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

Содержание

Электроника НТБ — научно-технический журнал — Электроника НТБ

Что такое графен?

Графен (C62h30) – одноатомный слой молекул углерода – относится к впечатляющему семейству углеродов, которое включает его трехмерные (алмаз, полуметаллы – графит), одномерные (полупроводники или металлы – углеродные нанотрубки) и нульмерные (фуллерены) аллотропные формы. Двухмерную аллотропную форму углерода, получившую название графен, описанную теоретически более 60 лет назад и широко используемую для описания свойств различных материалов на основе углерода, очень долго не удавалось получить практически, поскольку считалось, что двухмерные кристаллы не могут существовать из-за своей нестабильности. Это мнение было опровергнуто лишь в 2004 году, когда совместными усилиями ученых Манчестерского университета (Великобритания) под руководством профессора Андре Гейма и российского Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых металлов в Черноголовке под руководством доктора К.Новоселова удалось получить и воспроизвести структуру графена [1]. Сначала ученые провели мягким графитовым карандашом по бумаге, затем «промокнули» ее лентой обычного скотча, подобно тому, как это делают криминалисты, снимающие отпечатки пальцев. После отшелушивания скотч с многочисленными тонкими пленками графита и графена прижимали к подложке кремния со слоем SiO2 тщательно выбранной толщины. При этом трудно получить пленку, или скорее «лист», графена определенного размера и формы в фиксированных областях подложки. Поэтому главной составляющей успеха оказалась возможность найти с помощью оптического микроскопа слабую интерференционную картину образцов одноатомных слоев графита, перенесенных на поверхность кремниевой подложки. Авторы считают, что если бы не этот достаточно простой, но эффективный способ сканирования подложки в поисках кристаллов графена, их, вероятно, не открыли бы и по сей день. Таким образом, графен представляет собой двухмерную аллотропную форму углерода с гексагональной кристаллической решеткой, формируемой тремя из четырех внешних электронов атома с sp2-связями. При этом атом имеет три ближайших соседних атома. Несвязанные четвертые электроны находятся на вертикальных орбиталях, простирающихся над и под плоскостью кристаллической решетки. Присутствие пентагональных (пятиугольных) или гептагональных (семиугольных) кристаллических ячеек считается признаком наличия дефектов. В присутствии пентагональной ячейки плоскость материала сворачивается в конус. Присутствие 12 пентагональных ячеек вызывает формирование фуллерена. Введение гептагональных ячеек приводит к формированию плоскости седлообразной формы. Контролируемое добавление пентагональных и гептагональных ячеек позволяет формировать разнообразные виды материала.

Уникальные свойства графена обусловлены его кристаллической и электронной структурами. В полупроводниках носители заряда (электроны и дырки) взаимодействуют с периодическим полем кристаллической решетки, приводя к образованию квазичастиц (возбужденных состояний, ведущих себя как реальные частицы). Энергия квазичастиц в твердом теле зависит от их момента и описывается их энергетическим состоянием, находящимся либо в заполненной валентной зоне, либо в относительно «пустой» зоне проводимости. Эти энергетические зоны разделены запрещенной зоной, в которой энергетические состояния отсутствуют.

Кристаллическая структура графена состоит из двух эквивалентных подрешеток, что приводит к образованию двух энергетических зон и двух «конических» точек на уровне нулевого заряда носителей К и К’, в которых валентная зона и зона проводимости соприкасаются. В результате носители заряда в графене ведут себя как фотоны, или безмассовые квазичастицы с постоянной «эффективной» скоростью света (скоростью Ферми) νF ≈ 106 м/с, которые при низких значениях энергии описываются релятивистским уравнением Дирака. При этом электроны и дырки являются фермионами, т.е. частицами с полуцелым значением спина, и они заряжены. В настоящее время аналогов для таких безмассовых заряженных фермионов среди известных элементарных частиц нет.

Нулевая масса носителей заряда графена обусловливает их исключительно высокую подвижность – параметр, характеризующий пригодность материала для применения в современной электронике. Согласно измерениям рассеяния акустических фотонов графена, выполненных группой ученых под руководством А.Гейма и К.Новоселова, впервые сумевших в 2004 году получить графен, предельное значение подвижности носителей в этом материале при комнатной температуре и плотности носителей 1012 см-2 составляет 20 м2/В·с. (Подвижность носителей в кремнии составляет 0,15 м2/В·с, в широко используемом арсениде галлия – 0,85 м2/В·с.) Соответствующее значение удельной проводимости слоя графена составляет 10-6 Ом·см. Однако при измерении подвижности носителей графена, нанесенного на слой двуоксида кремния, рассеяние электронов фотонами подложки приводит к снижению значения подвижности до 4 м2/В·с, что тем не менее по-прежнему больше, чем у кремния и полупроводниковых соединений. При повышении температуры подвижность падает. Это связано с тем, что графен не представляет собой идеально плоский лист и имеет рифленую поверхность. При повышении температуры морщины и выпуклости графена начинают вибрировать, что замедляет движение электронов. Группа Гейма полагает, что в графене с более плоской поверхностью подвижность электронов будет еще выше. И действительно, сейчас ведутся работы по получению свободновисящих пленок графена, что должно увеличить подвижность носителей до 200 м2/В·c. Полученные значения подвижности свидетельствуют о том, что электроны могут перемещаться в графене на большие расстояния баллистически (без столкновений) и при комнатной температуре. Это свойство графена делает его многообещающим материалом будущих наноэлектронных систем [2].

Отсутствие запрещенной зоны в графене означает, что, хотя на его базе можно изготовить «углеродный полевой транзистор», никакое внешнее напряжение не сможет закрыть этот транзистор. И здесь возникает вопрос, как использовать необычайно высокую подвижность носителей заряда графена в наноэлектронике? Очевидно первое, что надо сделать, – это «открыть» запрещенную зону. Сейчас активно изучаются два способа получения в графене запрещенной зоны ощутимой ширины при комнатной температуре.

По-видимому, решить поставленную задачу можно достаточно простым способом – сформировать потенциал, по-разному действующий на две подрешетки графена. Объединение двух листов графена в двухслойный материал приводит к формированию четырех энергетических зон, две из которых соприкасаются, благодаря чему такой материал по-прежнему не имеет запрещенной зоны. Но в отличие от однослойного графена, носители заряда в двухслойном материале при приложении внешнего электрического поля могут иметь массу, что свидетельствует о возможности «открытия» запрещенной зоны и управления ее шириной. Ученым Калифорнийского университета в Беркли под руководством Фенг Ванга удалось показать, что при изменении внешнего напряжения, приложенного к двухслойному графену, от 0 до 250 мВ [3] можно управлять шириной запрещенной зоны материала в пределах от 0 до 250 мэВ (ширина запрещенной зоны германия и кремния составляет ~740 и 1200 мэВ соответственно). Отмечается, что для получения столь впечатляющего результата было принято два важных решения. Во-первых, был изготовлен двухзатворный полевой транзистор, что позволило независимо управлять шириной запрещенной зоны и электрическим легированием материала. Нанополевой транзистор был выполнен на кремниевой подложке, которая служила его нижним затвором. Слой двуокиси кремния малой толщины отделял подложку-затвор от двухслойного графена, поверх которого был нанесен слой прозрачной окиси алюминия. Вторым затвором служила платина, выращенная на пленке окиси алюминия.

Второе решение, позволившее зарегистрировать появление запрещенной зоны и управлять ее шириной, заключалось в отказе от измерения электрического сопротивления графена. Вместо этого с помощью пучка синхротронного ИК-излучения, формируемого аппаратурой Advanced Light Source (ALS), регистрировалась оптическая пропускная способность графена. Варьируя напряжения затворов, ученые фиксировали изменение поглощаемого графеном излучения. Пик поглощения в каждом спектре соответствовал ширине запрещенной зоны для заданного напряжения затвора. Таким образом, путем независимого управления напряжением двух затворов ученые Калифорнийского университета показали возможность изменять ширину запрещенной зоны графена в достаточно широком диапазоне плюс возможность независимого задания его энергетических состояний за счет «электрического легирования» материала. Правда, проведенные эксперименты лишь показали, что графен пригоден для применения в наноэеклтронике. Для получения приборов с требуемыми характеристиками потребуется большой объем работ, в первую очередь по повышению чистоты материала.

Но сегодня особо привлекательным представляется способ формирования запрещенной зоны в однослойном графене за счет создания структур нулевого размера, так называемых графеновых нанолент (Graphene NanoRibbon, GNR). Исследования показали, что в зависимости от атомной структуры краев – креслоподобной (armchair) или зигзагообрзной (Zig-Zag) (рис.1) – нанолента графена, длина которой не намного больше ее ширины, может иметь свойства металла или полупроводника. Наноленты, формируемые путем разрезания листа графена вдоль зерен, имеют зигзагообразную структуру и характеризуются в основном свойствами металла, тогда как при разрезании листа вдоль зерен образуется креслоподобная структура. В графеновой ленте такой структуры возможно наличие запрещенной зоны и, следовательно, полупроводниковых свойств. При этом, как показали расчеты специалистов Политехнического института Ренсселира, шириной запрещенной зоны можно управлять, изменяя длину наноленты [4].

Наноленты формируются либо методами литографии и травления (как и элементы полупроводниковых приборов), либо сочетанием термического и ультразвукового отшелушивания графита из раствора и нанесения его на подложку.

Возможность получения лент графена с металлическими свойствами позволит отказаться от применения проводников в наносхемах. Это устраняет главное препятствие для применения в электронных схемах углеродных нанотрубок, сопротивление которых при присоединении металлических проводников существенно повышается. Работы ученых Института технологии штата Джорджия по анализу удельного сопротивления графеновых нанолент шириной 18 нм и длиной 0,2–1 мкм показали, что при комнатной температуре наноленты по этому параметру не отличаются от медных проводников того же размера [5, 6]. Поскольку параметры графеновых нанолент с неоптимизированными свойствами сравнивались с оптимистическими оценками удельной проводимости медных проводников малой ширины, исследователи считают, что в конечном итоге графен по своим характеристикам превзойдет традиционный проводящий материал. И не только по удельной проводимости, но и по более высокой подвижности носителей, теплопроводности, механической прочности и меньшей емкостной связи между соседними проводящими линиями. Благодаря этому достигается большая гибкость при построении различных наноэлектронных приборов с требуемыми характеристиками.

Плоские графеновые листы легко обрабатываются с помощью ионно-лучевой литографии, их можно нарезать на наноленты. Здесь интерес представляет предложенный специалистами Пенсильванского университета метод получения нанолент путем травления листов, содержащих несколько слоев графена, вдоль определенных кристаллографических направлений с помощью наночастиц железа.

Интерес представляет и работа ученых Политехнического института Ренсселира Сародж Наяка и Филиппа Шемелла по «настройке» свойств графена путем выращивания его на различных подложках [7]. Исследования показали, что при нанесении на поверхность, обработанную кислородом, графен приобретает свойства полупроводника, а при нанесении на поверхность, обработанную водородом, – свойства металла.

Таким образом, появилась возможность использования графеновых нанолент для формирования межсоединений и активных электронных приборов. И этой возможностью не пренебрегли крупнейшие электронные компании.
Графеновый транзистор

В конце 2008 года компания IBM объявила о разработке графенового полевого транзистора (GFET), работающего в гигагерцевом диапазоне. Тем самым был сделан важный шаг на пути выполнения программы создания углеродной электроники для ВЧ-применений (Carbon Electronics for RF Applications, CERA), спонсируемой DARPA и выполняемой под руководством Центра космических и военно-морских систем США (Space and Naval Warfare Systems Center, SNWSC).

Транзистор был изготовлен на основе наноленты графена шириной 20 нм с помощью метода механического отслаивания чешуек графита и размещения их на слое термического оксида кремния толщиной 300 нм, нанесенного на высокоомную кремниевую подложку (>10 кОм·см) (рис.2). Электродами стока и истока служили 10 нм/50 нм слои Pd/Au, которые наносились поверх слоя титана толщиной 1 нм, выполняющего роль адгезива. Изолятором затвора служила пленка оксида алюминия толщиной 12 нм, осажденная методом атомно-слоевой эпитаксии (Atomic Layer Deposition, ALD) при температуре 250°С. Электроды формировались с помощью электронно-лучевой литографии и взрывного травления. Электроды истока перекрывали всю графеновую чешуйку (рис.2б), чтобы минимизировать неопределенность при ее извлечении для измерения S-параметров транзистора. Расстояние между электродами истока и стока составляло 500 нм, верхний затвор длиной LG полностью не перекрывал это расстояние. Ширина затвора (или ширина обоих каналов) составляла ~40 мкм [8].

Для выявления проблем, влияющих на окончательные параметры прибора, после каждой технологической операции измерялись электрические характеристики транзистора по постоянному току. Было получено, что подвижность носителей до осаждения диэлектрика затвора µeff составляла 400 см2/В·с, после осаждения диэлектрика µeff существенно уменьшилась (рис.3).

В созданных компанией IBM графеновых полевых транзисторах заряд переносят электроны и дырки при положительных и отрицательных значениях напряжения соответственно. Минимальная проводимость соответствует точке Дирака, где вклад электронов и дырок в перенос заряда одинаков. Напряжение верхнего затвора транзистора слабо влияет на значение минимальной проводимости или ток, указывая на то, что металлизация электродов верхнего затвора не изменяет свойства графенового канала. Было установлено, что в полевых транзисторах с верхними затворами зависимость тока стока от напряжения ID(VD) почти линейная до напряжения 1,6 В. Отсутствие насыщения тока – следствие нулевой запрещенной зоны графена. Вероятно, насыщение тока в графеновых транзисторах возможно при более высоких значениях напряжения смещения. Но для достижения требуемой скорости насыщения при представляющих интерес значениях напряжения стока подвижность носителей очевидно должна быть более высокой.

Измерения высокочастотных характеристик графеновых транзисторов с верхними электродами и затворами различной длины показали отличную частотную зависимость усиления по току в режиме короткого замыкания, что указывает на подобие графенового транзистора традиционному полевому транзистору. Было получено, что с изменением напряжения затвора частота отсечки fT пропорциональна крутизне характеристики прямой передачи gm в соответствии с выражением fT = gm / (2πCG), где CG – общая емкость затвора. С уменьшением длины канала в соответствии с зависимостью fT ~ I/LG2 частота отсечки увеличивалась и при длине канала графенового полевого транзистора 150 нм составила 26 ГГц. По мнению разработчиков, при обеспечении в процесса изготовления высокой подвижности носителей графена (порядка 2000 см2/В·с) частота отсечки при длине затвора 50 нм может достичь уровня терагерц (1012 Гц).

В дальнейшем планируется выращивать графен на пластинах карбида кремния и уменьшить ширину канала графенового наноленточного транзистора до 2 нм [9–11].

Высокочастотный графеновый полевой транзистор продемонстрирован ООО HRL Laboratories (США) [12]. Работа выполнена в рамках программы CERA в сотрудничестве с группой университетов, промышленных компаний и Исследовательской лаборатории ВМС (NRL). Ток во включенном состоянии составлял 1180 мкА/мкм при напряжении стока 1 В. Частота отсечки была равна 4 ГГц при длине затвора 2 мкм. Максимальная частота 14 ГГц была зафиксирована при напряжении сток-исток 5 В. По-видимому, частотные характеристики можно улучшить, так как графеновые полевые транзисторы могут быть масштабированы до длины затвора менее 100 нм, что приведет к уменьшению значений паразитных емкости и сопротивления. Программа CERA была начата в июле 2008 года, ее завершение планируется на сентябрь 2012 года. Цель программы – создание на базе графеновых транзисторов малошумящих усилителей, работающих в W-диапазоне (>90 ГГц). Усилители планируется изготавливать на пластинах диаметром 200 мм или более с выходом годных, превышающим 90%. Предназначены усилители для военных средств отображения информации следующего поколения и широкополосных систем связи [12–14].

Работы по синтезу материала с оптимальными характеристиками и совершенствованию технологических процессов обработки позволили создать эпитаксиальные графеновые транзисторы с подвижностью носителей ~6000 см2/В·с, отличным насыщением вольт-амперной характеристики и отношением тока включения к току отключения, равным 19.

Интерес представляет и разработанный учеными Массачусетского технологического института однотранзисторный умножитель частоты. Схема состоит из одного графенового транзистора и одного нагрузочного резистора. В отличие от традиционных полупроводниковых приборов на кремнии или арсениде галлия, работа которых основана на переносе носителей одного типа (электронов или дырок), ток графенового транзистора независимо от типа носителей всегда проходит через резистор в одном направлении, что и обеспечивает эффект умножения частоты. При подаче переменного входного сигнала в течение положительного полупериода индуцируется ток электронов через сток. В течение отрицательного полупериода индуцируется ток дырок. Выходное напряжение возрастает с нулевого значения в соответствии с изменением входного переменного сигнала, что и приводит к удвоению частоты. Исследователи полагают, что высокая подвижность электронов графеновых транзисторов позволит создать умножитель на частоту до 1012 Гц [15].
Графеновая память

Необычные свойств графена привлекают и разработчиков высокопроизводительных компонентов компьютерной техники, в том числе энергонезависимой оперативной памяти. И здесь внимание привлекают работы ученых Университета Райса (США) Джеймса Тура, Юйбао Ли и Александра Синицкого, создавших ячейку памяти на основе диэлектрических наностержней – сердцевины из двуоксида кремния с графеновой оболочкой толщиной 5–10 нм. Изучение характеристик таких стрежней показало нелинейность их вольт-амперной характеристики: при низких значениях напряжения сила тока монотонно растет с увеличением напряжения, но при некотором пороговом значении напряжения Vпор происходит резкий переход в непроводящее состояние (рис.4). Более того, такая структура обладает памятью: если наностержень перевести в непроводящее состояние импульсом, превышающим Vпор, это состояние после снятие напряжения не изменяется. Восстановление проводящего состояния возможно лишь при некотором значении напряжения V<Vпор. Как показали исследования структуры наностержня с помощью сканирующего электронного микроскопа, ток при напряжении выше порогового приводит к разрыву наноленты графена шириной в несколько нанометров. При повторной подаче меньшего напряжения разрыв замыкается (рис.5). Исследователи объяснили это свойство следующим образом. При напряжении, превышающем Vпор, графитовая оболочка разрушается в местах расположения дефектов. Части разорванных графеновых слоев могут быть расположены на поверхности нанокабеля достаточно близко друг к другу и при приложении аксиального электрического поля притягиваются друг к другу и замыкают цепь (рис.6). Таким образом, графеновая оболочка работает по принципу наноэлектромеханической системы (НЭМС), в которой перемещение графеновых листов происходит в масштабах, сравнимых с размерами атомов. Правда, группа исследователей под руководством профессора Тура признает, что пока точного объяснения эффекта памяти графена нет.

Тем не менее, очевидно, что на основе таких наностержней можно создать ячейку памяти, в которой логическим «0» и «1» будут соответствовать состояния с низкой и высокой проводимостью. Считывание, запись и стирание информации в такой ячейке можно выполнять импульсами соответствующего напряжения. Таким образом, устройство на основе наностержней с графеновой оболочкой является энергонезависимой ячейкой памяти. Согласно данным исследователей, отношение сигнала в состояниях включено («1») и выключено («0») достигает 107.

По утверждению разработчиков, объем графеновой памяти может превысить объем наиболее перспективной на сегодняшний день энергонезависимой флеш-памяти в пять раз, поскольку размер ее ячейки памяти меньше 10 нм, тогда как в флеш-памяти минимальный размер ячейки по-видимому не будет меньше 25 нм. Кроме того, новая ячейка памяти может иметь два контакта, а не три, как в современных устройствах памяти, что позволит послойно наращивать графеновые матрицы и, соответственно, увеличивать объем памяти с каждым слоем. К достоинствам графеновой памяти относится и достаточно широкий диапазон рабочей температуры – -75…200°С. Испытания предложенной памяти показали также ее стойкость к радиационному облучению, что делает ее перспективной для применения в системах, работающих в экстремальных условиях.

Кроме того, испытания показали высокую надежность графеновой памяти – 20 тыс. циклов записи/считывания не привели к изменению скорости переключения ячейки, измеренное значение которого составляло 1 мкс. Правда, это значение ограничено возможностями лабораторной измерительной аппаратуры, поэтому предполагается, что пропускная способность графеновых ЗУ может быть выше.

К недостаткам предложенной графеновой памяти относится достаточно большое время выборки – 100 нс (в десять раз больше, чем у современных СОЗУ). Но разработчики уверены, что по мере совершенствования новой структуры им удастся уменьшить это время.

И сейчас группа профессора Тура интенсивно разрабатывает промышленную технологию формирования графеновой памяти, одним из вариантов которой является химическое осаждение графена из паровой фазы на кремниевую или иную подложку и применение обычной или электронно-лучевой фотолитографии для формирования нанополос графена.

Группа Тура заключила соглашение с компанией NuPGA (New Programmable Gate Arrays), согласно которому предложенная технология формирования графеновых нанополос будет использована для включения графена в сквозные отверстия микросхемы вентильной матрицы. Изменяя напряжение, подаваемое на графен, с 3,5 до 3 В, можно «размыкать» и «замыкать» соединение, формируемое графеном и таким образом программировать и репрограммировать вентильную матрицу. Подача напряжения в 1 В позволяет определить состояние соединения [16–18].

Группа Тура также лицензировала разработанный процесс получения тонкопленочных проводящих листов графена для применения в оборудовании изготовления устройств радиочастотной идентификации (RFID) методом струйной печати.

Интерес вызывает и работа ученых Национального университета Сингапура под руководством Барбороса Озилмаза, которые нанесли тонкий слой сегнетоэлектрика поверх ленты гарфена. Подача напряжения на слой сегнетоэлектрика позволяет изменять направление его собственного магнитного поля, что в свою очередь изменяет сопротивление графена. Память этого типа очень проста в изготовлении. К тому же, свойства ферроэлектриков хорошо изучены, а значит, проблемы с управляющим слоем, переключающим состояние ячейки памяти, возникать не должны. Правда, пока проект по созданию графеновой памяти такого типа находится на ранней стадии. Сейчас исследователи переносят на кремниевую подложку графеновые листы размером около 2 мкм, после чего осаждают два золотых электрода, а затем наносят верхний слой сегнетоэлектрика. Скорость считывания данных такого весьма грубого устройства в пять раз выше, чем у магнитной памяти. Новые устройства способны выдержать около 100 тыс. циклов переключения из состояния включено («1») в состояние выключено («0»). Для сравнения – современная магнитная память выдерживает более 106 циклов записи/перезаписи.
От графена к графану

И здесь снова первенство принадлежит ученым Университета Манчестера, в том числе А.Гейму и К.Новоселову, которые обнаружили, что графен может взаимодействовать с другими веществами, в результате чего образуются новые соединения с различными свойствами [19]. Ими, опять впервые, была показана возможность контролируемого превращения графена, материала с высокой электропровдностью, путем обработки его потоком водорода в диэлектрик – графан.

Следует отметить, что впервые термин «графан» был введен в 2006 году физиками Университета Пенсильвании, которые теоретически показали, что в результате взаимодействия графена с атомарным водородом может образоваться новое вещество с химической формулой CH. Теоретики, работавшие под руководством профессора Джорджа Софо, рассчитали зонную структуру нового материала, предсказали, что графан должен быть полупроводником, рассмотрели способы его получения и возможное применение в электронике. И вот предсказанный материал практически реализован, и расчеты теоретиков подтверждены.

Графан, как и графен, имеет двухмерную гексагональную кристаллическую структуру. При этом атомы водорода присоединяются к атомам по обе стороны плоскости углерода (рис.7). Графен, полученный традиционным методом отшелушивания и отожженный при температуре 300°C в атмосфере аргона (для избавления кристаллов исходного материала от возможных примесей и загрязнений), в течение двух часов подвергался воздействию плазмы, образованной смесью аргона и молекулярного водорода (доля Н2 составляла 10%), находящейся при низком давлении (~10 П).

Измерения проводимости графана подтвердили теоретические предсказания его полупроводниковых свойств. С ростом температуры сопротивление графана, как и у полупроводников, уменьшалось. При температуре жидкого гелия (~4К) сопротивление графана увеличивалось на два порядка, а подвижность носителей по сравнению с графеном уменьшалась более чем в 1000 раз. При отжиге графана при температуре 450°C в течение 24 ч он вновь превращается в графен, его сопротивление слабо зависит от температуры, а подвижность носителей практически становится прежней.

С появлением графана открылись новые возможности для создания печатных плат наноэлектронных схем непосредственно на листе нового материала с последующим формированием контактных площадок путем испарения водорода в требуемых участках с помощью лазера.

Кроме того, новый материал может найти применение в водородной энергетике. Здесь первостепенную роль играет высвобождение атомарного водорода при нагреве графана. А одна из основных проблем современной водородной энергетики – поиск эффективных способов хранения водорода. И способность графана «хранить топливо» в связанном состоянии весьма перспективна для решения этой проблемы.

И еще. Получение графана открывает широкие возможности для дальнейших исследований модификаций графена. Имея с одной стороны металлический графен и с другой — графан со свойствами полупроводника или диэлектрика, можно попытаться заполнить неизвестное пространство между ними. Почему бы не попытаться вместо водорода рассмотреть взаимодействие графена, скажем, с фтором?

Эксперименты с графеном и его производными доказали возможность получения на практике любых типов полупроводников и диэлектриков. В последнее время все говорит о том, что именно графен придет на смену кремнию в наноэлектронике следующего поколения и, возможно, в будущем станет основой квантовой электроники. С момента успешной демонстрации новой технологии в лабораторных условиях до появления ее на рынке, по мнению специалистов компании Intel, проходит не менее восьми лет. А это не так уж долго.

Литература

1. Novoselov K. S. et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films.– Science, 2004.

2. Freitag M. Nanoelectronics goes flat out.– Nature nanotechnology, Aug. 2008, p.455–457.

3. Wang Z.F. et al. Emerging Nanocircuit Paradigm: Graphene-based Electronics for Nanoscale Computing. – IEEE International Symposium on Nanoscale Architecture (NANOARCH 2007), p.93–100.

3. Tunable Graphene Bandgap Opens the Way to Nanoelectronics and Nanophotonics.– ScienceDaily, June 15, 2009. http://www.sciencedaily.com/releases/2009/06/090610133453.htm Nature, June 11, 2009.

4. Two-Dimensional Graphene Nanoribbons.– J. Am. Chem. Soc., 2008, 130 (13), p.4216–4217.

5. Research into Graphene Nanoribbons Provides New Reasons for Using it as Interconnects In Future Computer Chips. – http://www.azonano.com/news.asp?newsID=12873.

6. Shemella P., Zhang Y. et al. Energy Gaps in Zero-Dimensional Graphene Nanoribbons.— Appl. Phys. Lett. July 23, 2007.

7. Shemella P. and Nayak S. K. Electronic Structure and Band-Gap Modulation of Graphene via Substrate Surface Chmistry.– Appl. Phys. Lett., 2007, Jan.20, 91, 042101; doi:10.1063/1.2761531.

8. IBM reports records 26GHz cut-off frequency for graphene FET. –Semiconductor today, Feb. 2009, мol.4, Issue 1.

9. Deffree S. IBM claims graphene field-effect transistors at GHz frequencies. – Electronic News, 12/19/2008.

10. Johnson R.C. IBM fabs grapheme FETs. www.eetimes.com/showArticle.jhtml?articleID=202103726

11. Lin Y-M et al. Operation of Graphene Transistors at Gigahertz Frequencies. –Nano Letters, 2009, v.9, No.1, p.422–426.

12. HRL demos first RF graphene FETs. www.semiconductor-today.com/news_items/2008/DEC/HRL_051208.htm

13. IQE works with CERA program to develop graphene carbon-based RF technology. www.semiconductor-today.com/news_items/2008/SEPT/IQE_230908.htm

14. HRL Laboratories Announces Another Breakthrough in Advancing Graphene Transistor Technology. –www.hrl.com/assets/pressreleases/2009/prsRls_090521.html

15. Johnson R.C. Graphene circuit combines Si, GaAs functions. www.eetimes.com/showArticle.jhtml?articleID=216200559.

16. Miller M. Future nonvolatile memories may have carbon footprints. EDN, 1/8/2009.

17. Next generation nanotechnology computer memory made of graphene. www.nanowerk.com/spotlight/spotid=8363

18. Williams M. Graphite’s good tidings. – www.media.rice.edu/media/NewsBot.asp?MODE=VIEW&ID=13024&SnID=344324078.

19. Elias D., Nair R. et al. Control of Graphene’s Properties by Reversible Hydrogenation: Evidence for Graphane.– Science, Jan. 30, 2009, v.323, N 5914, p.610–613 DOI: 10.1126/science.1167130.

Битва за графен-2: коммерческое применение

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».

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.

Реклама на Forbes

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.

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.

Графен, применение графена в строительстве

Графен – одна из форм наноуглерода. Наноструктурные материалы изучаются и разрабатываются уже давно, и появление нано-частиц на наших стройках — в составе бетонов, лакокрасочных материалов, электротехнических устройствах и еще много где — это вовсе не фантастика. Бетон и сталь для нас привычны. А что будет через пятьдесят лет? А через сто? Что за материалы появятся на строительных площадках, вот если бы заглянуть в будущее…

Ну заглянуть-то не вопрос. Ученые пишут статьи, публикуют их не только в научных журналах, но и популяризируют, а об особо интересных разработках, например – о новом мобильнике с экраном из пленочного графена, прошитом металловолокнами – уже давно знают все, кто интересуется подобными вещами, из прессы. Такой мобильник можно ронять и бить экраном, и даже трещин не будет. Из подобных материалов можно делать космические скафандры.

Что такое графен

Графен – уникален как материал и чрезвычайно разнообразен по свойствам. Получают графен из обыкновенного графита. И так же, как и графит, графен состоит из одних только атомов углерода. В одном миллиметре графита содержится более трех миллионов слоев графена.

Разница состоит в кристаллической структуре, у графита она трехмерная, а у графена – двумерная. Шестиугольная структура в виде сот, углеродные атомы в которой распределены в идеальном порядке. Толщина кристалла графена – страшно подумать – 0,3 нанометра (один нанометр – это одна миллионная доля миллиметра).

Свойства графена

Графен имеет электропроводность лучшую, чем металлы. Намного лучшую, чем медь. По сравнению со сталью графен прочнее в десять раз, а по массе легче в 6 раз. Практически светопрозрачный материал, поглощает не более 2% спектра. Плотность такова, что даже легкие газы, вроде гелия и водорода, не проходят сквозь слой графена.

Солнечная батарея, изготовленная из графена, имеет толщину бумажного листа. Красочные материалы, в основе которых порошок известняка и графен, придадут фасадам зданий защитные свойства, которые позволят не бояться атмосферный воздействий, любых перепадов температур. При эксплуатации в экстремальных условиях износ строений будет минимальным!

Увы, дифирамбы графену немного вянут от следующего пакета информации – не все так просто. Есть проблема возможного урона окружающей природе. Оказывается, графен может изменять свои свойства под действием воды. В реках и озерах его частицы могут оказать пагубное воздействие на биосферу, и эта проблема пока не решена.

В перспективе графен будет широко применяться в таких отраслях, как медицина – суперпрочные имплантаты, электроника – светопрозрачные покрытия мониторов, проводники и многое другое. Наверное, космонавтика. Электропроводящие пластмассы, вечные супертонкие контейнеры для герметичного хранения продуктов, новые электрические аккумуляторы на графеновой пудре. Уникальные по прочности конструкции, тросы, кабеля и балочные элементы зданий в сочетании с классическими строительными материалами позволят создавать сооружения, поражающие воображение.

Производство графена сложно, и для строительства этот материал пока еще чрезвычайно дорог, и использовался мало, в чрезвычайно дорогих и сложных проектах. Возможно, ситуация в скором будущем изменится, так как в настоящее время проводятся исследования возможности производства графена химическим путем. Вопрос в цене, и если ученым удастся этот вопрос решить… то сферу строительных материалов ждут перемены. Будет ли это процессом, близким к эволюционному, или нас ждет настоящая графеновая революция… поживем, увидим.

Искусственная паутина

Загадочное природное явление – паутина обыкновенная – поражает людей необычностью свойств с древних времен. С одной стороны – невероятная прочность при малой толщине нити. Если посчитать, то выясняется, что сталь далеко не так крепка и надежна, как паутина, просто никакого сравнения.

Паутина имеет не только уникальную прочность, есть еще одно свойство, не менее интересное – паутина сохраняет натяжение в экстремальных условиях, когда окружающая среда крайне агрессивна. Это свойство – не провисать – исследовали ученые во Франции и Великобритании.

Паутинная нить существует в двух абсолютно противоположных фазах – имеет свойство одновременно сжиматься, как жидкости, и растягиваться, как твердые тела. Именно это состояние делает паутину в три раза прочнее самых прочных созданных человеком синтетических нитей, например, нейлона. Данное открытие, как считают ученые, может совершить прорыв не только в науке, но и в технологиях, в частности, в строительных.

Один из секретов паутины был раскрыт. Клейкое вещество, находящееся на паутинных нитках, предназначено природой не только для ловли мух. Как оказалось, у этой паучьей слюны имеется и другая функция. Данный клей работает по типу самосжимающейся пружины, когда воздействия – ветра – нет, клеевые капли сматывают в себя паутину, как в клубок, а при увеличении нагрузок – отпускают, тонко регулируя стабильность поверхностного натяжения паутины.

Жидкая нитка была воссоздана лабораторно. Новый биотехнологический материал – искусственная паутина – был создан из тончайших пластиковых проводов и склеивающего вещества на основе масла. Поведение синтетической паутины, как конструкции, не отличается от настоящей.

Разработчики идеи утверждают, что волокна синтетической паутины возможно сделать практически из любого материала. Перспективы созданной человеком по природному образцу паутины – на настоящее время развитие микротехнологий и реверсивные микродвигатели, а что значат для строительства сверхлегкие волокна с прочностью стали, как для производства новых стройматериалов, так и для развития технологий… никакой фантастике не снилось.

Использование графена и наноматериалов на его основе в медицине Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ОБЗОРНЫЕ СТАТЬИ

С. В. Поройский, Т. А. Носаева, Н. В. Коняева

Волгоградский государственный медицинский университет кафедра медицины катастроф, кафедра физики

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГРАФЕНА И НАНОМАТЕРИАЛОВ НА ЕГО ОСНОВЕ В МЕДИЦИНЕ

УДК 61:001

Рассмотрены вопросы о применении графена и наноматериалов на его основе в медицине. Показано, что данные материалы могут применяться как в медицинской технике, так и непосредственно в биомедицине. На основе анализа источников обзора информации определены направления исследования графена в медицине.

Ключевые слова: графен, медицинское оборудование, биоприменение графена,

оксид графена, графеновая бумага.

S. V. Poroyskiy, T. A. Nosaeva, N. V. Konyaeva

USE OF GRAPHENE AND GRAPHENE-BASED NANOMATERIALS IN MEDICINE

The issues of application of graphene and graphene-based nanomaterial in medicine were reviewed in the article. It was demonstrated that these materials can be used both in medical technology and biomedical fields. Based on the analysis of the literature review major graphene applications in medicine were identified.

Keywords: graphene, medical equipment, bioapplication of graphene,

graphene oxide, graphene paper.

Получение графена, двумерного кристалла, состоящего из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решётку, привлекло внимание ученых и инженеров в различных областях науки и техники. Этот материал обладает удивительными кристаллическими и электронными свойствами. Удивительные свойства гра-фена возникают благодаря уникальной природе его носителей заряда — они ведут себя подобно релятивистским частицам [11]. Графен обладает уникальной структурой и исключительными физическим и химическими свойствами, из которых следует множество возможностей для его применения [6, 13]. Среди различных применений графена — биомедицинские, которые вызывают постоянно растущий интерес.

Медицинское оборудование — это широкий спектр приборов, аппаратов и инструментов, используюемых в различных целях. Несмотря на частные методы работы, применение техники имеет общую цель — восстановление и поддержание здоровья человека. Приоритетными направлениями модернизации медицинского оборудования являются развитие технологической составляющей оказания медицинских услуг,

внедрение актуального программного обеспечения, приведение используемых технических инструментов в соответствие с новыми стандартами.

Графен также рассматривается как важная составляющая в некоторых композитных материалах, которые применяются для модернизации современного медицинского оборудования. Уже разработаны на основе графена прототипы различных электронных и оптоэлектронных устройств: газовые сенсоры с экстремальной чувствительностью, графеновый одноэлектрон-ный транзистор, жидкокристаллические дисплеи и солнечные батареи (в качестве прозрачного проводящего электрода), спиновый транзистор, графеновые полевые транзисторы, графеновые выпрямители и умножители частоты и высокочувствительные фотодетекторы.

Биомедицинское применение графена относительно новая область со значительным потенциалом. Была проведена большая работы по изучению возможностей использования графена, включая поставки лекарств/генов, биологическое обнаружение и визуализацию, антибактериальные материалы, как биосовместимого каркаса для клеточной культуры. Интенсивное исследование

ВОЛГОГРАДСКИЙ НАУЧНО-МЕДИЦИНСКИЙ ЖУРНАЛ 3/2014

биоприменения графена и материалов на его основе обусловлено увлекательными свойствами данного материала, такими как: исключительная электронная проводимость (подвижность носителей заряда 200000 ст2 В-1с-1), теплопроводность [~ 5000 Вт/(мК)], механическая прочность (модуль Юнга ~ 1100 ГПа) [4, 5].

Одним из методов использования графена является диагностика раковых заболеваний. Уникальные электрические и оптические свойства графена предоставляют возможность создания новых оптических, электрохимических биосенсоров для обнаружения биомаркеров (индикаторов раковых заболеваний на ранних стадиях). При использовании графена в работе [3] авторы резко повысили чувствительность оптического биосенсора. Сенсоры данного типа также были разработаны на основе оксида графена. Использование графена позволяет значительно повысить эффективность электрохимических иммуно-сенсоров. Создаваемые на базе графена электрохимические устройства способны как детектировать биомаркеры, так и изучать процессы образования активных форм кислорода в живых клетках. В настоящее время растет интерес к сенсорам на основе графеновых полевых транзисторов.

Для детектирования раковых клеток также применяются графен и наноматериалы на его основе. Еще одной областью применения графе-на является система адресной доставки диагностических и лекарственных средств. Для получения изображения живых клеток авторы работы [10] описывают успешное использования графе-на, оксида графена с магнитными наночастица-ми, выступающими в качестве носителей противораковых препаратов, нуклеотидов/пептидов, флуоресцентных агентов.

Применение графена в фототермической терапии является новым перспективным направлением. Этот вид лечения использует генерацию тепла в результате поглощения света фоточувствительными агентами в больных клетках. Чтобы избежать повреждения здоровых клеток, поглощение должно быть в ближнем ИК-диапазоне (700-1100 нм). Графен проявляет заметный фототермический эффект благодаря сильному оптическому поглощению в этой области спектра [12]. Также графен может использоваться в неврологии. Используя электрохимические и оптические свойства графена, можно разработать высокоэффективные и одновременно миниатюрные биосенсоры для мониторинга неврологического статуса у пациентов после инсульта или травмы мозга. Кроме этого на основе графена можно будет создавать каркас для заживления повреждений нервной ткани.

В последнее время большое интерес возникает вокруг биодатчиков на основе графена [8, 9]. В работе [9] рассказывается об образованном на оксиде графена сенсоре, который выборочно обнаруживает ДНК в растворах. Также было обнаружено, что графен может доставить олигонуклеотиды в живые клетки для обнаружения биомолекул [1, 2]. Графен или композиционные материалы на его основе были использованы

для модификации электродов в электрохимическом распозновании различных биомолекул, в том числе глюкозы, ДНК и белков, с высокой чувствительностью [7]. Кроме того, графен может также использоваться в объединении с другими наноматериалами для построения различных биосенсоров.

К другому виду использования графена в медицине можно отнести графеновую бумагу, которая обладает выраженным антибактериальным действием. Исследование антибактериального эффекта графеновых нанолистов показало как оксид графена может применяться в качестве материала для покрытия поверхности для имплантанта.

Как и во многих других областях, исследования биомедицинских применений графена расширяется, но в основном находится на начальной стадии. Успехи в этой области до сих пор являются захватывающими и обнадеживающими, но существует ряд задач с которыми сталкиваются исследователи и которые должны быть преодолены. Одной из таких задач является тщательное и глубокое понимание взаимодействия графена — ткань, особенно механизма клеточного поглощения. Такое знание способствует развитию эффективной доставки лекарств, биодатчиков и других применений. Токсичность графена и оксида графена является еще одной из основных проблем. Предварительные результаты показывают, что физико-химические свойства тесно связаны с цитотоксичностью. Также графен и оксид графена способны ускорить рост, дифференцировку и пролиферацию стволовых клеток, и, следовательно, весьма перспективны в тканевой инженерии, регенеративной медицине, и других биомедицинских областях. Систематическое изучение очень желательно для решения проблем безопасности перед практическим применением графена в биомедицине.

ЛИТЕРАТУРА

1. Balapanuru J., et al. // Angew. Chem. Int. — 2010. -Vol. 49. — P. 6549-6553.

2. Chen XP., et al. // Electroanalysis. — 2010. -Vol. 22. — P. 2347-2352.

3. Feng L, et al. // Advanced Materials. — 2013. -Vol. 25. — P. 168.

4. Guo S. J, Dong S. J. // Chem. Soc. Rev. — 2011. -Vol. 40 (5). — P. 2644-2672.

5. Jiang H. J. // Small. — 2011. — Vol. 7 (17). -P. 2413-2427.

6. Konchenkov V. I, Zav’yalov D. V., Kryuchkov S. V, et al. // Physics of Wave Phenomena. — 2013. — Vol. 21, № 1. — P. 56-61.

7. Liu Y., et al. // Langmuir. — 2010. — Vol. 26. -P. 6158-6160.

8. Lu CH., et al. // Chem. Eur. J. — 2010. — Vol. 16. -P. 4889-4894.

9. Lu CH., et al. // Chem. Commun. — 2010. — Vol. 46. -P. 3116-3168.

10. Mannoor M. S, et al. // Nature Commun. — 2012. -Vol. 3. — P. 763.

11. Novoselov K. S., et al. // Science. — 2004. -Vol. 306. — P. 666.

12. Yang K, et al. // Nano Lett. — 2010. — Vol. 10. -P. 3318.

13. Zav’yalov D. V, Kryuchkov S. V, Tyulkina T. A. // Semiconductors. — 2010. — Vol. 44, № 7. — P. 879-883.

Графен. Использование интеллектуального бурового раствора для добычи сланцевой нефти — Геологоразведка

PlatDrill классифицирован как «легко» биоразлагаемый буровой раствор с нетоксичным рейтингом  

ИА Neftegaz.RU. Способность графена вытягивать с высокой скоростью радиоактивные материалы из водных растворов обнаружили ученые лабораторий из МГУ и Университета Райса (США) еще в 2013 г.

Это свойство графена можно использовать не только при очистке мест, зараженных радиацией, как на АЭС Фукусима, но и для усовершенствования технологий по добыче сланцевых углеводородов, нефти и газа.

Для добычи сланцевой нефти или сланцевого газа используется технология гидравлического разрыва пласта (ГРП, фрекинг).

Хотя сланцевая нефть стала устойчивым словосочетанием в нефтянке, грамотнее говорить — нефть из низкопроницаемых коллекторов.

В ходе техпроцесса ГРП в горизонтальную шахту загоняется под давлением жидкость (смесь воды, песка и ряда химических соединений).

Под воздействием этой жидкости на внутренней поверхности сланцевых штреков образуются высокопроводимые трещины, что обеспечивает приток добываемого флюида (нефти, газа и тд) к забою скважины.

Печально, что это дорого и неэкологично, потому что среди прочего высвобождаются и натуральные радионуклеиды.

Эти самые радионуклеиды и можно очищать оксидом графена.

Микроскопические чешуйки оксида графена быстро связывают радионуклиды различного происхождения и собирают их отдельные ионы в твердые тела.

Эти чешуйки легко растворяются в воде и, вытянув из нее радиоактивные вещества, собираются в комья, которые легко извлечь и каким-нибудь образом утилизировать — например, сжечь.

Оксид графена появился вскоре после графена.

Он дешевле самого графена, может использоваться в качестве катализаторов, в электронике, медицине, умеет связывать токсины и тд.

Чешуйки оксида графена синтезировались группой Д.Тура в далекой Америке, а эксперименты с ними проводились в лаборатории дозиметрии и радиоактивности окружающей среды химического факультета МГУ, руководил которой С. Калмыков.

Радиоактивные примеси выпадали в осадок за считанные минуты.

В 2015 г. компания Graphene NanoChem PLC сообщила о тестировании интеллектуальной жидкости PlatDrill , которую можно использовать при ГРП, и которая на 25% более биоразлагаема, чем отраслевые требования.

PlatDrill представляет собой обогащенный графеном буровой раствор, разработанный для:

— обеспечения лучших эксплуатационных характеристик при меньшем воздействии на окружающую среду,

— улучшения смазывающей способности, несущей способности и более высоких свойств по вязкости.

Он предназначен для удовлетворения потребностей нефтегазовой промышленности в экологически чистых биоразлагаемых продуктах, которые удовлетворяют как экологическим, так и функциональным требованиям для наземных и морских операций бурения и добычи.

Решения PlatDrill ™ «smartfluid», выполненные с использованием возобновляемых источников и усиленные графеновыми наноматериалами, предназначены для работы в широком диапазоне условий бурения, в том числе при высоком давлении и высокой температуре, с улучшенной способностью к биологическому разложению и низкой токсичностью.

Использование системы растворов PlatDrill ™ в буровых работах может:
— уменьшить повреждение скважины;
— производить более тонкие фильтрационные корки;
— уменьшить потери жидкости в поры горных пород;
— сохранить первоначальное давление горной породы;
— уменьшить износ буровых инструментов;
— уменьшить негативное воздействие на окружающую среду.
Совет научных и промышленных исследований, входящий в состав Национального института океанографии в Индии, проводил испытания PlatDrill и пришел к выводу, что биоразлагаемость PlatDrill на уровне 84,81% примерно на 25% выше, чем стандарт, установленный Организацией экономического сотрудничества и развития.

Graphene NanoChem утверждает, что на основе этой высокой скорости биологического разложения, серия PlatDrill была классифицирована как «легко» биоразлагаемая с нетоксичным рейтингом.
«Легко» биоразлагаемый относится к веществу, которое разлагается эффективно и полностью.

В январе 2017 г. Graphene NanoChem пописала 1й контракт на поставку 4 000 баррелей PlatDrill на рынке сланцевого газа в Китае на сумму около 360 000 долл США.
Буровой раствор будет использоваться при ГРП на скважинах в Чаннинге (Changning) на юго-востоке Китая.
Ожидается , что в перспективе PlatDrill заменит до 120 т бурового раствора на нефтяной основе.

Лазерный нагрев может стать эффективным методом получения графена

Российские ученые выяснили, почему при высоких температурах оксид графена не сгорает, а может стать источником для получения графена. Об их исследовании рассказывается в совместном пресс-релизе Сколтеха и МФТИ.

Хотя с момента вручения Нобелевской премии за эксперименты по исследованию графена прошло уже более десяти лет, пока не существует эффективной и недорогой методики получения качественного графена большой площади, который можно было бы применять в промышленных масштабах. Одной из перспективных идей в этом направлении является применение лазерного излучения для восстановления графена из оксида графена. Сам оксид графена при этом получается химическим путем из обычного графита. Лазерная методика восстановления привлекательна своей дешевизной и возможностью контролируемо варьировать качество получаемого материала.

Несколько лет назад группа ученых из Сколтеха обнаружила, что графен достаточно высокого качества можно получить в ходе импульсного лазерного нагрева оксида до 3300–3800 К даже в обычной воздушной атмосфере.

«Такой результат коллег был очень неожиданным: удивительно, что при таких высоких температурах у них получалось что-то хорошо структурированное, ведь углеродные материалы активно горят в присутствии атмосферного кислорода уже начиная с температур 600–800 К. А в эксперименте при существенно бо́льших температурах графен, напротив, приобретал хорошие структурные свойства, — рассказывает Никита Орехов, заместитель заведующего лабораторией суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ. — Чтобы разобраться в природе этого неожиданного эффекта, мы решили воспользоваться методами суперкомпьютерного атомистического моделирования и изучить процесс восстановления оксида графена при высоких температурах, проведя дополнительное экспериментальное исследование по схеме коллег».

Атомистическое моделирование позволяет численно описывать и предсказывать поведение каждого отдельного атома в некотором, как правило, очень небольшом объеме вещества. С вычислительной точки зрения такие методы являются крайне ресурсоемкими и требуют использования высокопроизводительных машин, способных для решения одной задачи задействовать одновременно сотни, а порой и тысячи отдельных процессоров — так называемых суперкомпьютеров.

В ходе расчетов ученые обнаружили, что, с одной стороны, при высоких температурах (>3000 К) атомы кислорода из газового окружения действительно активно взаимодействуют с графеном, окисляя и разрушая его. С другой стороны, при этих же температурах начинается быстрый отжиг кристаллической решетки — устранение дефектов путем аккуратного нагрева и последующего охлаждения материала. За счет отжига решетка, наоборот, упорядочивает свою структуру.

«Получается, что при воздействии лазерных импульсов в масштабах одного материала сосуществуют два противоположных процесса. Но они разнесены пространственно: горение и разрушение происходит на дефектах и границах графеновых листов — там, где атомы углерода наиболее химически активны. Отжиг же наблюдается преимущественно в центральных областях, в которых атомам выгодно вернуться в устойчивую конфигурацию», — комментирует Станислав Евлашин, ведущий научный сотрудник Центра технологии материалов Сколтеха.

Полученные результаты проливают свет на поведение оксида графена при экстремальных температурах — в области, где проведение прямого экспериментального анализа практически не представляется возможным. Понимание процессов, описанных в работе, может помочь в дальнейшем развитии и оптимизации методов получения высококачественного графена с большой площадью монокристаллов.

Результаты исследования опубликованы в журнале Carbon.

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

Композиты и покрытия — Графен

Графен — материал с огромным количеством выдающихся качеств; прочность, гибкость, легкий вес и электропроводность.

Одним из самых простых и эффективных способов использования потенциала графена является его комбинирование с существующими продуктами — так называемыми композитными материалами.

Влияние композитов на основе графена отразится на бесчисленных отраслях промышленности, повышая производительность и расширяя возможности применения.

Университет создал критическую массу исследователей, которые работают в огромном количестве специализированных областей и сотрудничают с коммерческими партнерами, чтобы раскрыть преимущества графеновых композитов в различных формах.

Будущее без ржавчины

Исследователи из Манчестерского университета уже продемонстрировали потенциал будущего без ржавчины.

При соединении графена с краской образуется уникальное графеновое покрытие, которое может сигнализировать об окончании износа кораблей и автомобилей из-за ржавчины.

Защита от атмосферных воздействий и упаковка

Тот же метод можно применить к кирпичу и камню, к атмосферостойким домам или даже к упаковке пищевых продуктов, чтобы остановить перенос молекул воды и кислорода, из-за которых пища портится.

Дополнительные преимущества связаны с включением композитов на основе графена в основные компоненты в таких отраслях, как строительство, транспорт или аэрокосмическая промышленность. Благодаря текущим исследованиям вместе с коммерческими сотрудниками ученые Манчестерского университета движутся к реалистичному будущему, в котором потенциал становится реальностью.

Графен для спорта

Спортивные товары часто первыми берутся за разработку новых материалов, как это уже произошло с успешной теннисной ракеткой с графеновым покрытием от Head. Композиты и покрытия на основе графена в ближайшем будущем могут быть использованы для усовершенствования спортивного оборудования для лыжного спорта, велоспорта и даже Формулы-1.

Самый легкий, самый прочный, самый безопасный, самый экологичный

Композитное крыло самолета на основе графена может значительно снизить вес, снизить вредное воздействие удара молнии и увеличить эффективность использования топлива и дальность полета.Это может привести к созданию самого легкого, прочного, безопасного и экологичного самолета в мире.

11 способов, которыми графен может изменить мир

Графен может быть одним из самых полезных материалов в мире. Хотя его толщина составляет всего один атом углерода, он во много раз прочнее стали и при этом очень гибкий.

С тех пор, как исследователи впервые выделили его в 2004 году, список патентов, связанных с графеном, рос с каждым годом в геометрической прогрессии. Возможно, вскоре этот сверхматериал породит технологическую революцию, которая действительно может изменить мир.

Вот несколько серьезных изобретений в области графена, которых стоит ожидать в ближайшем будущем.

1. Топливо из воздуха

Те же исследователи, которые получили Нобелевскую премию за выделение графена, Андре Гейм из Манчестерского университета и его коллеги показали, что графен можно использовать для создания мобильных электрогенераторов, работающих на водороде, извлеченном из воздуха. Команда Гейма обнаружила, что хотя графен непроницаем даже для мельчайших атомов, его можно использовать для просеивания атомов водорода, лишенных своих электронов.

Это означает, что графеновые пленки можно использовать для значительного повышения эффективности протонпроводящих мембран, которые являются важными компонентами технологии топливных элементов. Гейм представляет себе будущее, в котором транспортные средства могут питаться только крошечными количествами водорода в окружающем воздухе. «По сути, вы качаете топливо из атмосферы и получаете из него электричество», — сказал Гейм.

2. Защита от комаров

Фото: Мухаммад Махди Карим [GFDL 1.2]/Wiki Commons

Та же непроницаемость, которая проявляется в топливных элементах, открывает другие потенциальные возможности использования графена, включая защиту от комаров.В этом приложении исследователи нашли два способа заблокировать этих смертоносных насекомых.

Слои графена могут блокировать способность комаров ощущать химические вещества, связанные с кожей или потом, как обнаружили исследователи из Университета Брауна, предлагая потенциал необычного, нехимического подхода к борьбе с ними. Кроме того, слои создают физический барьер, который комары просто не могут прокусить. Их работа, опубликованная в Proceedings of the National Academy of Sciences, первоначально была сосредоточена на механическом решении, но быстро раскрыла другие секретные способности графена.

«С графеном комары даже не садились на участок кожи — им просто было все равно», — говорит Синтия Кастильо, доктор философии. студент Брауна и ведущий автор исследования, говорится в пресс-релизе Университета Брауна. «Мы предполагали, что графен будет физическим барьером для укусов благодаря устойчивости к проколам, но когда мы увидели эти эксперименты, мы начали думать, что это также химический барьер, который не дает комарам почувствовать, что кто-то там есть».

Следующим шагом является работа над созданием версии графенового барьера, который работает так же эффективно во влажном состоянии, как и в сухом, поскольку комары могли получить свой пучок или приспособление для кормления через ткань, когда она была влажной.

3. Более доступная питьевая вода

Графен может помочь решить мировой водный кризис. Мембраны из графена могут быть достаточно большими, чтобы пропускать воду, но достаточно маленькими, чтобы отфильтровывать соль. Другими словами, графен может произвести революцию в технологии опреснения воды. Исследователи Массачусетского технологического института обнаружили, «что водопроницаемость этого материала на несколько порядков выше, чем у обычных мембран обратного осмоса, и что нанопористый графен может сыграть важную роль в очистке воды.»

Фактически, тип графена оказался настолько эффективным при фильтрации воды, что он сделал образцы воды из гавани Сиднея безопасными для питья после прохождения через фильтр всего один раз. В исследовании, опубликованном в Nature Communications, исследователи из Австралийской организации научных и промышленных исследований Содружества (CSIRO) использовали форму графена под названием «Graphair», чтобы сделать морскую воду пригодной для питья после однократной обработки.

«Эта технология может создать чистую питьевую воду, независимо от того, насколько она грязная, за один шаг», — заявил ученый CSIRO Донг Хан Сео.«Все, что нужно, — это тепло, наш графен, мембранный фильтр и небольшой водяной насос. Мы надеемся начать полевые испытания в развивающемся мире в следующем году».

Дополнительные исследования, опубликованные в журнале Materials Science & Engineering C в 2019 году, продвинули эту концепцию на шаг вперед, сделав хлорирование ненужным. Ученые из Российского национального научно-технического университета (МИСиС) и другие показали, что при введении оксида графена в раствор, содержащий кишечную палочку, графен «захватывает» бактерии, образуя чешуйки, сообщает Eureka Alert.Как только хлопья были извлечены из раствора, вода стала пригодной для питья, а графен можно было даже использовать повторно.

4. Электроника

Шестиугольная решетка графена, состоящая из атомов углерода. АлександрАлУС [CC BY-SA 3.0]/Wikimedia Commons

Забудьте о Кремниевой долине; будущее может лежать в Графеновой долине. Сегодня наши электронные устройства полагаются на кремний как на ключевой компонент, но кремниевые транзисторы приближаются к минимальному размеру, при котором они могут быть эффективными, а это означает, что скорость наших устройств скоро упадет до предела.Тем не менее, сверхтонкая природа графена может стать решением этой проблемы. Возможно, вскоре графен заменит кремний в наших электронных устройствах, сделав их быстрее, чем когда-либо прежде.

Графен также позволит создавать сверхтонкие гибкие сенсорные экраны, которые практически невозможно сломать. Вам больше никогда не придется беспокоиться о том, что ваш смартфон разобьется.

В 2018 году исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) и Гарвардского университета обнаружили, что графен может обладать еще более удивительными электронными свойствами.Его можно настроить так, чтобы он вел себя в двух электрических крайностях: как изолятор или как сверхпроводник. Другими словами, один и тот же материал может либо блокировать поток электронов, либо проводить электрический поток без сопротивления.

«Теперь мы можем использовать графен в качестве новой платформы для исследования нетрадиционной сверхпроводимости», — говорит Пабло Харилло-Эрреро, адъюнкт-профессор физики Массачусетского технологического института. «Можно также представить себе изготовление сверхпроводящего транзистора из графена, который можно включать и выключать, от сверхпроводящего до изолирующего.Это открывает множество возможностей для квантовых устройств».

5. Зрение хищника

Графен показал себя многообещающим для тепловых инфракрасных фотодетекторов. Иван Смук/Shutterstock

В классическом научно-фантастическом боевике «Хищник» изображен инопланетный убийца, способный видеть мир в тепловом инфракрасном диапазоне. Теперь, благодаря графену, у вас может быть зрение «Хищника». Исследователи из Мичиганского университета разработали графеновую контактную линзу, которая позволяет владельцу ощущать весь инфракрасный спектр, а также видимый и ультрафиолетовый свет.

«Если мы интегрируем его с контактными линзами или другой носимой электроникой, это расширит ваше зрение», — сказал Чжаохуэй Чжун, один из исследователей, разрабатывающих технологию. «Это дает вам еще один способ взаимодействия с окружающей средой».

6. Лучший презерватив

Графен может даже улучшить вашу сексуальную жизнь. Презервативы из графена могут быть сверхтонкими, что означает больше ощущений. Кроме того, они будут сверхпрочными, что означает, что они с меньшей вероятностью порвутся — настоящее испытание для любого презерватива.

«Если этот проект будет успешным, мы сможем найти применение графену, которое самым близким образом коснется нашей повседневной жизни», — сказал в 2013 году Аравинд Виджаярагхаван, материаловед, ведущий исследования графеновых презервативов.

Поиски презервативов из графена шли медленнее, чем ожидали некоторые сторонники, но они все еще продолжаются. Фонд Билла и Мелинды Гейтс произвел фурор в 2013 году, когда профинансировал исследование графеновых презервативов, и хотя эти усилия немного ослабли, он показал достаточно многообещающих результатов, чтобы получить дополнительное финансирование.Тем временем, по крайней мере, одна компания присоединилась к победе, выпустив «презерватив на основе графена», который на самом деле не использует графен, а заимствует его шестиугольную структуру.

7. Мир без ржавчины

Избавьтесь от ржавчины с помощью нарезанного картофеля. (Фото: Херейн Кантатам/Shutterstock)

Поскольку графен практически непроницаем, слой краски на основе графена однажды можно будет использовать для уничтожения коррозии и ржавчины. Исследователи даже показали, что стеклянная посуда или медные пластины, покрытые графеновой краской, могут использоваться в качестве контейнеров для сильно едких кислот.

«Графеновая краска имеет хорошие шансы стать поистине революционным продуктом для отраслей, где требуется защита от воздуха, погодных условий или агрессивных химикатов», — сказал Рахул Наир, один из исследователей, разрабатывающих технологию. например, медицина, электроника и ядерная промышленность или даже судостроение, и это лишь некоторые из них».

8. Светящиеся обои

Светящиеся стены могут вскоре заменить лампочку благодаря разработке новой технологии электродов на основе графена, которая делает дисплеи тоньше, чем когда-либо прежде.Такие светящиеся «обои» обеспечивают более приятный регулируемый свет в комнате, чем лампочки, и их также можно сделать более энергоэффективными. И, скажем прямо, мало что кажется более футуристичным, чем освещенные стены в стиле «Трона».

«Благодаря использованию графена вместо обычных металлических электродов компоненты будущего будет намного легче перерабатывать и, следовательно, они станут экологически привлекательными», — сказал Натаниэль Робинсон из Университета Линчепинга, где разрабатывается технология.

9.Бионические люди

Если вы чувствуете, что уже слишком интегрированы со своей технологией, значит, вы еще ничего не видели. Исследования графена теперь ведут к экспериментам, в которых электроника может интегрироваться с вашими биологическими системами. По сути, скоро можно будет имплантировать графеновые гаджеты, которые смогут читать вашу нервную систему или разговаривать с вашими клетками.

Это может привести к прорыву в медицинской науке, помогая врачам следить за вашим телом или даже настраивать ваши биологические системы для оптимального здоровья.Эта технология также может помочь фанатикам фитнеса отслеживать и контролировать свои режимы тренировок.

10. Более качественные и безопасные краски для волос

На этой фотографии показаны светлые волосы до (слева) и после (справа) окрашивания пигментом на основе графена, структурная модель которого также изображена справа. Чонг Луо / Cell Press

Возможно, это не изменит мир так сильно, как некоторые другие приложения, но графен также показал себя как более безопасная альтернатива токсичным краскам для волос. В исследовании 2018 года исследователи из Северо-Западного университета сообщают, что графен может не только соответствовать характеристикам стойких красок для волос, но и может делать это без каких-либо органических растворителей или токсичных молекулярных ингредиентов.Кроме того, он обладает улучшенными антибактериальными, антистатическими и терморассеивающими свойствами для волос.

Исследователи распылили гель оксида графена на светлые человеческие волосы и дали им высохнуть в течение 10 минут. Пряди волос были покрыты графеновой пленкой толщиной всего 2 микрона, которая, как сообщается, оставалась на месте даже после 30 стирок. Авторы исследования говорят, что антистатические свойства могут обеспечить дополнительные эстетические преимущества, а покрытие не должно причинять вреда вашим волосам или здоровью.

«На эту идею нас вдохновило любопытство. Это было очень весело, но когда мы начали над ней работать, она не звучала очень грандиозно и благородно», — говорит старший автор Цзясин Хуанг, материаловед из Северо-Западного университета. утверждение. «Но после того, как мы углубились в изучение красок для волос, мы поняли, что, вау, это на самом деле совсем не маленькая проблема. И графен действительно может помочь решить ее».

11. Броня пуленепробиваемая

Учитывая, насколько тонким и прочным является графен, кажется неизбежным, что его также следует использовать для создания улучшенных пуленепробиваемых жилетов.Действительно, исследователи обнаружили, что листы графена поглощают в два раза больше ударов, чем кевлар, материал, обычно используемый в пуленепробиваемых жилетах. Графен также является улучшением по сравнению с кевларом, он сверхлегкий и, следовательно, меньше ограничивает износ. Прорыв может помочь обезопасить наших солдат и сотрудников правоохранительных органов, когда по ним стреляют. Тонкая природа графена может даже привести к разработке других пуленепробиваемых поверхностей, таких как окна.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка браузера на прием файлов cookie

Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее распространенные причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только та информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.

40 способов, которыми графен изменит вашу жизнь

Он прочный, гибкий и уже давно здесь.Он долго совершенствовался и развивался в лабораториях, но графен появился на рынке уже пару лет… и это оказывает влияние.

Первая волна продуктов на основе графена используется в мире смартфонов, носимых устройств, аккумуляторов, виртуальной реальности, спортивного инвентаря, суперконденсаторов и суперкаров… и это только начало.

Графен — это материал, который, по мнению , некоторые из , был извлечен из заброшенных космических кораблей, оставленных на Земле инопланетянами много лет назад.Хотя это немного маловероятно, сила этого сверхтонкого, прочного, проводящего и во всех отношениях удивительного материала заслуживает такого заговора.

Прошло уже более 60 лет, как ученые и производители изо всех сил пытались использовать силу этого удивительного материала, но он приближается к революционным изменениям во многих вещах, которые мы используем изо дня в день.

Недавно мы обновили эту страницу, добавив еще 10 способов, которыми графен может изменить вашу жизнь. Тем не менее, ряд этих новых достижений все еще находится на стадии прототипа, а не поступил в продажу.

Хотите знать, почему? Ознакомьтесь с нашей функцией, почему графен занимает так много времени?

Графеновое охлаждение в Huawei Mate 20 X

Huawei Mate 20 X имеет слой графена в своей «суперохлаждающей системе». Изображение предоставлено: Huawei (Изображение предоставлено Huawei)

Зарождающаяся индустрия графена давно задавалась вопросом, почему крупные технологические фирмы не регулярно коммерциализируют свой «чудо-материал», поэтому включение его в Huawei Mate 20 X — довольно большая новость.

Тем не менее, детали того, как графен используется в этом 7.«Супер крутая система» 2-дюймового телефона скудна.

Все, что мы знаем, это то, что графеновая пленка (которая великолепно рассеивает тепло благодаря своей структуре) используется в сочетании с испарительной камерой, чтобы поддерживать охлаждение Mate 20 X, даже когда процессор и графический процессор работают на пределе своих возможностей. .

Это то, что может случиться часто, поскольку его массивный экран, 7-нм чипсет Kirin 980, 6 ГБ ОЗУ и аккумулятор емкостью 5000 мАч делают Huawei Mate 20 X телефоном, который, вероятно, будет использоваться для интенсивных игр.

Графеновая наноэлектроника

Группа исследователей из Дании исследует графеновую наноэлектронику. Изображение предоставлено: Carl Otto Moesgaard (Изображение предоставлено Carl Otto Moesgaard)

Ультратонкий и двумерный графен проводит электрический ток как ничто другое, что теоретически должно означать гораздо более быстрые и энергоэффективные формы электроники. Что сдерживало его, так это проблема ширины запрещенной зоны; как создать графеновый транзистор, который надежно включается и выключается.

Исследователи из DTU Physics в Дании (opens in new tab) придумали новый метод «сэндвича» на основе нанолитографии (opens in new tab), который позволяет довести графен до наноразмерных размеров без нарушения его электрических свойств.

«Тот факт, что мы можем адаптировать электронные свойства графена, является большим шагом на пути к созданию новой электроники с чрезвычайно малыми размерами», — говорит исследователь Питер Бёггильд.

Графеновый пластырь для фитнеса

Этот фитнес-пластырь измеряет частоту сердечных сокращений, уровень жидкости в организме и частоту дыхания.Изображение предоставлено: ICFO (Изображение предоставлено ICFO)

Поскольку графен является гибким и чрезвычайно чувствительным к изменениям температуры и света, у графена большое будущее в носимых устройствах. Этот «трансдермальный фитнес-пластырь» от ICFO (opens in new tab) в Барселоне делает все, что может ваш Fitbit, и даже больше, но в виде наклеивающегося пластыря.

Он измеряет частоту сердечных сокращений, гидратацию и частоту дыхания с большей точностью и меньшим энергопотреблением, чем современные фитнес-браслеты, и подходит для любой поверхности.

К сожалению, пока это только прототип, но ICFO считает, что он может легко подключаться к вашему смартфону и давать вам оповещения, когда вы немного обезвожены… потому что мы так заняты просмотром наших телефонов, что мы забыли отметить, когда мы хотим пить.

Антенны NFC из графена могут войти в историю пластиковых карт. Изображение предоставлено: CNR (Изображение предоставлено CNR)

Одноразовый пластик — это не будущее, но в настоящем он повсюду. Ключ-карты отелей (и бесконтактные банковские карты) в настоящее время изготавливаются из пластика с антенной NFC внутри, в которой используются редкие металлы.

Однако, если вы сделаете эту антенну NFC из графена — материала, который представляет собой не что иное, как углерод, которого много на планете Земля — и напечатаете ее на переработанной бумаге с использованием графеновых чернил, это означает гораздо меньше отходов.

Наряду с электронными ключами от отелей, которые демонстрирует CNR Италии (открывается в новой вкладке), та же технология может также означать экологичное производство посадочных талонов, концертных браслетов, билетов на поезд и многое другое… со встроенным NFC внутри в качестве бонуса.

Графеновый цемент

Графеновый цемент означает отсутствие необходимости в электрических кабелях. Изображение предоставлено: Italcementi (Изображение предоставлено Italcementi)

Как насчет дома без (дорогой) меди и проводов? Одним из самых популярных экспонатов в графеновом павильоне Mobile World Congress 2019 был «проводящий цемент» Italcementi (opens in new tab).

Графен внутри делает его проводящим, поэтому нет необходимости прокладывать электрические кабели в стенах. Но есть и другое, скрытое применение: охлаждение.

В жарких странах стена, которая легко рассеивает тепло, автоматически сделает дом прохладнее без необходимости в дорогостоящем кондиционере. Пропитанный графеном цемент также может означать встроенные проводящие полосы графена вокруг дома для освещения и обогрева полов.

Графен улучшает звучание басов. Изображение предоставлено: MediaDevil/Versarien (Изображение предоставлено: MediaDevil/Versarien)

Если вам нужен графен, вы можете получить его прямо сейчас по низкой цене. В продаже у лондонской компании MediaDevil (opens in new tab) есть наушники Nanene (opens in new tab) с «улучшенным звуком», произведенные Versarien.

Мембрана диафрагмы в каждом наушнике сделана из графена, поэтому она намного тоньше, но имеет такую ​​же прочность и долговечность, как обычная мембрана.

Однако благодаря своей гибкости им можно лучше управлять, что позволяет улучшить высокие и низкие частоты. Они совместимы с iOS и Android.

Графеновые настольные игры

Графен делает любую поверхность чувствительной к прикосновению и способной светиться. Изображение предоставлено: Novalia / Кембриджский университет (Изображение предоставлено: Novalia / Кембриджский университет)

Как насчет игры в монополию… со светом? Используя электролюминесцентные чернила, излучающие свет благодаря графену, Novalia (opens in new tab) и Кембриджский университет разработали демонстрационную настольную игру под названием Homeward Bound, в которую интегрированы сенсорные панели, светящиеся игральные кости и карты «шанс». которые многоязычны.

Он не поступит в продажу, но подчеркивает тот факт, что графеновые чернила можно печатать на картоне, дереве, бумаге (или на чем угодно) для создания умных поверхностей.

Детекторы графеновых газов и «анализаторы воздуха»

Электролюминесцентные чернила могут обнаруживать влагу и газы. Изображение предоставлено: ICN2 (Изображение предоставлено ICN2)

Электролюминесцентные чернила на основе графена были продемонстрированы ICN2 (opens in new tab) (Каталонский институт нанонауки и нанотехнологий) для работы в качестве детекторов газа.

Прототип ICN2 представляет собой электролюминесцентный дисплей с трафаретной печатью, который может определять все, от уровня влажности до токсичных газов, таких как окись углерода, двуокись углерода или окись азота.

Когда внутренний графеновый датчик реагирует на изменения в составе воздуха, он становится проводящим, и загорается свет, интенсивность которого варьируется в зависимости от количества обнаруженного газа.

Тартуский университет (opens in new tab) в Эстонии также создал Graphene Air Sniffer (GAS), который имеет миниатюрные датчики на основе графена, которые могут обнаруживать очень низкие уровни загрязняющих веществ в воздухе.

Графеновые «суперколпачки» для телефонов

Суперкапсы могут заряжаться и разряжаться с очень высокой скоростью. Изображение предоставлено: Thales/M-SOLV (Изображение предоставлено Thales/M-SOLV)

Поскольку графен так прекрасно проводит электричество, его можно использовать для создания сверхбыстрых зарядных батарей, которые могут выдерживать токи со скоростью, в десятки раз превышающей ток литиевых батарей. .

Суперконденсаторы или «суперконденсаторы» — это устройства хранения данных, которые могут заряжаться и разряжаться с очень высокой скоростью. Над добавлением графена в течение пяти лет работал аэрокосмический гигант Thales (opens in new tab) и M-SOLV (opens in new tab). новая вкладка).

Новый метод покрытия распылением позволил исследователям увеличить мощность суперконденсаторов в пять раз. Ожидайте запуск продуктов в конце 2019 года.

Умная одежда из графена

Ожидайте все больше и больше электронного текстиля на основе графена. Изображение предоставлено: VTT (Изображение предоставлено VTT)

Думаете, эра носимых устройств означает Fitbits и Apple Watch 4? Если эти громоздкие устройства представляют собой первую волну носимых устройств, возможно, второй будет «умная одежда», работающая на графене.

Поскольку графеновые чернила можно печатать на гибких поверхностях, таких как пластиковые листы, бумага и ткани, можно производить электропроводящую одежду на основе графена, такую ​​как эта футболка Touch Interface от Центра технических исследований Финляндии VTT (opens в новой вкладке).

Работая как емкостные сенсорные электроды, печатная графеновая схема находится внутри футболки, а кнопки снаружи. В сочетании с телефоном или телевизором через Bluetooth это означает, что вы можете ответить на звонок, постукивая по одежде.

Это также может позволить солдатам, пожарным, лыжникам и другим спортсменам отвечать на звонки на ходу, а также облегчить пожилым людям вызов экстренных служб.

Графеновая накладка для отслеживания УФ-излучения

Эта графеновая накладка измеряет воздействие УФ-излучения на кожу. Изображение предоставлено: Jamie Carter

Одежда с защитой от УФ-излучения, которая пропускает часть вредных солнечных лучей на вашу кожу, теперь является обычным явлением, но что, если бы ваша одежда могла на самом деле сказать вам, когда ваша кожа получила достаточное количество УФ-излучения? В этом и заключается идея этого ультратонкого и гибкого сенсора.

«Вы наклеиваете его прямо на кожу, на плавки или на одежду», — говорит профессор Франк Коппенс из ICFO (Институт фотонных наук) в Барселоне. «Он измеряет УФ-индекс и отправляет сигнал на ваш телефон, когда вам нужно уйти с солнца». В настоящее время идет процесс миниатюризации, в будущем этот патч будет еще меньше и будет полностью прозрачным.

Интеллектуальный мониторинг стельки для спортсменов

Вспененный графен в стельке реагирует на изменение давления.Изображение предоставлено: Jamie Carter

Графен также делает большие успехи в умной обуви. Носки и стельки, чувствительные к давлению в режиме реального времени, не новы, но в большинстве таких продуктов в них встроено всего несколько датчиков давления. У этого прототипа их более 100. Способный точно измерить, где ваши ноги касаются подошвы, легкая пена с графеном реагирует на изменения давления — и на точном миллиграммовом уровне.

«Я могу получить качественное число того, насколько каждая точка моей стопы давит на подошву, и представить картографирование давления обуви, и все это в приложении для смартфона», — говорит Ярджан Абдул Самад из Кембриджского графенового центра Университета Кембридж.

Прохладные графеновые туфли

Графеновые туфли избавят ноги от жары и запаха. Изображение предоставлено: Jamie Carter

Графен может похвастаться отличной теплопроводностью, так куда его лучше положить, как не в жаркое и вонючее место? В этом прототипе графеновой обуви, разработанном Istituto Italiano di Tecnologia, BeDimensional и тосканским сапожником Fadel, графеновые чешуйки добавляются к полиуретану. Конечным результатом является обувь, которая рассеивает на 50% больше тепла, чем обувь, изготовленная только из полиуретана.

Это отличный способ понять значение графена в производственном процессе; обычно это дополнение, а не замена существующих материалов. Еще более поразительно то, что эти графеновые туфли состоят всего из 1% графена.

Самый эффективный солнечный элемент в мире

Графен был использован для создания самого эффективного солнечного элемента. Изображение предоставлено: Graphene Flagship

Может ли графен помочь нам более эффективно улавливать солнечную энергию? Первые признаки хорошие: Istituto Italiano di Tecnologia использует графен для создания больших солнечных элементов из перовскита (неорганических кристаллов).

«Графен используется для повышения эффективности и стабильности солнечного элемента», — сказала Беатрис Мартин-Гарсия из IIT, которая сказала TechRadar, что, хотя он не прослужит так долго, как солнечный элемент, сделанный из кремний, версия с добавлением графена уже в четыре раза дешевле в производстве. Это такой же важный фактор потенциального воздействия графена, как и его «магические» качества.

Графеновые интерфейсы мозг-компьютер

Гибкие графеновые цепи могут быть наложены на человеческий мозг.Изображение предоставлено: Валдек Лаур (EU2017EE) / Graphene Flagship

Гибкость графена означает, что его можно использовать в мозговых имплантатах, которые записывают и стимулируют мозговые сигналы на поверхности мозга. «Графен позволяет создавать менее инвазивные нейронные имплантаты нового поколения», — говорит профессор доктор Хосе А. Гарридо, профессор-исследователь ICREA в ICN2.

«Он может быть легко интегрирован в гибкие подложки, имеет очень высокое отношение сигнал/шум, поэтому сохраняет очень высокое качество электрического сигнала, а также сводит к минимуму использование кабелей.»

Работа Гарридо в Центре стимуляции речи ICN2 и BrainCom сосредоточена на обеспечении канала связи для пациентов с тяжелыми нарушениями речи (такими как инсульты и заболевания двигательных нейронов) путем картирования области мозга, коррелирующей с произношением речи.

Графен Компрессор криоохладителя для 5G

Эта компактная базовая станция для 5G сделана из графеновых слоев.Таким образом, значительное увеличение пропускной способности данных, необходимое для базовых станций 5G , является загадкой для телекоммуникационной отрасли. С помощью этого миниатюрного охлаждающего насоса можно довести электронные системы до криогенных температур.

«Мы разработали небольшой компрессор на основе графена, который примерно в десять раз меньше того, что можно сделать из других материалов», — объясняет Ларс Лундгрен из APR Technologies AB, Швеция. Без движущихся частей и с графеном в каждом втором слое он создает давление, необходимое для охлаждения базовых станций примерно до -150 градусов по Цельсию, при этом сигнал 5G остается стабильным.Ericsson и Nokia участвуют.

Графеновые детекторы инфекций

Графен используется для анализа образцов крови за 10 минут. Изображение предоставлено: Jamie Carter

. Впервые об этом сообщили в марте 2014 года. Эпидемия лихорадки Эбола в Западной Африке унесла жизни более 11 000 человек в Либерии, Гвинее, Сьерра-Леоне, Нигерии, Мали и США. Так как же нам остановить следующий? Графеновые фотодетекторы, вот как.

Проблема во время эпидемии заключается в том, что анализы крови занимают дни, а людей в таких местах, как аэропорты и центры городов, нужно проверять немедленно.Эта сенсорная платформа, созданная Королевским технологическим институтом KTH в Швеции для работы с крошечной каплей крови, основана на кремниевой фотонике и графеновых фотодетекторах, которые находят определенные молекулярные пары в инфракрасном спектре. По сути, он идентифицирует молекулярный отпечаток конкретного заболевания.

Это то, что уже можно делать в лабораториях, но графен делает его мобильным и очень дешевым, поскольку в нем используются те же процессы производства кремниевых чипов, которые уже используются для чипов для смартфонов.Детектор прикрепляется к смартфону и в течение 10 минут подтверждает, есть ли у кого-то заболевание.

Графеновые наушники

Наушники Xiaomi Mi Pro HD содержат графен. Изображение предоставлено: Xiaomi

Хотя графен был открыт в Манчестерском университете, исследования его потенциального использования стали глобальными: научные лаборатории в Китае зарегистрировали больше патентов, чем в любой другой стране. Поэтому неудивительно, что один из ведущих китайских брендов бытовой электроники одним из первых начал использовать графен в своих продуктах.Наушники Xiaomi Mi Pro HD — это последний продукт Xiaomi, в котором используется графен, хотя его точная роль неясна.

Все, что Xiaomi скажет, это то, что он содержит «25-ступенчатый процесс» с двойной графеновой диафрагмой, «чтобы сохранить богатые детали и сделать низкие ноты мягкими». Графеновая диафрагма «более пластична на высоких частотах, производит насыщенные, резкие и кристально чистые звуки» и «проводит 100% проходящих через них электрических сигналов». Xiaomi также продает ультратонкий пояс PMA Graphene Smart Therapy Belt A10, в котором используется ткань, пропитанная графеном.

Графеновые самолеты

В авиации вес решает все, а это означает огромные затраты на топливо. Большинство пассажирских авиакомпаний перевозят достаточно топлива не только для того, чтобы выдержать вес самолета и пассажиров, но и для веса самого топлива. Поэтому неудивительно, что такие люди, как сэр Ричард Брэнсон (opens in new tab), считают, что все самолеты будут построены из сверхлегкого графена в течение десятилетия.

Гораздо легче и намного прочнее, чем используемые в настоящее время композиты из углеродного волокна, графен привлек внимание компании Airbus, которая является членом исследовательской группы Graphene Flagship и в прошлом году провела симпозиум по инновациям в области графена.

Чехлы для телефонов из графена

NanoCase использует графен для рассеивания тепла. Изображение предоставлено: NanoCase

Чехлы для смартфонов со встроенными батареями для дополнительного заряда просто не прижились, но проблема быстрой разрядки батарей телефонов сохраняется, особенно для опытных пользователей. Cue NanoCase (откроется в новой вкладке) для iPhone X, iPhone 8/8 Plus и iPhone 7/7 Plus, который содержит графеновую панель, которая быстро рассеивает избыточное тепло внутри телефона.

Это продлевает срок службы аккумулятора телефона на 20%, утверждают производители NanoCase.Тем не менее, это поможет вам только в том случае, если вы являетесь добрым пользователем телефона, который так интенсивно использует свой телефон, что он нагревается. Геймеры, обратите внимание.

Область применения графена: Природа Нанотехнологии

В результате значительного научно-технического прогресса за последние десять лет коммерциализация продуктов на основе графена и связанных с ним двумерных материалов находится в пределах досягаемости в ряде областей, от бытовой электроники до хранилище энергии. В этом разделе рассматриваются фундаментальные свойства графена, имеющие отношение к электронным и другим приложениям, а также обсуждаются возможности и проблемы коммерциализации графеновых технологий.

Верх страницы

Особенность

Что можно сделать с графеном
p 737

doi :10.1038/nnano.2014.245

Мы попросили семь экспертов в своих областях поделиться своим мнением о потенциале и проблемах в реализации продуктов на основе графена в ряде технологий.

Полный текст | PDF (2479 КБ )

Графен для дисплеев, которые изгибаются
стр. 737 — 738

Чон-Хён Ан и Бён Хи Хон

дои :10.1038/ннано.2014.226

Jong-Hyun Ahn и Byung Hee Hong обсуждают, как графен можно использовать в разработке гибкой электроники.

Полный текст | PDF (1,003 КБ )

Электризующие чернила с 2D-материалами
стр. 738 — 739

Феличе Торриси и Джонатан Н. Коулман

дои :10.1038/ннано.2014.218

Felice Torrisi и Jonathan N. Coleman описывают, как графен можно использовать в проводящих чернилах для печати электронных схем.

Полный текст | PDF (892 КБ )

Зарядка графена для получения энергии
стр. 739 — 741

Джун Лю

дои :10.1038/ннано.2014.233

Хранение энергии — это грандиозная задача для будущей энергетической инфраструктуры, транспорта и бытовой электроники. Jun Liu обсуждает, как графен может — или не может — использоваться для улучшения различных электрохимических устройств накопления энергии.

Полный текст | PDF (760 КБ )

Графен против коррозии
стр. 741 — 742

Шива Бём

дои :10.1038/ннано.2014.220

Siva Böhm обсуждает, как можно использовать графен для предотвращения коррозии металлов, таких как сталь.

Полный текст | PDF (1,076 КБ )

Секвенирование с графеновыми порами
p 743

Мария Дрндич

doi :10.1038/nnano.2014.232

Твердотельные нанопоры часто используются для биомолекулярного анализа, но до сих пор не позволяли секвенировать ДНК. Мария Дрндич спрашивает, могут ли нанопоры, сделанные из графена, соответствовать всем требованиям, необходимым для секвенирования.

Полный текст | PDF (720 КБ )

Графеновые устройства на всю жизнь
стр. 744 — 745

Костас Костарелос и Костя С. Новоселов

doi :10.1038/nnano.2014.224

Костас Костарелос и Костя С.Новоселов исследуют потенциал графена в биомедицинских приложениях.

Полный текст | PDF (816 КБ )

Графен в небе и за его пределами
стр. 745 — 747

Эмили Дж. Сиочи

doi :10.1038/nnano.2014.231

Эмили Дж. Сиочи объясняет, как большинство свойств графена можно использовать в аэрокосмических приложениях.

Полный текст | PDF (844 КБ )


Верх страницы

отзывов

Поликристаллический графен и другие двумерные материалы
стр. 755 — 767

Олег В. Языев и Юн П. Чен

doi :10.1038/nnano.2014.166

В этом обзоре обсуждаются последние экспериментальные и теоретические результаты по поликристаллическому графену и родственным материалам.

Аннотация | Полный текст | PDF (3564 КБ )

Электроника на основе двумерных материалов
стр. 768 — 779

Джанлука Фиори, Франческо Бонаккорсо, Джузеппе Яннакконе, Томас Паласиос, Даниэль Ноймайер, Алан Сибо, Санджай К. Банерджи и Луиджи Коломбо

doi :10.1038/nnano.2014.207

В этом обзоре рассматриваются возможности и проблемы электронных приложений графена и других двумерных материалов.

Аннотация | Полный текст | PDF (2,048 КБ )

Фотоприемники на основе графена, других двумерных материалов и гибридные системы
стр. 780 — 793

Ф. Х. Л. Коппенс, Т. Мюллер, Ф. Авурис, А. К. Феррари, М. С. Витиелло и М. Полини

doi :10.1038/nnano.2014.215

В этой статье рассматриваются последние достижения в области применения 2D-материалов для обнаружения света в различных частотных диапазонах.

Аннотация | Полный текст | PDF (2141 КБ )

Графеновая спинтроника
стр. 794 — 807

Вэй Хань, Роланд К. Каваками, Мартин Гмитра и Ярослав Фабиан

doi :10.1038/nnano.2014.214

В этом обзоре обсуждаются явления и приложения, зависящие от спина, в графене и других двумерных материалах.

Аннотация | Полный текст | PDF (2520 КБ )


Верх страницы

Из архива

отзывов

Спектроскопия комбинационного рассеяния как универсальный инструмент для изучения свойств графена
стр. 235 — 246

Андреа С.Феррари и Денис М. Баско

doi :10.1038/nnano.2013.46

Достижения в понимании рамановских процессов в графене сделали его важным инструментом для изучения свойств этого углеродного материала толщиной в один атом.

Аннотация | Полный текст | PDF (1050 КБ )

Электроника и оптоэлектроника двумерных дихалькогенидов переходных металлов
стр. 699 — 712

Цин Хуа Ван, Курош Калантар-Заде, Андрас Кис, Джонатан Н.Коулман и Майкл С. Страно

doi :10.1038/nnano.2012.193

Однослойные дихалькогениды металлов представляют собой двумерные полупроводники, обладающие большим потенциалом для электронных и сенсорных приложений, дополняющих возможности графена.

Аннотация | Полный текст | PDF (1996 КБ )

Прогресс артикул

Низкочастотный 1/
f Шум в графеновых устройствах pp 549 — 555

Александр А.Баландин

doi :10.1038/nnano.2013.144

В этой статье о прогрессе рассматриваются характерные особенности низкочастотного электронного шума в графене, а также обсуждаются последствия и потенциальные применения такого шума в электронных устройствах на основе графена.

Аннотация | Полный текст | PDF (914 КБ )

Буквы

Преобразование солнечной энергии и излучение света в атомарном монослойном p–n-диоде
стр. 257 — 261

Андреас Поспишил, Марко М.Фурчи и Томас Мюллер

doi :10.1038/nnano.2014.14

Изготовлен p–n-переход в монослое WSe 2 , который можно использовать в качестве солнечного элемента, фотодиода и светодиода.

Аннотация | Полный текст | PDF (2 275 КБ )

Оптоэлектронные приборы на основе электрически перестраиваемых p–n-диодов в монослое дихалькогенида
п.п. 262 — 267

Бриттон В.Х. Богер, Хью О.Х. Черчилль, Яфанг Ян и Пабло Харилло-Эрреро

doi :10.1038/nnano.2014.25

Электростатически определяемый p-n-переход в монослое WSe 2 используется для фотодетектирования, фотоэлектрических операций и в качестве светоизлучающего диода.

Аннотация | Полный текст | PDF (2200 КБ )

Электрически перестраиваемые экситонные светодиоды на основе монослоя WSe
2 p–n переходы pp 268 — 272

Джейсон С.Росс, Филип Клемент, Аарон М. Джонс, Нирмал Дж. Гимире, Цзяцян Ян, Д. Г. Мандрус, Такаши Танигучи, Кенджи Ватанабэ, Кенджи Китамура, Ван Яо, Дэвид Х. Кобден и Сяодун Сюй

doi :10.1038/nnano.2014.26

Сообщается о яркой и электростатически перестраиваемой электролюминесценции монослоя WSe 2 p–n-переходов.

Аннотация | Полный текст | PDF (3,352 КБ )

Графеновые фотодетекторы со сверхширокополосной и высокой чувствительностью при комнатной температуре
стр. 273 — 278

Чанг-Хуа Лю, Ю-Чиа Чанг, Теодор Б.Норрис и Чжаохуэй Чжун

doi :10.1038/nnano.2014.31

Пара уложенных друг на друга слоев графена, разделенных туннельным барьером, демонстрирует чувствительные возможности фотодетектирования.

Аннотация | Полный текст | PDF (2,006 КБ )

Графеновые механические генераторы с перестраиваемой частотой
стр. 923 — 927

Чанъяо Чен, Суну Ли, Викрам В.Дешпанде, Гван-Хён Ли, Майкл Лекас, Кеннет Шепард и Джеймс Хоун

doi :10.1038/nnano.2013.232

Самоподдерживающиеся графеновые механические генераторы с настраиваемой частотой изготовлены и используются для демонстрации частотно-модулированной передачи звука.

Аннотация | Полный текст | PDF (2,021 КБ )

Электронные и плазмонные явления на границах зерен графена
стр. 821 — 825

З.Фей, А.С. Роден, В. Ганнетт, С. Дай, В. Реган, М. Вагнер, М.К. Лю, А.С. Маклеод, Г. Домингес, М. Тименс, Антонио Х. Кастро Нето, Ф. Кейлманн, А. Зеттл, Р. Хилленбранд, М. М. Фоглер и Д. Н. Басов

doi :10.1038/nnano.2013.197

Границы отдельных зерен визуализируются с помощью метода сканирующей плазмонной интерферометрии, раскрывая механистические представления об электронном переносе и распространении плазмонов в графене.

Аннотация | Полный текст | PDF (3,095 КБ )

Графен-MoS
2 гибридные структуры для многофункциональных светочувствительных устройств памяти стр. 826 — 830

Каллол Рой, Медини Падманабхан, Шриджит Госвами, Т.Пханиндра Саи, Гопалакришнан Рамалингам, Шринивасан Рагхаван и Ариндам Гош

doi :10.1038/nnano.2013.206

Гибридные структуры

Graphene-MoS 2 демонстрируют потенциал для устройств оптической памяти из-за их высокой чувствительности фотодетектирования и постоянной фотопроводимости, которую можно настраивать напряжением затвора.

Аннотация | Полный текст | PDF (693 КБ )

Чувствительный захват циркулирующих опухолевых клеток нанолистами функционализированного оксида графена
стр. 735 — 741

Хён Джун Юн, Тэ Хён Ким, Чжо Чжан, Эбрахим Азизи, Трин М.Фам, Костанца Паолетти, Жюль Лин, Нития Рамнат, Макс С. Вича, Дэниел Ф. Хейс, Дайан М. Симеоне и Сунита Награт

doi :10.1038/nnano.2013.194

Циркулирующие опухолевые клетки пациентов с раком на ранней стадии теперь были получены и охарактеризованы с использованием нанолистов функционализированного оксида графена.

Аннотация | Полный текст | PDF (4900 КБ )

Сверхчувствительные фотоприемники на основе монослоя MoS
2 стр. 497 — 501

Ориол Лопес-Санчес, Доминик Лембке, Метин Кайчи, Александра Раденович и Андраш Киш

дои :10.1038/ннано.2013.100

В настоящее время продемонстрирован очень чувствительный фотодетектор на основе дисульфида молибдена с потенциалом для интегральных оптоэлектронных схем, датчиков света, биомедицинских изображений, видеозаписи или спектроскопии.

Аннотация | Полный текст | PDF (883 КБ )

Вертикальный полевой транзистор на основе графена-WS
2 Гетероструктуры для гибкой и прозрачной электроники п.п. 100 — 103

Танасис Георгиу, Рашид Джалил, Брэнсон Д.Белль, Лайам Бритнелл, Роман В. Горбачев, Сергей В. Морозов, Йонг-Джин Ким, Али Голиния, Сара Дж. Хей, Олег Макаровский, Лоуренс Ивз, Леонид А. Пономаренко, Андрей К. Гейм, Костя С. Новоселов и Артем Мищенко

doi :10.1038/nnano.2012.224

Туннельный транзистор на основе пакетов химически выращенного графена и других двумерных слоев демонстрирует рекордную производительность.

Аннотация | Полный текст | PDF (1147 КБ )

Селективное молекулярное просеивание через пористый графен
стр. 728 — 732

Стивен П.Кениг, Люда Ван, Джон Пеллегрино и Дж. Скотт Банч

doi :10.1038/nnano.2012.162

Селективные молекулярные сита могут быть созданы из пористых графеновых мембран микрометрового размера с использованием окислительного травления.

Аннотация | Полный текст | PDF (358 КБ )

Графеновое покрытие делает аэрогели из углеродных нанотрубок сверхэластичными и устойчивыми к усталости
стр. 562 — 566

Кю Хун Ким, Ёнсок О и М.Ф. Ислам

doi :10.1038/nnano.2012.118

Механически хрупкий аэрогель из однослойных углеродных нанотрубок можно превратить в сверхэластичный материал, покрыв его графеном.

Аннотация | Полный текст | PDF (1799 КБ )

Артикул

Полевые транзисторы с черным фосфором
pp 372 — 377

Ликай Ли, Ицзюнь Юй, Го Цзюнь Е, Цинцинь Гэ, Сюэдун Оу, Хуа Ву, Дунлай Фэн, Сянь Хуэй Чен и Юаньбо Чжан

дои :10.1038/ннано.2014.35

Полевые транзисторы с хорошими электрическими характеристиками при комнатной температуре изготовлены из малослойного черного фосфора.

Аннотация | Полный текст | PDF (2 312 КБ )

Генерация электричества путем перемещения капли ионной жидкости вдоль графена
стр. 378 — 383

Цзюнь Инь, Сюэмэй Ли, Цзинь Юй, Чжухуа Чжан, Цзяньсинь Чжоу и Ванлинь Го

дои :10.1038/ннано.2014.56

Напряжение в несколько милливольт можно генерировать, перемещая каплю ионного раствора по полоске монослойного графена.

Аннотация | Полный текст | PDF (2 262 КБ )

Обнаружение транслокации ДНК через нанопору с использованием графеновых нанолент
стр. 939 — 945

Ф. Траверси, К. Рейлон, С. М. Бенамер, К.Лю, С. Хлыбов, М. Тосун, Д. Красножон, А. Кис и А. Раденович

doi :10.1038/nnano.2013.240

Твердотельная нанопора может быть объединена с транзистором на графеновой наноленте для создания датчика, который может обнаруживать молекулы ДНК, используя как ионный ток, так и электрический ток в графеновой наноленте.

Аннотация | Полный текст | PDF (3764 КБ )

Высокоэффективная затворно-перестраиваемая генерация фототока в вертикальных гетероструктурах из слоистых материалов
стр. 952 — 958

Ву Джонг Ю, Юань Лю, Хайлун Чжоу, Аньсян Инь, Чжэн Ли, Ю Хуан и Сянфэн Дуань

дои :10.1038/ннано.2013.219

Показано, что в вертикальных гетероструктурах, содержащих графен, MoS 2 и металлы, происходит эффективная генерация фототока, который можно настроить с помощью электрического поля затвора для достижения высокой внешней и внутренней квантовой эффективности.

Аннотация | Полный текст | PDF (17 393 КБ )

Деструктивная экстракция фосфолипидов из мембран
Escherichia coli графеновыми нанолистами стр. 594 — 601

Юсонг Ту, Минь Лв, Пэн Сю, Тьен Хуинь, Мэн Чжан, Маттео Кастелли, Зэнгронг Лю, Цин Хуан, Чунхай Фан, Хайпин Фан и Рухонг Чжоу

дои :10.1038/ннано.2013.125

Компьютерное моделирование показывает, что нанолисты графена повреждают бактерии, проникая в клеточные мембраны или извлекая из них фосфолипиды, что дает новое представление о молекулярных основах цитотоксичности графена.

Аннотация | Полный текст | PDF (26 287 КБ )


Графен и его применение в электронике

Графен и его применение в электронике

15 октября 2019 г. | ООО «АСС МАТЕРИАЛ»

Если вы еще не слышали о материале под названием графен, то, скорее всего, скоро услышите.Графен — это революционный материал, состоящий из одного слоя атомов графита, расположенных в виде единого листа. Он известен как самый прочный, самый легкий, самый тонкий и самый твердый материал на планете, а его источник практически безграничен, поскольку он состоит из углерода, четвертого по распространенности элемента в известной Вселенной. Графен имеет сотни практических применений в различных областях, от текстильной промышленности до аэрокосмических приложений, а также в вычислительной технике и электронике в целом. В результате производители графена в настоящее время работают над разработкой методов производства, которые позволят быстро выращивать и внедрять этот чудесный материал.

Благодаря своим чрезвычайно полезным проводящим свойствам графен в настоящее время наиболее известен миру в электронной промышленности. Благодаря своей невероятной прочности, высокой теплопроводности и высокой подвижности электронов графен может произвести революцию в электронике и способах ее производства сейчас и в будущем. Графен может даже заменить кремний в электронной основе во многих приложениях, поскольку его свойства во многих случаях превосходят возможности кремния.Поскольку спрос, как ожидается, будет расти по мере разработки новых приложений, компании-производителя графена будут наращивать производство, чтобы не отставать от темпов инноваций. Продолжайте читать, чтобы узнать больше о некоторых электронных приложениях, в которых графен может использоваться для производства более прочной, быстрой и долговечной высокопроизводительной электроники и компонентов.

Батареи

Аккумуляторы обеспечивают возможность хранения электроэнергии, независимо от того, генерируется ли эта энергия или забирается из таких источников, как солнце.Тем не менее, батареи также служили ограничивающим фактором в развитии желаемых полезных результатов, таких как распространение солнечной энергии и электромобилей. В течение многих лет все типы батарей имели компромиссы в отношении производительности, емкости и возможности зарядки. Графен можно использовать для получения результатов, превосходящих текущие типы батарей, при этом он весит меньше и дешевле для производителя. Кроме того, графен можно использовать для анодов аккумуляторов, что может привести к увеличению срока службы и емкости существующих аккумуляторных технологий, таких как литий-ионные элементы.

Сенсорные экраны

Сенсорные экраны

быстро развивались за последнее десятилетие и теперь более чувствительны, долговечны и доступны по цене, чем их предшественники. Графен может еще больше революционизировать сенсорные экраны, потому что он тоньше и прочнее любого другого материала. Он также сохраняет свою электропроводность, что делает его почти идеальным для жестких условий использования экрана смартфона. Графен может заменить текущий отраслевой стандарт, оксид индия и олова, раньше, чем позже.

Интегральные схемы

Графен

уже был протестирован для использования в транзисторах, хотя это не природный полупроводник. Когда стандартный кремний был заменен графеном, в результате получился транзистор, который был в два раза быстрее кремниевой версии. Продолжались исследования с использованием графеновых транзисторов, соединенных вместе в более длинные цепи, и результаты были многообещающими. Графеновые схемы вполне могут привести к экспоненциальному прогрессу в производительности схем, что будет отражено в достижениях в соответствующем электронном оборудовании.

Гибкая память

Еще один способ, которым графен может повлиять на вычисления, — это использование прозрачных гибких приложений памяти. Используя оксид графена, смешанный с оксидом титана, исследователи смогли создать прозрачную гибкую память, которую однажды можно будет использовать в гибких или складных смартфонах, складных экранах телевизоров, смарт-одежде или носимых медицинских диагностических устройствах. Эти устройства памяти не только гибкие, но и превосходят современные материалы, используемые для памяти, с более высокими скоростями и увеличенной емкостью.

Производство солнечной энергии

В настоящее время в солнечных фотоэлектрических панелях используются кристаллы кремния для преобразования фотонов света в электрическую энергию. Независимо от того, относятся ли панели к монокристаллической разновидности с более высокими характеристиками или к более экономичной поликристаллической версии, каждый фотон света, попадающий на кристалл кремния, генерирует свободный электрон. Графен предлагает значительное улучшение этого уровня производительности, поскольку графен может генерировать несколько свободных электронов на фотон света.Кроме того, он тоньше, прочнее, дешевле и доступнее, чем кремний. Это означает, что солнечные панели можно размещать практически где угодно, от корпусов телефонов до крыш автомобилей и тротуарной плитки, и они могут обеспечивать постоянный поток электроэнергии.

Графен вполне может произвести революцию в электронной промышленности благодаря широкому спектру полезных свойств. Чтобы узнать больше о графене и его применении в области электроники, посетите ACS Material.

Сопутствующие материалы ACS Продукты:

Графеновая серия

CVD графен

• Применение графена во всем мире, 2020 г.

• Применение графена во всем мире, 2020 г. | Statista

Другая статистика по теме

Пожалуйста, создайте учетную запись сотрудника, чтобы иметь возможность отмечать статистику как избранную.Затем вы можете получить доступ к своей любимой статистике через звездочку в шапке.

Зарегистрируйтесь сейчас

В настоящее время вы используете общую учетную запись. Чтобы использовать отдельные функции (например, пометить статистику как избранное, установить статистические оповещения) пожалуйста, войдите в свой личный кабинет. Если вы являетесь администратором, пожалуйста, авторизуйтесь, войдя в систему еще раз.

Авторизоваться

Сохранить статистику в формате .XLS

Вы можете скачать эту статистику только как Премиум пользователь.

Сохранить статистику в формате .PNG

Вы можете скачать эту статистику только как Премиум пользователь.

Сохранить статистику в формате .PDF

Вы можете скачать эту статистику только как Премиум пользователь.

Показать ссылки на источники

Как пользователь Premium вы получаете доступ к подробным ссылкам на источники и справочной информации об этой статистике.

Показать подробности об этой статистике

Как пользователь Premium вы получаете доступ к справочной информации и подробностям о выпуске этой статистики.

Статистика закладок

Как только эта статистика обновится, вы немедленно получите уведомление по электронной почте.

Да, сохранить как избранное!

…и облегчить мою исследовательскую жизнь.

Изменить параметры статистики

Для использования этой функции требуется как минимум одиночная учетная запись .

Базовая учетная запись

Знакомство с платформой

У вас есть доступ только к базовой статистике.
Эта статистика не включает в ваш аккаунт.

Один аккаунт

Один аккаунт

Идеальный учет входа для отдельных пользователей

  • Мгновенный доступ
  • Статистика
  • Download в XLS, PDF & PNG-формат
  • подробные ссылки

$ 59 $ 39 / месяц *

в первые 12 месяцев

Корпоративный счет

Полный доступ

Корпоративное решение со всеми функциями.

* Цены не включают налог с продаж.

Самая важная статистика

Самая важная статистика

Самая важная статистика

Самая важная статистика

Самая важная статистика

Самая важная статистика

Самая важная статистика

Дополнительная статистика

Узнайте больше о том, как Statista может помочь вашему бизнесу.

Статистика. (4 января 2021 г.). Области применения графена компаниями и учреждениями по всему миру в 2020 году [График]. В Статистике. Получено 13 апреля 2022 г. с https://www.statista.com/statistics/1274383/graphene-application-areas-worldwide/

Statista. «Области применения графена компаниями и учреждениями по всему миру в 2020 году». Диаграмма. 4 января 2021 г. Статистика. По состоянию на 13 апреля 2022 г. https://www.statista.com/statistics/1274383/graphene-application-areas-worldwide/

Statista.(2021). Области применения графена компаниями и учреждениями по всему миру в 2020 году. Статистика. Statista Inc.. Дата обращения: 13 апреля 2022 г. https://www.statista.com/statistics/1274383/graphene-application-areas-worldwide/

Statista. «Области применения графена компаниями и учреждениями по всему миру в 2020 году». Statista, Statista Inc., 4 января 2021 г., https://www.statista.com/statistics/1274383/graphene-application-areas-worldwide/

Statista, Области применения графена компаниями и учреждениями по всему миру в 2020 г.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.