок слишком мелкий, образец отбраковывается. Примерно 10-20% образцов показывают желаемый эффект. Если данный процесс удастся автоматизировать, будет создана графеновая микроэлектроника.

Псевдомагнитные свойства графена

Группа физиков из Университета в Арканзасе ведет разработки в несколько ином ключе. Они предлагают управлять потоком электронов с помощью изменения механического напряжения в материале.

Было замечено, что если приложить к графеновой пленке механическое усилие, ее электрические свойства изменятся так, как будто материал поместили в магнитное поле. Чтобы использовать данное свойство, необходимо научиться контролировать механическое напряжение.

Исследователи из Университета в Арканзасе провели следующий эксперимент. Они натянули графеновые мембраны на тонкие квадратные рамки и просканировали поверхность графена туннельным микроскопом с помощью постоянного тока. В сканирующем туннельном микроскопе для создания карты рельефа поверхности используется электрический ток очень малой величины. Чтобы поддерживать ток на постоянном уровне в процессе сканирования рельефа поверхности, микроскоп данного типа меняет напряжение на кончике туннельного зонда, когда он передвигается вверх-вниз. Было замечено, что при этом форма мембраны также изменялась – мембрана изгибалась и стремилась приблизиться к щупу. Форма мембраны изменялась в зависимости от заряда между щупом и мембраной. Изменяя напряжение на щупе, можно управлять механическим напряжением мембраны.

В свободном состоянии графеновые мембраны имеют бугристую форму. Это является препятствием для их применения в электронных устройствах, поскольку на изломах проводимость мембраны резко падает.

Для более полного понимания этого свойства было проведено исследование теоретической системы, содержащей графеновые мембраны. Ученые сопоставили величину механического напряжения и рассчитали расположение щупа микроскопа относительно мембраны. Оказалось, что взаимодействие между мембраной и щупом зависит от расположения щупа. По этим данным можно рассчитать псевдо-магнитное поле для заданного напряжения и механического усилия.

Из-за того, что мембрана ограничена квадратной рамкой, напряженность поля меняется с положительной на отрицательную. Для создания неосциллирующего поля требуется изготовить треугольную ячейку. Возможно, именно она позволит найти способ управлять псевдомагнитными свойствами графена.

Примеры применения графена

В настоящее время в области применения графена ведутся разработки в следующих направлениях:

Высокочастотные транзисторы. Подвижность электронов в графене гораздо больше, чем в кремнии, поэтому цифровые элементы из графена обеспечивают более высокую частоту работы. Некоторые компании уже заявляли об успехах в этой области. Так, транзисторы IBM работают на частоте 26 ГГц и имеют размер около 240 нм. Поскольку между размерами транзистора и его производительностью существует обратная зависимость, увеличение рабочей частоты достигается с за счет уменьшения его размеров.

Строение графенового транзистора

Микросхемы памяти. Прототип нового типа запоминающего устройства состоит всего из 10 атомов графена. Во время лабораторных тестов группе профессора Джеймса Тура из американского Университета Райс удалось создать кремниевые модули, на которых были размещены 10 атомарных слоев графена. В итоге графеновый слой получил толщину около 5 нм. Исследователи говорят, что в новых экспериментальных модулях базовые ячейки хранения информации примерно в 40 раз меньше ячеек, используемых в самых современных 20-нм модулях NAND-памяти. Данная технология потенциально способна во много раз увеличить емкость модулей памяти. Кроме того, данные запоминающие устройства способны выдерживать сильное радиационное излучение и температуру до 200°C, сохраняя всю информацию.

Ячейка флэш-памяти на основе графена

Еще одно преимущество разработки заключается в беспрецедентной экономичности расхода энергии. Для хранения данных модули памяти используют два исходных состояния — нейтральное (выключенное) и заряженное (включенное). Для того, чтобы закодировать 1 бит информации в графеновых модулях требуется в миллион раз меньше энергии, чем для кодирования того же бита в кремниевых чипах.

Электроды для суперконденсаторов. Проводимость графеновых электродов превышает 1700 См/м, тогда как у электродов на активированном угле она составляет лишь 10–100 См/м. Благодаря высокой механической прочности LSG-электроды могут использоваться в суперконденсаторах без связующих элементов или токоприемников, что упрощает конструкцию и снижает себестоимость изготовления суперконденсаторов.

Графеновый суперконденсатор (ионистор)

Исследователи из Калифорнийского университета Лос-Анджелеса и Калифорнийского института наносистем (California NanoSystems Institute) продемонстрировали высокопроизводительные электрохимические конденсаторы на основе графена, которые сохраняют превосходные электрохимические параметры при больших механических нагрузках. Статья на эту тему в марте была опубликована в журнале Science.

Устройства, изготовленные с использованием гравированных лазером графеновых электродов, характеризуются очень высокой плотностью энергии в разных электролитах, высокой плотностью мощности и поцикловой стабильностью. Более того, эти суперконденсаторы сохраняют отличные электрохимические свойства при больших механических нагрузках, благодаря чему их можно будет применять в мощных и гибких электронных устройствах.

Недорогие дисплеи для портативных устройств. Графен можно использовать вместо ITO (оксида индия-олова) в электродах для OLED-дисплеев. Во-первых, это позволяет снизить стоимость дисплея, а во-вторых, упрощает его утилизацию за счет прекращения использования металлических элементов.

Дисплей, изготовленный с применением графена

Кроме того, было установлено, что графен пропускает до 98% света. Это значительно выше показателя пропускания лучших материалов из ITO (82-85%). Графен обладает высокой электропроводностью, что позволяет использовать его для создания прозрачных электродов, управляющих поляризацией и состоянием жидких кристаллов.

Другая группа исследователей недавно установила, что несколько слоёв графена, нагретые при температуре 300-400°C в присутствии порошкового хлорида железа (FeCl3) приводит к интеркаляции слоёв графена и хлорида железа. Электроны из хлорида железа увеличивают число носителей заряда в слоях графена, а результате чего поверхностное сопротивление слоя падает до 8,8 Ом на квадрат при видимой прозрачности материала 84%. Новый материал имеет хорошую долговременную и температурную стабильность и во много раз лучше по характеристикам, чем сравнимые слои ITO: при том же поверхностном сопротивлении последний имеет прозрачность лишь 75%, а при той же прозрачности — сопротивление в 40 Ом на квадрат.

Гибкое прозрачное устройство отображения (дисплей с печатной платой) станет возможным изготовить на основе графена.

Аккумуляторы для автомобилей на водородном топливе. С помощью графеновых пленок можно увеличить энергию связи атомов углерода. Это позволит увеличить емкость, либо уменьшить вес аккумуляторов.

Датчики для диагностики заболеваний. В основе работы этих датчиков лежит тот факт, что молекулы, чувствительные к некоторым болезням, присоединяются к атомам углерода в графеновом слое. В датчике используется графен, молекулы ДНК и флуоресцентные молекулы. Флуоресцентные молекулы соединяются с одиночной ДНК, которая в свою очередь связывается с графеном. Когда другая одиночная молекула ДНК связывается с ДНК, присоединенной к слою графена, и формируется двойная ДНК, которая свободно передвигается по графену, увеличивая уровень излучения.

Принцип распознавания поврежденных ДНК

Охлаждение электронных схем. Недавно созданный композитный материал на основе графена и меди нашел применение в качестве наиболее эффективного и недорогостоящего средства охлаждения электронных устройств. Теплопроводность композита составляет 460 Вт/(м·K), тогда как у меди она равна 380 Вт/(м·K).

Композит осаждается на охлаждаемую поверхность электрохимическим способом в виде пленки толщиной 200 мкм. Уже разработана схема переоснащения оборудования для изготовления медно-графенового теплоотвода.

Элементы с малым удельным весом и высокой прочностью. Добавление в эпоксидный композит графена обеспечивает более высокую удельную прочность элементов, поскольку графен прочно связывается с молекулами полимеров.

Вместо заключения

Нет сомнений, что когда эти и другие разработки будут доведены до конца, наше представление об электронике коренным образом изменится. Как? Например, так, как показано в следующем видеоролике:

Его создатели, правда, не учли, что к тому времени и одежда будет сделана с применением углеволокна и графена и будет выглядеть совсем по-другому. 🙂

Читайте также:

Химически модифицированный графен для новой электроники
У графена появился соперник — графин
Новые возможности суперконденсаторов с графеновыми электродами
Графеновые микросхемы толщиной в один атом углерода могут создаваться крупносерийно
Графен можно выращивать дешево
Ученые создали первую в мире графеновую память
Найден способ управления свойствами графена
Графеновый транзистор разогнали до 26 ГГц
Исследователи создали моноокись графена для будущей электроники
Для лучшего охлаждения кристаллов придуман композит меди и графена

60 Использование графена — Полное руководство по (потенциальным) применениям графена в 2019 году

Графен, называемый чудо-материалом, занял свое место в мировой индустрии спешки.

Сегодня во всем мире наблюдается значительный рост графеновой лихорадки. Графен — это материал, состоящий из чистого углерода, похожий на графит, но с характеристиками, которые делают его необычайно легким и прочным. Лист графена площадью один квадратный метр весит 0,77 миллиграмма. Его прочность в 200 раз выше, чем у стали, а плотность аналогична плотности углеродного волокна.

Все это позволяет выдерживать высокие изгибающие усилия без разрушения. Это один из самых проводящих электричество и тепло материалов, что делает его идеальным материалом для электроники и многих других отраслей промышленности. Для многих экспертов графен — это материал будущего. Его научное определение можно считать несколько сложным, но правда в том, что свойства этого материала открывают новые горизонты в мире технологий.

Введение

Его применение практически безгранично и обещает произвести революцию во многих областях: от электроники и вычислительной техники до строительства и даже здравоохранения. Вы можете найти почти все области применения графена в этом списке — некоторые из них уже коммерциализированы, некоторым нужны годы, чтобы материализоваться.

Напоминание : Графен не зря называют «чудо-материалом» . Об этом есть десятки исследований, которые еще не опубликованы, но завтра могут изменить мир. С другой стороны, некоторые из потенциальных приложений, которые мы здесь перечисляем, могут быть опровергнуты в будущем. По этой причине мы не можем утверждать, что этот список включает все применения графена, но, несомненно, это один из наиболее полных списков применений графена, которые вы можете найти в Интернете.

Отказ от ответственности: Содержание этого поста или любого другого связанного материала предназначено только для информационных целей и не должно восприниматься как медицинский или технический совет.

  • Приложения Graphene в Энергетическая промышленность : Пункты 1-6
  • Приложения Graphene’s в Медицина : Пункты 7-22
  • Graphene’s Applications in .
  • . 34
  • Приложения Graphene в Продовольственная промышленность : Предметы 35-39
  • Приложения Graphene’s в Sports : пункты 40-45
  • . Другие приложения. ОТДЕЛА. -60

Применение графена в энергетике

1. Графен в солнечных батареях

свойства и способность нести ток был проблемой. Использовался оксид индия-олова, потому что он был прозрачным, однако он не был гибким, поэтому ячейка должна была оставаться жесткой.

В 2017 году исследователям из Массачусетского технологического института удалось успешно применить графен на солнечной батарее. Когда они сравнили графеновый солнечный элемент с другими, изготовленными из алюминия и оксида индия и олова, они увидели, что он так же хорош, как элемент ITO, и немного хуже, чем алюминиевый, с точки зрения плотности тока и эффективности преобразования энергии. Однако ожидается, что прозрачная ячейка будет работать хуже, чем непрозрачная ячейка на основе алюминия.

Хотя электрические свойства не были прорывом, был разработан гибкий и прозрачный солнечный элемент, который можно установить на любую поверхность (автомобили, одежда, бумага, мобильные телефоны и т. д.). Более того, другие ученые пытаются выяснить, могут ли графеновые солнечные батареи генерировать энергию из капель дождя, что теоретически выглядит возможным.

Чтобы получить дополнительную информацию, вы можете прочитать Использование графена в солнечных батареях.

2. Аккумуляторы из графена

Литий-ионные аккумуляторы с улучшенным графеном демонстрируют невероятные характеристики, такие как более длительный срок службы, более высокая емкость и более быстрое время зарядки, а также гибкость и легкость, поэтому их можно использовать в носимой электронике.

Чтобы получить дополнительную информацию, вы можете прочитать Литий-ионные батареи в сравнении с графеновыми батареями.

3. Графен на атомных электростанциях

Тяжелая вода, используемая на атомных электростанциях для охлаждения реакторов, является дорогостоящей в производстве и вызывает миллионы тонн выбросов CO2 во время производства. Исследователи из Манчестерского университета обнаружили, что существует более экологичный и недорогой метод производства тяжелой воды: графеновые мембраны. Руководитель группы д-р Лозада-Идальго считает, что это нововведение чрезвычайно важно, и его внедрение в ядерную отрасль произойдет в ближайшее время, хотя эта отрасль обычно скептически относится к новым технологиям.

Чтобы получить дополнительную информацию, вы можете прочитать статью «Графен для атомных электростанций».

4. Графен в термоэлектрическом

Эффект Зеебека определяется как термоэлектрический эффект, возникающий при воздействии тепла на один из двух разнородных электрических проводников (или полупроводников) для перемещения электронов из горячей части в более холодную часть. и производить электроэнергию. Однако энергия, генерируемая этим методом, очень мала, обычно измеряется микровольтами. Тем не менее, считается, что его можно использовать для получения выгоды от тепла, выделяемого двигателями, которое практически тратится впустую. Графен можно использовать для увеличения эффекта Зеебека, создаваемого титанатом стронция, почти в 5 раз.

Чтобы получить дополнительную информацию о стратегиях улучшения литий-ионных аккумуляторов,

, вы можете прочитать наш блог.

5. Графен в дистилляции спирта

Физические свойства графена настолько интересны и уникальны, что он пропускает большие молекулы воды, но останавливает молекулы гелия, которые могут просачиваться через стекло. Андре Гейм (один из изобретателей графена) и Рахул Наир из Манчестерского университета попытались запечатать бутылку водки разработанной ими графеновой мембраной и обнаружили, что графен может эффективно дистиллировать этанол даже при комнатной температуре и без вакуума, необходимого для дистилляции. методы. Эта область применения может быть использована в алкогольных напитках, топливе, очистке воды и так далее.

6. Графен в топливных элементах

Даже атомы водорода, известные как самые маленькие атомы, не могут пройти через графен. В другом исследовании сэр Андре Гейм и его команда проверили, блокируются ли протоны графеном или нет. Удивительно, но протоны могли проходить сквозь графен. Это свойство улучшит характеристики топливных элементов за счет снижения перехода топлива, что является серьезной проблемой для топливных элементов, снижающих долговечность и эффективность.

Чтобы получить дополнительную информацию о разработке топливных элементов с помощью нанотехнологий,

, вы можете  прочитать наш блог.

Применение графена в медицине

7. Графен в доставке лекарств

Функционализированный графен можно использовать для доставки химиотерапевтических препаратов к опухолям у онкологических больных. Носители на основе графена лучше воздействуют на раковые клетки и снижают токсичность пораженных здоровых клеток. Доставка лекарств не ограничивается лечением рака, противовоспалительные препараты также переносятся с помощью комбинаций графена и хитозана и дали многообещающие результаты.

8. Графен в лечении рака

Графен также может обнаруживать раковые клетки на ранних стадиях заболевания. Более того, он может остановить их дальнейший рост при многих типах рака, вмешиваясь в правильное формирование опухоли или вызывая аутофагию, которая приводит к гибели раковых клеток.

9. Графен в доставке генов

Доставка генов — это метод, используемый для лечения некоторых генетических заболеваний путем введения чужеродной ДНК в клетки. Для этих целей можно использовать оксид графена, модифицированный полиэтиленимином. Ожидается, что он проявит низкую цитотоксичность, как это было в случае с доставкой лекарств.

10. Графен в фототермической терапии

Фототермическая терапия (ФТТ) — это подход, используемый для устранения аномальных клеток в целевой области тела путем облучения специального агента, который создает тепло, способное разрушить эти клетки. Оксид графена повышает эффективность PTT несколькими способами. Во-первых, его можно использовать для переноса химиотерапевтических препаратов к опухолевым клеткам при одновременном воздействии на них ПТВ. Подобное сочетание химиотерапии и ПТТ более эффективно, чем использование одного из этих подходов по отдельности. Нанокомпозит восстановленного оксида графена (QD-CRGO) можно использовать во время PTT для биовизуализации раковых клеток. Более того, в своем исследовании группа ученых из Техасского технологического института и Техасского университета A&M показала, что использование оксида графена, функционализированного биосовместимым порфирином, в качестве платформы для ПТТ при раке головного мозга убивает больше раковых клеток, чем одно ПТТ, при этом не нанося вреда здоровые клетки.

11. Графен в мониторинге диабета

Ученые из Университета Бата разработали тест для мониторинга уровня глюкозы в крови, который не прокалывает кожу, в отличие от используемых в настоящее время тестов из пальца. Этот пластырь, включающий графеновый датчик, способен воздействовать на небольшую область, содержащую как минимум один волосяной фолликул. Он обнаруживает глюкозу, вытягивая ее из жидкости, присутствующей между клетками. Это не только положит конец болезненным методам контроля уровня сахара в крови, но и, как ожидается, повысит точность результатов.

12. Графен в диализе

Графеновые мембраны используются не только в энергетической, атомной и пищевой промышленности. Группа исследователей из Массачусетского технологического института показала, что графен можно использовать для фильтрации крови от отходов, наркотиков и химических веществ. Преимущество графена в данном случае в том, что он в 20 раз тоньше традиционных мембран, что приводит к значительному сокращению времени пребывания пациентов на диализе.

13. Графен в имплантации костей и зубов

Гидроксиапатит, форма апатита кальция, представляет собой материал, используемый в качестве синтетического заменителя кости для регенерированных костных и зубных тканей. Графен в сочетании с гидроксиапатитом и хитозаном продемонстрировал увеличение прочности, коррозионной стойкости, гибкости, а также механических и остеогенных свойств заменителя по сравнению с одним ГАп.

14. Графен в тканевой инженерии и клеточной терапии

Графен может лечить не только кости. Было показано, что некоторые формы графена совместимы с остеобластами человека и мезенхимальными клетками человека, демонстрируя сходные свойства с физиологическим микроокружением клеток. Клетки, выращенные этим методом, демонстрировали лучший рост, пролиферацию и дифференцировку, но не влияли на жизнеспособность клеток. Стволовые клетки особенно важны в реинжиниринге тканей для улучшения жизни людей с нейронными расстройствами или нейродегенеративными заболеваниями.

15. Графеновые УФ-датчики

УФ-датчики используются для обнаружения опасных уровней ультрафиолетового излучения, которые могут привести к проблемам с кожей или даже к раку. Однако это не единственное применение УФ-датчиков, они также используются в армии, оптической связи и мониторинге окружающей среды. Сам по себе графен может не обладать высокой фоточувствительностью, но в сочетании с другими материалами они создают гибкие, прозрачные, экологически чистые и недорогие УФ-датчики, которые в ближайшем будущем приведут к таким технологиям, как носимая электроника.

16. Графен для мозга

Тайны мозга еще полностью не раскрыты. Технология на основе графена может позволить ученым раскрыть многие неизвестные, записывая электрическую активность мозга. Это новое устройство способно слышать частоты ниже пределов старых технологий и не мешает работе мозга. Помимо исследования того, как работает мозг, технология может помочь ученым понять причины приступов эпилепсии и разработать методы лечения пациентов. Более того, если мы узнаем больше о мозге, это может привести к разработке новых интерфейсов «мозг-компьютер», которые используются во многих областях, включая управление протезами конечностей.

17. Графен в диагностике ВИЧ

Несмотря на все улучшения, современные методы диагностики ВИЧ имеют много недостатков. Они могут либо обнаружить антитела в организме почти через месяц после того, как пациент был инфицирован, либо они могут обнаружить сам вирус, однако эти методы требуют некоторого времени для обработки и более дороги по сравнению с методом антител. Биосенсор из кремния или графена, содержащий наночастицы золота, был разработан Национальным исследовательским советом Испании, который нацелен на p24, антиген, обнаруженный в ВИЧ. Новый метод может обнаружить вирус только через неделю после заражения и на уровнях в 100 000 раз ниже, чем те, которые могут обнаружить текущие тесты. Более того, результаты теста готовы в течение 5 часов после тестирования.

Чтобы получить дополнительную информацию, вы можете прочитать «Самая быстрая диагностика ВИЧ с помощью наночастиц золота и графена».

18. Графеновые биосенсоры

Одним из преимуществ графена является его способность обнаруживать минимальные количества веществ. С его помощью можно обнаружить даже одну молекулу в большом объеме. Биосенсоры из графена, оксида графена или восстановленного оксида графена проявляют сверхчувствительные свойства при обнаружении ДНК, АТФ, дофамина, олигонуклеотидов, тромбина и различных атомов. Есть несколько медицинских компаний, которые уже продают медицинские датчики, изготовленные из графена.

19. Графеновый бактерицид

Графен — великолепный бактерицидный материал, поскольку он предотвращает образование микроорганизмов, таких как бактерии, вирусы и грибки, повреждая их клеточные мембраны между внешними слоями. По сравнению с различными производными графена оксид графена и восстановленный оксид графена демонстрируют наилучшие антибактериальные эффекты. GO также можно использовать в качестве соединения с наночастицами серебра для еще большего усиления антибактериальных свойств.

20. Графен в противозачаточных средствах

Графен обладает всеми свойствами, необходимыми для презервативов: он гибкий, очень прочный и очень тонкий. Исследователи из Манчестерского университета работали над созданием «суперпрезервативов» из графена и латекса. Исследование получило большое финансирование, в том числе от Фонда Билла и Мелинды Гейтс.

21. Графен в общении глухонемых

Группа китайских ученых разработала носимое биоинтегрированное устройство, которое может переводить язык жестов в текст и устную речь. Устройство использует невероятную проводимость и гибкость графена.

22. Графен в сканах тела

В отличие от рентгеновских лучей, Т-волны, которые можно использовать для сканирования тела, безвредны для человеческого организма. Однако есть одна загвоздка. Т-волны, или ТГЦ-излучение, трудно одновременно обнаружить и генерировать. Хорошая новость заключается в том, что с помощью некоторых модификаций и других материалов CVD-графен может успешно обнаруживать ТГЦ-излучение. Это не только приведет к более безопасному сканированию тела, но и к невероятно быстрому интернету в будущем.

Чтобы получить дополнительную информацию о графене в медицине,

, вы можете  прочитать наш блог.

Применение графена в электронике

23. Графен в производстве света электронов, которая увеличивается при движении по графену. Это совпадение позволяет преодолеть световой барьер для электронов и создает свет. Преимущество этого метода по сравнению с традиционными способами генерации света, такими как люминесцентные лампы или светодиоды, заключается в том, что он, как ожидается, будет более эффективным, быстрым, компактным и управляемым, и похоже, что генерация света из графена станет ключевой вехой в разработке еще меньших, более быстрые и эффективные компьютерные чипы.

Чтобы получить больше информации, вы можете прочитать Использование графена в электронике.

24. Графеновые транзисторы

Новые супертранзисторы, заменяющие кремний графеном, могут увеличить скорость компьютеров в тысячу раз по сравнению с современными технологиями. Увеличение скорости компьютеров является важным шагом для улучшения многих технологий, включая, помимо прочего, блокчейн, моделирование космического пространства, роботов и фондовые рынки.

25. Графен в водонепроницаемой электронике

Одна из основных проблем электронных устройств, которых боятся люди, — это падение в воду. Вместо того, чтобы закрывать устройство тугими винтами, графен предлагает отличное решение этой проблемы. Инженеры из Университета штата Айова печатают схемы устройства с помощью графеновых хлопьев, потому что графен прозрачен, прочен и проводит электричество. Графеновые чешуйки расположены в определенном порядке, и для их объединения используются непроводящие связующие вещества, которые улучшают проводимость. Как и в большинстве областей применения, графен снова предлагает отличное решение этой проблемы.

26. Графен в носимой электронике

Исследователи ищут новые способы питания носимых устройств. Один из выдающихся способов — гибкие батареи, напечатанные на ткани с графеном. Это позволяет людям носить свои батареи и буквально заряжать свои смартфоны или другие устройства. Если этого удастся достичь, это будет экологически чистый и умный электронный текстиль, способный накапливать энергию. Ношение тяжелых аккумуляторов или зарядных устройств станет историей благодаря изобретению этой удивительной идеи.

27. Графен для сенсорных экранов

Оксид индия-олова (ITO) — коммерческий продукт, используемый в качестве прозрачного проводника для смартфонов, планшетов и компьютеров. Исследователи из Университета Райса разработали тонкую пленку на основе графена для использования в сенсорных экранах. Обнаружено, что тонкая пленка на основе графена превосходит ITO и любые другие материалы с точки зрения производительности, поскольку она имеет более низкое сопротивление и более высокую прозрачность. Таким образом, графен является новым материалом-кандидатом на замену ITO.

28. Графен в гибких экранах

Технологический мир станет одним из величайших бенефициаров стандартизации графена как материала для включения в такие продукты, как смартфоны или планшеты. Это был бы решительный шаг к продвижению в мире смартфонов.

Недавно китайская компания выпустила гибкий смартфон с графеновым сенсорным экраном. Поскольку один слой графена прочный, легкий, прозрачный и очень проводящий, он отвечает всем требованиям для производства смартфонов. Смартфон китайской компании имеет возможность полностью свернуть твист, а его вес составляет всего 200 грамм, что обеспечивает идеальное удобство в использовании. Однако производство графена в промышленных масштабах обходится дорого по сравнению с другими материалами, используемыми в смартфонах. Исследователи ищут способы производства графена с меньшими затратами. Когда эта и некоторые другие проблемы будут решены, в будущем старые телефоны, похоже, будут заменены этими гибкими смартфонами.

Проект Nanografi Greengraphene » Победитель проекта Nanografi Europe Horizon 2020: Green Graphene » производство высококачественного графена экологически безопасными методами и с минимальными затратами.

29. Графен в жестких дисках и памяти

Обычно графен не считается магнитным, по крайней мере, в контролируемом или полезном смысле. В 2015 году исследователи из исследовательской лаборатории ВМС США нашли способ превратить графен в надежный и управляемый электромагнитный материал. Если это нововведение будет использовано в жестких дисках, ожидается, что их емкость будет почти в миллион раз больше, чем мы используем сегодня.

30. Графен в эластичных роботах

Группа исследователей разработала гель, чувствительный к свету в ближнем инфракрасном диапазоне, который можно использовать во многих приложениях при создании гибких или эластичных частей роботов. Змееподобные роботы, созданные с помощью этого метода, способны изменять свою форму без каких-либо внешних сил. Их будущее применение может варьироваться от поисково-спасательных до медицинских операций.

31. Графен как сверхпроводник

Ученые обнаружили, что графен также можно использовать в качестве сверхпроводящего материала. Два слоя графена могут проводить электрон без какого-либо сопротивления. Этого можно добиться, скрутив эти два слоя графена под «магическим углом», который составляет 1,1°. Большинство сверхпроводящих материалов проявляют свои свойства при температурах, близких к абсолютному нулю. Даже высокотемпературные сверхпроводящие материалы по сравнению с обычными могут работать при температуре около -140°C. Другими словами, эти сверхпроводящие материалы требуют огромной энергии для охлаждения. Если графен можно будет использовать в качестве сверхпроводящего материала при температурах, близких к комнатной, произойдет огромная революция во многих областях применения.

32. Графен в оптоэлектронике

Исследователи работают над новым материалом для оптической связи, поскольку с течением времени потребность в энергии и мощности возрастает. Исследование, проведенное в сотрудничестве с различными университетами, показало, что интеграция графена с кремнием может превзойти современную кремниевую фотонную технологию. Как это может превзойти нынешнее состояние искусства? Потому что устройства, сделанные из графена, дешевле, проще и работают на больших длинах волн. Судя по всему, графен представит низкоэнергетическую оптическую телекоммуникацию и многие другие удобные оптические системы.

33. Графен в оптических сенсорах

Благодаря своим супер-свойствам графен сделал много прорывов в промышленности и науке. Исследователи пытались уменьшить свет, чтобы сделать оптические датчики меньше. Недавно Институт фотонных наук (ICFO) в Барселоне в сотрудничестве с командой Graphene Flagship провел исследование, которое объясняет сокращение света до толщины всего в один атом, что многие исследователи считают невозможным. Это открытие приведет к огромному прорыву в сверхмалых оптических датчиках и переключателях.

34. Графеновые датчики безопасности

Одним из первых практических и реальных применений графена были защитные этикетки. Вместо громоздких датчиков, которые используют многие магазины, датчики, изготовленные из графена, меньше по размеру, более эстетичны, способны сгибаться, не вызывая повреждения схемы, и стоят всего пару центов за метку.

Чтобы получить дополнительную информацию об использовании оксида кальция,

вы можете  прочитайте наш пост в блоге.

Применение графена в пищевой промышленности

35. Графен в пищевой упаковке

Графен также можно использовать в качестве материала покрытия, поскольку он препятствует переносу воды и кислорода. Графеновые мембраны можно использовать в пищевой или фармацевтической упаковке, сохраняя продукты питания и лекарства свежими в течение более длительного времени. Это может показаться простым приложением, но оно может значительно сократить количество пищевых отходов, которые люди выбрасывают каждый день.

Чтобы получить дополнительную информацию о графене в упаковке продуктов питания и напитков,

, вы можете  прочитать наш блог.

36. Графен в очистке воды

Обычно очистка воды не является простым процессом, и осуществимость процесса зависит от того, насколько сильно загрязнена вода. Австралийский ученый нашел недорогой метод очистки воды за один шаг. В качестве фильтра используется графен на основе сои, который также называют «GrapHair». Этот фильтр может сделать даже самую грязную воду пригодной для питья. это эффективнее, дешевле и экологичнее по сравнению с другими методами.

Чтобы получить дополнительную информацию, вы можете прочитать Использование графена в фильтрации воды

37. Графен в опреснении

Приблизительно 97,5% всей воды на планете соленая. Неважно, сколько колодцев мы выкопаем, только 2,5% от общего количества — это пресная вода. Фильтры на основе сеток, использующих графен, дали потрясающие результаты. Университет Манчестера использовал графен для изготовления фильтрующего сита, которое имеет более высокую плотность и пропускает частицы воды, но предотвращает попадание солей.

38. Графен для защиты растений

Графен — отличный материал для сенсоров. Датчики микроразмера можно производить благодаря уникальной структуре графена. Он может определить, опасна ли молекула для окружающей среды. Эти датчики можно использовать в пищевой промышленности, особенно в защите растений. Фермеры могут отслеживать и обнаруживать опасные и вредные газы для урожая, а также определять идеальные участки для роста урожая в зависимости от атмосферных условий и даже уровня влажности и «жажды» растений с помощью графеновых датчиков.

39. Графен для продовольственной безопасности

Исследования, проведенные Университетом риса США, показали, что лазерно-индуцированный графен можно наносить на различные вещества, такие как дерево, хлеб, кокос и т. д. Это может показаться веществом с узором на нем напечатано чернилами, но это не так. Лазер науглероживает материал, а науглероженный материал превращается в графен. С помощью этой техники можно получить любой желаемый узор. С помощью этого метода можно решить проблемы, связанные с продовольственной безопасностью.

Чтобы получить дополнительную информацию о применении графена в полимерах,

, вы можете прочитать наш блог.

Применение графена в спорте

40. Графен в обуви

Кроссовки из графена? Да, хотя в данном случае он не используется в чистом виде, другие композитные материалы используют его. На самом деле утверждается, что подошва из чистого графена может прослужить сотни лет. Университет Манчестера и спортивный бренд Inov-8 разработали обувь с использованием графена, который увеличивает прочность и гибкость подошвы на 50%. Эта обувь более прочная и поглощает удары, которые могут повредить кости и суставы.

41. Графен в шлемах

Идеальный шлем должен быть прочным, ударопрочным, прочным, удобным и легким. Графен невероятно прочный, легкий и гибкий. Его даже используют в пуленепробиваемых жилетах, так что он точно выдерживает удары. Благодаря этим свойствам графен коммерчески используется в мотоциклетных шлемах.

42. Графен в шинах

Графен также используется для изготовления «умных» шин и компонентов спортивных велосипедов. Добавление графена в велосипедные шины, по-видимому, увеличивает сопротивление проколу и скорость, снижает сопротивление качению и делает их легче, прочнее, быстрее и эластичнее.

43. Одежда из графена

Использование волокон графена в тканях обеспечивает антибактериальную и антистатическую одежду, которая может сохранять тепло и блокировать УФ-излучение. Эти ткани можно использовать для создания спортивной одежды для активного отдыха, пижам для детей, отталкивающих почвенные бактерии, или даже домашней мебели, предотвращающей развитие бактерий на ее поверхности.

44.Графеновые ракетки

Графен может улучшить распределение энергии и вес ракетки, одновременно увеличивая скорость и стабильность обслуживания. Производитель теннисного снаряжения Head уже разработал серию коммерчески доступных ракеток, усиленных графеном, под названием «Graphene 360», которые уже используются такими звездами тенниса, как Новак Джокович и Саша Зверев.

45. Графеновые электронные татуировки и фитнес-трекер

Графеновые электронные татуировки (GET) разработаны учеными Техасского университета. Во-первых, они более устойчивы к влаге, обладают большей эластичностью — с возможностью роста или усадки до 40 %, имеют общую толщину 463 ± 30 нм, имеют оптическую прозрачность около 85 %. Они как вторая кожа. Эти татуировки можно использовать для отслеживания частоты сердечных сокращений, температуры, уровня гидратации, насыщения кислородом и даже уровня воздействия ультрафиолета. Области их применения могут варьироваться от фитнес-трекинга до медицины.

Другие применения графена

46. Графен и шелк

Исследователи в Китае провели исследование по улучшению свойств шелка, который уже имеет отличные характеристики. Тутовые шелкопряды питаются листьями белой шелковицы. Исследователи распылили раствор, содержащий 0,2% графена, на листья и позволили тутовым шелкопрядам съесть эти листья. Результаты были многообещающими, потому что коммерческие шелкопряды, которых кормят листьями, покрытыми графеном, дают в десять раз больше, чем обычный шелкопряд. Хотя неизвестно, сколько графена переваривается тутовыми шелкопрядами, это исследование окажет положительное влияние на умную одежду, которая является горячей темой последних лет.

47. Графен в цементе

Потенциальные области применения графена расширяются с течением времени. Одним из важных потенциальных применений графена является строительная промышленность, потому что графен одновременно прочен и легок, что идеально подходит для строительства. Его можно использовать вместо стали, но прочность и вес – не единственные параметры. Основная проблема графена заключается в том, что трещина в графене распространяется очень быстро, что может привести к катастрофическим отказам. Исследователи пытаются найти способы использования графена в строительстве. Группа исследователей из Университета Эксетера использовала графен в цементе в качестве армирующего материала и провела испытания. В результате был получен в 2,5 раза более прочный и в 4 раза менее водопроницаемый бетон, что доказывает, что графен может быть отличным армирующим материалом в строительстве.

Чтобы получить дополнительную информацию, прочитайте Использование графена в строительстве.

48. Графен в изоляции

Графен можно использовать в качестве сверхпроводника или изоляционного материала, когда два листа графена расположены под магическим углом. Большинство металлических деталей автомобилей, кораблей или самолетов страдают от ржавчины. Когда графен сочетается с краской, он может стать отличным изоляционным материалом для создания поверхностей без ржавчины. Другим применением может быть покрытие кирпичей и камней. Таким образом можно построить водонепроницаемые дома.

Чтобы получить дополнительную информацию, вы можете прочитать Использование графена в строительстве.

49. Графен в динамиках и наушниках

Динамик преобразует электричество в звук, вибрируя мембрану в воздухе. Графен используется для изготовления легких и очень прочных мембран. Более того, в наушниках используется небольшая диафрагма, армированная графеном. GrapheneQ, наушники, разработанные компанией ORA Sound, легче и меньше, и в то же время они могут воспроизводить более громкие и качественные звуки с меньшими затратами энергии.

50. Графен в фотографии

Благодаря своим исключительным свойствам и высокой чувствительности к ультрафиолетовому, видимому и инфракрасному излучению, графен кажется одним из идеальных материалов для развития цифровой фотографии и любой дисциплины, где задействованы оптические модуляторы и фоторецепторы. . Датчики камер, усиленные графеном и квантовыми точками, могут быть меньше и легче, обеспечивая при этом более высокие уровни разрешения, чем любой небольшой датчик до сих пор.

51. Графен в автомобилестроении

Невероятная прочность и твердость графена в сочетании с его гибкостью идеально подходят для начала создания автомобилей, невосприимчивых к ударам. Кроме того, могут быть созданы и безаварийные транспортные средства. Это приведет к прямому снижению смертности на дорогах. Ожидается, что графеновые автомобили, которые мы увидим в автосалонах в ближайшие десять лет, будут дешевле и легче.

52. Графен в самолетах

Ученые из Великобритании разработали самолет, в котором графен используется для покрытия крыльев из углеродного волокна. Модель самолета Prospero была легче, так как достаточно было покрыть крылья одним слоем улучшенного композита. Он потребляет меньше топлива, лучше противостоит ударам, а также снижает экологические затраты.

Чтобы получить дополнительную информацию, вы можете прочитать Использование графена в аэрокосмической промышленности.

53. Графеновые краски

Каждый художник прекрасно знает: влажность – главный враг живописи. Graphenstone — компания, которая производит решения для рисования графеном. Результат? Свет лучше отражается, защищает бочки и подвалы, поглощает 120 граммов CO2 на квадратный метр и способен противостоять коррозии, возникающей при контакте с металлами.

Чтобы получить дополнительную информацию, вы можете прочитать Использование графена в строительстве.

54. Графен в баллистике

Кевлар используется в производстве бронежилетов, касок, защитной одежды и даже оружия. Но графен обладает гораздо большей пластичностью и более безопасен с медицинской точки зрения в случае аварии и попадания в кровоток. Кроме того, композиты из кевлара и графена легче носить и лучше поглощают тепло для защиты волокон по сравнению с самим кевларом.

55. Графен в военном защитном снаряжении

Одно из будущих применений графена предназначено для военной промышленности. В частности, его полезность будет направлена ​​на экранирование и защиту. Его можно использовать для изготовления шлемов, пуленепробиваемых жилетов и многих других аксессуаров. Фактически, это может стать определяющим материалом для будущего полицейских сил и армий.

Чтобы получить дополнительную информацию, вы можете прочитать «Военные применения графена».

56. Графен в тепловом и инфракрасном зрении

Большим достижением, которое мы могли бы увидеть, является разработка графеновых линз, позволяющих видеть в тепловом и инфракрасном диапазоне. Графен позволяет изготавливать такие сверхтонкие устройства со встроенной камерой, которая дает пользователю инфракрасное и тепловое зрение. То, что до сих пор мы видели только в фантастических фильмах.

57. Графен в машинных смазках

Промышленные машины больше всего страдают от трения, потому что трение отрицательно влияет на долговечность, прочность, эффективность и срок службы машин. Чтобы свести к минимуму эти эффекты, используются твердые или жидкие смазки. В последнее время графен, который имеет бесчисленное множество потенциальных областей применения, начал выделяться в этой области. Почему графен? Потому что он предлагает отличные характеристики трения и износа по сравнению с обычными материалами. Он также может служить твердой или жидкой смазкой. Кроме того, высокая химическая инертность, гладкая и плотно упакованная поверхность делают графен отличным смазочным материалом.

58. Графен для защиты стекла от коррозии

Одной из областей применения графена является то, что его можно использовать в качестве материала покрытия для стекла. Хотя стекло является материалом с высокой устойчивостью к коррозии, оно может подвергаться коррозии в некоторых условиях, таких как высокая влажность или экстремальные значения pH. Кроме того, долговечность стекла может иметь жизненно важное значение в некоторых областях, таких как фармацевтическая или оптическая промышленность. Это предотвращает любой тип отказа, такой как коррозия, окисление, электромагнитное излучение. Графен с высокой прозрачностью и высокой химической инертностью может быть перспективным материалом для защиты стекла.

59. Графен в радиационной защите

Ученые пытались свести радиацию к минимуму, так как она очень опасна для здоровья человека. Для этой цели в качестве материала, экранирующего излучение, можно использовать различные материалы, но существует множество параметров, влияющих на эффективность экранирования. Графен известен как слабый поглотитель излучения, но ученые обнаружили, что он может быть отличным защитным материалом, когда он используется в многослойной форме, представляющей собой графеновые плиты. Графен является выдающимся материалом для этой цели благодаря низкой стоимости производства, легкому весу и высокой эффективности по сравнению с любыми другими экранирующими материалами.

Чтобы получить дополнительную информацию, вы можете прочитать графеновую защиту от радиации.

60. Графен для защиты от коррозии нефтегазовых труб

Подводные трубы, используемые для транспортировки нефти или газа, со временем подвержены коррозии, поскольку CO2 и вода иногда могут проникать через внешние слои. Их ремонт обходится дорого, и если они сломаются из-за коррозии, они высвободят содержимое, которое может быть токсичным для водных организмов. Исследователи из Манчестерского университета и технологической фирмы TWI разработали покрытие из графеновых нанопластинок и протестировали его в условиях температуры и давления, с которыми трубы могут столкнуться под водой. В результате проницаемость CO2 уменьшилась на 90%, а также снижает проницаемость других коррозионно-активных веществ.

Не удалось найти известное вам применение графена? Или видели тот, который устарел и больше не действует? Графен — это новый материал с великолепными свойствами, и каждый день начинаются или проводятся десятки исследований по нему, так что мы, возможно, пропустили одно из них.

Для получения дополнительной информации посетите наш Blografi.

18 июля 2019 г. Озге Кутун, Арслан Сафдер, Танер Озипек, Ханде Гюрсель

Графен, 5 эффективных применений, уже проверенных сегодня

Имея всего один толстый атом, графен теперь является самым тонким веществом в мире. У него много свойств: он проводит электричество, он гибкий и является одним из самых прочных известных материалов на планете. В последние годы гонка ученых и инженеров по применению графеновой технологии в носимых электронных устройствах была замечательной.

Даже если это приложение-убийца до сих пор не найдено, случайно обнаруженный двумя исследователями материал меняет правила глобального рынка благодаря потенциальному распространению в самых разных сферах: от моды до дизайна, от аккумуляторов до так так называемые нанотехнологии.

Это может показаться преувеличением, но, бегло взглянув на онлайн-обзоры новостей и научные исследования, становится все более очевидным, что этот материал становится фундаментом для эволюции и роста человека благодаря своим уникальным свойствам.

Он уже находит многочисленные применения в мире велнеса, теннисных ракеток, шлемов, лыж, кроссовок и продуктов питания.

Бесконечно тонкая струйная струя проецирует схемы на любую поверхность, открывая путь для инновационных приложений.

Но в чем выигрышные свойства этого удивительного материала? Почему он становится таким популярным во всех областях применения? Почему наука выбрала его для решения проблем, которые раньше было невозможно решить? Каковы текущие приложения на рынке?

Все происходит из углерода

Аллотропный элемент или соединение, которое может принимать различные формы и проявлять различные физические и химические свойства.

С научной точки зрения графен представляет собой аллотропное состоящее из одного слоя атомов углерода , расположенных в гексагональной решетке, и является основным структурным элементом многих других атомов углерода, таких как графит, алмаз, уголь, углеродные нанотрубки и фуллерены.

В зависимости от расположения атомов углерода получают разные материалы с одинаковой специфичностью. Например, когда атомы углерода связываются в упорядоченную структуру, получается графит, который является минералом, используемым в наконечнике карандашей. Если, с другой стороны, структура, в которой углерод упорядочен, полностью упорядочена, получается алмаз . Недавно появился графен , который имеет упорядоченную структуру атомов, но только 2 измерения.

Открытие этого материала было сделано двумя английскими физиками, Андреем Геймом и Константином Новоселовым из Манчестерского университета, открытие, которое принесло им Нобелевскую премию по физике.

У него есть две основные характеристики, которые отличают его от всех остальных и делают его чрезвычайно интересным: он обладает механической прочностью алмаза и гибкостью пластика. Но многие другие уже обнаружены. Давайте узнаем некоторые из них.

Свойства графена

Исследования, направленные на выявление особенностей этого необычного материала, все еще ведутся, но, похоже, некоторые из них уже были задокументированы наукой.

Электронные свойства: батареи

Используется в качестве основного компонента совершенно нового вида батарей. Эти батареи используются в нескольких секторах, особенно в мобильных телефонах, где они постепенно заменяют литиевые батареи.

Оптические свойства: фотоабсорбент

Несмотря на толщину в один атом, этот материал на основе углерода поглощает только 2,3% светового излучения во всем оптическом спектре.

Термические свойства: проводник тепла

Хотя углерод сам по себе не проводит тепло, макромолекула графена является отличным проводником тепла.

Механические свойства: просто непревзойденные

Самый тонкий материал , самый прозрачный (пропускает 97,7% света) и самый стойкий в мире. По словам его первооткрывателей, один лист графена (то есть лист высотой 1 атом) шириной 1 квадратный метр и весом 0,7 мг потенциально выдержит вес кошки в 4 кг и будет практически невидимым.

Светоотражающие свойства: лампы

Исследователи Columbia Engineering создали лампу, которая работает как обычная лампа накаливания с вольфрамовой нитью, но способна излучать свет благодаря нить накаливания из графена. Чтобы добиться такого результата, ученые нанесли маленькие металлические электроды на полоски графена, невидимые невооруженным глазом. Когда по цепи проходит электрический ток, графен нагревается до 2500 °C, излучая видимый свет.

Графен в одежде и революция Интернета вещей

Непрерывный поиск высокоэффективных, легких и одновременно интеллектуальных материалов подталкивает правительства и промышленность к инвестициям все более крупные суммы денег в новые технологии для одежды и обуви.

Связность и вес, которые позволяет графеновая технология, помогут спортсменам улучшить свои повседневные результаты : от обуви до курток, настоящая революция будет заключаться в том, чтобы работать над улучшением результатов спортсмена благодаря данным, которые можно собирать в реальном времени. время, непосредственно из тела людей, конечно же, благодаря материалам на основе графена.

Специальные чернила с прикрепленными схемами

Таким образом, вскоре электронные устройства можно будет стирать в стиральной машине. Но сначала напечатали прямо на одежде, что сделало электронику полностью пригодной для носки. Секрет может заключаться в чернилах, изготовленных из графена.

Бесконечно тонкий струйный принтер проецирует схемы на любую поверхность, открывая путь для инновационных приложений.

Через несколько лет многие электронные устройства и схемы, которые будут напечатаны непосредственно на одежде, будут сопровождаться этикеткой, указывающей, можно ли их стирать в машине и гладить, что сделает реальностью носимую электронику.

Giacche nanotech

Уже сегодня, например, английский стартап производит графеновых спортивных курток , чтобы подчеркнуть, что у этого высокотехнологичного материала есть будущее в моде, и уже сегодня возможны применения, улучшающие некоторые его свойства. .

По словам производителей, благодаря графену куртка обеспечивает идеальную терморегуляцию: оставленная на некоторое время в тепле и надетая с графеном внутри, она может согреть тело, равномерно распределяя тепло, для приятного эффект пухового одеяла .

Одежда Smart Fiber

Не только куртки: мир обуви также переживет революцию благодаря потенциальному применению графена. В 2018 году на рынок были выпущены первые кроссовки для бега и трейлраннинга с графеновой подошвой.

Новая графеновая резина помогает обуви быть легче и устойчивее: исследования, проведенные Национальным институтом графена Манчестерского университета, показали, что резиновые подошвы с добавлением графена оказались на 50% более устойчивыми, чем традиционные.

Сверхпрочная обувь

Группа ученых из Эксетерского университета разработала новую технологию создания электронных графеновых волокон для включения в повседневную одежду.

Новая технология была использована для создания графеновых волокон, которые передают технологии, которые могут быть включены в производство одежды. В настоящее время носимую электронику по сути получают путем приклеивания устройств к тканям, что приводит к жесткости изделия и вероятной неисправности.

Исследовательская группа считает, что это открытие может произвести революцию в производстве носимых электронных устройств, например, позволив лучше контролировать состояние здоровья и помогая более точной медицинской диагностике даже во время физической или спортивной деятельности.

Графен в спорте: велосипедные шины, шлемы и теннисные ракетки

Италия вместе с Китаем находится в авангарде масштабного производства изделий из графена.

Например, компания Colmar из Монцы недавно запустила с графеновыми вставками в коллекции 2018/19, а Vittoria уже несколько лет производит трубчатые и гоночные колеса для велоспорта из резины, в состав которой входит графен для улучшения сцепления, скорости и сопротивления проколам. Графен действует как магнит : вставляя себя между молекулами каучука, он фактически создает с ними связь и сохраняет их более сплоченными.

Посмотреть галерею