Графеновые. Графен: удивительный материал будущего — свойства, применение и перспективы

Что такое графен и почему его называют материалом будущего. Каковы уникальные свойства графена. Где графен может найти применение. Какие перспективы открывает графен для развития технологий.

Что такое графен и его удивительные свойства

Графен — это двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, соединенных в гексагональную двумерную кристаллическую решетку. Фактически, графен представляет собой одну плоскость графита, отделенную от объемного кристалла.

Несмотря на свою простую структуру, графен обладает целым рядом уникальных свойств:

• Высочайшая прочность — в 200 раз прочнее стали
• Рекордная электропроводность — в 100 раз выше, чем у меди
• Теплопроводность в 10 раз выше, чем у меди
• Оптическая прозрачность — поглощает всего 2,3% света
• Гибкость и эластичность
• Непроницаемость для большинства газов и жидкостей
• Высокая химическая и термическая стабильность

Такое сочетание свойств делает графен поистине уникальным материалом, открывающим огромные перспективы для применения в различных областях.

История открытия графена

Хотя о возможности существования двумерных кристаллов углерода ученые теоретизировали еще с 1940-х годов, экспериментально получить и исследовать графен удалось только в 2004 году. Это сделали физики Андрей Гейм и Константин Новоселов из Манчестерского университета.

Интересно, что для получения первых образцов графена ученые использовали обычный скотч. Они просто отщепляли слои графита с помощью липкой ленты, пока не получили максимально тонкие чешуйки толщиной всего в один атом. За это революционное открытие Гейм и Новоселов были удостоены Нобелевской премии по физике в 2010 году.

Перспективные области применения графена

Благодаря своим уникальным свойствам, графен открывает огромные возможности для применения в самых разных сферах:

Электроника

Высокая электропроводность и прозрачность делают графен идеальным материалом для создания сверхбыстрых транзисторов, гибких сенсорных экранов, прозрачных электродов. На основе графена можно создавать сверхкомпактные и быстродействующие электронные устройства нового поколения.

Энергетика

Графен может значительно повысить эффективность солнечных батарей и суперконденсаторов. Его применение в литий-ионных аккумуляторах позволит увеличить их емкость и скорость зарядки в несколько раз.

Композитные материалы

Добавление графена в различные материалы позволяет кардинально улучшить их свойства — прочность, электро- и теплопроводность. Графеновые композиты найдут широкое применение в автомобилестроении, авиации, строительстве.

Медицина

Графен может использоваться для создания биосенсоров, систем адресной доставки лекарств, искусственных тканей и имплантов. Его антибактериальные свойства позволяют применять графен для производства перевязочных и дезинфицирующих материалов.

Технологии получения графена

Существует несколько основных методов получения графена:

• Механическое отщепление (метод скотча) — самый простой, но малопроизводительный способ
• Химическое осаждение из газовой фазы (CVD) — позволяет получать большие листы графена
• Термическое разложение карбида кремния
• Восстановление оксида графена
• Жидкофазная эксфолиация графита

Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки. Основная задача — разработка технологий массового производства качественного графена по доступной цене.

Проблемы и перспективы внедрения графеновых технологий

Несмотря на огромный потенциал, массовое внедрение графеновых технологий сталкивается с рядом проблем:

• Сложность получения качественного графена в промышленных масштабах
• Высокая стоимость производства
• Отсутствие стандартов качества и методов характеризации
• Необходимость адаптации существующих технологических процессов
• Вопросы экологической и биологической безопасности

Однако активные исследования и разработки в этой области позволяют надеяться на преодоление этих барьеров в ближайшие годы. По прогнозам экспертов, уже к 2025-2030 годам графеновые технологии могут получить широкое коммерческое применение в электронике, энергетике, медицине и других отраслях.

Графен как основа технологической революции

Графен часто называют материалом, способным произвести новую технологическую революцию, сравнимую по масштабам с появлением полупроводников и пластмасс. Его внедрение может радикально изменить целые отрасли промышленности и привести к появлению принципиально новых продуктов и технологий.

Ключевые направления развития графеновых технологий:

• Сверхбыстрая электроника на основе графеновых транзисторов
• Гибкие и прозрачные дисплеи
• Высокоемкие и быстрозаряжаемые аккумуляторы
• Суперлегкие и прочные композитные материалы
• Высокоэффективные системы очистки воды и воздуха
• Новые методы диагностики и лечения в медицине

Уже сейчас ведущие технологические компании и научные центры по всему миру активно инвестируют в исследования и разработки в области графена. Не исключено, что в ближайшие десятилетия мы станем свидетелями графеновой революции, которая изменит облик современных технологий.

Заключение: графен как материал будущего

Графен, несомненно, является одним из самых перспективных материалов XXI века. Его уникальные свойства открывают огромные возможности для развития инновационных технологий в самых разных областях — от электроники и энергетики до медицины и экологии.

Хотя на пути массового внедрения графеновых технологий еще остается немало препятствий, активные исследования и разработки позволяют надеяться на их преодоление в обозримом будущем. Графен имеет все шансы стать основой для новой технологической революции, которая радикально изменит нашу жизнь в ближайшие десятилетия.

Кто и как развивает графеновые технологии в России и мире: взгляд компании «Русграфен»

Автор фото: Мария Ромакина

На фотографии – гендиректор компании «Русграфен» Максим Рыбин рядом с установкой Graphene Submarine, которая позволяет в автоматическом режиме синтезировать CVD-графен. Это высококачественная графеновая пленка толщиной в один атом углерода, получаемая методом химического газофазного осаждения (от англ. CVD — chemical vapor deposition). Именно такой чистый монослойный графен применяют для создания нового поколения электронных и биомедицинских устройств: гибких и прозрачных электродов, мембран и сенсоров, логических элементов и ячеек памяти, оптоэлектронных устройств и нелинейных оптических элементов для лазеров.

Эта фотография – одна из иллюстраций статьи «Продавцы графена», опубликованной в онлайн-журнале об инновациях «Стимул». В ней Максим Рыбин рассказывает о гонке графеновых технологий в странах Востока и Запада и состоянии дел в России, о возникновении, развитии и траекториях компании «Русграфен».

Статья начинается так:

— Если смотреть на цикл зрелости технологий, хайп-цикл Гартнера, то в передовых странах Востока и Запада графеновые технологии уже преодолели «дно разочарований» и постепенно поднимаются по «склону просвещения». В России мы едва ли почувствуем «пик завышенных ожиданий» и в идеале можем сразу выйти на «плато продуктивности», — говорит гендиректор компании «Русграфен», старший научный сотрудник Института общей физики РАН Максим Рыбин.

С 2013 года в Европе действует инновационная программа Graphene Flagship с десятилетним бюджетом в миллиард евро. Под эгидой Graphene Flagship 142 организации из 23 стран занимаются исследованием и внедрением графена в различные сферы медицины, энергетики, электроники и материаловедения. Компании из США — Angstron Materials, XG Sciens, AzTrong и др. — синтезируют сотни тонн графеновых материалов в год, в основном для производителей аккумуляторов и композитных материалов. Графеновой тематикой заняты R&D-центры IBM, SanDisk, Ford и Boeing.

Активно финансируют графеновые разработки исследовательские центры военно-воздушных и военно-морских сил США. В стране создана Национальная графеновая ассоциация (National Graphene Association), которая включается в себя 20 корпоративных партнеров и более двух тысяч международных членов.

На Востоке графеновые технологии развиваются еще стремительнее. Пятерку основных мировых патентообладателей в сфере графена формируют компании из Китая, Японии и Южной Кореи. В их числе Samsung, инженеры которого модернизировали графеном литий-ионные батареи, повысив емкость на 45% и увеличив скорость зарядки в пять раз. Смартфон с графеновым аккумулятором ожидается на рынке в 2021 году.

Больше всех верят в графен в Китае. В 2013 году создан Инновационный альянс графеновой промышленности Китая (China Innovation Alliance of the Graphene Industry). Сегодня это разветвленная сеть индустриальных парков, крупнейший из которых — Changzhou Graphene Science and Technology Industrial Park — расположен в провинции Цзянсу на базе Jiangnan Graphene Research Institute (JGRI). На площади шесть квадратных километров в парке работают 70 компаний производственной и прикладной направленности. Например, Sixth Element синтезирует 100 тонн графеновых материалов в год для создания композитов, коррозионностойких покрытий и сенсорных панелей. В планах 13-й китайской пятилетки — до конца 2020 запустить порядка десяти графеновых индустриальных парков. Huawei, Xiaomi и другие корпорации активно внедряют графен в свои продукты. Как результат, Китай лидирует по количеству патентов и объемам синтеза: здесь сосредоточено 66% мирового выпуска графенов (следом идут США — 25%). Учитывая, что 80% мировых запасов кристаллического графита, основного сырья для производства графена, находятся в КНР, большие китайские надежды на грядущую «графеновую революцию» вполне объяснимы.

— В России нет государственной программы развития графеновых технологий, а основных производителей графена можно пересчитать по пальцам: «Графенокс» из Черноголовки, «Нанотехцентр» из Тамбова, «Актив-нано» и ПКФ «Альянс» из Питера, «АкКО Лаб», «Граф-СК», «Графсенсорс» и «Русграфен» из Москвы.

Мы работаем на базе НИИ и университетов, не конкурируем, а скорее сотрудничаем друг с другом, — говорит Максим Рыбин.

Медная подложка для синтеза CVD-графена перед загрузкой в установку Graphene Submarine. Автор фото: Мария Ромакина

Прочитав статью, вы узнаете:

• О свойствах графена и методах его получения: «скотч-методе» и CVD-методе.
• Об истории компании «Русграфен», ее партнерах, продукции и онлайн-магазине наноматериалов «Русграфен.Маркете».
• О продвижении совместно с компанией «Графенокс» порошков и паст из графеновых частиц, которые используют для упрочнения бетонов, модернизации литий-ионных батарей и создания электропроводящих чернил. Этому посвящена финальная часть статьи:

— Если верить исследованиям маркетологов, в ближайшие двадцать лет мировой рынок гибкой электроники превысит 300 миллиардов долларов, — рассказывает гендиректор компании «Графенокс», старший научный сотрудник Института проблем химической физики РАН Сергей Баскаков. — В миниатюрных и гибких девайсах металлические провода исключены. Их место займут напечатанные на тонких полимерных подложках проводящие чернила. В современных чернилах для создания электропроводимости используют металлические микро- или наночастицы (серебро, медь, никель и другие). Мы заменили их частицами графена, которые имеют ряд преимуществ: они легче и дешевле, обладают гибкостью и эластичностью, не окисляются со временем. Графеновые чернила применимы для печати NFC и RFID-меток, гибких шлейфов и электрических плат. На их основе можно создавать антистатические, экранирующие и нагревательные покрытия практически на любом материале: полимерах, бумаге, тканях.

Графеновые частицы получают из природного графита, который расщепляется физико-химическими методами вплоть до одинарных слоев. Различные методы дают на выходе разный материал: частицы могут отличаться поперечными размерами (от сотен нанометров до десятков микрометров), толщиной (от одного до нескольких графеновых слоев), степенью окисления, наличию дефектов, примесей и т. д. По словам ученых, для каждого приложения нужно проводить специальную НИОКР и синтезировать графеновые частицы целевой модификации. Например, для модернизации электродов литий-ионных батарей в первую очередь нужны тонкие, хорошо проводящие частицы с большой удельной площадью поверхности. Для армирования бетонов толщина и электропроводность графеновых частиц играет меньшую роль, однако они должны быть модифицированы для лучшего сцепления внутри бетонной смеси.

— Сейчас мы сотрудничаем с несколькими технологическими стартапами, — рассказывает Максим Рыбин. — Компания «Фэском», резидент «Сколково», производит системы накопления электроэнергии на базе литий-ионных ячеек с добавками микрочастиц графена для увеличения их удельной емкости, количества циклов заряда/разряда и глубины разряда. Команда разработчиков из Электрогорска трудится над созданием смазочных материалов для велосипедов с применением присадок из графеновых частиц, которые уменьшают трение и, как следствие, увеличивают срок службы деталей и период между техосмотрами, что важно для шоссейных велогонок. Графеновые смазки успешно прошли испытание этим летом с участием ведущих российских спортсменов: команда SlowFlowTeam подтвердила эффективность применения графеновой смазки на велотреке, а Петр Винокуров, многократный призер всероссийских соревнований по скоростному спуску, одобрил использование смазки в экстремальных условиях. Вывод на рынок графеновых велосмазок запланирован на следующий год под брендом Bike Therapy.

 

Характеристики микрочастиц графена, которые можно приобрести в «Русграфен.Маркете»

Использование графенов в качестве армирующих добавок в бетонные и асфальтобетонные смеси — еще одно перспективное направление развития, считает Максим Рыбин. Внедрение графена в бетон приводит к увеличению его прочности на 30%. На столько же возрастает и скорость набора прочности бетона, что позволяет сократить сроки строительства. Интерес к графеновым материалам проявляют производители тепло- и электропроводящих пластиков для энергетических и климатических систем, а также компании, выпускающие антикоррозийные покрытия, добавление графенов в которые улучшает эксплуатационные характеристики на 25–30%.

— Совместно с компанией «Графенокс» мы планируем запустить производство мощностью 500 килограммов графеновых частиц в месяц к середине 2021 года, — говорит Максим Рыбин. — Уже сейчас понятно, что основными нашими клиентами будут инновационные предприятия, которым важно получить конкурентное преимущество на старте. Но для серьезного развития графеновых технологий необходимо участие крупного бизнеса. Российским графеновым компаниям и лабораториям есть чем его заинтересовать. Совместные усилия помогут сгладить кривую хайп-цикла и ускорить выход российской графеновой промышленности на «плато продуктивности.

 

Назад к новостям

Графеновые фотодетекторы выведут оптоэлектронику и оптический трафик на новые уровни

3DNews Технологии и рынок IT. Новости сети и коммуникации Графеновые фотодетекторы выведут оптоэле… Самое интересное в обзорах 21. 02.2023 [14:12],  Геннадий Детинич Графен представляется волшебным материалом для множества применений в электронике от производства аккумуляторов до выпуска чипов. Одной из таких ниш обещает стать оптоэлектроника. Использование графена в фотоприёмниках может значительно поднять скорость передачи данных, что актуально не только в перспективе для развития сетей 6G, но также в обозримом будущем для вывода оптического трафика на новый уровень пропускной способности. Источник изображения: Pixabay Современные фотодетекторы на основе полупроводниковых материалов неплохо справляются со своей ролью преобразовывать падающий свет в электрический сигнал. Однако для полупроводниковых материалов в силу их свойств (определённой ширины запрещённой зоны) есть ограничения. В частности, полупроводниковые фотодетекторы имеют обратную зависимость между полосой пропускания, чувствительностью и потреблением. Проще говоря, работающий на максимальной скорости фотопреобразователь потребует достаточно сильного входного сигнала, что увеличит помехи и потребление. Графен как полуметалл свободен от таких ограничений полупроводников и обеспечивает широчайший спектр поглощения, включая тетрагерцовый, дальний инфракрасный, средний инфракрасный, ближний инфракрасный, коротковолновый инфракрасный, ультрафиолетовый и видимый. У графена нет запрещённой зоны, и это обеспечивает ему уникальную возможность улавливать электромагнитные волны множества длин, а это путь к сверхширокополосным фотодетекторам. Также графен обладает высокой подвижностью носителей, что реализуется как сверхбыстрое преобразование фотонов в электрический ток, а высокая теплопроводность обещает максимально снизить потребление фотоприёмников. Наконец, графен совместим с классическими КМОП-техпроцессами производства, что в перспективе обеспечит ему интеграцию в чипы кремниевой фотоники. Самый быстрый на сегодня фотодетектор создали немецкие разработчики из Центра передовой микроэлектроники Аахена и компании AMO GmBH. Графеновый фотодетектор обладает полосой пропускания свыше 128 ГГц, что в теории обеспечит скорость передачи данных по оптическим каналам со скоростью свыше 180 Гбит/с. Подобного расширения ёмкости каналов связи может потребовать даже развитие сетей 5G, не говоря уже о внедрении сетей 6G к концу текущего десятилетия. Для коммерциализации графеновых фотодетекторов компания AMO совместно с учёными создала в Германии компанию Black Semiconductor. Заявлено, что Black Semiconductor представит технологию массового производства гибридных кремний-графеновых фотонных платформ для любой электроники. У компании AMO достаточно наработок в этой сфере, которые она передала Black Semiconductor. Например, ещё в 2018 году AMO показала первый в мире полностью графеновый оптический кабель связи, который может достигать скорости передачи данных 25 Гбит/с на канал. Преобразование электрических сигналов в оптические и обратное преобразование в разъёмах кабеля выполняли графеновые схемы. Научный и производственный багаж Black Semiconductor и AMO Germany позволили включить их в общеевропейский проект ULTRAPHO (Ultra-fast Graphene Photodetectors FTI) целью которого является революция на рынке фотонных коммуникационных устройств путем вывода на рынок революционной графеновой технологии. Перефразируя давнюю поговорку о том, что памяти много не бывает, можно смело утверждать, что трафика тоже не бывает много. Графен обещает стать тем решением, которое если не решит проблему с пропускной способностью, то хотя бы на годы её отодвинет. Источник: Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER. Материалы по теме Постоянный URL: https://3dnews.ru/1082297/grafen-v-fotopriyomnikah-vivedet-opticheskiy-trafik-na-noviy-uroven Рубрики: Новости Hardware, нанотехнологии, сети и коммуникации, на острие науки, Теги: графен, материалы, оптоэлектроника ← В прошлое В будущее →

Что такое графен? Вот что вам следует знать

Технологический прогресс определяет ход истории. Бронза и железо были настолько важны для распространения древних обществ, что в их честь названы целые эпохи. С подъемом американской сталелитейной промышленности железнодорожные пути простирались от Атлантики до Тихого океана, металлические жилы, по которым текла кровь нации. Кремниевые полупроводники обеспечили рост компьютеров и самый большой всплеск информационных технологий со времен печатного станка. Эти материалы сформировали развитие общества и помогли определить, какие страны доминировали в геополитике.

Дальнейшее чтение

• Девять удивительных применений графена: от фильтрации воды до умной краски
• Что такое Hyperloop? Вот все, что вам нужно знать

Похожие видео

Сегодня новый материал может изменить будущее. Названный «сверхматериалом», графен заставляет исследователей всего мира изо всех сил пытаться лучше понять его. Длинный список чудесных свойств графена делает его почти волшебным, но он может иметь очень реальные и радикальные последствия для будущего физики и техники.

Содержание

• Что такое графен?
• История графена: рулон ленты и мечта
• Возможные области применения
• Будущее исследований графена

Что такое графен?

Простейший способ описать графен состоит в том, что это один тонкий слой графита — мягкого чешуйчатого материала, используемого в грифеле карандаша. Графит является аллотропом элемента углерода, то есть он имеет те же атомы, но они расположены по-другому, что придает материалу другие свойства. Например, и алмаз, и графит являются формами углерода, но имеют совершенно разную природу. Алмазы невероятно прочны, а графит хрупок. Атомы графена расположены в виде шестиугольника.

Атомы графена расположены в виде сот Alex LMX / Shutterstock

Интересно, что когда графен выделяют из графита, он приобретает некоторые чудесные свойства. Это первый из когда-либо обнаруженных двумерных материалов толщиной всего в один атом. Несмотря на это, графен также является одним из самых прочных материалов в известной Вселенной. Обладая пределом прочности на разрыв 130 ГПа (гигапаскалей), он более чем в 100 раз прочнее стали.

Невероятной прочности графена

, несмотря на то, что он такой тонкий, уже достаточно, чтобы сделать его удивительным, однако его уникальные свойства на этом не заканчиваются. Он также гибкий, прозрачный, обладает высокой проводимостью и, по-видимому, непроницаем для большинства газов и жидкостей. Кажется, что нет области, в которой графен не преуспел бы.

История графена: рулон ленты и мечта

Графит давно известен (люди используют его с эпохи неолита). Его атомная структура хорошо задокументирована, и долгое время ученые размышляли, можно ли выделить отдельные слои графита. Однако до недавнего времени графен был всего лишь теорией, поскольку ученые не были уверены, что когда-нибудь удастся разрезать графит на один лист толщиной в атом. Первый изолированный образец графена был обнаружен в 2004 году Андреем Геймом и Константином Новоселовым в Манчестерском университете. Можно было бы ожидать, что они изолировали легендарное вещество, используя какое-то массивное и дорогое оборудование, но инструмент, который они использовали, был забавно простым: рулон скотча.

При использовании ленты для полировки большого блока графита исследователи заметили исключительно тонкие чешуйки на ленте. Продолжая отслаивать слой за слоем от чешуек графита, они в итоге изготовили максимально тонкий образец. Они нашли графен. Открытие было настолько странным, что научный мир поначалу отнесся к нему скептически. Популярный журнал Nature даже дважды отклонял их статью об эксперименте. В конце концов, их исследование было опубликовано, а в 2010 году Гейм и Новоселов были удостоены Нобелевской премии по физике за свое открытие.

Возможные приложения

Если бы у графена была лишь одна из его многочисленных превосходных характеристик, он стал бы предметом интенсивных исследований потенциальных применений. Будучи таким замечательным во многих отношениях, графен вдохновил ученых на поиск широкого спектра применений этого материала в таких разных областях, как потребительские технологии и наука об окружающей среде.

Гибкая электроника

BONNINSTUDIO / Shutterstock

BONNINSTUDIO / Shutterstock

В дополнение к своим мощным электрическим свойствам графен также обладает высокой гибкостью и прозрачностью. Это делает его привлекательным для использования в портативной электронике. Смартфоны и планшеты могли бы стать намного более прочными с использованием графена и, возможно, даже могли бы складываться, как бумага. Носимые электронные устройства в последнее время набирают все большую популярность. С графеном эти устройства можно было бы сделать еще более полезными, спроектировав их так, чтобы они плотно прилегали к конечностям и сгибались, чтобы приспособиться к различным формам упражнений.

Однако гибкость и микроскопическая ширина

Graphene открывают возможности, выходящие за рамки обычных потребительских устройств. Это также может быть полезно в биомедицинских исследованиях. Небольшие машины и датчики могут быть изготовлены из графена, способные легко и безвредно перемещаться по человеческому телу, анализировать ткани или даже доставлять лекарства в определенные области. Углерод уже является важным компонентом человеческого тела; немного графена может не помешать.

Солнечные элементы/фотогальваника

Педросала / Shutterstock

Педросала / Shutterstock

Графен обладает высокой проводимостью и прозрачностью. Таким образом, он имеет большой потенциал в качестве материала для солнечных батарей. Как правило, в солнечных элементах используется кремний, который производит заряд, когда фотон попадает на материалы, выбивая свободный электрон. Кремний высвобождает только один электрон на фотон, который попадает в него. Исследования показали, что графен может высвобождать несколько электронов на каждый попавший на него фотон. Таким образом, графен может намного лучше преобразовывать солнечную энергию. Вскоре более дешевые и мощные графеновые элементы могут обеспечить массовый всплеск возобновляемой энергии.

Фотоэлектрические свойства графена

также означают, что его можно использовать для разработки более совершенных датчиков изображения для таких устройств, как камеры.

Полупроводники

Торсак Таммахот / Shutterstock

Торсак Таммачот / Shutterstock

Благодаря своей высокой проводимости графен можно использовать в полупроводниках для значительного увеличения скорости передачи информации. Недавно Министерство энергетики провело испытания, которые показали, что полупроводящие полимеры проводят электричество гораздо быстрее, если их поместить поверх слоя графена, чем слоя кремния. Это справедливо даже в том случае, если полимер толще. Полимер толщиной 50 нанометров, помещенный поверх слоя графена, проводил заряд лучше, чем слой полимера толщиной 10 нанометров. Это противоречило прежней мудрости, согласно которой чем тоньше полимер, тем лучше он проводит заряд.

Самым большим препятствием для использования графена в электронике является отсутствие у него запрещенной зоны, промежутка между валентной зоной и зоной проводимости в материале, который при пересечении обеспечивает протекание электрического тока. Ширина запрещенной зоны позволяет полупроводниковым материалам, таким как кремний, работать как транзисторы; они могут переключаться между изоляцией или проведением электрического тока, в зависимости от того, выталкиваются ли их электроны через запрещенную зону или нет.

Исследователи проверяли различные методы создания запрещенной зоны графена; в случае успеха это может привести к созданию гораздо более быстрой электроники на основе графена.

Фильтрация воды

А_Лесик / Shutterstock

А_Лесик / Shutterstock

Плотные атомные связи графена

делают его непроницаемым практически для всех газов и жидкостей. Любопытно, что молекулы воды являются исключением. Поскольку вода может испаряться через графен, в то время как большинство других газов и жидкостей не могут, графен может быть исключительным инструментом для фильтрации. Исследователи из Манчестерского университета проверили проницаемость графена спиртом и смогли перегнать очень крепкие образцы спирта, поскольку только вода в образцах могла пройти через графен.

Конечно, использование графена в качестве фильтра имеет потенциал не только для дистилляции более крепких спиртных напитков. Графен также может быть чрезвычайно полезен для очистки воды от токсинов. В исследовании, опубликованном Королевским химическим обществом, исследователи показали, что окисленный графен может даже втягивать радиоактивные материалы, такие как уран и плутоний, присутствующие в воде, оставляя жидкость свободной от загрязняющих веществ. Последствия этого исследования огромны. Некоторые из самых больших экологических опасностей в истории, в том числе ядерные отходы и химические стоки, могут быть очищены от источников воды благодаря графену.

Поскольку перенаселение продолжает оставаться одной из самых насущных экологических проблем в мире, поддержание запасов чистой воды будет становиться все более важным. Действительно, от нехватки воды страдают более миллиарда человек во всем мире, и это число будет только расти, учитывая нынешние тенденции. Графеновые фильтры обладают огромным потенциалом для улучшения очистки воды, увеличивая количество доступной пресной воды. Фактически, Lockheed Martin недавно разработала графеновый фильтр под названием «Perforene», который, по утверждению компании, может революционизировать процесс опреснения.

Современные опреснительные установки используют метод обратного осмоса для фильтрации соли из морской воды. Обратный осмос использует давление для перемещения воды через мембрану. Чтобы произвести большое количество питьевой воды, давление требует огромного количества энергии. Инженер Lockheed Martin утверждает, что их фильтры Perforene могут снизить энергопотребление в сто раз меньше, чем другие фильтры.

MIT создал графен с «нанопорами»

Фильтрация — одно из наиболее очевидных применений графена, и инженеры Массачусетского технологического института добились больших успехов в совершенствовании способности графена разделять молекулы. В 2018 году команда Массачусетского технологического института придумала метод создания крошечных отверстий в листах графена. Исследователи Массачусетского технологического института используют подход «рулон к рулону» для производства графена. Их установка включает в себя две катушки: одна катушка подает лист меди в печь, где он нагревается до соответствующей температуры, затем инженеры добавляют метан и газообразный водород, что по существу вызывает образование луж графена. Графеновая пленка выходит из печи и наматывается на вторую катушку.

Теоретически этот процесс позволяет формировать большие листы графена за относительно короткое время, что имеет решающее значение для коммерческих приложений. Исследователям пришлось отрегулировать процесс, чтобы графен сформировался идеально, и, что интересно, несовершенные попытки на этом пути впоследствии оказались полезными. Когда команда Массачусетского технологического института пыталась создать поры в графене, они начали с использования кислородной плазмы, чтобы вырезать их. Поскольку этот процесс оказался трудоемким, они хотели чего-то более быстрого и искали решения в своих предыдущих экспериментах. Понижая температуру во время роста графена, они заставили появиться поры. То, что казалось дефектами в процессе разработки, оказалось полезным способом создания пористого графена.

Сверхпроводимость

Вскоре после того, как ученые из Кембриджа продемонстрировали, что графен может действовать как сверхпроводник (материал без электрического сопротивления) в сочетании с оксидом меди празеодима-церия, исследователи из Массачусетского технологического института обнаружили еще одно поразительное свойство: правильная конфигурация. Исследователи сложили два кусочка графена, но сместили их под углом 1,1 градуса. Согласно отчету, опубликованному в журнале Nature, «физик Пабло Харилло-Эрреро из Массачусетского технологического института (MIT) в Кембридже и его команда не искали сверхпроводимость, когда ставили свой эксперимент. Вместо этого они изучали, как ориентация, получившая название «магический угол», может повлиять на графен».

Они обнаружили, что когда они пропускали электричество через необычный графеновый пакет, он функционировал как сверхпроводник. Этот простой процесс подачи электричества делает графен более легким для изучения, чем аналогичный класс сверхпроводников, купратов, хотя эти материалы проявляют сверхпроводимость при гораздо более высоких температурах. Большинство материалов, обладающих сверхпроводимостью, делают это только при температуре, близкой к абсолютному нулю. Некоторые так называемые «высокотемпературные сверхпроводники» могут проявлять сверхпроводимость при температурах около 133 Кельвинов (-140 по Цельсию), что является относительно высоким показателем; сероводород, при достаточном давлении, проявляет чудодейственные свойства в -70 градусов по Цельсию!

Графеновую композицию пришлось охладить до 1,7 градуса выше абсолютного нуля, однако исследователи считают ее поведение схожим с поведением купратов, и поэтому они надеются, что это будет гораздо более легкий материал для изучения нетрадиционной сверхпроводимости, которая все еще остается областью вызывает большие разногласия среди физиков. Поскольку сверхпроводимость обычно возникает только при таких низких температурах, сверхпроводники используются только в дорогостоящем оборудовании, таком как аппараты МРТ, но ученые надеются однажды найти сверхпроводник, работающий при комнатной температуре, что снизит затраты за счет устранения необходимости в охлаждающих устройствах.

В исследовании, опубликованном в 2019 году, исследователи показали, как скручивание слоев графена под определенными «магическими» углами может обеспечивать сверхпроводящие свойства при более низких температурах, чем раньше.

Защита от комаров

Немногие существа столь же отвратительны, как комары, с их зудящими укусами и склонностью к распространению ужасных болезней, таких как малярия. К счастью, исследователи из Университета Брауна нашли возможное решение с использованием графена. Исследование, опубликованное в 2019 году, демонстрирует, что графеновая пленка на коже не только блокирует комаров от укусов, но и в первую очередь удерживает их от приземления на кожу. Одно из возможных объяснений состоит в том, что графен мешал комарам чуять добычу.

Будущее исследований графена

Учитывая, казалось бы, бесконечный список сильных сторон графена, можно было бы ожидать, что он будет встречаться повсюду. Почему же тогда графен не получил широкого распространения? Как и в большинстве случаев, все упирается в деньги. Графен по-прежнему чрезвычайно дорог в производстве в больших количествах, что ограничивает его использование в любом продукте, требующем массового производства. Более того, при производстве больших листов графена возрастает риск появления в материале крошечных трещин и других дефектов. Каким бы невероятным ни было научное открытие, успех всегда будет определяться экономикой.

Помимо проблем с производством, исследования графена ни в коем случае не замедляются. Исследовательские лаборатории по всему миру, в том числе Манчестерский университет, где впервые был обнаружен графен, постоянно подают заявки на патенты на новые методы создания и использования графена. Европейский союз одобрил финансирование флагманской программы в 2013 году, которая будет финансировать исследования графена для использования в электронике. Тем временем крупные технологические компании в Азии проводят исследования графена, в том числе Samsung.

Революции не происходят за одну ночь. Кремний был открыт в середине 19 века, но потребовалось почти столетие, прежде чем кремниевые полупроводники проложили путь к появлению компьютеров. Может ли графен с его почти мифическими качествами стать ресурсом, определяющим следующую эру человеческой истории? Время покажет.

Рекомендации редакции

• Этот дикий новый дисплей помещает гигантский 120-дюймовый виртуальный монитор на ваш стол.
• Как купить биткойн
• Лучшие солнечные зарядные устройства для вашего телефона или планшета
• 14 потрясающих летающих такси и автомобилей, которые сейчас находятся в разработке
• 17 чернокожих изобретателей, изменивших мир технологий

Графен | химия | Британика

графен: атомно-силовая микроскопия

Просмотреть все материалы

Ключевые люди:

Сэр Андре Гейм Константин Новоселов

Связанные темы:

углерод фуллерен углеродная нанотрубка графит С60

Просмотреть весь связанный контент →

Раскройте науку о графеновых мембранах для опреснения воды

Просмотреть все видео к этой статье

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

Первые исследования графена

Теоретическое исследование графена было начато в 1947 году физиком Филипом Р. Уоллесом как первый шаг к пониманию электронной структуры графита. Термин графен был введен химиками Ханнс-Питером Бёмом, Ральфом Сеттоном и Эберхардом Штумппом в 1986 году как комбинация слова графит , относящегося к углероду в его упорядоченной кристаллической форме, и суффикса -ен , обозначающего к полициклическим ароматическим углеводородам, в которых атомы углерода образуют гексагональные или шестигранные кольцевые структуры.

В 2004 году физики Манчестерского университета Константин Новоселов и Андрей Гейм и их коллеги выделили однослойный графен, используя чрезвычайно простой метод отслаивания от графита. В их «методе скотча» использовалась клейкая лента для удаления верхних слоев с образца графита, а затем нанесения слоев на материал подложки. Когда лента была удалена, некоторое количество графена осталось на подложке в однослойном виде. На самом деле получение графена само по себе не является сложной задачей; каждый раз, когда кто-то рисует карандашом на бумаге, карандашный след содержит небольшую долю однослойного и многослойного графена. Достижением манчестерской группы стало не только выделение чешуек графена, но и изучение их физических свойств. В частности, они продемонстрировали, что электроны в графене обладают очень высокой подвижностью, а это означает, что графен можно использовать в электронных приложениях. В 2010 году Гейм и Новоселов были удостоены Нобелевской премии по физике за свою работу.

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

Электронная структура графена

Основная электронная структура графена и, как следствие, его электрические свойства весьма своеобразны. Применяя напряжение затвора или используя химическое легирование адсорбированными атомами и молекулами, можно создать либо электронную, либо дырочную (область, где отсутствует электрон, действующий как положительный электрический заряд) проводимость в графене, аналогичную проводимости, создаваемой в полупроводниках. . Однако в большинстве полупроводников существуют определенные энергетические уровни, на которых электроны и дырки не имеют разрешенных квантовых состояний, и, поскольку электроны и дырки не могут занимать эти уровни, при определенных напряжениях на затворе и типах химического легирования полупроводник действует как изолятор. Графен, с другой стороны, не имеет изоляторного состояния, и проводимость остается конечной при любом легировании, в том числе при нулевом легировании. Существование этой минимальной проводимости для нелегированного случая является разительным отличием графена от обычных полупроводников. Электронные и дырочные состояния в графене, связанные с переносом носителей заряда, аналогичны состояниям ультрарелятивистских квантовых частиц, то есть квантовых частиц, движущихся со скоростью света (конечная скорость в природе, согласно теории относительности).

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