Графеновый. Графен: революционный материал будущего — свойства, применение и перспективы

Что такое графен и почему его называют материалом будущего. Какими уникальными свойствами обладает графен. Где уже применяется графен и каковы перспективы его использования в разных отраслях. Какие проблемы мешают массовому внедрению графеновых технологий.

Что такое графен и почему он считается революционным материалом

Графен — это двумерная аллотропная модификация углерода, представляющая собой слой атомов углерода толщиной в один атом, соединенных в гексагональную кристаллическую решетку. По сути, это самый тонкий материал, который только можно себе представить.

Уникальность графена заключается в сочетании целого ряда выдающихся свойств:

• Феноменальная механическая прочность (в 200 раз прочнее стали)
• Высочайшая теплопроводность
• Отличная электропроводность
• Оптическая прозрачность
• Гибкость и эластичность
• Непроницаемость для большинства газов и жидкостей

Именно благодаря этому уникальному сочетанию свойств графен называют «материалом будущего» и «революционным материалом 21 века». Его потенциальные области применения охватывают практически все сферы — от электроники и энергетики до медицины и строительства.

История открытия и получения графена

Теоретическое предсказание возможности существования графена было сделано еще в 1947 году канадским физиком Филиппом Уоллесом. Однако экспериментально получить и исследовать этот материал удалось лишь в 2004 году.

Первооткрывателями графена стали выходцы из России Андрей Гейм и Константин Новоселов, работавшие в то время в Манчестерском университете в Великобритании. Для получения графена они использовали удивительно простой метод — многократное механическое отщепление слоев графита с помощью клейкой ленты.

За это революционное открытие Гейм и Новоселов были удостоены Нобелевской премии по физике в 2010 году. С тех пор интерес к графену и исследования в этой области растут в геометрической прогрессии.

Уникальные физические свойства графена

Графен обладает целым рядом уникальных физических свойств, которые делают его перспективным для применения в самых разных областях:

Механическая прочность

Графен является самым прочным из известных материалов. Его прочность на разрыв составляет около 130 гигапаскалей, что примерно в 200 раз больше, чем у стали. При этом графен очень легкий — его плотность составляет всего 0,77 мг/м².

Электропроводность

Подвижность электронов в графене может достигать 200 000 см²/(В·с) при комнатной температуре. Это примерно в 100 раз выше, чем у кремния. Благодаря этому графен рассматривается как перспективный материал для создания сверхбыстрой электроники.

Теплопроводность

Графен обладает рекордной теплопроводностью — около 5000 Вт/(м·К). Это примерно в 10 раз выше, чем у меди. Такое свойство делает графен отличным материалом для отвода тепла в электронных устройствах.

Оптические свойства

Несмотря на свою атомарную толщину, графен поглощает около 2,3% падающего света в широком диапазоне длин волн. При этом он остается прозрачным, что открывает возможности для создания гибких прозрачных электродов.

Перспективные области применения графена

Благодаря своим уникальным свойствам графен рассматривается как перспективный материал для применения в самых разных областях:

Электроника нового поколения

Графен может стать основой для создания сверхбыстрых процессоров, работающих на частотах в сотни гигагерц. Также он перспективен для разработки гибких дисплеев, сенсорных экранов и электронной бумаги.

Аккумуляторы и суперконденсаторы

На основе графена разрабатываются высокоемкие и быстрозаряжаемые аккумуляторы для электромобилей и портативной электроники. Графеновые суперконденсаторы могут заряжаться за секунды.

Композитные материалы

Добавление графена в полимеры и другие материалы позволяет значительно улучшить их механические, электрические и термические свойства. Это открывает новые возможности в авиастроении, автомобилестроении и других отраслях.

Фильтрация и опреснение воды

Графеновые мембраны способны эффективно фильтровать воду, задерживая примеси, соли и даже некоторые газы. Это может помочь в решении проблемы нехватки питьевой воды.

Проблемы на пути массового внедрения графеновых технологий

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

• Сложность производства качественного графена в промышленных масштабах
• Высокая стоимость графена
• Отсутствие стандартов качества и методов характеризации графена
• Технологические трудности интеграции графена в существующие производственные процессы
• Недостаточная изученность долгосрочных эффектов воздействия наноматериалов на организм и окружающую среду

Преодоление этих проблем требует значительных инвестиций и совместных усилий ученых, инженеров и промышленников. Однако потенциальные выгоды от внедрения графеновых технологий настолько велики, что работа в этом направлении активно ведется во многих странах мира.

Текущее состояние и перспективы развития графеновой индустрии

На данный момент графеновая индустрия находится на начальном этапе развития. Основные усилия сосредоточены на разработке методов массового производства качественного графена и поиске наиболее перспективных областей его применения.

По оценкам экспертов, мировой рынок графена может достичь объема в несколько миллиардов долларов к 2030 году. Наибольший рост ожидается в таких секторах, как:

• Производство композитных материалов
• Электроника и оптоэлектроника
• Энергетика (аккумуляторы, солнечные элементы)
• Медицина и биотехнологии

Важную роль в развитии графеновых технологий играют государственные программы поддержки исследований и разработок. Крупнейшие инвестиции в эту область делают Китай, США и страны Европейского союза.

Заключение: графен — материал, меняющий мир

Графен по праву называют «чудо-материалом 21 века». Его уникальные свойства открывают поистине революционные возможности в самых разных областях — от создания сверхбыстрых компьютеров до решения глобальных проблем человечества, таких как нехватка питьевой воды или исчерпание ископаемых энергоресурсов.

Несмотря на существующие сложности, потенциал графена настолько велик, что работа над преодолением этих препятствий ведется очень активно. Многие эксперты считают, что мы находимся на пороге «графеновой революции», которая изменит мир не меньше, чем изобретение пластика или кремниевых микросхем.

Конечно, не все радужные прогнозы относительно графена сбудутся, но уже сейчас очевидно, что этот удивительный материал займет важное место в технологиях будущего. Следующие годы покажут, насколько быстро человечество сможет реализовать огромный потенциал «углеродного чуда».

Графен, его производство, свойства и применение в электронике и др.

Графен, его производство, свойства и применение в электронике и др.

 

 

Графен является самым прочным материалом на Земле. В 300 раз прочнее стали. Лист графена площадью в один квадратный метр и толщиной, всего лишь в один атом, способен удерживать предмет массой 4 килограмма. Графен, как салфетку, можно сгибать, сворачивать, растягивать. Бумажная салфетка рвется в руках. С графеном такого не случится.

 

Описание графена. Открытие графена

Свойства и преимущества графена

Физические свойства графена

Получение графена

Получение графена в домашних условиях

Применение графена

Другие формы углерода: графен, усиленный – арматурный графен, карбин, алмаз, фуллерен, углеродные нанотрубки, “вискерсы”.

 

Описание графена. Открытие графена:

Графен – это двумерная аллотропная форма углерода, в которой объединённые в гексагональную кристаллическую решётку атомы образуют слой толщиной в один атом. Атомы углерода в графене соединяются между собой sp²-связями. Графен в буквальном смысле представляет собой материю, ткань.

Углерод имеет множество аллотропов. Некоторые из них, например, алмаз и графит, известны давно, в то время как другие открыты относительно недавно (10-15 лет назад) – фуллерены и углеродные нанотрубки. Следует отметить, что известный многие десятилетия графит представляет собой стопку листов графена, т.е. содержит несколько графеновых плоскостей.

На основе графена получены новые вещества: оксид графена, гидрид графена (называемый графан) и флюорографен (продукт реакции графена со фтором).

Графен обладает уникальными свойствами, что позволяет его использовать в различных сферах. Предполагается, что графен может стать отличной заменой кремнию, особенно в полупроводниковой промышленности, и другим химическим элементам.

Графен был получен двумя британскими учеными российского происхождения Константином Новоселовым и Андреем Геймом, работающими в Университете Манчестера. За «передовые опыты с двумерным материалом – графеном» Константин Новоселов и Андрей Гейм в 2010 г. были удостоены Нобелевской премии. Для получения графена ученые использовали подручные материалы – кусок графита и обычный скотч. Ученые нанесли на липкую ленту небольшое количество графита, после чего ее много раз склеивали и расклеивали ленту, каждый раз разделяя (отшелушивая) вещество пополам. Эти действия ученые проводили до тех пор, пока от образца графита не остался один, последний – прозрачный слой –

графен, который перенесли на подложку. Данный способ получения графена именуется методом “отшелушивания”.

 

Свойства и преимущества графена:

– графен является самым прочным материалом на Земле. В 300 раз прочнее стали. Лист графена площадью в один квадратный метр и толщиной, всего лишь в один атом, способен удерживать предмет массой 4 килограмма. Графен, как салфетку, можно сгибать, сворачивать, растягивать. Бумажная салфетка рвется в руках. С графеном такого не случится,

– благодаря двумерной структуре графена, он является очень гибким материалом, что позволит использовать его, например, для плетения нитей и других верёвочных структур. При этом тоненькая графеновая «верёвка» по прочности будет аналогична толстому и тяжёлому стальному канату,

– в определённых условиях у графена активируется ещё одна способность, которая позволяет ему «залечивать» «дырки» в своей кристаллической структуре в случае её повреждений,

– графен обладает более высокой электропроводностью. Графен практически не имеет сопротивления. У графена в 70 раз мобильность электронов выше, чем у кремния. Так, подвижность зарядов графена составляет более 1 000 000 см²/В∙с. Скорость электронов в графене составляет 10 000 км/с, хотя в обычном проводнике скорость электронов порядка 100 м/с,

– обладает высокой электроемкостью. Удельная энергоемкость графена приближается к 65 кВт*ч/кг. Данный показатель в 47 раз превышает тот, который имеют столь распространенные ныне литий-ионные аккумуляторы,

– обладает высокой теплопроводностью. Он в 10 раз теплопроводнее меди. Его теплопроводность составляет около 5000 Вт/м∙К,

– характерна полная оптическая прозрачность. Он поглощает всего 2,3% света и оптически прозрачен в широком диапазоне от UV до far-IR,

– графеновая плёнка пропускает молекулы воды и при этом задерживает все остальные, что позволяет использовать ее как фильтр для воды,

– самый легкий материал. В 6 раз легче пера,

– инертность к окружающей среде,

– впитывает радиоактивные отходы,

– благодаря Броуновскому движению (тепловым колебаниям) атомов углерода в листе графена последний способен «производить» электрическую энергию,

– является основой для сборки различных не только самостоятельных двумерных материалов, но и многослойных двумерных гетероструктур,

– при протекании соленой воды по листу графена последний способен генерировать электрическую энергию за счет преобразования кинетической энергии движения потока соленой воды в электрическую (т. н. электрокинетический эффект),

– графен является гидрофобным и абсолютно непроницаем (за исключением воды) материалом для жидкостей и газов, в том числе агрессивных соединений,

– химически нейтрален, стабилен и экологичен.

 

Физические свойства графена*:

Наименование показателя:	Значение:
Длина связи С–С, нм	0,142
Плотность, мг/м2	0,77
Удельная площадь поверхности, м2/г	2630
Подвижность электронов, см2/(В∙с)	более 1,0∙106
Модуль Юнга, ТПа	более 1
Теплопроводность, Вт/(м∙К)	от 4840 до 5300
Оптическая проницаемость	0,977

* при комнатной температуре.

 

Получение графена:

Основными способами получения графена считаются:

– микромеханическое отшелушивание слоев графита (метод Новоселова – метод скотча). Образец графита помещали между лентами скотча и последовательно отшелушивали слои, пока не остался последний тонкий слой, состоящий из графена,

– диспергирование графита в водных средах,

– механическая эксфолиация;

– эпитаксиальный рост в вакууме;

– химическое парофазное охлаждение (CVD-процесс),

– метод “выпотевания” углерода из растворов в металлах или при разложении карбидов.

 

Получение графена в домашних условиях:

Для получения графена в домашних условиях необходимо взять кухонный блендер мощностью не менее 400 Вт. В чашу блендера выливают 500 мл воды, добавляя в жидкость 10-25 миллилитров любого моющего вещества и 20-50 грамм толченого грифеля от карандаша. Далее блендер должен поработать от 10 минут до получаса вплоть до появления взвеси из чешуек графена. Полученный материал будет обладать высокой проводимостью, что позволит использовать его в электродах фотоэлементов. Также произведенный в бытовых условиях графен способен улучшить свойства пластика.

 

Применение графена:

– солнечная энергетика,

– водоочистка, фильтрация воды, опреснение морской воды,

– электроника (ЖК-мониторы, транзисторы, микросхемы и пр.),

– в аккумуляторах и источниках энергии. Графеновый аккумулятор позволяет автомобилю без подзарядки преодолевать 1000 км, время зарядки которого не более 16 секунд,

– медицина. Ученые обнаружили, что графеновые чешуйки оксида графена ускоряют размножение стволовых клеток и регенерацию клеток костной ткани,

– создание суперкомпозитов,

– очистка воды от радиоактивных загрязнений. Оксид графена быстро удаляет радиоактивные вещества из загрязненной воды. Хлопья оксида графена быстро связываются с естественными и искусственными радиоизотопами и конденсируют их, превращая в твердые вещества. Сами хлопья растворимы в жидкости, и их легко производить в промышленных масштабах.

 

Найти что-нибудь еще?

Похожие записи:

карта сайта

как сделать графен википедия материал аккумулятор свойства аэрогель углерод графит купить цена видео россия презентация плотность
техническое применение открытие получение технология производство структура изобретение графена в светодиодных устройствах мастер нож

Коэффициент востребованности 8 918

Материал Будущего, История Открытия, Физические и Химические Свойства, Возможности Применения, Проблемы и Прогнозы Массового Использования

14.06.2019

Так выглядит структура графена — всего лишь один слой атомов углерода

Разные периоды человеческой истории тесно связаны с теми или иными материалами. За каменным веком наступила эпоха бронзы, которую потом вытеснило железо. Последние десятилетия стали «звездным часом» кремния, который подарил нам цифровую революцию и интернет. Мы стремительно входим в следующий технологический уклад и судорожно ищем новый материал, достойный служить его символом. Возможно, что им станет углерод, вернее, одна из его разновидностей – графен.

В последние годы этот материал постоянно на слуху. Графен называют – ни много, ни мало – самым важным открытием XXI века и не жалеют в его описаниях превосходных степеней. Адепты технического прогресса обещают нам новый дивный «графеновый» мир, в котором мы окажемся буквально завтра. В нем железо не будет ржаветь, люди смогут делать топливо из воздуха и пить воду прямо из океана. Ну и по мелочи: мы получим новое поколение электроники, сверхпрочную броню, колоссальной емкости аккумуляторы и прочая, и прочая, и прочая. Скептики, слушая восторженные спичи такого рода, лишь привычно и гадко ухмыляются. Действительно, «графеновую революцию» нам обещают уже лет пятнадцать лет, а пока нет даже приемлемого способа получения материала.

Так что же такое графен: реальный прорыв или очередной научно-технический фейл? Почему его открытие вызвало такую истерию, и какие «пряники» сулит нам использование этого материала? И почему оно до сих пор не началось?

Химические и физические свойства

По химическому составу графен ничем не отличается от алмаза или графита – он состоит из тех же атомов углерода, вся «фишка» в их особом пространственном расположении. Именно оно приводит к колоссальному различию физических свойств. В традиционных материалах атомы упорядочены в трех измерениях, поэтому окружающие нас предметы имеют высоту, длину и ширину. Графен – это аллотропная модификация углерода, в которой атомы образуют двумерную гексагональную кристаллическую решетку толщиной всего лишь один атом. По сути, это просто единственный слой, «вытащенный» из объемного кристалла вещества – третьего измерения у него нет.

Графен — самый прочный из известных нам материалов

Графен – первый двумерный материал, полученный учеными. Благодаря такой уникальной атомарной структуре он может «похвастать» целым рядом удивительных свойств:

• огромной теплопроводностью;
• просто запредельной механической прочностью;
• гибкостью;
• высокой электропроводностью;
• непроницаемостью для большинства жидкостей и газов;
• прозрачностью.

Но самое поразительное другое: при своей атомарной тонкости графен абсолютно стабилен, он не распадается, хотя многие ученые не верили в это. Еще в 30-е годы выдающиеся физики Рудольф Пайерлс и Лев Ландау утверждали, что двумерные материалы будут неустойчивы и быстро разрушатся под действием внешних факторов. Оказалось, что атомы удерживаются вместе благодаря особым вибрациям.

Изучение этого чудо-материала продолжается, и он не устает удивлять исследователей. Так, например, недавно выяснилось, что двухслойный графен в определенном положении ведет себя как сверхпроводник, хотя раньше этого и не предполагали.

Открытие графена настолько воодушевило ученых, что буквально в течение десяти лет были получены еще три двумерных материала со схожими свойствами: силицен – на основе кремния, фосфорен – фосфора и германен – германия.

Как был открыт «материал столетия»?

Гипотеза о существовании двумерной формы углерода была выдвинута еще в XIX веке, но подтвердить ее фактически долгое время не получалось. В 1859 году Бенджамин Броуди впервые синтезировал оксид графена, но только в 1948 году с помощью электронного микроскопа удалось доказать чрезвычайно малую толщину этого материала. Позже ученые обнаружили, что среди кристаллов оксида графена попадаются частицы толщиной в один атом. В 70-е годы монослойный углерод пытались выращивать на различных металлических подложках.

«Крестным отцом» этого материала стал Ханс-Питер Бём, который в 1986 году предложил называть однослойный углерод графеном. В конце 90-х Йошико Охаши изучал электрические свойства тонких графитовых пленок толщиной в несколько десятков атомарных слоев.

Первооткрыватели графена — Гейм и Новоселов. В 2010 году за эту работу они получили Нобелевскую премию

Впервые получить графен удалось двум британским ученым российского происхождения – Андрею Гейму и Константину Новоселову. Для этого они использовали самые подручные материалы – кусок графита, обычный скотч ну и, конечно же, знаменитую русскую смекалку. Ученые наносили на липкую ленту небольшое количество графита, после чего ее много раз склеивали и расклеивали, каждый раз разделяя вещество пополам. Когда пятно становилось совсем прозрачным, полученный графен переносился на подложку. Позже этот способ назвали «методом отшелушивания».

В 2010 году Гейм и Новоселов получили Нобелевскую премию и весьма обидную кличку от журналистов – «мусорные физики». Ученые всего мира наконец-то смогли исследовать графен, ибо липкой ленты хватало в любой лаборатории. Это стало настоящим прорывом: по словам людей, которые занимаются данным вопросом, за последние годы мы узнали о двумерных материалах куда больше, чем за все предыдущее столетие. В сети вы легко найдете подробное описание метода Гейма и Новоселова и при желании сможете повторить его в домашних условиях.

Новая эра в электронике?

Графен – уникальный по своей электропроводности материал: его сопротивление на 35% меньше, чем у меди, а по подвижности носителей заряда он превосходит и кремний, и антимонид индия.

Существующие сегодня чипы памяти и микропроцессоры уже преодолевают технологические границы в 10 нанометров. Процесс дальнейшей миниатюризации представляет значительные сложности. Все громче раздаются голоса, что мы практически достигли пределов кремниевых чипов. Сегодня разработчики топчутся на тактовой частоте около 4 ГГц, не в силах обеспечить дальнейшее увеличение быстродействия.

На основе графена можно делать гибкие экраны электронных устройств. Скорее всего, это станет первой областью применения этого материала

Кремний всем хорош для микроэлектроники, но есть у него и существенный недостаток – низкая теплопроводность. С увеличением плотности элементов и ростом тактовой частоты это становится серьезным барьером для дальнейшего развития отрасли.

Правда, для изготовления полевого транзистора из графена нужно как-то создать в нем запрещенную зону, чтобы задавать два состояния, пригодных для двоичной логики: непроводящее и проводящее. Однако уже сегодня предложены несколько способов решения данной проблемы, и это позволяет надеятся на скорое появление подобных транзисторов. Инженеры полагают, что быстродействие графеновых микропроцессоров может быть на порядок выше существующих – на основе этого материала уже построены транзисторы, модуляторы, микросхемы, работающие на частотах выше 10 ГГц.

Помимо высокой электропроводности, графен отличается практически полной прозрачностью. Он поглощает всего лишь 2% света, причем в самом широком оптическом диапазоне. Список материалов, одновременно обладающих этими качествами, очень ограничен, и графен лучше их всех. Поэтому это идеальный материал для жидкокристаллических дисплеев. Кроме того, он отличается высокой механической прочностью, так что скоро вы сможете забыть о разбитых экранах смартфонов и ноутбуков. Мы уже можем получать материал подходящего качества, и сейчас вопрос стоит только в снижении его себестоимости.

Графен не только прочный и прозрачный, он еще и отличается прекрасной гибкостью – пластину из этого материала можно растянуть чуть ли не на 20%. Поэтому уже в ближайшем будущем нас точно ожидает эра гибкой электроники. Подобные девайсы уже не раз демонстрировались на выставках, но до коммерческого использования дело пока не дошло. Весьма активен в этом направлении корейский гигант Samsung.

Еще одной ожидаемой областью применения графена является производство различных измерительных устройств, датчиков, сенсорных систем. Например, газовые датчики из этого материала могут реагировать буквально на единичные акты адсорбции/реабсорбции молекул — то есть работать на пределе чувствительности для таких устройств. Еще в 2015 году специалисты из Американского химического общества (ACS) на основе графена разработали прототип тепловизора с высокочувствительной матрицей, не требующей охлаждения. В будущем это позволит создавать качественные и, главное, недорогие тепловизионные приборы и обычные телекамеры, способные вести съемку в полной темноте.

Графен — один из главных претендентов на смену кремния в микропроцессорах

Кто из нас не мечтал о новом смартфоне или ноутбуке с батареей, запаса которой хватало хотя бы на несколько дней? Очень может быть, что уже в ближайшем будущем это станет реальностью. Графен имеют максимальное отношение поверхности к объему, благодаря чему прекрасно подходит для аккумуляторов и суперконденсаторов.

Разработки в этом направлении ведутся самым активным образом. Несколько лет назад испанские инженеры сообщили о создании графенового аккумулятора для электромобилей, который может заряжаться всего за восемь минут, на 77% дешевле литиевых аналогов и в два раза легче их по весу. Разработчики утверждают, что заряда достаточно для 1000 километров пробега.

В 2017 году Институт передовых технологий Samsung (SAIT) заявил о создании революционной батареи на основе «графеновых шариков». Она, якобы, в несколько раз превосходит существующие аналоги по скорости зарядки и имеет на 45% большую емкость.

Тверже алмаза и легче перышка

Графен – самый прочный из известных нам материалов. По этому параметру он в двести раз превосходит сталь. Лист графена толщиной в один атом, выдержит давление острия карандаша, на другой стороне которого балансирует слон. А ученые из Georgia Tech пришли к выводу, что двухслойной пленке из этого материала не страшна даже пуля.

Понятно, что мимо таких способностей не могли пройти компании, занимающиеся военными разработками и защитным снаряжением. Уже появилось множество проектов графеновой брони, скафандров и легких бронежилетов. Правда, пока не совсем понятно, как из идеального двумерного материала сделать трехмерный, сохранив при этом его уникальные свойства.

На основе этого материал уже пробуют создать суперпрочные пластмассы и резину. Однако эти разработки пока находятся на начальном этапе.

Графен и проблема дефицита воды

Население планеты неуклонно растет, а количество водных ресурсов, наоборот, стремительно сокращается. Сегодня проблема нехватки питьевой воды не менее актуальна, чем проблема голода. И это при том, что ею покрыта большая часть поверхности земного шара. При чем тут графен, спросите вы?

Дело в том, что этот материал практически непрозрачен для большинства химических веществ, но воду он пропускает. Грубо говоря, фильтр с графеновой мембраной будет задерживать морскую соль, опресняя тем самым воду. Правда, неизвестно, насколько долговечным будет подобное устройство, ведь хлориды – очень агрессивные вещества. Ученым придется решить еще множество проблем на этом пути, но работы не прекращаются, ибо слишком уж заманчивы перспективы.

На основе графена можно делать уникальные фильтры, которые будут способны не только очищать воду, но и опреснять ее

Точно так же можно очищать воду от любых токсинов, ядов и радиоактивных загрязнений. С помощью графена предлагают даже фильтровать ядерные отходы.

На страже здоровья или перспективы в медицине

Графен поможет человечеству победить рак. Он способен находить клетки опухоли в организме. Это удивительное свойство обнаружили ученые из Университета штата Иллинойс. Феномен связан с разницей электрических потенциалов здоровых и раковых клеток, которую легко определяют частицы материала.

Однако графен способен не только находить опухоли, но и эффективно уничтожать их. Биологи из Университета Манчестера выяснили, что частицы оксида графена могут поражать стволовые раковые клетки, никак не влияя на здоровые.

Уверенно можно сказать, что одной из главных сфер применения графена станут различные биодатчики, кардиостимуляторы, протезы, элементы нейроинтерфейса. Например, на основе этого материала уже разработаны специальные полупрозрачные татуировки, способные показывать температуру тела и состояние кожи. Медики надеются, что в будущем подобные рисунки смогут измерять активность сердца, мозга, снимать другие важные показатели.

Возможно, что графен поможет залечивать переломы костей. Ученые из Университета Карнеги-Меллона создали на его основе биоразлагаемый материал, который привлекает стволовые клетки к месту перелома. Это значительно ускоряет процесс восстановления. Пока этот метод опробован только на мышах, так что до практического использования еще далеко.

Уникальные динамики, краска будущего и презервативы

Миллиардер и филантроп Билл Гейтс вложил круглую сумму в разработку презервативов из графена

Возможности применения графена фантастически широки – кажется, что он пригодится человечеству буквально везде. Достаточно добавить его и любой материал станет прочнее, долговечнее, устойчивее. Мария Шарапова играет ракеткой, выполненной из графена, строители хотят домешивать его в бетон, Билл Гейтс прилично вложился в создание сверхпрочных графеновых презервативов. Автопроизводители хотят делать из него кузова машин, а авиастроители – детали ракет и самолетов. Вот еще несколько примеров возможного использования материала:

• Сейчас немецкие исследователи работают над специальной краской на основе графена, которая будет сигнализировать о возможных дефектах изменением цвета. Пока этот проект находится в начальной стадии, о его коммерческом использовании говорить рано;
• Китайские ученые из Северо-Западного университета разработали покрытие на основе графена, которое защищает металлы от ржавчины. Причем, этот состав способен самовосстанавливаться после небольших повреждений;
• В конце 2017 года исследователи из частного университета Райса представили общественности кроссовки с добавлением графена. Материал был использован при изготовлении подошвенной резины. Разработчики утверждали, что их обувь отличается повышенной износостойкостью и невероятно прочна. Кроме того, кроссовки поразили присутствующих своей эластичностью: их можно было легко гнуть, крутить и складывать;
• На основе графена планируют создать новое поколение акустических систем. Современные динамики работают за счет генерации механических вибраций. Британские ученые показали, что графен способен издавать сложные и управляемые звуковые колебания при нагревании и охлаждении. Таким образом можно изготовить колонки, которые вообще не содержат движущихся деталей, при этом заметно уменьшив их размеры. В идеале такой динамик будет частью графенового экрана вашего телефона или другого устройства. Опытный образец имеет размер меньше ногтя, причем в него еще встроен эквалайзер.

Долгий путь между пробиркой и прилавком

Открытие графена нередко сравнивают с изобретением колеса, паровой машины, бумаги или транзистора. О росте интереса к графеновой теме можно судить по увеличению количества заявок на патенты: в 2010 году их было около 6 тыс. штук, а в 2016 – это число увеличилось до 50 тыс.

Больше всего заявок подали китайские компании и научные центры. В Поднебесной все, что связано с графеном пользуется огромной государственной поддержкой. Китай особо и не скрывает, что планирует забрать себе до 80% графенового рынка. Аналогичные программы поддержки отрасли существуют и в других странах. Почему же до сих не видно массовых графеновых технологий, несмотря на очень серьезные финансовые вливания в эту отрасль? Тому есть серьезные причины.

В настоящее время используется несколько способов получения графена, которые, в принципе, уже обеспечивают промышленные объемы этого вещества. Довольно серьезной проблемой является качество полученных образцов, а именно от него во многом зависят свойства и функционал материала. И если для красок или композитов вполне сгодится дешевый хлопьевидный графен, полученный химическим путем, то для высокочастотной электроники необходимо качественное сырье с минимумом дефектов и примесей.

К сожалению, пока не существует установленных стандартов качества графена, из-за чего страдает отрасль в целом. Недавно было проведено исследование продукции 60 компаний, которые, якобы, предлагали графен. Однако вместо него в образцах был обнаружен дешевый графит, к тому же содержащий еще и примеси других веществ.

В последние годы графен стремительно дешевеет

В принципе, нынешнее положение дел очень напоминает ситуацию на заре компьютерной эры, когда были огромные трудности с получением чистого кремния. Однако они уже давно решены.

Себестоимость графена неуклонно падает. Сегодня пластинка материала площадью 1 кв. см стоит меньше одного евро. Эксперт утверждают, что к 2022 году его цена упадет еще на порядок. Однако проблемы все еще остаются. Наибольшую трудность представляет процесс переноса графеновой пластины на ту или иную подложку – а это едва ли не основное требование для начала массового промышленного производства. Вероятно, что сначала мы получим графеновые экраны, затем дело дойдет до электронных устройств и различных детекторов. Другие, более экзотичные варианты применения материала, скорее всего, – дело ближайших десятилетий.

Внутри любого современного мобильного телефона «содержится» более двадцати Нобелевских премий, часть из которых была присуждена еще в середине 60-х годов. То есть, от идеи до ее воплощения прошло более пятидесяти лет. Графену не исполнилось еще и пятнадцати, а на рынке уже есть товары, содержащие этот материал. Так что графен не опаздывает, он, наоборот, опережает время.

Если у вас возникли вопросы — оставляйте их в комментариях под статьей. Мы или наши посетители с радостью ответим на них

С друзьями поделились:

Графеновый двигатель. Наномасштабы и законы квантовой механики

В то время как обычные машины, такие как двигатели внутреннего сгорания в большинстве автомобилей, работают в соответствии с правилами физики, изложенными Исааком Ньютоном, на наномасштабах все подчиняется более сложным законам квантовой механики.

Нобелевская премия по химии заслужено досталась трем ученым, разработавшим самые маленькие в мире машины — «нанороботы». Эти нанороботы меньше человеческого волоса, который можно использовать в различных областях. Наиболее многообещающее поле для этих невероятно маленьких машин находится в медицинских областях, где эти роботы могут проникать внутрь клеток человеческого тела. Эти нанороботы сделаны из различных материалов, которые могут перемещаться под действием внешней стимуляции, такой как свет и магнит.

 

Подвижные детали, которые перемещаются в известных машинах подвергаются силам трения, что ограничивает их производительность. Нанотехнологии могут быть использованы для создания двигателя из одной молекулы, которая может вращаться/перемещаться без какого-либо трения. На наноуровне молекулярные роторы следуют квантовому закону, что означает, что они не взаимодействуют с воздухом одинаково, и поэтому трение не влияет на их производительность.

 

Природа уже показала нам, что молекулярные моторы возможны. Некоторые белки могут перемещаться по поверхности, используя вращающийся механизм, который создает движение от химической энергии. Именно эти моторные белки заставляют клетки сокращаться и, следовательно, отвечают за наши мышечные движения.

 

Нанотехнологии имеют дело с ультрамалыми объектами размером, эквивалентными одной миллиардной части метра, что кажется невероятно малым для построения машин. Но размер зависит от того, насколько близко вы находитесь к объекту. Мы не можем видеть вещи в наномасштабе невооруженным глазом, так же как мы не можем видеть внешние планеты Солнечной системы. И все же, если мы увеличим масштаб — с помощью телескопа для планет или мощного электронного микроскопа для нанообъектов — тогда мы изменим систему отсчета, и все будет выглядеть по-другому.

 

Тем не менее, даже после того, как мы познакомимся поближе, мы все равно не сможем построить машины на наноразмерном уровне, используя традиционные инженерные инструменты. В то время как обычные машины, такие как двигатели внутреннего сгорания в большинстве автомобилей, работают в соответствии с правилами физики, изложенными Исааком Ньютоном, на наномасштабах все подчиняется более сложным законам квантовой механики. Поэтому нам нужны особые инструменты, которые учитывают квантовый мир, чтобы манипулировать атомами и молекулами таким образом, чтобы они использовали их в качестве строительных блоков для наномашин.

Такие автономные молекулярные двигатели играют важную роль во многих и дальновидных целях нанотехнологий, так же как электрические двигатели можно найти во многих устройствах сегодня. Эти наномашины могут выполнять функции, аналогичные биологическим молекулярным двигателям, присутствующим в живых клетках, такие как транспортировка и сборка молекул, или облегчения химических реакции путем прокачки протонов через мембраны.

 

 

 

Хотя большинство наномоторных приложений все еще являются частью футуристических сценариев, уже существует быстрорастущий объем исследований в области нанотехнологий, посвященный молекулярной технике; и результаты этого очень раннего исследования наномашины являются впечатляющими: хорошо сконструированные молекулы или супрамолекулы демонстрируют различные виды движения — подпитываемые различными движущими силами, такими как свет, тепло или химические реакции — приводящие к молекулярным челнокам, молекулярным лифтам и вращению наноразмерных двигателей.

 

В то время как большинство этих наномоторов работают от квантовых или, в большинстве случаев, каталитических химических процессов, отсутствует наноразмерный эквивалент обычных внутренних тепловых двигателей, которые так распространены в нашей повседневной жизни.

Один из примеров таких нанороботов основан на тепловом двигателе, изготовленном из графена.

 

Графен – супер материал

 

Замечательные свойства графена проистекают из гексагональной структуры решетки, которую образуют атомы, которую Джозеф Мини, соавтор книги «Графен: сверхсильный, сверхтонкий и сверхразносторонний материал, который революционизирует мир», описывает как «забор из проволочной сетки». Каждый атом углерода с его четырьмя электронами во внешней оболочке связан с тремя другими атомами углерода. Эта структура позволяет ему располагаться идеально ровно, обеспечивая удивительную прочность, фантастическую проводимость (электрическую и термическую), оставаясь при этом пористой и оптически прозрачной.

Убедительными являются его параметры, предел прочности при растяжении графена составляет 130 ГПа, что в 325 раз больше, чем у конструкционной стали. В то же время один лист графена весит всего 770 микрограммов на квадратный метр. Это означает, что лист, достаточно большой, чтобы покрыть все футбольное поле, весил бы меньше грамма.

У графена каждый атом углерода с его четырьмя электронами во внешней оболочке связан с тремя другими атомами углерода.

 

Наноразмерный тепловой графреновый двигатель из Сингапура

 

Исследователи из Национального университета Сингапура (NUS) создали первый в мире наноразмерный тепловой двигатель, изготовленный из фторированного графена нанометровой толщины. Такой крошечный двигатель может быть полезен в наноробототехнике и наномашинах. Он также может быть использован в качестве клапана для микрофлюидов.

 

Новый нано-двигатель сделан из графена и слабо хемосорбированных молекул CIF₃. Молекулы CIF₃ используются в качестве исполнительных механизмов. В двигателе применяется лазерный луч света в качестве «свечи зажигания» — когда молекулы CIF₃ подвергаются воздействию лазера (длина волны 532 нм).

 

Двигатель работает достаточно просто: несколько слоев хемосорбированных пленок CIF₃, зажатых между отдельными слоями графена, поддерживаемых кремниевой подложкой, подвергаются воздействию лазерного луча. Это приводит к взрывоподобному увеличению давления из-за быстрого объемного расширения молекул CIF₃ и отклоняет графен от субстрата в виде пузыря, направленного вверх. При этом «куполообразный пузырь» создает высокое давление (около 23 МПа).

После выключения лазера графен возвращается в исходное плоское состояние, поскольку высокая реакционная способность молекул CIF₃ хемосорбируется обратно на графен.

Расширение (и последующее сжатие при выключении лазера) эквивалентно движению поршня в двигателе внутреннего сгорания.

Исследователи сообщают, что этот крошечный двигатель долговечен и не разрушается даже после 10000 циклов. Расчетное внутреннее давление на цикл расширения двигателя составляет около 106 Па. Блистер образуется очень быстро — менее чем за 0,001 секунды.

 

Схемы работы графенового двигателя.

 

 

Ключом к эффективности этого двигателя на основе графена является то, что высокое давление между подложкой и графеном может поддерживаться благодаря его высокому модулю Юнга, газонепроницаемости и высокой энергии адгезии.

 

В графене, обработанном жидким ClF₃, образуются ионные связи между фтором и углеродом, что приводит к образованию положительного заряда в 1/6 дырки для каждого атома фтора. Такие ионные связи могут быть легко разрушены, так как они имеют очень маленькую энергию ~ 54 кДж / моль. Это примерно в десять раз меньше энергии ковалентной связи CF. Когда квазистабильная молекула ClF₃ теряет свою ионную связь, это приводит к переходу ClF₃ в газовую фазу и быстро увеличивающееся давление. По данным исследователей, внутреннее давление составляет ~ 23 МПа. Такое давление достаточно для локального отделения графена от подложки. Из-за высокой прочности графена, модуль Юнга которого может достигать 1 ТПа, и низкой газопроницаемости, весь газ остается внутри пузырька. Структурный анализ графена показал, что даже после 10 тысяч циклов никаких структурных нарушений не возникает.

  

Размер блистера легко контролируется путем изменения параметров зажигания — мощностью лазера. И, по сравнению с нашими двигателями внутреннего сгорания в натуральную величину, этот графеновый двигатель не производит побочных продуктов.

 

 

Другим неотъемлемым фактором является то, что для его функционирования не нужны слишком конкретные условия работы, поэтому для различных применений это жизнеспособный двигатель для наномашин.

Выпученное движение этого графенового нано-двигателя может использоваться в качестве насоса или клапана для нанофлюидных применений. Устройство может быть легко интегрировано в различные приложения путем объединения методов MEMS или NEMS для передачи генерируемой силы каждому из компонентов. Следовательно, следующим этапом будет создание и изучение этого простого приложения наноинженера. Авторы считают, что характеристики такого двигателя могут быть значительно улучшены путем оптимизации параметров лазерного импульса, диаметра луча, а также путем выбора наиболее эффективного «рабочего тела».

 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.

Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!

Email*

Подписаться

Описание методов получения графена

[1]. H. W. Kroto, J. R. Heath, S. C. O’Brien, R. F. Curl, R. E. Smalley, “C60: Buckminsterfullerene”, Nature 318, 162 – 163 (1985).

[2]. S. Iijima, “Helical microtubules of graphitic carbon”, Nature 354, 56 – 58 (1991).

[3]. P. R. Wallace, “The Band Theory of Graphite”, Physical Review 71, 622–634 (1947).

[4]. D. P. DiVincenzo, E. J. Mele, “Self-consistent effective-mass theory for intralayer screening in graphite intercalation compounds”, Physical Review B 29, 1685–1694 (1984).

[5]. T. W. Ebbesen, H. Hiura, “Graphene in 3-dimensions: Towards graphite origami” Advanced Materials 7, 582–586 (1995).

[6]. A. K. Geim, K. S. Novoselov, “The rise of graphene”, Nature Materials 6, 183 — 191 (2007).

[7]. K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, A. A. Firsov, “Electric field effect in atomically thin carbon films”, Science 306, 666–669 (2004).
sics Reports 542 (3), 195-295 (2014).

[8]. M. I. Katsnelson, “Graphene: carbon in two dimensions”, Materials Today 10 (1–2), 20–27 (2007).

[9]. B. T. Kelly, “Physics of Graphite”, Applied Science Publishers (1981).

[10]. H. P. Boehm, A. Clauss, G. Fischer, U. Hofmann, “Surface properties of extremely thin graphite lamellae”, Proc. of the Fifth Conference on Carbon, Pergamon Press, London, 73 (1962).

[11]. H. P. Boehm, A. Clauss, G. O. Fischer, U. Hofmann, “Dünnste kohlenstoff-folien”, Z. Naturforsch. B, 17, 150 (1962).

[12]. M. Eizenberg, J. M. Blakely, “Carbon monolayer phase condensation on Ni(111)”, Surface Science 82(1), 228–236 (1979).

[13]. T. Aizawa, R. Souda, S. Otani, Y. Ishizawa, C. Oshima, “Anomalous bond of monolayer graphite on transition-metal carbide surfaces”, Physical Review Letters 64, 768-771 (1990).

[14]. A. J. Van Bommel, J. E. Crombeen, A. Van Tooren, “LEED and Auger electron observations of the SiC(0001) surface”, Surface Science 48(2), 463–472, (1975).

[15]. I. Forbeaux, J.-M. Themlin, J.-M. Debever, “Heteroepitaxial graphite on 6H-SiC(0001): Interface formation through conduction-band electronic structure”, Physical Review B 58, 16396–16406 (1998).

[16]. B. Z. Jang, A. Zhamu, “Processing of nanographene platelets (NGPs) and NGP nanocomposites: a review”, Journal of Materials Science 43(15), 5092-5101 (2008).

[17]. K. S. Novoselov, D. Jiang, F. Schedin, T. J. Booth, V. V. Khotkevich, S. V. Morozov, A. K. Geim, “Two-dimensional atomic crystals”, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 102(30), 10451-10453 (2005).

[18]. J. C. Meyer, A. K. Geim, M. I. Katsnelson, K. S. Novoselov, T. J. Booth, S. Roth, “The structure of suspended graphene sheets”, Nature (London) 446, 60 (2007).

[19]. K. P. Loh, Q. Bao, P. K. Ang, J. Yang, “The chemistry of graphene”, Journal of Materials Chemistry  20, 2277-2289 (2010).

[20]. S. Park, R. S. Ruoff, “Chemical methods for the production of graphenes”, Nature Nanotechnology 4, 217-224 (2009).

[21]. O. C. Compton, S. T. Nguyen, “Graphene Oxide, Highly Reduced Graphene Oxide, and Graphene: Versatile Building Blocks for Carbon-Based Materials” Small 6, 711–723 (2010).

[22]. S. Marchini, S. Günther, J. Wintterlin, “Scanning tunneling microscopy of graphene on Ru(0001)”, Physical Review B 76, 075429-1 – 075429-9 (2007).

[23]. Y. Pan, H. Zhang, D. Shi, J. Sun, S. Du, F. Liu, H.-J. Gao, “Highly Ordered, Millimeter-Scale, Continuous, Single-Crystalline Graphene Monolayer Formed on Ru (0001)”, Advanced Materials 21, 2777–2780 (2009).

[24]. P. W. Sutter, J.-I. Flege, E. A. Sutter, “Epitaxial graphene on ruthenium”, Nature Materials 7, 406 — 411 (2008).

[25]. R. van Gastel, A. T. N’Diaye, D. Wall, J. Coraux, C. Busse, N. M. Buckanie, F.-J. Meyer zu Heringdorf, M. Horn von Hoegen, T. Michely, B. Poelsema, “Selecting a single orientation for millimeter sized graphene sheets”, Applied Physics Letters 95, 121901-1 – 121901-3 (2009).

[26]. J. Coraux, A. T. N‘Diaye, C. Busse, Thomas Michely, “Structural Coherency of Graphene on Ir(111)”, Nano Letters 8(2), 565–570 (2008).

[27]. T. N’Diaye1, J. Coraux, T. N. Plasa, C. Busse, T. Michely, “ Structure of epitaxial graphene on Ir(111)”, New Journal of Physics 10, 043033 (2008).

[28]. T.A. Land, T. Michely, R.J. Behm, J.C. Hemminger, G. Comsa, “STM investigation of single layer graphite structures produced on Pt(111) by hydrocarbon decomposition”, Surface Science 264(3), 261–270 (1992).

[29]. P. Sutter, J. T. Sadowski, E. Sutter “Graphene on Pt(111): Growth and substrate interaction”, Physical Review B 80, 245411-1 – 245411-10 (2009).

[30]. M. Gao, Y. Pan, L. Huang, H. Hu, L. Z. Zhang, H. M. Guo, S. X. Du, and H.-J. Gao, “Epitaxial growth and structural property of graphene on Pt(111)”, Applied Physics Letters 98, 033101-1 – 033101-3 (2011).

[31]. S.-Y. Kwon, C. V. Ciobanu, V. Petrova, V. B. Shenoy, J. Bareño, V. Gambin, I. Petrov, S. Kodambaka, “Growth of Semiconducting Graphene on Palladium”, Nano Letters 9 (12), 3985–3990 (2009).

[32]. Y. Murata, E. Starodub, B. B. Kappes, C. V. Ciobanu, N. C. Bartelt, K. F. McCarty, S. Kodambaka, “Orientation-dependent work function of graphene on Pd(111)”, Applied Physics Letters 97, 143114-1 – 143114-3 (2010).

[33]. Д. Ю. Усачёв, А. М. Добротворский, А. М. Шикин, В. К. Адамчук, А. Ю. Варыхалов, O. Rader, W. Gudat, “Морфология графена на поверхностях монокристалла Ni. Экспериментальное и теоретическое исследование”, Известия РАН. Серия физическая. 73 (5), 719–722 (2009).

[34]. D. Usachov, A. M. Dobrotvorskii, A. Varykhalov, O. Rader, W. Gudat, A. M. Shikin, V. K. Adamchuk, “Experimental and theoretical study of the morphology of commensurate and incommensurate graphene layers on Ni single-crystal surfaces”, Physical Review B. 78, 085403-1 – 085403-9 (2008).

[35]. Yu. S. Dedkov, M. Fonin, U. Rüdiger, C. Laubschat, “ Graphene-protected iron layer on Ni(111)”, Applied Physics Letters 93, 022509 (2008).

[36]. E. Rollings, G. Gweon, S. Zhou, B. Mun, J. Mcchesney, B. Hussain, A. Fedorov, P. First, W. Deheer, A. Lanzara, “Synthesis and characterization of atomically thin graphite films on a silicon carbide substrate”, Journal of Physics and Chemistry of Solids 67(9-10), 2172-2177 (2006).

[37].  L. B. Biedermann, M. L. Bolen, M. A. Capano, D. Zemlyanov, R. G. Reifenberger, “Insights into few-layer epitaxial graphene growth on 4H-SiC(0001) substrates from STM studies”, Physical Review B 79, 125411-1 – 125411-10 (2009).

[38]. C. Berger, Z. Song, X. Li, X. Wu, N. Brown, C. Naud, D. Mayou, T. Li, J. Hass, A. N. Marchenkov, E. H. Conrad, P. N. First, W. A. de Heer, “Electronic Confinement and Coherence in Patterned Epitaxial Graphene”, Science 312 (5777), 1191-1196 (2006).

[39]. K. V. Emtsev, A. Bostwick, K. Horn, J. Jobst, G. L. Kellogg, L. Ley, J. L. McChesney, T. Ohta, S. A. Reshanov, J. Röhrl, E. Rotenberg, A. K. Schmid, D. Waldmann, H. B. Weber, T. Seyller, “Towards wafer-size graphene layers by atmospheric pressure graphitization of silicon carbide”, Nature Materials 8, 203-207 (2009).

[40]. A.-S. Johansson, J. Lu, J.-O. Carlsson, “TEM investigation of CVD graphite on nickel”, Thin Solid Films 252(1), 19–25 (1994).

[41]. A. N. Obraztsov, E. A. Obraztsova, A. V. Tyurnina, A. A. Zolotukhin, “Chemical vapor deposition of thin graphite films of nanometer thickness”, Carbon, 45(10), 2017–2021 (2007).

[42]. Q. Yu, J. Lian, S. Siriponglert, H. Li, Y. P. Chen, S.-S. Pei, “Graphene segregated on Ni surfaces and transferred to insulators”, Applied Physics Letters 93, 113103-1 – 113103-3 (2008).

[43]. A. Reina, X. Jia, J. Ho, D. Nezich, H. Son, V. Bulovic, M. S. Dresselhaus, J. Kong, “Large Area, Few-Layer Graphene Films on Arbitrary Substrates by Chemical Vapor Deposition”, Nano Letters 9 (1), 30-35 (2009).

[44].  K. S. Kim, Y. Zhao, H. Jang, S. Y. Lee, J. M. Kim, K. S. Kim, J.-H. Ahn, P. Kim, J.-Y. Choi, B. H. Hong, “Large-scale pattern growth of graphene films for stretchable transparent electrodes”, Nature 457, 706-710 (2009).

[45]. H. Cao, Q. Yu, R. Colby, D. Pandey, C. S. Park, J. Lian, D. Zemlyanov, I. Childres, V. Drachev, E. A. Stach, M. Hussain, H. Li, S. S. Pei, Y. P. Chen, “Large-scale graphitic thin films synthesized on Ni and transferred to insulators: Structural and electronic properties”, Journal of Applied Physics 107, 044310-1 – 044310-7 (2010).

[46]. X. Li, W. Cai, J. An, S. Kim, J. Nah, D. Yang, R. Piner, A. Velamakanni, I. Jung, E. Tutuc, S. K. Banerjee, L. Colombo, Rodney S. Ruoff, “Large-Area Synthesis of High-Quality and Uniform Graphene Films on Copper Foils”, Science 324, 1312-1314 (2009).

[47]. X. Li, Y. Zhu, W. Cai, M. Borysiak, B. Han, D. Chen, R. D. Piner, L. Colombo, R. S. Ruoff, “Transfer of large-area graphene films for high-performance transparent conductive electrodes”, Nano Letters 9(12), 4359-63 (2009).

[48]. S. Bae, H. Kim, Y. Lee, X. Xu, J.-S. Park, Y. Zheng, J. Balakrishnan, T. Lei, H. R. Kim, Y. I. Song, Y.-J. Kim, K. S. Kim, B. Özyilmaz, J.-H. Ahn, B. H. Hong, S. Iijima, “Roll-to-roll production of 30-inch graphene films for transparent electrodes”, Nature Nanotechnology 5, 574–578 (2010).

[49].  C. Mattevi, H. Kim, M. Chhowalla , “A review of chemical vapour deposition of graphene on copper”, Journal of Materials Chemistry 21, 3324-3334 (2011).

[50]. Е. Д. Грайфер, В. Г. Макотченко, А. С. Назаров, С.-Дж. Ким, В. Е. Фёдоров, “Графен: химические подходы к синтезу и модификации”, Успехи химии 80 (8), 784-804 (2011).

[51]. H. Tetlow, J. Posthuma de Boer, I.J. Ford, D.D. Vvedensky, J. Coraux, L. Kantorovich, «Growth of epitaxial graphene: Theory and experiment» , Physics Reports 542 (3), 195-295 (2014).

Что такое графеновая батарея? | New-Science.ru

Технология аккумуляторов в наши дни значительно улучшилась. Но если есть одна вещь, которую люди никогда не смогут получить достаточно, так это обещание длительного срока службы аккумулятора. Разве не было бы здорово, если бы наши ноутбуки и смартфоны продержались целую неделю в интенсивном режиме с одной зарядкой? Или что, если бы электромобили могли быть полностью заряжены за несколько минут?

С графеновыми батареями это все возможно.

Графен в настоящее время является наиболее изученным материалом для хранения заряда. Результаты, полученные в различных лабораториях по всему миру, подтверждают его потенциал, чтобы произвести революцию в отрасли хранения энергии.

Обнаруженный в 2004 году, графен может представить много новых возможностей для устройств хранения энергии в следующем десятилетии, таких как полностью вращающиеся батареи, меньшие по размеру конденсаторы, устройства высокой емкости и быстрой зарядки, а также прозрачные батареи.

Давайте копнем глубже и узнаем больше об этой революционной технологии: чем она отличается от существующих литий-ионных аккумуляторов, каковы ее области применения и почему это так важно.

Что такое графеновая батарея?

Графен, состоящий из атомов углерода, образующих двумерную кристаллическую решётку, признан «чудо-материалом» благодаря своим уникальным свойствам. Это отличный проводник тепла и электричества, впечатляюще гибкий, почти прозрачный, в 100 раз прочнее стали той же толщины и чрезвычайно легкий.

А поскольку материал также экологичен и устойчив, он обладает неограниченными возможностями в широком спектре применений. Одним из таких многообещающих применений является батарея следующего поколения.

Графен может быть интегрирован в различные типы батарей: металл-воздушные, окислительно-восстановительные, литий-металлические, литий-серные и, что более важно, литий-ионные батареи. Он может быть химически обработан в различных вариантах, подходящих как для отрицательных, так и для положительных электродов.

Батареи, сделанные из графена, могут питать все, от карманных устройств до электромобилей. Они обладают большей мощностью и имеют более длительный срок службы, чем существующие коммерческие (литий-ионные) батареи.

Графен как аккумулятор может также использоваться в качестве суперконденсатора, который может заряжаться и разряжаться невероятно быстро. На самом деле, они могут помочь цивилизации наконец-то отойти от вредных ископаемых видов топлива.

Чем они отличаются от традиционных батарей?

Технология графеновых аккумуляторов аналогична литий-ионным аккумуляторам: у них есть два твердых электрода и раствор электролита, обеспечивающий поток ионов. Однако некоторые графеновые батареи содержат твердый электролит.

Основное различие заключается в составных частях одного или обоих электродов. В обычной батарее катод (положительный электрод) полностью изготовлен из твердотельных материалов. Однако в графеновой батарее катод состоит из гибридного компонента, который содержит графен и твердотельный металлический материал.

Количество графена, используемого в электроде, варьируется в зависимости от эффективности твердотельного материала и требований к характеристикам. Кроме того, графен, как анод, обеспечивает высокую емкость и превосходную производительность.

Текущие проблемы

В последние годы исследователи продемонстрировали различные батареи на основе графена, которые превосходят имеющиеся в продаже. Однако эта технология еще не вышла на рынок. Еще предстоит преодолеть два серьезных препятствия:

1. Отсутствие эффективных процессов получения качественного графена в больших количествах.
2. Себестоимость производства на данный момент непомерно высока.

Производство одного килограмма графена стоит десятки тысяч долларов: количество варьируется в зависимости от требований к качеству материалов. Поскольку активированный уголь, который в настоящее время используется в суперконденсаторах, доступен по низкой цене (15 долларов за кг), другим материалам очень трудно выйти на коммерческий рынок.

12 новых характеристик графеновых батарей

Вскоре из графена можно будет создать устройства хранения энергии нового поколения с необычными характеристиками, которые невозможны с помощью современных технологий.

1. суперконденсаторы с линейной фильтрацией переменного тока

Электрический двухслойный конденсатор на основе вертикально ориентированных листов графена мог заряжаться / разряжаться очень быстро (менее чем за миллисекунду). Десятки материалов были протестированы для фильтрации линии переменного тока, в том числе оксид графена, ковер графен-УНТ (углеродная нанотрубка) и квантовые точки графена.

Такие сверхбыстрые суперконденсаторы могут заменить большие электролитические конденсаторы, которые в настоящее время используются в электронике, делая электронные устройства легче и меньше.

2. Гибкие накопители энергии

Существующие батареи и суперконденсаторы являются жесткими: таким образом, их изгиб может привести к утечке электролита и повреждению элементов. Однако графен с его двумерной структурой толщиной в один атом может деформироваться в направлении, нормальном к его поверхности, не вызывая никаких повреждений.

Помимо присущей ему механической гибкости, феноменальные электрические характеристики и большая площадь поверхности делают графен перспективным материалом для гибких батарей.

3. Растягивающиеся батареи и суперконденсаторы

Растяжимые устройства накопления энергии могут быть созданы за счет использования структурной растяжимости электродов из микрочастиц из композита графена-УНТ / активного материала и физически сшитого гелевого электролита.

Пленка графен-УНТ / активный материал на растягиваемой подложке

Активные материалы, соединенные через спутанные углеродные нанотрубки и графеновые листы, обеспечивают механически устойчивый пористый сетевой каркас, а внутренний выступающий каркас в сотовой структуре позволяет осуществлять структурное растяжение при деформации.

4. Литий-ионные аккумуляторы с быстрой зарядкой

Поскольку графен обеспечивает более быстрый перенос ионов и электронов в электродах, литий-ионные батареи, оснащенные графеном, можно заряжать и разряжать гораздо быстрее.

Например, литий-ионный аккумулятор с наноразмерным катодом из LiFePO ₄ и анодом из Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ на гибкой графеновой пене может быть полностью заряжен всего за 18 секунд. Чистый графен также можно использовать на аноде для увеличения емкости и сверхбыстрой скорости заряда/разряда.

5. Аккумуляторы для носимых устройств

Последние достижения в области коаксиальных электродов и электродов с сердечником и оболочкой сделали возможным объединение электродного материала и токосъемника в единую пряжу, которую можно ткать или связывать непосредственно в текстиль.

Графен может быть эффективно собран в многофункциональные микроволокна и вплетен в ткани. Микроволокна с графеновым сердечником и оболочкой уже использовались для демонстрации гибких и растяжимых суперконденсаторов (с высокой поверхностной емкостью), которые можно встраивать в текстиль с использованием традиционных методов ткачества.

6. Ультратонкие токоприемники для легких устройств

В существующих батареях используются токосъемники из металлической фольги (например, из меди, алюминия или никеля) толщиной 20-80 микрометров для облегчения потока электронов между электродами и внешними цепями. Поскольку эти металлы не накапливают заряд, они снижают общую плотность энергии батареи. Кроме того, они подвержены коррозии, что отрицательно сказывается на внутреннем сопротивлении элемента и сроке службы батареи.

С другой стороны, графен — лучший альтернативный токоприемник. Он имеет высокую электропроводность, низкую плотность и может стабильно работать в экстремальных условиях эксплуатации. Графен может быть легко преобразован в пленки с рябью и морщинами на его поверхности, что приводит к лучшему электрическому контакту с активными материалами (это дополнительно снижает сопротивление ячейки).

Графен легко трансформируется в пленки с волнами и складками на поверхности, что приводит к лучшему электрическому контакту с активными материалами (это еще больше снижает сопротивление ячейки).

7. Прозрачные батареи и суперконденсаторы

Благодаря своей высокой проводимости и приличной прозрачности (коэффициент пропускания до 97,7%) графен может сыграть значительную роль в повышении эффективности прозрачных батарей. Его можно использовать в качестве электродного материала не только для разработки прозрачных накопителей энергии, но и для умных окон, солнечных элементов и различного оптоэлектронного оборудования.

8. Батареи с увеличенным сроком службы

В современных литий-ионных батареях используются графитовые аноды. Его плотность энергии можно увеличить, заменив графит графеном.

Графеновые электроды в виде свернутой графеновой бумаги, пористых графеновых пленок и каркасов из сольватированного графена обладают в три раза большей емкостью, чем традиционные графитовые электроды, обещая более длительный диапазон для электромобилей и более длительное время работы для портативных устройств.

Емкость и плотность мощности могут быть дополнительно улучшены путем легирования графеновых анодов азотом и бором.

9. Оксид графена в качестве твердого электролита и сепаратора

Оксид графена — хороший электронный изолятор. Его можно использовать одновременно как надежный твердый электролит и как разделитель электродов. Некоторые исследования показывают, что пленка оксида графена, действующая как твердый электролит, обладает высокой емкостью, но с незаметной ионной диффузией, как в диэлектрических конденсаторах.

Эти наблюдения могут помочь исследователям разработать сверхбыстрые, легкие, энергоемкие конденсаторы, которые не страдают от диффузии ионов, что часто является причиной опасности утечки электролита.

10. Суперконденсаторы с удельной энергией батарей

Суперконденсаторы, изготовленные из [пористой и плотной] графеновой пены, как правило, имеют сверхвысокую плотность энергии, сравнимую со свинцово-кислотными батареями. Эти графеновые пены создаются путем созданием крошечных отверстий в базальных плоскостях графена и последующего их сжатия с помощью современного гидравлического оборудования.

Основное преимущество графеновых суперконденсаторов по сравнению с традиционными заключается в том, что они работают с водными электролитами и могут изготавливаться без сложной сборки в «сухом помещении».

11. Полупроницаемые мембраны из оксида графена

Оксидные мембраны графена обладают различными уникальными барьерными свойствами. В сухом состоянии эти мембраны непроницаемы для всего, за исключением водяного пара. В воде они ведут себя как молекулярные сита, блокируя крупные ионы и облегчая перенос более мелких.

Эти особенности могут привести к разработке ионоселективных мембран нового поколения для суперконденсаторов, батарей и топливных элементов.

12. Электроды без связующих и добавок

Связующее и добавки вместе составляют до 40% массы электрода. Он известен как «мертвая масса», потому что он не накапливает заряд и, таким образом, снижает общую плотность энергии.

Но поскольку графен может быть собран в автономные 2D- и 3D-структуры с высокой электропроводностью, можно напрямую включать графен в электроды без добавления каких-либо связующих и проводящих агентов.

Последние исследования

В последнее десятилетие ученые сосредоточились на улучшении комплексных электрохимических характеристик и надежности существующих батарей. Они разработали и протестировали множество различных вариантов батарей, оснащенных графеновыми композитными материалами.

Литий-ионный аккумулятор на основе оптимизированных нанокомпозитов графен/кремний

Исследователи изготовили оптимизированный восстановленный графеноксидный/кремниевый композит, используя простой шаблонный метод самосборки. Графен равномерно поддерживает наночастицы кремния, образуя трехмерную сеть (за счет усиленного межмолекулярного взаимодействия и увеличенной удельной поверхности).

Синтетическая стратегия оптимизированного композита RGO / Si

Его можно использовать в качестве стабильного межфазного слоя из твердого электролита, который увеличивает как электрическую проводимость, так и структурную стабильность.

Графеновые многослойные пленки для емкостного накопления энергии

В 2020 году группа исследователей разработала автономный пленочный электрод из слоистого графена с высокоэффективным использованием пор. Настроить пористость легко, отрегулировав расстояние между слоями пленки. Поскольку поры используются оптимально, объемная емкость максимальна.

Гибкий графеновый суперконденсатор может хранить в 10 раз больше энергии, чем обычные

Этот тип суперконденсаторов может сохранять 97,8% своей энергоемкости после 5000 циклов. Они также очень гибкие: при изгибе на 180 градусов они работают почти так же, как и в горизонтальном положении.

Рынок

Исследования графена продолжат расширяться в течение следующего десятилетия, обещая сделать жизнь людей лучше. В 2019 году мировой рынок графеновых батарей оценивался в 49 миллионов долларов, и, по прогнозам, к 2027 году он достигнет примерно 399 миллионов долларов, что означает CAGR (совокупный годовой темп роста) более 31% в течение прогнозируемого периода.

Рост рынка обусловлен использованием графеновых батарей в электромобилях, портативных электронных устройствах и резким увеличением использования нетрадиционных источников энергии. Ожидается, что автомобильный сегмент будет иметь самые высокие темпы роста из-за растущего спроса на электромобили из-за экологических проблем.

Согласно прогнозам, на Азиатско-Тихоокеанский регион будет приходиться самая большая доля индустрии графеновых батарей. Ключевыми странами, способствующими увеличению спроса, являются Китай, Япония и Южная Корея. Европа, вероятно, будет занимать вторую по величине долю на мировом рынке графеновых батарей.

Особенности графеновых аккумуляторов для электромобилей

Для работы различной техники, функционирование которой связано с электричеством, широко применяются источники энергии. Они не зависят от розеток и прочих факторов, то есть являются независимыми. Самый наглядный пример — это аккумулятор в машине.

АКБ в среднем служат 3-4 года, после чего их выводят из эксплуатации и утилизируют. Также аккумуляторы отличаются сравнительно небольшой ёмкостью, а в некоторых случаях низкой степенью надёжности.

Минусы в виде небольшого срока службы и малой ёмкости хотят устранить, используя графеновые батареи. Но говорить об их массовом внедрении в автомобили сейчас слишком рано. Нужно взглянуть на их перспективы.

Что это такое

Специалисты давно ведут работу над поиском материалов, которые можно эффективно использовать для создания АКБ. Но пока свинцовые пластины так и остаются основой. Они совершенно не удовлетворяют запросы современных электромобилей и экологического транспорта.

Огромный шаг вперёд в этом направлении удалось сделать в 2004 году. Именно тогда двоё учёных из Великобритании сумели создать в лабораторных условиях новое вещество. Оно изготовлено на основе углерода и носит название графен. Через 6 лет за свою разработку они удостоились Нобелевской премии.

Графен — это одна из разновидностей графита. В состав вещества входят атомы углерода. Кристаллы материала напоминают листы бумаги, которые сложены в большое количество слоёв.

Кристаллическая структура графена

Тут стоит учесть свойства графита. Его атомное взаимодействие между слоями является слабее, нежели в середине. Из-за этого графит широко применяют при производстве карандашей. В итоге учёные расщепили графит на слои, и создали новое вещество. Свойства получились такими же, только усиленными в несколько раз.

Подобные разработки дали новый серьёзный толчок в развитии электроники, а также новых видов батарей и аккумуляторов. Графит по своей природе обладает высокой электропроводностью и отлично проводит тепло. В итоге графен стал заменителем для целого ряда дорогостоящих материалов. Поскольку графит доступен в природе в больших количествах, то с производством графена на его основе проблем не возникает.

Как устроены аккумуляторы

Многих интересует вопрос устройства графеновых аккумуляторов для электромобилей, которые активно развиваются и производятся в настоящее время.

Если говорить о том, как устроен изучаемый графеновый аккумулятор, и на основе каких принципов он работает, то тут существенного отличия от АКБ для машин с двигателем внутреннего сгорания нет. Разница только в протекающих внутри электрохимических процессах.

В большей степени они напоминают реакцию, которая наблюдается в батареях литий-полимерного типа.

Важно отметить, что сейчас акцент делается на 2 технологиях в сфере создания аккумуляторов с графеном. Одна из них разрабатывается в США, а над второй работают российские специалисты.

• Американская модель предусматривает использования кобальтата лития и катода, основанного на графеновых и кремниевых пластиках.
• Российская версия — это магний-графеновый источник питания. Здесь применяют не литиевую соль в качестве анода, а оксид магния. Последний отличается ценовой доступностью и более низкими показателями токсичности.

В двух моделях АКБ ионы на увеличенной скорости проходят между анодами и электродами батареи, что обусловлено высокой электропроницаемостью материала, а также его свойствами накапливать заряды электричества.

Специалисты из США и России расходятся во мнении относительно возможных показателей ёмкости. Американские разработчики уверены, что им удастся поднять ёмкость до показателей, в 10 раз превышающих возможности литий-ионных АКБ. Российские учёные делают более приземлённые прогнозы. По их мнению, ёмкость увеличится в 2-3 раза.

Какие характеристики в итоге приобретут графеновые аккумуляторы, и смогут ли их использовать для оснащения электромобилей так же, как и литий-ионные АКБ, говорить сложно. Но у учёных оптимистичные прогнозы.

Как это работает

Ранее уже говорилось, что графеновый перспективный аккумулятор работает на основе тех же электрохимических реакций, которые актуальны для свинцовых батарей с щелочным или кислотным типом электролита внутри. А по устройству они напоминают больше литий-ионные источники питания.

Нюанс в том, что в качестве катода применяют угольный кокс. Это обусловлено его химической близостью к чистому углероду. Вместо графитового слоя используется графен.

Ёмкость источника питания зависит от количества ионов, находящихся на кристаллической решётке используемого анода. То, с какой скоростью перемещаются ионы, влияет на скорость зарядки АКБ.

Чтобы увеличить ёмкость, между слоями графена начали устанавливать специальные кластеры. Они выполнены из кремния. С целью увеличения скорости зарядки в пластины на основе графена добавили отверстия. Их размер составляет буквально 15-20 нм.

То есть принцип работы рассматриваемого графенового аккумулятора основан на электрохимических реакциях. Только скорость их течения выше, и накапливаемый заряд больше. Это даёт возможность увеличить эксплуатационные характеристики устройства.

Несмотря на отличия в технологиях разработки, принцип работы для любого графенового аккумулятора остаётся пока идентичным. Возможно, специалисты внесут свои точечные изменения. Но база или основа работы таких источников питания одинаковая. Вопрос лишь в том, кому удастся максимально эффективно реализовать на практике все имеющиеся знания.

Преимущества и недостатки

Чтобы сделать определённые выводы про графеновые аккумуляторы, стоит взглянуть на их плюсы и минусы.

Да, это перспективная технология. Да и имеющиеся достоинства об этом наглядно говорят. Хотя и без недостатков здесь не обошлось. Даже в условиях, когда массово батареи ещё даже не начали выпускать.

Если говорить про плюсы и минусы, которыми характеризуются графеновые аккумуляторы, то на эти АКБ стоит взглянуть со всех сторон.

Для начала о сильных качествах перспективной технологии:

• Батареи имеют небольшой вес. Они значительно легче в сравнении со свинцово-кислотными аналогами или другими источниками питания, используемыми в автомобилях. На 1 квадратный метр графена приходится всего 0,77 грамма веса.
• Высокие показатели проводимости. В плане этой характеристики графен в разы лучше, чем ряд других полупроводниковых материалов.
• Прочность и водонепроницаемость. Также важные характеристики, учитывая условия эксплуатации автомобилей и прочего транспорта, где такие АКБ могут использоваться.
• Экологичность. В отличие от свинца и жидкого электролита, АКБ на основе графеновой технологии не будут загрязнять окружающую среду. Это решение ещё одной важной современной проблемы.
• Удельная ёмкость. Отличные показатели. Потенциально графеновые батареи способны демонстрировать около 1000 Вт/ч на 1 кг.
• Возможность регулировки свойств. Это достигается за счёт сочетания и комбинирования с графена с другими используемыми материалами.
• Доступность сырья. В качестве сырья для получения графена используется графит. А это распространённый, доступный и недорогой материал.

Но не всё так радужно. Технология имеет ряд недостатков.

Исследователи говорят, что из-за плотности сделать АКБ компактными невозможно. Поэтому перспективы использования технологии в мобильных устройствах сомнительные. Батареи получаются массивными. Специалисты пытаются решить этот вопрос. Но пока ни одного серийного образца не выпустили.

С позиции автомобильной сферы всё намного интереснее. Потенциальный переход на графеновую технологию способен увеличить пробег актуальной Tesla Model S с 400 до 1000 км. без подзарядки.

Электромобиль Tesla Model S

На саму подзарядку батареи потенциально достаточно потратить 10-15 минут. Но при условии наличия мощной зарядной станции. Специалисты уверены, что такой вопрос решается довольно легко.

Проблема в литии, который также применяется при создании графеновых источников питания. Этого вещества в природе не так много. Полностью удовлетворить потребности автомобильной отрасли не получится. Поэтому ведутся работы над тем, чтобы вместо лития использовать магний.

Актуальные разработки

Уже сейчас на рынке представлены зарядные блоки (powerbank) от компании Real Graphene. Они основаны на графеновой технологии и позволяют за считанные минуты зарядить смартфон или планшет.

Их аккумулятор способен выдержать порядка 1500 циклов зарядки, не теряя свои изначальные технические характеристики. При этом девайс не генерирует большое количество тепла, остаётся холодным и безопасным во время работы.

Если говорить про машины, то буквально недавно китайская компания GAC заявила о том, что собирается тестировать графеновые источники питания. Их установят на автомобиль и проверят в реальных условиях эксплуатации.

Китайцы считают, что электромобиль с таким источником питания сможет получить 85% заряда всего за 8 минут.

Первые тесты ожидаются в конце 2020 года, либо в начале 2021 года. Пандемия внесла свои коррективы. В итоге результаты покажут, будет ли компания запускать массовое производство.

Ожидаемая стоимость нового электрического китайского автомобиля составит 30,5 тысяч долларов. При этом порядка 40% от стоимости это цена батареи.

Схема разработки 3DG

Графеновую технологию специалисты GAC начали осваивать ещё с 2014 году. За 4 лет активной работы удалось создать 3DG. Это трёхмерный графеновый материал. В ноябре 2019 года была официально проведена презентация сверхбыстрой аккумуляторной батареи для зарядки.

Перспективы технологии

Уже сейчас графеновые источники питания постепенно внедряются в разные отрасли. Это электроника, мобильные гаджеты, электрические машины и пр. Это только начало.

Графеновый аккумулятор при производстве электромобиля

Многие эксперты уверены, что в ближайшее время состоится настоящий прорыв в сфере создания новых источников питания. И всё это благодаря графену.

В науке, промышленности и других сферах открываются огромные перспективы. Более того, графеновые батареи ожидает внедрение в обычные хозяйственные цели.

Специалисты считают, что в случае начала массового производства батарей и источников питания на базе графена появятся:

• новые электромобили с огромным запасом хода;
• современные производственные линии;
• электростанции с высокой эффективностью работы;
• специальные заправочные станции;
• компактные батареи для мобильных устройств.

Также это огромный шаг в решении экологической проблемы загрязнения выхлопными газами.

Перспективы по состоянию на конец 2020 года у графеновых АКБ намного радужнее и оптимистичнее, нежели ещё 2-3 года назад.

Что вы знаете о графеновых аккумуляторах? Где-то с ними сталкивались? Насколько перспективной считаете эту технологию и почему? Действительно ли все электрокары перейдут на такие батареи?

Ждём ваших ответов в комментариях.

Подписывайтесь, оставляйте отзывы, задавайте вопросы и рассказывайте о нашем проекте своим друзьям!

Национальный институт графена — Графен

Ключ к реализации потенциала графена — это партнерство.

Национальный институт графена (NGI), занимающий площадь 7825 квадратных метров и оснащенный современным оборудованием стоимостью 13 миллионов фунтов стерлингов, является центром этого сотрудничества. Эти помещения позволяют ученым и их промышленным партнерам работать бок о бок над новыми интересными приложениями.

Промышленность играет жизненно важную роль в использовании первого в мире 2D-материала. Исследования — ничто без развития.

Простор для больших идей

NGI оборудован чистыми помещениями класса 100 и 1000 площадью 1500 м², атмосфера которых более чем в миллион раз чище, чем воздух, а также новейшими технологиями для наноразмерных проектов и проектов по определению характеристик.

Сотрудничество

Сотрудничество является ключевым фактором в Национальном институте графена. Более 80 компаний уже сотрудничают с Манчестерским университетом, работая над графеновыми приложениями.

Это сотрудничество дает нашим промышленным партнерам возможность работать вместе с нашими ведущими учеными мира и более чем 300 людьми, работающими над графеном и 2D-материалами.

Примеры совместных проектов NGI:

• Демонстрации новых концепций, приложений и фундаментальных исследований.
• Демонстрация потенциала графена путем создания новых концептуальных продуктов и процессов.
• Разработка недорогих масштабируемых методов производства высококачественного графена.
• Стабилизация процесса, достижение воспроизводимого качества, высокий выход продукции.
• Стандартизация графена, контроль качества, здоровье и безопасность.

Ведущие мировые исследования

Установки сверхвысоких технических характеристик

Пятиэтажное здание площадью 7 825 кв. М было спроектировано с использованием новаторских технологий и включает в себя объекты сверхвысоких технических требований, чтобы создать ведущий в мире исследовательский центр.

Специальное место для исследования графена

NGI может похвастаться 1500 квадратных метров чистых помещений класса 100 и 1000 — крупнейшего в мире академического пространства такого рода, посвященного исследованиям графена.

Качественное современное оборудование

В Институте также имеется оборудование стоимостью 11 млн фунтов стерлингов, позволяющее ученым и отраслевым партнерам проводить новаторские исследования.

Инвестиции в графен

Финансирование NGI включает 38 миллионов фунтов стерлингов от правительства Великобритании, как часть 50 миллионов фунтов стерлингов, выделенных на исследования графена. Оставшиеся 23 миллиона фунтов стерлингов были переданы университету Европейским фондом регионального развития (ERDF).

NGI работает как модель «ступица и спицы», работая с другими британскими учреждениями, занимающимися исследованиями графена.

Индивидуальные исследовательские проекты финансируются рядом организаций, включая EPSRC, Leverhulme Trust, BBSRC, Европейскую комиссию (EC) и ее Европейский исследовательский совет (ERC), а также Королевское общество.

Графен — Нанографи

Переключить меню Категории

• Популярные товары
• Углеродные нанотрубки
  • Все углеродные нанотрубки
  • Волокна углеродных нанотрубок
  • Губки с углеродными нанотрубками
  • Дисперсии УНТ
    • Все дисперсии УНТ
    • Все дисперсии углеродных нанотрубок
  • УНТ с двойными стенками
  • УНТ одностенные
    • Все однослойные УНТ
    • SWCNT,> 65%
    • SWCNT,> 92%
    • SWCNT,> 95%
    • SWCNT,> 96%
    • SWCNT,> 65%, -COOH
    • SWCNT,> 92%, -COOH
    • SWCNT,> 65%, -ОН
    • SWCNT,> 92%, -ОН
  • Графитированные многостенные УНТ
  • Многостенные УНТ короткой длины
  • Многостенные УНТ
    • Все многостенные УНТ
    • MWCNT,> 92%
    • MWCNT,> 95%
    • MWCNT,> 96%
    • Согласованные MWCNT,> 96%
    • MWCNT,> 90%, -COOH
    • MWCNT,> 92%, -COOH
    • MWCNT,> 96%, -COOH
    • MWCNT,> 92%, -ОН
    • MWCNT,> 96%, -ОН
    • MWCNT,> 96%, -Ni
    • MWCNT,> 99%, -Ni
    • Промышленные MWCNT
    • Углеродные нановолокна
• Графен
• Наночастицы
• Микрочастицы
• Фуллерен
• Кремниевые и полупроводниковые пластины
• Дисперсии
• Аккумуляторное оборудование

GrapheneOS

GrapheneOS — это мобильная ОС, ориентированная на конфиденциальность и безопасность, с совместимостью с приложениями Android, разработанная как некоммерческий проект с открытым исходным кодом.Он сосредоточен на исследованиях и разработках технологий конфиденциальности и безопасности, включая существенные улучшения песочницы, средств защиты от эксплойтов и модели разрешений. GrapheneOS также разрабатывает различные приложения и сервисы, уделяя особое внимание конфиденциальности и безопасности. Vanadium — это усиленный вариант браузера Chromium и WebView, специально созданный для GrapheneOS. GrapheneOS также включает в себя нашу минимально ориентированную на безопасность программу просмотра PDF-файлов, наше аппаратное приложение Auditor / службу аттестации, обеспечивающую локальную и удаленную проверку устройств, а также разработанное на стороне зашифрованное резервное копирование Seedvault, которое изначально было разработано для включения в GrapheneOS.

GrapheneOS улучшает конфиденциальность и безопасность ОС снизу вверх. В нем используются технологии, снижающие риск целых классов уязвимостей и значительно затрудняющие использование наиболее распространенных источников уязвимостей. Это повышает безопасность как ОС, так и приложений, работающих на ней. Изолированная среда приложения и другие границы безопасности усилены. GrapheneOS пытается избежать влияния на пользовательский опыт с помощью функций конфиденциальности и безопасности. В идеале функции могут быть спроектированы так, чтобы они всегда были включены, не влияя на взаимодействие с пользователем и не создавая дополнительных сложностей, таких как параметры конфигурации.Это не всегда возможно, и GrapheneOS действительно добавляет различные переключатели для таких функций, как разрешение сети, разрешение датчиков, ограничения, когда устройство заблокировано (периферийные USB-устройства, камера, быстрые плитки) и т. Д., А также более сложные функции конфиденциальности и безопасности для пользователя. с собственным UX.

На странице функций представлен обзор существенных улучшений конфиденциальности и безопасности, добавленных GrapheneOS в проект Android с открытым исходным кодом.

Официальные выпуски доступны на странице выпусков, а инструкции по установке находятся на странице установки.

GrapheneOS никогда не будет включать ни сервисы Google Play, ни другие реализации сервисов Google, такие как microG. Они не являются частью Android Open Source Project и не требуются для базовой совместимости с Android. Приложения, предназначенные для работы на Android, а не только на Android со связанными приложениями и сервисами Google, уже работают на GrapheneOS, поэтому для него уже доступно огромное количество приложений с открытым и закрытым исходным кодом.

API-интерфейсы AOSP, не связанные с Google, но обычно предоставляемые через службы Play, будут по-прежнему реализованы с использованием поставщиков с открытым исходным кодом, таких как приложение резервного копирования Seedvault.Преобразование текста в речь, преобразование речи в текст, службы определения местоположения, не основанные на GPS, геокодирование, службы доступности и т. Д. — это примеры других открытых API Android, в которых нам необходимо разработать / связать реализацию на основе существующих проектов с открытым исходным кодом. GrapheneOS не будет реализовывать их через уровень совместимости сервисов Google, потому что эти API никак не связаны с сервисами Google.

Мы разрабатываем поддержку для установки microG как обычного приложения без каких-либо особых привилегий.Это позволит пользователям выбрать использование частичной повторной реализации сервисов Play в определенном профиле. Мы не будем поддерживать произвольную подделку подписи с помощью microG или любого другого приложения, поскольку это серьезно подрывает модель безопасности ОС. Охранять его с помощью разрешения недостаточно, потому что пользователи не понимают существенного влияния на модель безопасности, и это ослабляет безопасность для проверенной модели угрозы загрузки, где постоянное состояние, такое как предоставленные разрешения, контролируется злоумышленником.Вместо этого ОС будет специально отображать microG, подписанный с помощью нашего ключа подписи microG, для других приложений, подписанных с помощью ключа служб Google Play. Он не будет обходить другие проверки подписи, только проверку сервисов Play, а другие приложения также не смогут притвориться сервисами Play для перехвата сообщений FCM, получения учетных данных Google и т. Д. Ему не будут предоставлены какие-либо привилегии. разрешения или другие специальные возможности, недоступные для обычного ненадежного приложения.

В долгосрочной перспективе мы также планируем предложить более минимальный уровень совместимости, который делает вид, что службы Google отключены, а не внедряет их.У пользователей будет выбор между отсутствием реализации сервисов Play, microG и этой минимальной реализацией без реализации сервисов Google. Этот выбор будет доступен, потому что мы не будем включать все это в ОС. В идеале, Google сам поддерживал бы установку официальных сервисов Play в качестве обычного приложения для Android, вместо того, чтобы применять монополистический подход, заставляя его интегрироваться в ОС глубоко интегрированным способом со специальными привилегированными разрешениями и возможностями, недоступными для других конкурирующих поставщиков облачных услуг. с ними.

GrapheneOS была основана Дэниелом Микей в конце 2014 года. Она началась как индивидуальный проект, включающий его предыдущую работу по обеспечению конфиденциальности и безопасности с открытым исходным кодом. Первоначально в рамках проекта был создан порт OpenBSD malloc для Android Bionic libc и порт патчей ядра PaX для ядер для поддерживаемых устройств. Он быстро расширился до большого набора собственных улучшений конфиденциальности и безопасности, в частности, низкоуровневой работы по усилению защиты в инструментальной цепочке компилятора и Bionic. Началась работа над кодом апстрима в AOSP и других апстрим-проектах.Существенная часть этих ранних изменений была либо успешно внедрена выше по течению, либо сильно повлияла на изменения, которые их заменили. В наши дни проект мог продвигаться очень быстро, потому что было так много низко висящих плодов, над которыми нужно было работать, и он еще не пытался создать очень надежную ОС производственного качества.

В конце 2015 года была зарегистрирована компания, которая стала основным спонсором проекта. GrapheneOS ранее была известна как CopperheadOS, когда ее спонсировала эта компания.Намерение заключалось в том, чтобы использовать компанию для построения бизнеса вокруг поддержки продаж GrapheneOS, контрактных работ и индивидуальных проприетарных вариантов ОС. Предполагалось, что компания будет обслуживать потребности проекта с открытым исходным кодом, а не наоборот. Было четко оговорено, что GrapheneOS останется независимой собственностью и под контролем Дэниела Микей. Эта компания не выполнила своих обещаний и больше никак не связана с GrapheneOS. В итоге компания сдержала проект с открытым исходным кодом и взяла от него гораздо больше, чем было предоставлено.

В 2018 году компания была похищена генеральным директором, который попытался взять на себя управление проектом путем принуждения, но получил отпор. Они захватили инфраструктуру и украли пожертвования, но проект успешно продолжился без них и был полностью возрожден. С тех пор они стали мошеннически заявлять о праве собственности и авторстве на нашу работу, что фактически не имеет под собой никаких оснований. Они попытались задним числом изменить условия своего участия и переписать историю проекта. Эти утверждения легко сфальсифицировать через публичные записи, люди, связанные с проектом с открытым исходным кодом, и бывшим спонсором.Этот бывший спонсор ведет кампанию дезинформации и преследования участников проекта. Имейте в виду, что они активно пытаются саботировать GrapheneOS и участвуют во многих формах атак против проекта, разработчиков, участников и сторонников. Между тем, они продолжают получать прибыль от нашей работы с открытым исходным кодом, которую они ложно называют своим собственным творением.

После отделения от бывшего спонсора проект был переименован в AndroidHarnding, а затем в GrapheneOS, и он продолжил свой первоначальный путь, став независимым проектом с открытым исходным кодом.Он никогда больше не будет тесно связан с каким-либо конкретным спонсором или компанией.

GrapheneOS внесла существенный вклад в обеспечение конфиденциальности и безопасности проекта с открытым исходным кодом Android, а также внесла вклад в ядро ​​Linux, LLVM, OpenBSD и другие проекты. Большая часть нашей прошлой работы больше не является частью нисходящего проекта GrapheneOS, потому что мы успешно загрузили множество патчей вверх по течению. Мы добились еще большего успеха, внося предложения и участвуя в обсуждениях дизайна, чтобы направить вещи в нужном нам направлении.Многие восходящие изменения в AOSP, такие как удаление доступа приложений к низкоуровневой информации о процессах, сети, времени и профилировании, были инициированы проектом GrapheneOS. Потребности восходящих проектов часто отличаются от наших, поэтому они часто повторно реализуют функции более гибким образом. Нам почти всегда удавалось перейти к использованию вышестоящих функций, и даже когда нам все еще нужна наша собственная реализация, это помогает иметь концепции / ограничения, учитываемые восходящим проектом, и приложениями, которые должны быть совместимы с ним.Получение функций вверх по течению часто приводит к улучшению взаимодействия с пользователем и совместимости приложений.

GrapheneOS имеет разрешительную лицензию и никогда не использовала передачу авторских прав, поэтому работа принадлежит разработчикам. См. Раздел часто задаваемых вопросов об авторском праве и лицензировании для получения более подробной информации.

См. Раздел часто задаваемых вопросов в дорожной карте.

См. Раздел часто задаваемых вопросов о поддержке устройств.

Графен

Graphene — библиотечная ОС для немодифицированных приложений.

Проект сообщества с открытым исходным кодом, управляемый основной группой участников.

Несколько слов о графене

Приложения, запрограммированные для одной системы, часто не работают в другой. Graphene устраняет этот пробел, перемещая код, ориентированный на приложения, из ядра операционной системы (ОС) в библиотеку пользовательского пространства. Graphene использует уровень адаптации платформы (PAL), который легко реализовать в новой хост-системе. Пока система реализует интерфейс PAL, все POSIX / Linux будут следовать.

Graphene — это библиотечная ОС, похожая на уникернель. По сравнению с запуском полноценной гостевой ОС на виртуальной машине (ВМ) Graphene намного легче. Продолжается работа по интеграции Graphene с контейнерами Docker.

Частным вариантом использования Graphene является Intel® Software Guard Extensions (Intel® SGX), где приложения не работают «из коробки». Графен решает эту проблему с дополнительными преимуществами безопасности. Графен может служить слоем совместимости на других платформах.

Интеграция Intel SGX стала проще

Обычная интеграция Intel SGX

Интеграция Intel SGX с Graphene

Приложениям могут быть полезны гарантии конфиденциальности и целостности Intel SGX, но разработчики должны обладать большой квалификацией для эффективного разделения и модификации кода для среды Intel SGX.

Graphene запускает неизмененные приложения внутри Intel
SGX. Он поддерживает динамически загружаемые библиотеки, связывание среды выполнения, многопроцессорные абстракции и аутентификацию файлов. Для дополнительной безопасности Graphene выполняет криптографические и семантические проверки на ненадежном интерфейсе хоста. Разработчики предоставляют файл манифеста для настройки среды приложения и политик изоляции, все остальное Graphene сделает автоматически.

Приверженность Graphene

Graphene начинался как исследовательский проект в Университете Стоуни-Брук, возглавляемый Чиа-Че Цай и Доном Портером.Со временем ученые из других университетов и лабораторий внесли свой вклад в Graphene, чтобы ускорить свои исследования новых аппаратных платформ.

В 2015 году Intel Labs осознала потенциал Graphene как уровня совместимости с открытым исходным кодом для Intel SGX и с тех пор внесла свой вклад в разработку Graphene.

Golem and Invisible Things Lab (ITL) выявила аналогичную возможность для Graphene играть огромную роль в децентрализованной экосистеме, где целостность, конфиденциальность и безопасность данных являются краеугольными камнями для надежного развития инфраструктуры и приложений.Работа с Graphene и обеспечение его удобства использования — часть обязательств Golem.

Сегодня существует сильная команда разработчиков и исследователей из этих компаний, работающих вместе с основателями проекта (ныне преподавателями UNC и Texas A&M), чтобы убедиться, что он соответствует высочайшим стандартам качества с легкостью интеграции. Сообщество пользователей и участников Graphene постоянно растет. Он может стать стандартом в мире Intel SGX и может быть адаптирован для самых разных сценариев использования в разнообразном технологическом ландшафте.

.