Графен в домашних условиях: Как изготовить графен в домашних условиях, используя простой карандаш и пленку?

Содержание

Волшебный графен, который никак не выйдет за пределы лаборатории

Автор:&nbspВиталий Олехнович

Графен — удивительный своими свойствами и сложностью добычи материал. С тех пор как его в 2004 году впервые получили в британской лаборатории выходцы из России, масштабировать производство все никак не удается. В мире добывают либо крошечное количество высококачественного графена, либо промышленные объемы низкого качества с нюансами, которые частично испаряют волшебство материала будущего.

Почему так сложно получить чистый графен? Какие существуют технологии выделения графена? Где эксперименты демонстрируют его удивительные свойства уже сейчас? И почему эти волшебные характеристики так заводят ученых, что они не оставляют попыток его коммерциализировать?

Свойства любого материала зависят не только от того, какие химические элементы присутствуют в его составе. Также важно и пространственное расположение атомов. Алмаз и графит состоят из одних и тех же атомов углерода, однако первый используют для резки камня и бетона, а второй — в качестве грифеля для карандаша.

Твердость алмазу придает плотная тетраэдрическая структура атомов. Графит на атомарном уровне представляет собой пласты в разных плоскостях, в которых атомы образуют шестиугольники.

Графен — двумерный. У него есть длина и ширина, а глубины как бы и нет. Это плоскость из атомов углерода, которые образуют кристаллическую решетку. И именно такая модификация обеспечивает его механическую гибкость, оптическую прозрачность, высокую теплопроводность и подвижность электронов. Это тончайшее вещество способно проводить электричество, а в будущем сгодилось бы для замены кремния в наноэлектронике.

Например, супербетон

Насколько широким может быть применение графена, демонстрирует исследование ученых из британского Исследовательского центра графена при Университете Эксетера. В 2018 году группа исследователей сделала намного более прочный по сравнению с традиционным бетон, добавив в него графен. Полученный таким образом композитный материал оказался на 146% прочнее на сжатие, а его теплоемкость была выше на 88%.

Ученые в лабораторных условиях отделяли от частиц графита графеновые слои с помощью высокоскоростной машины. Из полученного графена и жидкости делали суспензию. Чтобы графен не слипался в большие кучки, в эту суспензию добавили поверхностно-активное вещество.

Эту графеновую взвесь смешали с наиболее широко применяемым портландцементом, песком и заполнителем. Получившийся бетон залили в кубы со сторонами по 10 сантиметров, а потом выдержали в воде. По сравнению с контрольными бетонными кубами, в которых вместо графеновой суспензии использовали воду, у получившихся в лаборатории прорывных кубов был ряд интересных и перспективных свойств.

Во-первых, модуль Юнга — способность сопротивляться растяжению и сжатию при упругой деформации — выросла на 80,5%, прочность на сжатие составила уже озвученные 146%. У графеновых бетонных кубов в несколько раз упала водная проницаемость, а теплоемкость, наоборот, выросла на 88%. Все эти показатели варьировались в зависимости от концентрации графена в исходной суспензии.

Учитывая, насколько бетон распространен в строительстве современных зданий, улучшение свойств композитного материала сулит большие выгоды. Да, мы уже говорили, что добыть чистый графен крайне сложно. Но даже в «грязном» виде он может быть полезен для бетона.

Также графен может использоваться в качестве сенсорного слоя для тачскринов благодаря своей высокой электропроводности и прозрачности. Для сенсорных экранов смартфонов, стеклянных дверей морозильных камер и даже окон в кабине пилотов Airbus широко применяется тончайшая пленка из оксида индия-олова. Если не повысить эффективность использования индия или степень его вторичного использования, то запасы этого редкого металла могут быть исчерпаны в ближайшие десятилетия.

И графен мог бы принять эту эстафету и спасти мир если не от исчезновения сенсорных экранов, то от заметного подорожания смартфонов, поскольку другие альтернативы оксиду индия-олова обходятся недешево.

И все это лишь малая часть того, куда ученые пробуют приложить волшебные свойства графена. Эксперименты с краской для волос, которая остается устойчивой после 30 смывов. Большие надежды в солнечной энергетике из-за лучшей способности ловить фотоны. Упрочнение структуры асфальта с помощью графеновых добавок для решения одной из извечных российских проблем. Использование материала в аккумуляторах, фильтрах воздуха и опреснителях, суперконденсаторах, бронежилетах и гражданской одежде.

Но все это эксперименты на исключительно малых объемах или с грязным графеном, ожидания и хотелки. Приятно читать рассуждения ученых о том, что фантастика вскоре станет реальностью и квадратный метр графена будет весить как ус четырехкилограммовой кошки, отдыхающей на таком графеновом гамаке. Перед миром будущего, который хочет использовать графен, стоит сложная задача получения его в промышленных масштабах, в чистом виде и по разумной цене.

Графеновые нанотрубки?

Другое перспективное направление — углеродные нанотрубки. Это одностенные трубки, которые образованы из свернутого в цилиндр листа графена. В такой структуре электроны демонстрируют необычное движение, прыгают с места на место, оставляют положительно заряженные дыры. Но проводимость такой нанотрубки можно регулировать. А раз ток — это направленное движение электронов, то на основе нанотрубки можно получить высокочувствительный сенсор или фотодетектор, который будет преобразовывать оптический сигнал в направленное движение электронов — электрический сигнал.

Для этого российские ученые из Национального исследовательского университета МИЭТ с помощью фемтосекундного лазера (лазер с ультракороткими импульсами) смогли модифицировать структуру графеновой нанотрубки так, что одна ее часть обладает почти металлическими свойствами, а другая — свойствами полупроводника. Проводимость этой второй части нанотрубки зависит от света. Когда он на нее попадает, электроны от металлической части устремляются в другой конец — образуется электрический импульс.

Такой фотодетектор демонстрирует высокую чувствительность и быстродействие. А разработчики технологии полагают, что она может найти свое применение в наноразмерных оптоэлектронных устройствах, камерах с высоким разрешением и квантовых компьютерах.

Углеродные нанотрубки уже делают. Иногда удается вырастить в лаборатории целый лес рекордной высотой в 14 сантиметров на подложке, на которую из газовой фазы осаждается углерод. В России компания «Оксиал» производит углеродные нанотрубки в огромных количествах и успешно ими торгует. Но, по словам Константина Новоселова, одного из первооткрывателей графена, это немного не тот материал. Точнее, совсем не тот. Удивительные свойства графена обеспечивает его двумерная структура. Углеродные нанотрубки в промышленных масштабах — это масса довольно неорганизованных фрагментов нанотрубок. Они не обладают той же прочностью на разрыв, как отдельные нанотрубки, но практическое применение находят: их используют для создания велосипедных компонентов, более прочной наноэпоксидной смолы.

Сложно, дорого, мало

Нельзя сказать, что методы получения графена не продвинулись с тех пор, как Андрей Гейм и Константин Новоселов впервые отслоили его от графита с помощью простой липкой ленты.

Но путь от лаборатории до реальной и эффективной технологии оказывается неблизким.

Получить графен в домашних условиях едва ли не проще, чем графеновый лист большой площади в лаборатории. Тут и там его добывают для изучения, но для настоящей революции необходимо автоматизированное производство нескольких килограммов в день или тонн в год.

В университетах, например, графен добывают из графита с применением серной или азотной кислоты. Процесс окисления приводит к тому, что между листами графена в графите появляются атомы кислорода. Происходит расщепление слоев и образование оксида графена в кислоте. После фильтрации остаются легковесные хлопья оксида графена. Из них надо вытравить кислород с помощью чрезвычайно токсичного гидразина.

Другой способ заключается в использовании метана. При высоких температурах (около 1000 градусов по Цельсию) метан вступает в реакцию с медью с образованием графена. Этот процесс называется химическим осаждением из паровой фазы.

Он требует много времени для небольшой площади графена, качество которого оставляет желать лучшего. Этот метод совершенствуется, в газ добавляют примеси, что уменьшает температуры производства и улучшает качество графена. Также используют никелевую фольгу в качестве катализатора.

Последовательное отслаивание графита и графена с помощью клейкой ленты, кстати, также не забыто. Разработаны ленты, которые легче растворяются в воде. Но автоматизировать этот ручной труд практически невозможно.

В этом году химики из Университета Райса представили технологию получения графена из выброшенных автомобильных покрышек. Переработка покрышек — отдельная и серьезная проблема, так что их использование для получения графена выглядит перспективным.

Химики предложили сжигать шины с помощью мощных коротких (до секунды) электрических разрядов. Под действием разряда они превращаются в турбостратный графен с большим количеством дефектов.

Этот графен проверили при добавлении в портландцемент в количестве всего от 0,1 до 0,5 весового процента. После семидневного застывания бетон демонстрировал прочность на сжатие на 30% выше, чем традиционный бетон.

В научной литературе можно встретить еще тысячу и один способ получения графена (например, с использованием чана на 10 000 литров, смесителя и графита с выходом графена до нескольких сотен граммов в час). Однако все эти методы объединяет несколько факторов: сложность, энергозатратность, малый выход и нестабильное качество графена.

Электронные свойства графена крайне чувствительны к дефектам материала. Появление других атомов в структуре графена приводит к резкому и неожиданному изменению его свойств. Достаточно одного атома водорода, чтобы сделать графен магнитным. А окисление углеродных связей в материале делает его уязвимым в окружающей среде.

Некоторые методы анализа требуют уничтожения части графена, что совсем уж неприемлемо, ведь его с таким трудом добывают. Другие методы требуют дорогостоящего оборудования и специально обученных специалистов. И оптическими микроскопами не всегда обойдешься. Необходимо прибегать к электронной микроскопии, чтобы составить полную картину относительно графена.


17 лет — это много или мало? С момента открытия графена о нем написаны десятки тысяч научных статей как с теоретической точки зрения, так и по следам практических работ и экспериментов. Со стороны может показаться, что эта отрасль так и не сможет покинуть пределы лабораторий. Но слишком уж много надежд возлагается на графен. А человек, который сможет подарить его миру, станет в один ряд с Габером и Бошем, которые придумали, как в промышленных масштабах синтезировать аммиак.

Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!

Есть о чем рассказать? Пишите в наш телеграм-бот. Это анонимно и быстро

Перепечатка текста и фотографий Onliner без разрешения редакции запрещена. [email protected]

Открытие графена и его использование в домашних условиях

Содержание

  • 1 История открытия
  • 2 Описание графена
  • 3 Свойства и преимущества графена
  • 4 Получение
    • 4. 1 Получение графена в домашних условиях
  • 5 Дефекты
  • 6 Возможные применения
    • 6.1 Оксиды наноматериала
    • 6.2 Биомедицинское применение
    • 6.3 Индустриальное применение
    • 6.4 Использование в автомобилестроении
    • 6.5 Сенсорные экраны
  • 7 Физика
    • 7.1 Теория
    • 7.2 Кристаллическая структура
    • 7.3 Зонная структура
    • 7.4 Линейный закон дисперсии
    • 7.5 Эффективная масса
    • 7.6 Хиральность и парадокс Клейна
    • 7.7 Эксперимент
    • 7.8 Проводимость
    • 7.9 Квантовый эффект холла
  • 8 Двухслойный графен
  • 9 Видео

Развитие такой отрасли науки и техники, как нанотехнологии, позволило найти применение удивительным качествам углерода. Одно из ярких событий в науке ознаменовалось открытием графена. Многих читателей интересует, что такое графен, и когда он появился. Надо обратиться к истории его изобретения.

Кристаллическая решётка графена

История открытия

Графен – это пластина, представляющая собой кристаллическую решётку из двухмерных кристаллов углерода. Автором нового материала, учёным Уоллесом, в 1947 году были замечены необычные свойства графена. Он утверждал, что вещество по своим характеристикам аналогично металлам.

Невозможность получения углерода в чистом виде в те времена объяснялось отсутствием должного оборудования. С появлением нанотехнологии в 2004 году учёными Новосёловым и Геймом был получен этот материал. Выходцам из России, работающим в Манчестерском университете, за графен присуждена Нобелевская премия.

Описание графена

Что такое электрическое сопротивление

Чтобы понять, что это такое графен, достаточно провести карандашом по бумаге. Графитовый след будет состоять из слоя кристаллов этого вещества. Грифель состоит из множества слоёв кристаллических решёток нановещества. Такой материал, как графен, представляет собой слой атомов углерода, объединённых в форму шестигранных сот.

Структура графена

На рисунке в левом нижнем углу изображен графит, его можно обнаружить в простом карандаше. Его структура выглядит, как слои торта. Прочные пласты графена перемежаются слабыми прослойками. Свёрнутые листы в виде трубки или шара называют фуллеренами. Их подразделяют на цилиндры – углеродные нанотрубки (в нижнем ряду по центру) и на сферы – бакиболсы (там же справа).

Свойства и преимущества графена

Искатель скрытой проводки

Это самый тонкий в мире материал, полученный лабораторным путём. Из-за ничтожной толщины материал графен абсолютно прозрачен. Его прочность превышает в 200 раз показатель стали. В перспективе новый материал станет заменой кремния и медных проводников в интегральных микросхемах.

Важно! С каждым годом учёные мира обнаруживают новые свойства графеновых материалов. Это открывает окно бескрайних возможностей в развитии нанотехнологии. Новый материал – настоящее чудо современной науки. Он обладает непревзойдёнными термическими, оптическими, электрическими и механическими качествами.

Получение

Какой вред от разбитых люминесцентных ламп

Графен был получен вышеупомянутыми учёными, когда они стали поступательно отделять от графита чешуйки вещества, применяя липкую ленту (скотч). Сейчас делаются попытки получения материала химическим способом. Однако ещё требуются усилия по преодолению трудностей, связанных с полным разделением графеновых слоёв и препятствованием их сворачиваемости.

Совсем недавно учёные Стэндфордского университета и специалисты из Китая опубликовали совместную статью о новом способе извлечения наноматериала. Получение графена представляет довольно сложный процесс, состоящий из обработки химреактивами графита, воздействия ультразвуком, нагрева взвеси до 10000 С. В результате графит, как ножом, разрезается на множество слоёв.

В это же время ирландские учёные опубликовали другой способ, основанный на скрупулёзном подборе интеркоагулянтов. В результате этого графитовый порошок становится гидрофильным веществом. В растворе под воздействием ультразвука графитовая взвесь легко расслаивается. Оба метода признаны успешными.

Получение графена в домашних условиях

Несмотря на сложность вышеперечисленных методик, получить графен в обычных домашних условиях вполне возможно. Надо следовать следующей инструкции:

  1. Дома нужно воспользоваться мощным блендером (400 Вт).
  2. Графитовый стержень от обычного карандаша измельчают до порошкообразного состояния.
  3. В агрегат заливают ½ литра воды вместе с 20 мл моющего средства для посуды.
  4. Блендером сбивают раствор в течение получаса. В результате сверху появится взвесь чешуек графена.
  5. Ленту скотча опускают на поверхность жидкости липкой стороной вниз, чтобы чешуйки прилипли к ней.
  6. Скотч складывают вдвое, затем разнимают половинки. Чешуйки разделятся на две части. Процесс можно повторять до десяти раз.
  7. В результате появятся светлые лепестки графена, переливающиеся разными цветами. Образец помещают под окуляр 100-кратного микроскопа. Если повезёт, можно будет наблюдать совсем прозрачные чешуйки.

Дефекты

Кажущаяся лёгкость получения графена неразрывно связана с фундаментальной проблемой – термодинамической устойчивостью двумерных проводников. Новый наноматериал, представленный слоистыми кристаллами, относится к 2D системам. Двумерные слоистые структуры, обладая металлическими свойствами, термодинамически крайне неустойчивы.

В условиях понижения окружающей температуры графеновые материалы теряют свойства металлов. То есть происходит переход из металла в диэлектрик. Проблема требует дальнейших исследований.

Возможные применения

Уникальные свойства графена позволили применять его практически во всех сферах деятельности человека. Уже сейчас появляются новейшие разработки использования графена в различных устройствах.

Оксиды наноматериала

Оксид – продукт взаимодействия атомов кислорода с молекулярной структурой какого-либо вещества. Учёные, занимающиеся вопросом, что такое графен и областью его применения, обнаружили по краям углеродной сетки графена оксидные группы молекул. Несколькими граммами этого вещества можно накрыть футбольное поле. Наноматериал уже используют в биомедицине.

Биомедицинское применение

Сверхспособности вещества в оптике и электронике позволят врачам распознавать злокачественные опухоли на ранней стадии развития. Оксид графена способен осуществлять адресную доставку лекарства к определённому органу человека, минуя окружающие ткани. Недавно было сделано заявление о создании сорбентовых датчиков, которые могут распознавать молекулы ДНК, используя свойства нановещества.

Индустриальное применение

Адресные сорбенты оксида графена будут способны деактивировать территории, заражённые в результате техногенных катастроф. Сейчас рассматривается применение продукта для очистки водных ресурсов и воздушного пространства от радионуклидов.

Новые технологии на основе оксида графена совершат технологическую революцию в химической промышленности. Они позволят значительно снизить затраты по извлечению драгоценных металлов из бедных руд.

Дополнительная информация. Внедрение наноматериала в пластиковый полимер сделает его способным проводить ток. Замена кремния в микросхемах сделает переворот в создании новых компьютеров с огромными возможностями.

Перспективы использования нановещества в оборонной промышленности практически неограниченны. Появление брони, выдерживающей самые мощные снаряды, даст толчок в создании новой бронетехники и бронежилетов.

Использование в автомобилестроении

Удельная энергоёмкость графена в 50 раз превышает энергоёмкость литий-ионных аккумуляторов. Заметив это свойство, учёные приступили к разработке аккумуляторных батарей нового поколения.

Проблема, связанная с громоздкостью и ограниченностью заряда аккумуляторов для электромобилей, в ближайшее время будет решена. Машина с графеновой батареей сможет за один раз проехать тысячу километров, причём на одну зарядку аккумулятора понадобится около 8 минут.

Графеновый аккумулятор

Обратите внимание! Автомобилисты часто пользуются аэрогелем с графитовой смазкой. Средство покрывает тонкой плёнкой автодетали, предохраняя их от коррозии, проникая в заржавевшие резьбовые соединения. В какой-то мере это прообраз графена.

Сенсорные экраны

Углеродный наноматериал используют при изготовлении сенсорных экранов с диагональю в несколько метров. Это позволяет получить сенсорные дисплеи, которые можно будет скручивать в трубку для переноски.

Физика

Физическая природа графена объясняется электрическими свойствами атомов вещества. Материал имеет общее сходство с графитом и алмазами.

Теория

Теоретические исследования ещё 70 лет назад предсказали существование такого вещества, как графен. Утверждалось, что углерод способен создавать кристаллические двумерные пространственные решётки в виде тончайших плёнок толщиной в 1 атом. Теория была подкреплена практическими опытами в 2012 году, когда были получены первые образцы наноматериала.

Кристаллическая структура

Группа правильных шестиугольников образует решётку, что отражает эквивалентную гексагональную структуру построения атомов углерода. На рисунке жёлтым фоном выделена элементарная ячейка. В кругу розового цвета видны атомы с векторами. Синие и красные кружочки отображают различные подрешётки кристалла, являющиеся базисом решётки.

Кристаллическая графеновая решётка

Зонная структура

Суть термина выражает близкие связи электронов. Вокруг ядра атома углерода вращаются электроны. Три из них связаны с соседними атомами, формируя связи в кристаллической решётке. Четвёртый электрон образует связи в одной плоскости. Диаграмма зонной структуры графена выглядит в виде конусов.

Конусы зонной структуры

Линейный закон дисперсии

Выявление зонной структуры нановещества позволило вывести закон дисперсии одномерных нанотрубок.

Закон дисперсии определён уравнением Дирака. Математическое выражение подтверждает линейную зависимость дисперсии и вытекает из уравнения Шредингера для зонной структуры вещества при малых затратах энергии электронов.

Эффективная масса

Линейный закон дисперсии определяет эффективную массу электронов и дырок в структуре наноматериала, не имеющую никакой величины. Но при вращении электронов вокруг ядра получается иная масса, называемая энергией Ландау.

Хиральность и парадокс Клейна

Трёхмерное уравнение Дирака для частиц без массы (нейтрино) определяет постоянную величину – спиральность в квантовой электродинамике. В графене выявлен аналог, который называют хиральностью, то есть проекцией псевдоспина в сторону движения.

Эксперимент

Практически все эксперименты связаны с отшелушиванием чешуек – кристаллических решёток. Извлечение графена в результате опытов описано выше.

Проводимость

Было замечено, что наноматериал ведёт себя как полупроводник. Из-за этого графен имеет перспективу полностью заменить кремний в интегральных микросхемах. Это принесёт существенный экономический эффект от производства дешёвых радиокомпонентов.

Квантовый эффект холла

Когда на двумерную кристаллическую решётку воздействуют перпендикулярно направленным магнитным полем, возникает эффект холла. Взаимодействие направленного движения тока в графене с поперечным магнитным потоком вызывает напряжение, которое называют холловским эффектом.

Двухслойный графен

Американские учёные в результате многочисленных опытов обнаружили, что при воздействии на двойной слой графена высоким давлением материал приобретает твёрдость алмаза. Явление уникально тем, что таких качеств нет у однослойного и многослойного наноматериала. В связи с этим ведутся активные изыскания по созданию сверхтонкого защитного покрытия.

Вид двухслойного графена

Открытие непревзойдённых качеств графена рисует перед учёными мира перспективу технологической революции во всех сферах деятельности человечества. Однако, наряду с этим, высказываются мнения, охлаждающие пыл энтузиастов.

Видео

Сделайте графен на кухне с помощью мыла и блендера

Чудесный материал, который вы можете сделать в блендере

(Изображение: Science Picture Co/Science Photo Library)

Сначала насыпьте в блендер немного графитового порошка. Добавьте воду и жидкость для мытья посуды и перемешайте на высокой скорости. Поздравляем, вы только что создали чудо-материал графен.

Этот удивительно простой рецепт теперь является самым простым способом массового производства чистого графена — листов углерода толщиной всего в один атом. Было предсказано, что этот материал произведет революцию в электронной промышленности благодаря своим необычным электрическим и термическим свойствам. Но до сих пор производство высококачественного графена в больших количествах было затруднительным — лучшие лабораторные методы позволяют производить менее половины грамма в час.

«Есть компании, производящие графен с гораздо большей скоростью, но качество не является исключительным», — говорит Джонатан Коулман из Тринити-колледжа в Дублине в Ирландии.

Реклама

Команда Коулмана была нанята Томасом Суоном, химической фирмой, базирующейся в Консетте, Великобритания, чтобы придумать что-то лучшее. Из предыдущей работы они знали, что графен можно отделить от графита — формы углерода, содержащейся в графите карандаша. Графит, по сути, состоит из листов графена, сложенных вместе, как колода карт, и правильное скольжение по нему может разделить слои.

Углеродный смузи

Команда поместила графитовый порошок и жидкий растворитель в лабораторный миксер и включила его. Анализ с помощью электронного микроскопа подтвердил, что они производили графен со скоростью около 5 граммов в час. Чтобы выяснить, насколько хорошо процесс может масштабироваться, они опробовали различные типы двигателей и растворителей. Они обнаружили, что кухонный блендер и Fairy Liquid, британский бренд жидкости для мытья посуды, также справятся с этой задачей.

«Если вы пользуетесь блендером, зачем использовать модное дорогое поверхностно-активное вещество? Почему бы не использовать самое простое поверхностно-активное вещество, и я думаю, что это Fairy Liquid», — говорит Коулман.

Тем не менее, Коулман говорит, что вам не стоит пробовать это дома. Точное количество требуемой жидкости для мытья посуды зависит от свойств графитового порошка, таких как распределение зерен по размерам и от того, загрязняют ли образец какие-либо материалы, кроме углерода. Их можно определить только с помощью современного лабораторного оборудования. Этот метод также не превращает весь графит в графен, поэтому два материала впоследствии необходимо разделить.

«Это забавный эксперимент, но на нем далеко не уедешь, — говорит Колман. «Вы можете сделать черную жидкость, полную графена, но каков следующий шаг?» Вместо этого расчеты команды показывают, что метод можно масштабировать до промышленного уровня — 10 000-литровый чан с правильным двигателем может производить 100 граммов в час. Томас Свон уже начал работу над пилотной системой.

Полезные дефекты

Коулман в восторге от научного потенциала дешевого широко распространенного графена. Например, предыдущий лабораторный эксперимент показал, что добавление капельки графена к полиэстеру повышает его прочность на 50%, поскольку графен является одним из самых прочных известных материалов. Новый метод производства позволит получить достаточно графена, чтобы масштабировать его для промышленных процессов, которые обычно требуют килограммов сырья.

Андреа Феррари из Кембриджского университета говорит, что возможность производить большое количество высококачественного графена полезна, но не обязательна для всех приложений. Графен с дефектами легче связывается с другими молекулами, что делает его пригодным для разработки аккумуляторов или композитных материалов.

Тем не менее, простота метода перекликается с оригинальным выделением графена Андреем Геймом и Константином Новоселовым из Манчестерского университета. Они использовали клейкую ленту и карандаш, метод, который принес им Нобелевскую премию в 2010 году.

«Оглядываясь назад, наши первоначальные планы масштабирования оказались ужасно сложными, что оказалось ненужным, — говорит Коулман. «Возможно, мы плохо понимаем, насколько простыми могут быть вещи».

Ссылка на журнал: Природные материалы , DOI: 10.1038/nmat3944

Темы:

  • электроника

4 отличных метода получения графена в домашних условиях вместе с основами графена

Что такое графен?

Графен представляет собой однослойный углеродный полимер.

Графен состоит из чистого углерода. Это материал, в котором атомы углерода расположены в один слой, образуя соты. Следует подчеркнуть, что этот слой углерода имеет толщину всего в один атом, хотя некоторые авторы считают графеном до десяти слоев углерода. Если бы мы наложили друг на друга десять или более слоев графена, полученное вещество назвали бы графитом, который мы используем в грифелях карандашей.

Термин «графен» ввел Ханнс-Питер Бём. Некоторые ученые называют графен фразой «полупроводник с нулевой запрещенной зоной». Он также известен под вариантами написания, такими как графен и графен, но они неверны в английском языке, хотя они могут быть допустимы в других языках.

Если вы заинтересованы в создании собственного графена, прокрутите вниз до раздела «Как сделать графен дома» или посетите отдельную страницу только с инструкциями по графену своими руками. Вы, вероятно, захотите прокрутить вниз, если вы уже слышали о производстве графена с помощью DVD-привода Lightscribe, но вам нужен оксид графита в качестве отправной точки. Если вы хотите инвестировать в графен или технологию, связанную с графеном, ознакомьтесь с разделом «Как инвестировать в графен».

Открытие графена

Теоретически графен был предсказан Филипом Р. Уоллесом в его работе под названием «Полосная теория графита», опубликованной в Physical Review в 1947 году. Графен был открыт в 2003 году Андреем Геймом и Костей Новоселовым в Манчестерском университете, а результаты были опубликованы в 2004 году. За эту работу они были удостоены Нобелевской премии 2010 года. Чтобы пояснить это, хотя графен успешно выращивался на различных монокристаллических подложках с 19 в.70-е, только в 2003 году графен был окончательно выделен в свободной форме. Интересно знать, что использовали обычные липкие лента для производства небольшого количества графена. Это очень важно, потому что электрические и физические свойства графена значительно отличаются, когда он находится в свободном состоянии. в отличие от того, чтобы быть связанным с поддерживающей кристаллической структурой.

Свойства графена

Графен обладает рядом очень интересных свойств. Как мы узнали, графен представляет собой сотовую структуру, состоящую исключительно из атомов углерода. Мы делаем все возможное, чтобы объяснить эти свойства с точки зрения непрофессионала. Если вы предпочитаете сами видеть цифры вместе с нашими источниками, пожалуйста посетите нашу страницу о свойствах графена. Эта страница может пригодиться если вы проводите какое-то научное исследование или просто хотите узнать, где найти точную информацию. Если иное не отмечено, Основное внимание в этой статье уделяется графену свободной формы.

Электронная транспортная система и мобильность электронов

Очень важным свойством графена является его уникальная система электронного транспорта и, как следствие, высокая подвижность электронов. Подвижность электронов описывает, насколько быстро электрон может двигаться через материал. Металлы и полупроводники представляют особый интерес из-за их использования в электронике.

Скорость электрона ограничена взаимодействием с кристаллической решеткой. С точки зрения непрофессионала, когда электрон движется через материал, он сталкивается с атомами, составляющими материал, и эти столкновения замедляют электрон, ограничивая его максимальную скорость (тем самым нагревая материал, создавая кошмары для инженеров, работающих над этим). Реальность, конечно, немного сложнее, но этого приближения достаточно для нашего обсуждения.

В то время как кремний, являющийся основой современной микроэлектроники, имеет подвижность электронов 2/Vs, графен имеет подвижность электронов 200000 см 2 /Вс, что почти в 200 раз выше, чем у кремния. Это означает, что электроны движутся намного быстрее через графен.

Графен превосходит кремний по скорости

Судя только по этому факту, теоретически электронные устройства на основе графена могут работать почти в 200 раз быстрее, чем обычные устройства на основе кремния. Исследователям IBM удалось добиться частоты переключения до 280 ГГц в графеновом полевом транзисторе с длиной затвора 40 нм. Ученые ожидают, что в 2013 году частота среза графеновых полевых транзисторов достигнет 600 ГГц. в то время как теоретический предел составляет примерно до 10 ТГц, если длина затвора составляет несколько нм. Для сравнения, кремний-германиевые (SiGe) транзисторы достигают максимальной рабочей частоты менее 100 ГГц. Будем надеяться, что прорыв в графене поддержит закон Мура.

Низкое сопротивление

Еще одним свойством графена, тесно связанным с высокой подвижностью электронов, является его низкое удельное сопротивление. Удельное сопротивление листа графена составляет 10 -6 Ом*см. Чтобы представить это число в перспективе, удельное сопротивление графена ниже, чем удельное сопротивление серебра при комнатной температуре. Кстати, при комнатной температуре серебро было материалом с самым низким удельным сопротивлением, известным ученым, то есть до тех пор, пока не появился графен.

Почему свободная форма графена лучше?

Графен произвольной формы действует как волновод для электронов. Это означает, что они могут свободно течь без столкновений. со скоростью примерно 1/10 скорости света в вакууме. Однако при выращивании графена на такой подложке, как SiO2, его электронная подвижность уменьшается в пять раз. Снижение подвижности электронов является следствием чувствительных электронных орбиталей графена, которые меняют форму при контакте с другими материалами. Вот почему ученые изучают способы более эффективного производства и взаимодействия с графеном произвольной формы.

Графен, вероятно, пока что звучит как довольно крутой материал. Если вы заинтересованы в создании собственного графена, прочитайте, как сделать графен, или просто продолжайте читать, информация находится ниже по странице.

Графеновые транзисторы и графеновая логика

Транзисторы в цифровых схемах имеют два разных состояния: ON и OFF (транзисторы на самом деле имеют несколько различных состояний, помимо ON и OFF, но эти два состояния представляют основной интерес в данном обсуждении). Чистый графен создает проблемы, проводя значительный ток даже в выключенном состоянии. Графен проводит ток в выключенном состоянии, потому что это полупроводник с нулевой запрещенной зоной. Полупроводник с нулевой запрещенной зоной не нуждается во внешнем электрическом поле, чтобы стать проводящим. Результат: графеновые логические элементы имеют высокое рассеивание статической мощности — они потребляют энергию как при включенном, так и при выключенном устройстве. Есть два подхода к решению этой проблемы: укоротить длину затвора или использовать легированный графен.

Графен можно легировать так же, как и кристалл кремния. При легировании ионами калия подвижность электронов может быть снижена до 20 раз. В таких случаях желаемым эффектом является контролируемое снижение подвижности электронов. Необходимы дополнительные исследования для выявления оптимальных легирующих примесей и их концентраций.

Самовосстанавливающиеся свойства

Одним из интересных свойств графена является самовосстановление. Это означает, что если мы удалим атом углерода из любого места внутри графенового листа, а затем подвергнуть лист атомам углерода или некоторым углеродсодержащим молекулам, одна из них идеально встанет на место, заполняя отверстие, созданное удаленным атомом углерода, и вписываясь в шестиугольный узор. Способность к самовосстановлению имеет большое значение для нанотехнологий, поскольку один случайный ион может пробить дыру в наноструктуре, сделав ее бесполезной. Если наноструктура способна к самовосстановлению, то она сможет противостоять суровым воздействиям окружающей среды.

Теплопроводность

Графен является чрезвычайно хорошим проводником тепла. На самом деле, он настолько эффективно проводит тепло, что можно разрезать кубик льда. с помощью графенового листа. Графен поглощает тепло ваших пальцев, когда вы держите его, и передает и концентрирует тепло в небольшой область, где графеновое «лезвие» соприкасается со льдом. Лед моментально тает, и по мере его таяния выделяется все больше и больше тепла. передается из вашей руки через графен и, наконец, в лед, который еще больше растапливает.

Относительная прочность материала по сравнению с весом

Легкий материал на основе графена.

Этот захватывающий новый материал является одним из самых прочных материалов, известных науке. Благодаря толщине в один атом, графен может быть упакован в небольшой объем, сохраняя при этом чрезвычайно большую площадь поверхности. Один квадратный метр (10,7 квадратных футов) графена весит менее 1 миллиграмма. Это делает его материалом с превосходным соотношением веса к площади и площади к объему по сравнению с другими материалами с высокой удельной площадью. Несмотря на то, что он очень прочный, углеродный слой имеет толщину всего в один атом и легко ломается. Это делает работу с графеном сложная задача. Ученые разработали материалы на основе графена, которые используют уникальные свойства графена, делая его достаточно толстым, чтобы выдерживать гораздо более высокие нагрузки.

Как купить графен?

Графен доступен у ряда онлайн- и офлайн-реселлеров. Цена графена на данный момент не очень привлекательна: около 300 долларов (около 250 евро). за 1 грамм чистого 3-нм фильтрованного графенового нанопорошка. Конечно, ожидается, что цена на графен будет снижаться по мере увеличения числа производителей. Альтернативно, если вы хотите зарабатывать деньги, а не тратить их, взгляните на статью «Как инвестировать в графен».

Оказывается, многие читатели хотят делать графен дома, так что вот спойлер: возможно создание небольших количеств самодельного графена своими руками! Однако, хотя это возможно, сделать значительные суммы непросто. Фактически, на момент написания этой статьи ученые до сих пор не знают, как эффективно производить графен в больших количествах и высокого качества, потому что технологические процессы еще не отработаны. Тем не менее, изготовить листы графена своими руками в небольших количествах довольно просто.

Биты, которые вы сможете изготовить в домашних условиях, будут иметь длину всего несколько нанометров, так что забудьте о макроскопических графеновых листах или полосках. Самый большой кусок графена, который вы можете сделать сами, это около 0,25мм 2 (но их много наделаешь). Это ненамного больше площади точки в восклицательном знаке на этой веб-странице! В промышленных целях ученые изготавливают транзисторы с длиной затвора менее 25 нм… графен, хотя он кажется вам ничтожно маленьким, может быть использован для изготовления сотен транзисторов. Все еще заинтересованы в создании графена? Отлично, читайте дальше!

Способ 1: клейкая лента

Первый метод «сделай сам» — использовать свинцовый карандаш для нанесения толстого слоя графита. на бумагу. Затем обычной липкой лентой снимите с бумаги слой графита. Используйте другой кусок липкой скотч для удаления слоя графита с первого скотча. Затем используйте третий кусок неиспользованной липкой ленты, чтобы удалить слой с второй кусок липкой ленты, и так далее. В конце концов слои графита будут становиться все тоньше и тоньше, и вы получите графен. который является однослойным графитом в строгом смысле, двухслойным или малослойным графитом (который в некоторых случаях действует почти как графен). Несмотря на то, что этот способ изготовления графена является лишь проверкой концепции, метод липкой ленты работает. Это требует терпения и времени, но это метод «сделай сам», который группа из Манчестера использовала в 2004 году. И помните, они на самом деле получили Нобелевскую премию за свою работу, так что нечего возиться с клейкой лентой!

Способ 2: Кухонный блендер

Группа ученых опубликовала свою статью 20 апреля 2014 года, в которой они описывают, как сделать графен, используя подход называется расслаиванием при сдвиге жидкости. Вы можете ознакомиться с аннотацией статьи здесь, но полная статья находится за платным доступом.

Отшелушивание сдвига в жидкостях начинается с высыпания порошкообразного кристалла в жидкость, а затем с помощью смесителя сдвига для разделения (отшелушивания). слоев материала из кристалла. Жидкость, используемая в таких процессах, выбирается таким образом, чтобы мелкие частицы графена не снова слипаются, и в результате получается жидкая суспензия графена. Затем суспензию можно высушить, чтобы получить графеновые нанохлопья, или его можно было бы непосредственно использовать в более поздних технологических процессах, таких как изготовление графеновых покрытий и других.

Итак, как сделать графен дома, используя этот метод? Ну а миксер-ножницы можно заменить кухонным блендером. (поскольку сдвиговое смешивание — это красивое слово для высокотехнологичного смешивания), а вместо специальных жидкостей можно использовать воду и средство для мытья посуды. Моющее средство добавляется, чтобы частицы не слипались, и действует как поверхностно-активное вещество. Отличным источником графитового порошка являются графитовые карандаши. Просто измельчите несколько грифелей карандаша и добавьте порошок в раствор моющего средства, а затем перемешайте некоторое время. Если у вас нет доступа к специальные микроскопы и другое оборудование, вы, вероятно, не сможете подтвердить наличие графена в растворе моющего средства, но есть быстрое эмпирическое правило, которое вы можете использовать для оценки размера частиц. Вообще говоря, если частицы графена слишком большие, они опустятся на дно сосуда, а если они меньше, то всплывут наверх. Наночастицы настолько малы, что они будут подвешены в середине воды, и это то, к чему вы стремитесь, если хотите сделать графен. После того, как вы сделаете достаточно графена частиц, вы можете отфильтровать суспензию и оставить ее сохнуть.

При этом, хотя этот метод получения графена был описан в упомянутой выше статье и сработал для исследователей, не слишком волнуйтесь о том, чтобы сделать это дома таким образом. Это грязно и создает очень маленькие нано-хлопьев графена, не то, чтобы похвастаться перед друзьями, если только у вас нет высокотехнологичной лаборатории в подвале и вы не собираетесь использовать ее для изготовления графеновых транзисторов. С другой стороны, эта технология вместе с Отшелушивание жидкой фазы с помощью ультразвука может определить, как в будущем будет производиться графен в промышленных условиях, благодаря его масштабируемости.

Метод 3: DVD-рекордер — технология LightScribe

Чтобы сделать графен с помощью этого метода, в рецепте требуется компьютерный DVD-привод с технологией LightScribe, а также немного оксида графита. Вы можете получить оксид графита у производителя или сделать немного оксида графита дома за этот эксперимент. Если вы хотите узнать, как сделать оксид графита в домашних условиях, прокрутите вниз до следующего раздела .

Оксид графита растворим в воде, поэтому после смешивания с водой аккуратно вылейте его на DVD. диск. Убедитесь, что раствор оксида графита равномерно распределен по пластиковой поверхности диска. После решения высохнет и на диске образуется пленка оксида графита, поместите диск в дисковод DVD пленкой вниз. Используйте программное обеспечение LightScribe, чтобы записать слой оксида. Участки пленки, соприкасающиеся с лазерный луч будет превращен в графен. Лазерный луч вызывает химическое восстановление, которое превращает оксид графита в графен. Образовавшийся графеновый слой следует аккуратно снять с диска и разрезать на части соответствующего размера. куски. Эти детали можно использовать непосредственно для создания графенового суперконденсатора! Это, пожалуй, самый простой способ сделать графен дома, но он предполагает, что у вас есть доступ к оксид графита и привод Laserscribe.

Один читатель предположил, что DVD-лазер LightScribe можно заменить простой ксеноновой вспышкой. Если у вас есть фотовспышка, вы также можете попробовать этот подход и сообщить нам о результатах по адресу «связаться с нашим доменом сайта». Еще один совет: НЕ делайте этого если вас не устраивает аннулирование гарантии на DVD-рекордер.

Метод 4: Формирование пленки на поверхности раздела гептан-вода

Масло, плавающее на поверхности воды.

Это новейший рецепт самодельного графена, который мы слышали до сих пор. Сначала потребуется немного физики жидкости, чтобы объяснить, что здесь происходит. Если вы нальете нерастворимую в воде жидкость в воду, она либо будет плавать поверх воды, либо вода будет плавать поверх нее, в зависимости от того, тяжелее ли добавленная жидкость (более плотная) или легче (менее плотная), чем вода. Типичный пример — нефтяное плавание. над водой (см. изображение).

Одна группа ученых [1] обнаружила, что можно получить графен, залив два растворителя, которые не не смешивайте вместе, например, гептан и воду, в стакан, добавляя мелко измельченный графитовый порошок и помещая его в ванну для обработки ультразвуком. Вы можете купить гептан в большинстве магазинов химикатов, вода легкодоступна (рекомендуется использовать дистиллированную воду), и вы можете легко получить графитовые палочки в художественных магазинах. Нужна ультразвуковая ванна, но это не редкость на ebay и тому подобное. Полученный графен имеет толщину от одного до четырех слоев и химически стабилен. Его можно извлечь и нанести на чистую стеклянную пластину, или любой другой субстрат.

Графен на границе вода-гептан.

Идея состоит в том, чтобы смешать мелкоизмельченный графит с водой и гептаном (соотношение воды и гептана 1:1) и некоторое время обработать его ультразвуком. Далее происходит то, что графитовые чешуйки отслаиваются на границе между водой и гептаном, и графен фактически начинает «карабкаться». вверх по стеклянным стенкам флакона. Если гидрофильный субстрат, такой как предметное стекло, ввести через интерфейс, тонкая пленка графена также будет карабкаться по стенкам слайда. Затем предметное стекло можно извлечь, и после высыхания у вас останется стекло с графеновым покрытием. Если использовать полиэтиленовый флакон, то полученный графен не будет лазить по стенкам флакона, но можно все же извлеките его предметным стеклом или другим гидрофильным материалом. Результат показан на изображении справа.

Графен на стекле.

Конечный продукт этого процесса изготовления графена показан на изображении слева. Графен осаждается в виде тонкой пленки с обеих сторон стеклянной пластины. и его легкие светопоглощающие свойства можно увидеть, посмотрев сквозь него (Графен поглощает около 2,3% видимого света). Объяснение процесса состоит в том, что графен самостоятельно собирается из мелких отслоившихся чешуек на границе раздела воды и гептана, потому что поверхность натяжение графена (54,8 мН/м) почти находится между поверхностным натяжением воды (72,9мН/м) и гептан (20,1 мН/м). Толщина графеновой пленки ограничена капиллярными силами на границе раздела и избыток графена просто упадет до дно флакона. Образование толстых агрегатов подавляется диффузией и потребностью в энергии, необходимой для сформировать новый слой. Для получения дополнительной информации см. оригинальный документ [1]

Это, возможно, самый простой способ сделать графен своими руками в домашних условиях в виде сколь угодно большого листа. Другие методы создают только графен чешуйки, но эти чешуйки, возможно, можно было бы использовать вместо чешуек графита в этом методе в качестве стадии рафинирования. Попробуйте и дайте нам знать, как это происходит!

Как сделать оксид графита в домашних условиях?

Отказ от ответственности

Чтобы сделать графен дома с помощью описанного выше метода DVD, вам понадобится немного оксида графита. Вы можете купить оксид графита из различных источников, в том числе онлайн, или вы можете попробовать сделать оксид графена самостоятельно. В этом тексте мы объясним, как вы можете сделать оксид графена в домашних условиях, самостоятельно. Процедура относительно проста, и большинство ингредиентов можно купить без рецепта. Однако обратите внимание, что это НЕбезопасная процедура, и следование этому руководству может привести к взрывам, пожарам и серьезным травмам. По понятным причинам, если вы решите сделать это самостоятельно, соблюдайте меры предосторожности при работе с кислотами и взрывчатыми веществами. На самом деле, мы считаем, что если вы не являетесь лицензированным химиком, вам лучше купить оксид графена, чем пытаюсь сделать дома. Мы предлагаем этот текст только в качестве образовательного ресурса. Приступая к чтению следующий текст, вы подтверждаете, что понимаете риски работы с химическими веществами, перечисленными в тексте, и имеете полное понимание всех химических реакций и опасностей, которые они представляют для вашего здоровья и безопасности. Во избежание дыма и опасности возгорания, выполнить этот эксперимент на открытом воздухе и в контролируемой, хорошо проветриваемой среде. Несмотря на то, что позаботились убедитесь, что в тексте нет ошибок, мы не несем ответственности за возможные ошибки, оставшиеся в тексте.

Если у вас есть доступ к лаборатории, и вы делаете это для проекта или эксперимента, напишите нам и сообщите, как все прошло. Мы будем рады разместить здесь вашу историю успеха.

Введение

Оксид графита известен уже почти 150 лет. Впервые он был приготовлен в 1859 году. Процесс был улучшен. с тех пор, и многие исследователи в этой области прокомментировали потенциальные опасности и риски, связанные с первоначальной процедурой, как описал Б. Броди, впервые открывший процесс. Описанный здесь метод занимает около 2 часов при температуре ниже 45 градусов. Цельсия, если у вас есть доступ к центрифуге. Если вы этого не сделаете, потребуется день или около того, чтобы лишняя вода испарилась из контейнера.

Процедура

Размешать 100 г порошкообразного графита с 50 г нитрата натрия в 2,3 л технической серной кислоты. Не забудьте смешать ингредиенты в гораздо большем, чем необходимо, герметичном контейнере, помещенном в баню со льдом при температуре ноль градусов по Цельсию в качестве меры безопасности. Контейнер должен быть не менее 15-20 литров.

ОСТОРОЖНОСТЬ! Добавьте в смесь 300 г перманганата калия, постоянно перемешивая ингредиенты. НЕ добавляйте все 300 г за один раз. Вместо этого осторожно добавляйте перманганат калия грамм за граммом, чтобы смесь не нагревалась выше 20 градусов по Цельсию! ОСТОРОЖНОСТЬ! Перманганат калия является сильным окислителем, который окрашивает кожу и другие органические материалы, такие как одежда, при контакте. При смешивании с серной кислотой образует взрывоопасный оксид марганца, поэтому необходимо соблюдать все меры предосторожности! Убедитесь, что максимально температура не превышена.

После добавления марганцовки в смесь снимите ледяную баню и доведите температуру до 35 градусов Цельсия. Точно и осторожно выдерживайте эту температуру в течение 30 минут. На этом этапе смесь загустеет и количество выделившегося газа уменьшится. Примерно через 20 минут ожидайте, что смесь станет коричневато-серой и пастообразной консистенции.

ОСТОРОЖНОСТЬ! По прошествии 30 минут медленно и осторожно добавить в смесь 4,8 литра воды при перемешивании. Добавление вода вызовет экзотермическую реакцию, которая повысит температуру смеси почти до 100 градусов по Цельсию, и при бурной реакции выделяется большое количество газа! Поддерживать температуру 98 градусов по Цельсию еще 15 минут. ОСТОРОЖНОСТЬ! Теперь смесь станет коричневого цвета.

После поддержания температуры в течение 15 минут дополнительно разбавьте смесь теплой водой до 14 литров жидкости. Добавьте 3% перекись водорода, чтобы уменьшить остатки перманганата. После добавления перекиси водорода смесь должна стать светлой. желтый.

Отфильтруйте смесь, пока она еще теплая. Фильтр примет желто-коричневый цвет. Осадок на фильтре промыть три раза общим объемом 14 литров. теплой воды. Полученный оксид графита диспергируют в 32 литрах воды. Для того, чтобы получить сухой оксид графита, вам понадобится мощный центрифуга. Так как это, вероятно, недоступно, нагрейте воду, содержащую оксид графита, до 40 градусов по Цельсию и подождите, пока вода не испарится. Лучше всего подойдет широкий контейнер, так как большая площадь будет способствовать испарению.

Оксид графита более высокого качества, полученный таким образом, будет иметь ярко-желтый цвет, в то время как оксид графита более низкого качества приобретет более темный цвет. от зеленого до черного оттенка. Вы можете использовать этот оксид графита в водном растворе для проведения экспериментов с приводами Lightscribe дома.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *