Графен в домашних условиях: Представлен способ получения графена в домашних условиях

Содержание

Представлен способ получения графена в домашних условиях

Ирландские физики разработали способ изготовления графена в бытовых условиях – с использованием кухонного блендера. Методика описана в статье, посвященной промышленному производству высококачественного графена, которая опубликована в Nature Materials. Краткое изложение способа приводит блог Nature News.

Частный случай приготовления двумерного углерода описан в статье для демонстрации простоты и дешевизны предлагаемой методики. Для получения графена предложено использовать блендер мощностью 400 Ватт (основная часть исследования проводилась с промышленным блендером). В чашу блендера необходимо залить пол-литра воды, а затем добавить от 10 до 25 миллилитров моющего средства и от 20 до 50 граммов графитового порошка (например, толченого карандашного грифеля). Включив аппарат на срок от 10 до 30 минут, можно будет получить взвесь из чешуек графена в воде.

Глава группы исследователей Джонатан Коулман уточнил в интервью изданию, что в «рецепте» приведены диапазоны пропорций и сроков приготовления, чтобы предостеречь желающих от попыток изготовления графена в домашних условиях. Окончательные соотношения всех ингредиентов он пообещал опубликовать позднее.

Описанная методика позволяет получить произвольное количество графеновых чешуек средней толщиной в 4–5 слоев без заметных дефектов с сохранением высокой проводимости. Это позволяет использовать их как в электродах фотоэлементов, так и для улучшения свойств пластиков, применяемых в различных товарах: от бутылок до презервативов.

Графен – двумерный слой углерода толщиной в один атом – был впервые получен в 2004 году выходцами из России Константином Новоселовым и Андреем Геймом.

За это открытие они в 2010 году получили Нобелевскую премию по физике. 

Физики представили способ получения графена в домашних условиях

 Фото: laboratoryequipment.com

Методика описана в статье, посвященной промышленному производству высококачественного графена, которая опубликована в Nature Materials. Краткое изложение способа приводит блог Nature News, сообщает Slon.ru.

Частный случай приготовления двумерного углерода описан в статье для демонстрации простоты и дешевизны предлагаемой методики. Для получения графена предложено использовать блендер мощностью 400 Ватт (основная часть исследования проводилась с промышленным блендером). В чашу блендера необходимо залить пол-литра воды, а затем добавить от 10 до 25 миллилитров стирального порошка и от 20 до 50 граммов графитового порошка (например, толченого карандашного грифеля). Включив аппарат на срок от 10 до 30 минут, можно будет получить взвесь из чешуек графена в воде.

Глава группы исследователей Джонатан Коулман уточнил в интервью изданию, что в «рецепте» приведены диапазоны пропорций и сроков приготовления, чтобы предостеречь желающих от попыток изготовления графена в домашних условиях. Окончательные соотношения всех ингредиентов он пообещал опубликовать позднее.

Описанная методика позволяет получить произвольное количество графеновых чешуек средней толщиной в 4-5 слоев без заметных дефектов с сохранением высокой проводимости. Это позволяет использовать их как в электродах фотоэлементов, так и для улучшения свойств пластиков, применяемых в различных товарах: от бутылок до презервативов.

Графен — двумерный слой углерода толщиной в один атом — был впервые получен в 2004 году выходцами из России Константином Новоселовым и Андреем Геймом. За это открытие они в 2010 году получили Нобелевскую премию по физике.

Что такое Графен?. И как в домашних условиях сделать самый… | by Сергей Базанов

Графен обладает многими невероятными свойствами. Это самый тонкий и прочный материал, известный человеку. Это превосходный тепло и электро проводник, даже лучший чем бриллианты, медь и серебро. Он сверхлегкий, но в то же время в 200 раз прочнее стали, и, кроме того, он биологически разлагаем, поэтому не представляет угрозы для окружающей среды.

Вы подумаете, что с такими впечатляющими свойствами графен должен быть очень сложным и специфическим материалом. Это отчасти верно; но в то же время как графен достаточно трудно производить в больших масштабах, он уже есть в вашем доме.

Как вы уже догадались из названия, этот материал происходит из графита, того самого, который находится внутри обычных чертежных карандашей.

Когда вы пишете, чешуйки графита толщиной в несколько слоев прилипают к бумаге, но истинный графен более тонкий. Какую толщину имеет самый тонкий материал в мире? Один атом! Это настолько тонко, что можно считать этот материал двумерным в виду того что он практически не имеет толщины, только ширину и длину. Поэтому он производится в аккуратных тончайших листах. Таким образом, графен представляет собой гексагональную решетку атомов углерода толщиной в один атом. Вы можете самостоятельно создать его, удалив лишний слой графита из бумаги с помощью липкой ленты, сложив ленту и снова развернув её, чтобы отделить пласты углерода друг от друга.

Именно так его открыли в 2004 году ученые сэр Андрей Гейм (Andre Geim) сэр Константин Новоселов, которые впоследствии получили

Нобелевскую премию по физике за свои открытия, а также звания рыцаря-бакалавра указом королевы Елизаветы II.

Когда графен был обнаружен, это был шок для многих учёных, которые не верили, что один слой углерода может быть стабильным, особенно при комнатной температуре. Тем не менее, он не только был стабильным, он проводил электроны быстрее, чем любое другое вещество при комнатной температуре, учитывая идеальное, высокое качество его решётки. Отсутствие дефектов в структуре решётки означает отсутствие рассеянных электронов, что приводит к очень сильной, но гибкой связи. Манипулирование этими электронами также означает, что графен может быть преобразован в магнит толщиной в один атом-потенциально увеличивая хранение данных в миллион раз.

Где ещё может применяться графен? Список длинный и очень интересный.

Графен может выдерживать нагрузку 5 тонн и более без разрушения. Он прочнее алмаза, хотя алмаз и графен не слишком далеки друг от друга. Оба они состоят из углерода, который может стать только двумя естественными кристаллами — графитом или алмазом. Но алмаз не такой стабильный, как графен. Прочность графена может привести к созданию гибких небъющихся экранов телефонов, лучших пуленепробиваемых жилетов и более прочных городских строений. Предполагается, что графен станет будущим строительным материалом для космических кораблей, автомобилей, поездов, самолетов и даже лифтов, поднимающихся в космос.

Компания Samsung уже работает над внедрением графена в свои батареи с помощью графеновых шариков. В результате электрическая емкость увеличилась на 45%, а скорость зарядки — в пять раз. Полная зарядка такой батареи для телефона Samsung занимает 12 минут. Батарея также очень стабильна к перепадам температур. 20 минут зарядки подобного графенового аккумулятора дадут вам 600 км езды на электромобиле.

Электронное хранилище из графена обеспечит более эффективные солнечные элементы, которые смогут работать даже когда идет дождь.

Слои графена непроницаемы. Смешивание его с такими материалами, как резина или пластмасса, могут сделать их воздухонепроницаемыми, что обеспечивает более безопасные корабли и пищу, которая может сохраняться намного дольше.

Графеновые оксидные мембраны позволяют получить более дешевую воду для засушливых бедных районов мира. В то время как современные процессы опреснения воды являются дорогостоящими и используют много энергии, применение графена, как показали эксперименты, дало сокращение энергопотребления на 46%, что делает опресненную воду намного более доступной. Есть некоторые препятствия, которые необходимо преодолеть в отношении оксида графена и его проницаемости для соли, но прогресс в этой области является многообещающим.

Другие потенциальные сферы применения графена включают фильтрацию ядерных отходов, использование в суперкомпьютерах, а также создание лучших медицинских сканеров, транзисторов и секвенсоров ДНК. Внедряя графен непосредственно в наши клетки, врачи могли контролировать наше тело изнутри с помощью наноботов. Предполагается, что биоприложения графена станут реальностью к 2030 году.

Так почему же мы до сих пор не видим его повсюду?

Недостаток графена состоит в том, что его очень сложно производить.

До сих пор учёным удавалось изготавливать его лишь в небольших количествах, самым крупным из которых был лист размером с кредитную карту. До недавнего времени мы даже не могли изготовить его за пределами лаборатории.

Для того чтобы произвести лист графена размером с кредитную карточку, масло сои было нагрето до 800 градусов Цельсия на листе фольги никеля, что заставило углерод упорядочиться в тонкую пластину графена. Но это все равно пока остается проблемой масштабирования. При попытке получить большие по размерам листы графена, материал получался низкого качества. Однако, эта проблема баланса чистоты и размера графеновых материалов напоминает аналогичную проблему получения чистого кремния, которая была в прошлые годы. Сферы применения этого материала и получаемая выгода слишком огромны, чтобы не продолжать исследования.

Химики научились получать оксид графена без вреда для окружающей среды

S. Pei et al./ Nature Communications, 2018

Китайские химики разработали метод получения оксида графена, безопасный для окружающей среды. Предложенный подход основан на электрохимическом окислении и примерно в 100 раз быстрее окисления традиционными методами, пишут ученые в

Nature Communications

Оксид графена — материал, очень похожий на графен: он тоже состоит из гексагональной двумерной решетки из атомов углерода, но, в отличие от графена, в нем присутствуют поры, а на границах решетки к атомам углерода присоединены кислород-содержащие группы (в первую очередь это гидрокси-, эпокси- и карбоксильные группы). По своим механическим свойствам оксид графена довольно близок к самому графену, однако его химические и электронные свойства несколько отличаются. Это, например, позволяет делать из него более эффективные мембраны для фильтрования воды и органических растворителей или сенсоры для определения влажности воздуха. Обычно оксид графена получают с помощью окисления графена сильными окислителями, в частности с помощью перманганата калия в процессе синтеза по методу Хаммерса. Однако такие методы занимают достаточно долгое время, при этом в большинстве случаев реакционная смесь является взрывоопасной, а некоторые из продуктов реакции оказываются вредны для окружающей среды.

Китайские химики под руководством Вэньцая Жэня (Wencai Ren) из Шэньянского института исследования металлов предложили для синтеза оксида графена использовать электролитическое окисление в водном растворе. По словам авторов работы, в отличие от используемых сейчас методов, такой подход использует только методы «зеленой химии», поэтому не представляет опасности для окружающей среды.

Для получения оксида графена химики предложили следующую методику. Сначала графитовую бумагу погружают в раствор 98-процентной серной кислоты и выдерживают в ней в течение 20 минут при напряжении 1,6 вольта. Это позволяет гидросульфат-ионам встроиться между углеродными слоями. После этого кислоту разбавляют примерно в два раза, а напряжение увеличивают до 5 вольт. Минутная обработка графита в таких условиях приводит к образованию оксида графита. После этого полученный материал очищают с помощью вакуумной фильтрации и с помощью ультразвука в воде трехмерную многослойную структуру разбивают на отдельные слои оксида графена.

Схема электролитического метода получения оксида графена

S. Pei et al./ Nature Communications, 2018

Полученный оксид графена ученые сравнили с оксидом графена, полученным традиционным методом Хаммерса, и оказалось, что по своим структуре, составу, оптическим и проводящим свойствам практически не отличается от аналогов. При этом, по словам ученых весь процесс получения таким образом занимает не более получаса, а непосредственно стадия окисления занимает всего несколько секунд, что примерно в 100 раз быстрее традиционных методов окисления. При этом методика позволяет контролировать степень окисления графена, число слоев в образовавшемся материале, а также его поперечные размеры с помощью изменения концентрации серной кислоты.

Чтобы показать, что полученный оксид графена можно использовать для создания функциональных материалов, ученые использовали его для создания проводящих прозрачных пленок, прочной бумаги и сверхлегких упругих аэрогелей — наиболее распространенных современных приложений для оксида графена. По своим параметрам полученные материалы не уступали полученным традиционными способами: прозрачность проводящих пленок составила 80 процентов при длине волны 550 нанометров, механическая прочность бумаги — 175 мегапаскалей, а плотность аэрогеля — 3 миллиграмма на кубический сантиметр.

Оксид графена часто используют в качестве вещества, из которого потом с помощью восстановления получают графен. Такой графен содержит большое количество дефектов и может использоваться для создания проводимой ткани очень большой площади, из которой можно делать элементы, например, для носимых сенсоров и другой электроники.

Александр Дубов

Графен поможет выявить токсин плесени в продуктах

«Цель нашего исследования — создание быстрого, простого и дешевого сенсора для определения охратоксина А в продуктах в домашних условиях,— рассказал руководитель проекта Иван Бобринецкий, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник Московского института электронной техники.— Один вид плесневого грибка может производить несколько типов токсинов. И в будущем желательно уметь определять все вещества сразу одним сенсором. Технология изготовления на основе графена как раз позволяет достичь этого».

Плесневые грибы распространены повсеместно. Их обширные колонии вырастают в теплых влажных местах на питательных средах, в том числе на продуктах питания. Плесень может выделять вещества, токсичные для млекопитающих. Многие из этих токсинов вызывают кожные болезни, болезни органов дыхания, а также могут оказывать негативное воздействие на нервную систему, печень и почки. Например, предполагается, что одна из причин балканской нефропатии (загадочная невоспалительная болезнь почек, приводящая к почечной недостаточности) — отравление охратоксином А. Международное агентство по исследованию рака предполагает, что охратоксин А канцерогенен.

Охратоксины — вещества, вырабатываемые плесневыми грибами рода Aspergillus и Penicillium. Они могут содержаться в разных концентрациях в злаках, фруктах и овощах, в винном и пивном сусле, в кофе. До 40% этих продуктов содержат охратоксин А в разных концентрациях. Проблема заключается в том, что нагревание или химическая обработка не разрушают эти токсины. Поэтому единственный способ предотвратить попадание продуктов с охратоксином на полки магазинов и на обеденный стол — выявить его на этапе производства.

Графен — форма углерода, решетка с шестигранными ячейками. Это вещество обладает уникальными свойствами — например, максимальной подвижностью носителей зарядов среди всех известных веществ при минимальной толщине. Электрическая проводимость графена может меняться при движении зарядов вблизи его поверхности. Это позволяет усиливать «чувствительность» графена к определенным молекулам. Для этого к решетке графена с помощью химических сшивок прикрепляют белки или ДНК, способные захватывать нужные молекулы. Авторы работы использовали короткие модифицированные последовательности ДНК, избирательно связывающие только молекулы охратоксина А.

Использован принцип действия полевого транзистора: в провод, по которому течет электрический ток, встроен графен. На графен тоже подается электрический ток, который изменяется при связывании токсина. Это приводит к изменению тока и в проводе. Так по сигналу с провода можно оценить концентрацию определяемого вещества. На все это уходит пять минут и капля жидкости, сенсор определяет наличие охратоксина А, начиная с 4 пикограмм на миллилитр, что почти в тысячу раз меньше максимально допустимого содержания в продуктах питания. Также с помощью сенсора авторы работы точно оценили количество токсина, который был искусственно добавлен в известной концентрации, в красном вине.


Картинка: схема работы сенсора на основе графена. Сенсор (в центре) связывается с молекулой охратоксина А (слева). По изменению сопротивления (справа) можно определить концентрацию токсина. Источник: Nekrasov et al. / Toxins, 2019

«Избирательность оказалась выше почти в 100 раз, чем у других известных графеновых сенсоров,— говорит Иван Бобринецкий.— Также наш сенсор является многоразовым. Мы показали возможность восстановления: мы можем промыть его и продолжить измерения».

В дальнейшем авторы собираются заняться определением токсинов бактерий в пресной воде и надеются создать комплексные портативные системы для выявления большого количества разных ядовитых веществ за одно измерение.

Как сделать графен в домашних условиях — самый прочный материал в мире | Прометеус

В 2004 году двое российских ученых из Великобритании, Константин Новоселов и Андрей Гейм, открыли уникальное вещество и назвали его — графен. За его открытие они получили Нобелевскую премию по физике в 2010 году.

Если говорить простыми словами, графен — это слой графита толщиною в один атом углерода. Графит можно найти в каждом доме, достаточно взять в руки простой карандаш. Стержень этого карандаша сделан из графита. Но как можно получить из него графен?

В 2004 году Новоселов и Гейм экспериментировали с графитом. Графит представляет собой уложенные друг на друга сверхтонкие слои чистого углерода. Ученые решили отделить один слой от графита.

Для этого они взяли обычный скотч. Затем приклеили скотч к графиту и убрали его. На скотче оказались остатки графита. После этого нужно соскрести верхний слой графита, который приклеился к скотчу. Затем нужно сложить ленту пополам, и снова выпрямить скотч. Процедуру нужно проделать около 20 раз, пока графитный слой не станет сверхтонким. Затем нужно растворить ленту скотча, чтобы получить графен.

Графен получен

Графен получен

Дальнейшие исследования графена показали, что это вещество является самым крепким из всех известных веществ. При этом графен значительно легче других крепких известных веществ и обладает отличной электропроводимостью. Получение данного вещества дало большой технологический и научный толчок.

Вот список свойств графена, которые в сравнении с другими веществами показывают его сверхкрутость:

  • графен в 200 раз прочнее стали;
  • в 1000 раз легче бумаги;
  • на 98% прозрачен;
  • при комнатной температуре его электропроводимость самая лучшая;
  • графен способен преобразовать свет в электричество;
  • графен сделан из углерода, одного из самых распространенных веществ во Вселенной;
  • некоторые манипуляции с графеном позволяют сделать из него сверхпроводник, сверхпроводимостью обладают очень мало материалов, такие материалы проводят электричество без сопротивления и тепла.
Так выглядит модель графена. Шарики — это атомы углерода. Графен имеет структуру сот.

Так выглядит модель графена. Шарики — это атомы углерода. Графен имеет структуру сот.

Данные свойства графена позволят усовершенствовать имеющиеся технологии: автомобили, гаджеты, микросхемы, батареи и прочие нанотехнологии.

Например, графеновые батареи в отличие от литий-ионовых батарей, которые находятся в наших гаджетах, будут заряжаться в 5 раз быстрее, а их срок работы будет в 3 раза дольше.

Ученые прогнозируют, что к 2024 году уже появятся технологии на основе графена.

российские учёные создали сенсор для обнаружения опасных веществ в продуктах — РТ на русском

Короткая ссылка

Арсений Скрынников

Российские учёные создали сенсор, который способен определять наличие некоторых опасных веществ в продуктах питания. С его помощью можно обнаружить токсины, которые вырабатывают плесневые грибы. В основе прибора лежит решётка графена — одной из форм углерода. По словам авторов, чувствительность сенсора почти в 100 раз выше, чем у известных аналогов.

  • Gettyimages.ru
  • © Tom Hoenig

Российские специалисты в области наноэлектроники создали действующий прототип сенсора для определения наличия в продуктах питания плесени и токсинов, которые она выделяет. Результаты работы опубликованы в журнале Toxins. Исследование проведено при поддержке Российского научного фонда.

  • Прототип сенсора на основе графена
  • © Иван Бобринецкий

Опасные вещества, вырабатываемые плесневыми грибами, называются охратоксинами. Один из таких токсинов — охратоксин А — не разрушается даже при нагревании или химической обработке, при этом встречается повсеместно — в злаках, фруктах, в сырье для изготовления вина, пива и кофе. Российские исследователи решили найти эффективный способ предотвратить попадание токсичных заплесневелых продуктов на полки магазинов и на обеденный стол.

«Цель нашего исследования — создание быстрого, простого и дешёвого сенсора для определения охратоксина А в продуктах в домашних условиях… Один вид плесневого грибка может производить несколько типов токсинов. И в будущем желательно уметь определять все вещества сразу одним сенсором. Технология изготовления на основе графена как раз позволяет достичь этого», — рассказал руководитель проекта, ведущий научный сотрудник Московского института электронной техники Иван Бобринецкий.

В качестве основы для создания прототипа сенсора плесени и её токсинов исследователи использовали изменённый углерод — графен. Специалисты прикрепили к решётке графена модифицированные последовательности ДНК, избирательно связывающие только молекулы охратоксина. Далее через получившееся устройство пустили ток. При контакте с охратоксином напряжение менялось — так учёные смогли определить концентрацию вредного вещества.

  • Схема работы сенсора на основе графена. Сенсор (в центре) связывается с молекулой охратоксина А (слева). По изменению сопротивления (справа) можно определить концентрацию токсина
  • © Nekrasov et al. / Toxins, 2019

Сенсор работает с большой точностью — учёным удалось определить наличие охратоксина от 4 пикограмм на миллилитр, что почти в тысячу раз меньше максимально допустимого содержания этого вещества в продуктах питания. Также новый сенсор смог распознать токсин, который в качестве эксперимента был искусственно добавлен в красное вино.

«Избирательность оказалась выше почти в 100 раз, чем у других известных графеновых сенсоров. Также наш сенсор является многоразовым. Мы показали возможность восстановления: мы можем промыть его и продолжить измерения», — подытожил Бобринецкий.   

В дальнейшем авторы планируют заняться проблемой определения токсинов бактерий в пресной воде. Они также изучают возможность разработки комплексных сенсоров для одновременного определения большого количества разных веществ.

Ошибка в тексте? Выделите её и нажмите «Ctrl + Enter»Добавьте RT в список ваших источниковРанее на эту тему:

4 отличных метода изготовления графена в домашних условиях, вместе с основами графена

Что такое графен?

Графен — однослойный углеродный полимер.

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

Термин графен был придуман Ханс-Петером Бёмом. Некоторые ученые называют графен термином «полупроводник с нулевой запрещенной зоной». Он также известен под вариантами написания, такими как графен и графен, но они неверны для английского языка, хотя они могут быть действительными на других языках.

Если вы хотите создать свой собственный графен, прокрутите вниз до раздела «Как сделать графен в домашних условиях» или посетите отдельную страницу только с инструкциями по изготовлению графена.Вы, вероятно, захотите прокрутить вниз, если уже слышали о создании графена с помощью DVD-привода Lightscribe, но вам нужно немного оксида графита в качестве отправной точки. Если вы хотите инвестировать в графен или технологии, связанные с графеном, ознакомьтесь с разделом «Как инвестировать в графен».

Открытие графена

Графен был теоретически предсказан Филлипом Р. Уоллесом в его работе под названием «Band Theory of Graphite», опубликованной в Physical Review в 1947 году.Графен был открыт в 2003 году Андре Геймом и Костей Новоселовым в Манчестерском университете, а результаты были опубликованы в 2004 году. За эту работу они были удостоены Нобелевской премии 2010 года. Чтобы прояснить это, хотя графен успешно выращивался на различных монокристаллических подложках с 1970-х годов, Только в 2003 году графен был наконец выделен в свободной форме. Интересно знать, что использовали обычные липкие лента для производства небольшого количества графена.Это очень важно, потому что электрические и физические свойства графена значительно различаются, когда он находится в свободном состоянии. в отличие от привязки к поддерживающей кристаллической структуре.

Свойства графена

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

Электронная транспортная система и подвижность электронов

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

Скорость электронов ограничена взаимодействиями с кристаллической решеткой. С точки зрения непрофессионала, когда электрон движется через материал, он сталкивается с атомами, из которых состоит материал, и эти столкновения замедляют электрон, ограничивая его максимальную скорость (тем самым нагревая материал, создавая кошмары для инженеров, работающих над этим). В действительности, конечно, немного сложнее, но этого приближения достаточно для данного обсуждения.

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

Графен превосходит кремний по скорости

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

Низкое сопротивление

Еще одно свойство графена, тесно связанное с высокой подвижностью электронов, — это его низкое удельное сопротивление.Удельное сопротивление листа графена 10 -6 Ом * см. Чтобы увидеть это число в перспективе, удельное сопротивление графена ниже удельного сопротивления серебра при комнатной температуре. Кстати, при комнатной температуре серебро было материалом с самым низким удельным сопротивлением, известным ученым — то есть до тех пор, пока не появился графен.

Почему графен в свободной форме лучше?

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

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

Графеновые транзисторы и графеновая логика

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

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

Самовосстанавливающиеся свойства

Одно интересное свойство графена — самовосстановление. Это означает, что если мы удалим атом углерода из любого места в пределах листа графена, а затем подвергните лист воздействию атомов углерода или некоторых углеродсодержащих молекул, одна из них идеально встанет на место, заполнение отверстия, созданного удаленным атомом углерода, и вписывание в шестиугольный узор. Способность к самовосстановлению имеет большое значение для нанотехнологий, поскольку единственный случайный ион может пробить дыру в наноструктуре, делая ее бесполезной.Если наноструктура может самовосстановиться, она сможет противостоять суровым воздействиям окружающей среды.

Теплопроводность

Графен — очень хороший проводник тепла. Фактически, он настолько эффективно проводит тепло, что вы можете разрезать кубик льда. с помощью листа графена. Графен поглощает тепло ваших пальцев, когда вы его держите, и передает и концентрирует тепло в небольшом область контакта графенового «лезвия» со льдом. Лед мгновенно тает, и по мере его таяния выделяется все больше и больше тепла. передается из вашей руки через графен и, наконец, на лед, растапливая его дальше.

Относительная прочность материала по отношению к весу

Легкий материал на основе графена.

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

Как купить графен?

Графен доступен у ряда торговых посредников онлайн и офлайн. Цена на графен на данный момент не очень привлекательная: около 300 долларов (ок.250 евро) на 1 грамм чистого нанопорошка графена, отфильтрованного 3 нм. Конечно, ожидается, что цена на графен будет снижаться по мере увеличения числа производителей. В качестве альтернативы, если вы хотите зарабатывать деньги, а не тратить их, взгляните на статью «Как инвестировать в графен».

Оказывается, многие читатели хотят сделать графен дома, поэтому вот спойлер: можно создавать небольшие количества. самодельного графена! Однако, хотя это возможно, сделать значительные суммы непросто.Фактически, на момент написания этой статьи ученые до сих пор не знают, как эффективно производить графен в больших количествах и с высоким качеством, потому что технологические процессы еще не разработаны. Тем не менее, изготовление графеновых листов своими руками в небольших количествах довольно тривиально.

Биты, которые вы сможете изготовить в домашних условиях, будут иметь длину всего несколько нанометров, так что забудьте о макроскопических листах или полосах графена. Самый большой кусок графена, который вы можете сделать самостоятельно, — это около 0.25мм 2 (но их будет много). Это не намного больше, чем площадь восклицательного знака на этой веб-странице! В промышленных целях ученые создают транзисторы с длиной затвора менее 25 нм … так что ваш кусок размером с точку графен, хотя он кажется вам ничтожно маленьким, может быть использован для изготовления сотен транзисторов. Все еще заинтересованы в создании графена? Отлично, читайте дальше!

Метод 1: липкая лента

Первый способ сделать своими руками — использовать графитовый карандаш, чтобы нанести толстый слой графита. на бумагу.Затем обычной липкой лентой снимите с бумаги слой графита. Используйте другой кусок липкой скотч, чтобы удалить слой графита с первой липкой ленты. Затем используйте третий кусок неиспользованной липкой ленты, чтобы удалить слой с второй кусок липкой ленты и т. д. Со временем слои графита будут становиться все тоньше и тоньше, и вы получите графен, который является однослойным графитом в строгом смысле слова, двухслойным или многослойным графитом (который в некоторых случаях действует почти как графен).Несмотря на то, что этот способ изготовления графена является лишь подтверждением концепции, метод липкой ленты работает. Это требует терпения и времени, но это метод «сделай сам», который манчестерская группа использовала в 2004 году. И помните, они на самом деле получили Нобелевскую премию за свою работу, так что с липкой лентой не стоит связываться!

Метод 2: кухонный блендер

Группа ученых опубликовала свою статью 20 апреля 2014 года, в которой они описывают, как сделать графен, используя подход называется жидким отшелушиванием сдвигом.Вы можете найти аннотацию статьи здесь, но полная статья находится за платным доступом.

Отшелушивание со сдвигом в жидкости начинается с заливки порошкообразных кристаллов в жидкость, а затем с помощью миксера со сдвигом для разделения (расслоения) слои материала из хрусталя. Жидкость, которая используется в таких процессах, выбирается так, чтобы мелкие частицы графена не снова слипаются, и в результате получается жидкая суспензия графена. Затем суспензия может быть высушена для получения нанофлексов графена или его можно было бы напрямую использовать в более поздних технологических процессах, таких как создание графеновых покрытий и другие.

Итак, как сделать графен дома с помощью этого метода? Что ж, вы можете заменить ножницы на кухонный блендер. (поскольку смешивание со сдвигом — это модное слово для высокотехнологичного смешивания), а вместо специальных жидкостей вы можете использовать воду и средство для мытья посуды. Моющее средство добавляется так, чтобы частицы не слипались, и действует как поверхностно-активное вещество. Прекрасным источником графитового порошка являются графитовые карандаши. Просто припудрите несколько грифелей карандашей и добавьте порошок в раствор моющего средства, затем перемешайте некоторое время.Если у вас нет доступа к специальные микроскопы и другое оборудование, вы, вероятно, не сможете подтвердить наличие графена в вашем растворе моющего средства, но есть быстрое практическое правило, которое вы можете использовать для оценки размера частиц. Вообще говоря, если частицы графена слишком большие, они опустятся на дно сосуда, а если они меньше, они будут плавать наверху. Наночастицы настолько малы, что они будут подвешены в воде, и это то, к чему вы стремитесь, если хотите получить графен.После того, как вы сделаете достаточно графена частиц, вы можете отфильтровать суспензию и дать ей высохнуть.

При этом, хотя этот метод создания графена был описан в упомянутой выше статье и сработал для исследователей, не слишком увлекайтесь тем, что делаете это дома таким образом. Это беспорядочно и создает очень маленькие нано-чешуйки графена, а не то, что нужно. хвастайтесь перед друзьями, если только у вас в подвале нет лаборатории высоких технологий и вы не собираетесь использовать их для изготовления графеновых транзисторов.С другой стороны, эта технология вместе с Отшелушивание жидкой фазы с помощью ультразвуковой обработки может определить, как графен будет производиться в будущем в промышленных условиях, из-за его масштабируемости.

Метод 3: Устройство записи DVD — подход к технологии LightScribe

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

Оксид графита водорастворим, поэтому после смешивания с водой осторожно перелейте его на DVD. диск. Убедитесь, что раствор оксида графита равномерно распределен по пластиковой поверхности диска. После решения После высыхания и образования пленки оксида графита на диске, поместите диск в привод DVD пленкой вниз. Используйте программное обеспечение LightScribe, чтобы прожечь слой оксида.Области пленки, контактирующие с лазерный луч превратится в графен. Лазерный луч вызывает химическое восстановление, которое восстанавливает оксид графита до графена. Полученный слой графена следует осторожно снять с диска и разрезать на кусочки подходящего размера. шт. Эти кусочки можно использовать непосредственно для создания графенового суперконденсатора! Это, пожалуй, самый простой способ сделать графен дома, но он предполагает, что у вас есть доступ к оксид графита и привод Laserscribe.

Один читатель предположил, что DVD-лазер LightScribe можно заменить простой ксеноновой вспышкой. Если у вас есть фото-вспышка, вы также можете попробовать этот подход и сообщить нам о результатах в разделе «Контакты в домене нашего сайта». Еще один совет: НЕ делайте этого если вас не устраивает аннулирование гарантии на записывающее устройство DVD.

Метод 4: Образование пленки на границе раздела гептан-вода

Нефть на воде.

Это новейший рецепт графена своими руками, который мы слышали до сих пор.Он включает в себя немного физики жидкости, чтобы сначала объяснить, что здесь происходит. Если вы нальете в воду нерастворимую в воде жидкость, она либо будет плавать на поверхности воды, либо вода будет плавать на ней, в зависимости от того, тяжелее (более плотно) или легче (менее плотно) добавленная жидкость, чем вода. Типичный пример — плавающая нефть. поверх воды (см. изображение).

Одна группа ученых [1] обнаружила, что графен можно получить, залив два растворителя, которые не смешивать вместе, например, гептан и воду, в стакан и добавлять мелко измельченный графитовый порошок и помещать его в ванну для обработки ультразвуком.Вы можете купить гептан в большинстве химических магазинов, вода всегда доступна (рекомендуется использовать дистиллированную воду), и вы можете легко получить графитовые палочки в художественных магазинах. Ультразвуковая ванна необходима, но это не редкость на ebay и т.п. Полученный графен имеет толщину от одного до четырех слоев и химически стабилен. Его можно извлечь и положить на чистую стеклянную пластину, или любой другой субстрат.

Графен на границе раздела вода-гептан.

Идея состоит в том, чтобы смешать тонкоизмельченный графит с водой и гептаном (соотношение воды и гептана 1: 1) и некоторое время обработать ультразвуком.Далее происходит расслоение чешуек графита на границе раздела воды и гептана, и графен фактически начинает «подниматься». вверх по стеклянным стенкам флакона. Если гидрофильный субстрат, такой как предметное стекло, вводится через границу раздела, тонкая пленка графена также будет подниматься по стенкам слайда. Затем стеклянное предметное стекло можно извлечь, и после высыхания у вас останется стекло с графеновым покрытием. Если вы используете полиэтиленовый флакон, полученный графен не будет взбираться по стенкам флакона, но вы можете все же извлеките его с помощью предметного стекла из стекла или другого гидрофильного материала.Результат показан на изображении справа.

Графен на стекле.

Конечный продукт этого процесса создания графена показан на изображении слева. Графен нанесен в виде тонкой пленки на обе стороны стеклянной пластины. и его легкие светопоглощающие свойства можно увидеть, посмотрев сквозь него (Графен поглощает около 2,3% видимого света). Объяснение процесса состоит в том, что графен самостоятельно собирается из небольших отслоившихся чешуек на границе раздела между водой и гептаном, потому что поверхность напряжение графена (54.8 мН / м) почти прямо между поверхностным натяжением воды (72,9 мН / м) и гептана (20,1 мН / м). Толщина графеновой пленки ограничена капиллярными силами на границе раздела, и избыток графена просто упадет до дно флакона. Формирование толстых агрегатов подавляется диффузией и необходимостью энергии, необходимой для сформировать новый слой. Для получения дополнительной информации см. Исходный документ [1]

Возможно, это самый простой способ сделать дома графен в виде листа произвольно большого размера.Другие методы создают только графен хлопья, но эти хлопья, возможно, могут быть использованы вместо чешуек графита в этом методе в качестве стадии очистки. Попробуйте и дайте нам знать, как это происходит!

Как сделать оксид графита в домашних условиях?

Заявление об ограничении ответственности

Чтобы сделать графен дома описанным выше методом DVD, вам понадобится оксид графита. Вы можете купить оксид графита из различных источников, в том числе в Интернете, или вы можете попробовать сделать оксид графена самостоятельно.В этом тексте мы объясним, как вы можете сделать оксид графена в домашних условиях. Процедура относительно проста, и большинство ингредиентов можно купить без рецепта. Однако учтите, что это НЕ безопасная процедура, и следование этому руководству может привести к взрывам, пожарам и серьезным травмам. По понятным причинам, если вы решите сделать это самостоятельно, соблюдайте меры предосторожности при работе с кислотами и взрывчатыми материалами. Фактически, мы считаем, что, если вы не являетесь лицензированным химиком, вам лучше покупать оксид графена, чем пытаюсь сделать это дома.Мы предлагаем этот текст только как образовательный ресурс. Переходя к чтению следующий текст, вы подтверждаете, что понимаете риски работы с химическими веществами, перечисленными в тексте, и имеете полный понимание всех химических реакций и опасностей, которые они представляют для вашего здоровья и безопасности. Чтобы избежать дыма и возгорания, Проведите этот эксперимент на открытом воздухе в контролируемой, хорошо вентилируемой среде. Несмотря на то, что позаботились о убедитесь, что в тексте нет ошибок, мы не несем ответственности за возможные ошибки, оставшиеся в тексте.

Если у вас есть доступ к лаборатории и вы делаете это для проекта или эксперимента, напишите нам и расскажите, как все прошло. Мы хотели бы включить сюда вашу историю успеха.

Введение

Оксид графита известен уже почти 150 лет. Впервые он был подготовлен в 1859 году. В процесс внесены улучшения. с тех пор, и многие исследователи в этой области прокомментировали потенциальные опасности и риски, связанные с первоначальной процедурой, как описанный Б.Броди, который первым открыл этот процесс. Описанный здесь метод занимает около 2 часов при температуре ниже 45 градусов. по Цельсию, если у вас есть доступ к центрифуге. Если вы этого не сделаете, то лишняя вода испарится из контейнера примерно через день.

Порядок действий

Смешайте 100 г порошкообразного графита с 50 г нитрата натрия в 2,3 литрах технической серной кислоты. Обязательно смешайте ингредиенты в герметичном контейнере, намного превышающем необходимый, помещенном в ледяную баню с температурой 0 градусов Цельсия в качестве меры безопасности.Контейнер должен быть объемом не менее 15-20 литров.

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

После добавления перманганата в смесь снимите ледяную баню и доведите температуру до 35 градусов по Цельсию. Точно и осторожно поддерживайте эту температуру в течение 30 минут. На этом этапе смесь загустеет, и количество выделенного газ уменьшит. Примерно через 20 минут ожидайте, что смесь будет коричневато-серой и пастообразной консистенции.

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

После поддержания температуры в течение 15 минут разбавьте смесь теплой водой до 14 литров жидкости. Добавить 3% перекись водорода, чтобы уменьшить количество оставшегося перманганата.После добавления перекиси водорода смесь должна стать яркой. желтый.

Смесь профильтровать, пока она еще теплая. Фильтр приобретет желто-коричневый цвет. Промыть фильтровальную лепешку три раза, всего 14 литров. теплой воды. Полученный оксид графита диспергируют в 32 литрах воды. Чтобы получить сухой оксид графита, вам понадобится мощный центрифуга. Поскольку это, вероятно, недоступно, нагрейте воду, содержащую оксид графита, до 40 градусов Цельсия и подождите, пока вода не испарится.Лучше всего подойдет широкий контейнер, так как большая площадь будет способствовать испарению.

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

Дополнительная литература

Для вашего удобства мы предоставляем оригинальную бумагу. где описывался этот процесс.Мы использовали эту бумагу в качестве основы для нашего руководства о том, как сделать оксид графита в домашних условиях. В случае сомнений следуйте указаниям из этого документа, а не на нашем веб-сайте. Есть также несколько видеороликов на Youtube, которые показывают весь процесс, и они также могут быть ценным ресурсом.

Мы хотели бы поблагодарить нашего посетителя Геру, которая связалась с нами и указала на опечатку в тексте.

Как сделать графен | MIT Technology Review

Графен — плоский одинарный слой атомов углерода — может переносить электроны с поразительной скоростью, что делает его многообещающим материалом для электронных устройств.До недавнего времени исследователям удавалось изготавливать из материала лишь небольшие хлопья и только в небольших количествах. Однако исследователи из Университета Рутгерса разработали простой способ создания прозрачных графеновых пленок шириной от нескольких сантиметров и толщиной от одного до пяти нанометров.

Гибкий процесс: Новый метод изготовления, разработанный исследователями из Университета Рутгерса, позволяет нанести пленку графена — лист углерода толщиной в атом — практически на любую подложку, включая гибкий пластик, показанный здесь.Пленки могут использоваться в тонкопленочных транзисторах или в качестве проводящих электродов для органических солнечных элементов.

Тонкие пленки графена могут стать дешевой заменой прозрачных проводящих электродов из оксида индия и олова, используемых в органических солнечных элементах. Они также могут заменить кремниевые тонкопленочные транзисторы, обычно используемые в экранах дисплеев. Графен может переносить электроны в десятки раз быстрее, чем кремний, поэтому транзисторы на основе графена могут работать быстрее и потреблять меньше энергии. (См. Разделы «Графеновые транзисторы» и «Лучшие графеновые транзисторы».”)

Фактически, профессор материаловедения и инженерии Рутгерса Маниш Чховалла и его коллеги использовали свои графеновые пленки для создания прототипов транзисторов и органических солнечных батарей. В недавней статье Nature Nanotechnology они показали, что могут наносить прозрачные пленки на любую подложку, включая стекло и гибкий пластик. Чховалла говорит, что этот метод можно адаптировать к большему масштабу, чтобы покрыть «метры и метры подложек с графеновыми пленками», используя обработку рулонов — метод, разрабатываемый для создания больших гибких электронных схем.

Напротив, современные методы получения графена дают небольшие количества материала, пригодные только для экспериментального использования. Один из распространенных методов называется «методом скотча», при котором кусок ленты используется для отделения чешуек графена от куска графита, который, по сути, представляет собой стопку листов графена. В результате получаются фрагменты графена микрометрового размера, которые помещаются между электродами, образуя транзистор. «Но если вы говорите о крупномасштабных устройствах, вы хотите создавать макроскопические [листы]», — говорит Ханнес Шнипп, исследователь графена из Принстонского университета.По словам Шниеппа, для этого вам нужно направить сборку меньших кусочков графена на большую площадь, что и делают исследователи Рутгерса.

Исследователи начали с создания суспензии чешуек оксида графена. Они окисляют чешуйки графита серной или азотной кислотой. Это вставляет атомы кислорода между отдельными листами графена и раздвигает их, в результате чего получаются листы оксида графена, которые взвешиваются в воде.

Суспензия фильтруется через мембрану с порами шириной 25 нанометров.Вода проходит через поры, но чешуйки оксида графена, каждая из которых имеет ширину несколько микрометров и толщину около одного нанометра, покрывают поры. По словам Чховаллы, это происходит регулируемым образом. Когда чешуйка покрывает пору, вода направляется к ее непокрытым соседям, которые, в свою очередь, покрываются, пока чешуйки не распределятся по всей поверхности. «Этот метод позволяет наносить отдельные слои графена», — говорит Чховалла. «[Это] приводит к почти однородной пленке, осаждаемой на мембране.«Исследователи помещают покрытую пленкой сторону мембраны на подложку, такую ​​как стекло или пластик, и смывают мембрану ацетоном. Наконец, они подвергают пленку воздействию химического вещества, называемого гидразином, который превращает оксид графена в графен.

Джеймс Тур, профессор химии из Университета Райса, говорит, что это «определенно самый простой метод, который я видел для создания [тонких пленок графена] на больших площадях». Он считает, что этот процесс можно легко превратить в более крупную промышленную технологию производства.«Это очень удобно для быстрого производства», — говорит он. «Это не займет много времени, чтобы произвести эти вещи … и охватить большие площади».

Chhowalla и его коллеги контролируют толщину пленки, изменяя объем суспензии. Объем в 20 миллилитров дает пленку, которая в основном имеет толщину от одного до двух нанометров, тогда как 80-миллилитровая суспензия дает пленки, которые в основном имеют толщину от трех до пяти нанометров. Более тонкие пленки прозрачны на 95 процентов. Исследователи использовали пленки в качестве прозрачных электродов в органических солнечных элементах.Они также создали транзисторы, поместив свои пленки на кремниевую подложку и нанеся на них золотые электроды.

Графеновые пленки требуют гораздо большей работы. В настоящее время транзисторы не пропускают такой большой ток, как транзисторы, сделанные из отдельных графеновых чешуек, что, как предполагают исследователи, происходит из-за перекрывающихся чешуек в их пленках. Для высококачественных транзисторов необходимо будет изготавливать однослойные графеновые пленки без перекрытия. Им также необходимо улучшить проводимость пленки: оксид индия и олова по-прежнему в сотни раз более проводящий.Органические солнечные элементы с электродами из оксида индия и олова имеют КПД от 3 до 5 процентов. «С тонкопленочными графеновыми электродами мы получаем 0,1%, — говорит Чховалла, — но это устройства, проверенные на правильность концепции, и, конечно, со временем они будут улучшаться».

Тур считает, что пленка более перспективна для органических солнечных элементов, чем для транзисторов. Многие исследователи также изучают пленки из углеродных нанотрубок как способ замены покрытий из оксида индия и олова на солнечных элементах. Но Тур говорит, что графен «возможно, будет проще, чем использование углеродных нанотрубок, из-за большей доступности материала».«Промышленности также может быть проще внедрить графен из-за опасений, которые некоторые люди испытывают по поводу воздействия углеродных нанотрубок на окружающую среду.

Как сделать графен дома в своем блендере

Графен может быть суперматериалом, который управляет ими всеми, но оказывается, что вы можете сделать его дома. На вашей кухне блендер. Вот как.

Группа исследователей из Тринити-колледжа Дублина в Ирландии пыталась разработать лучший способ массового производства графена, тех слоев углерода, которые имеют толщину всего один атом.В настоящее время даже самые лучшие лабораторные методы могут производить лишь жалкие полграмма вещества в час.

Команда знала, что можно вырезать тонкий лист графена из более крупных блоков графита — формы соединения в грифеле карандаша — который по существу состоит из множества листов графена, сложенных вместе слоями. Итак, им стало интересно, какой способ надежно срезать эти слои был наиболее эффективным.

Введите лабораторный миксер и немного поверхностно-активного вещества, добавленного для облегчения разделения слоев (и разделения их).Раскручивая графит в настольном смесителе, они получили то, что они считали графеном; затем электронная микроскопия подтвердила, что они действительно производили магические вещества. Но что самое лучшее? Они штамповали его со скоростью 5 граммов в час.

Естественно, они думали, что их процесс должен быть масштабируемым, но чем заменить дорогой смеситель и поверхностно-активное вещество лабораторного класса?

G / O Media может получить комиссию

Кухонный блендер и немного жидкости для мытья посуды, вот что.Процесс довольно прост: переложите немного графена в блендер, добавьте воды и жидкости для мытья посуды, а затем выполните блиц на высокой скорости. У вас останется черная слегка пенистая жидкость.

Они обнаружили, что техника действительно сработала, хотя и по темпераменту. Как видите, точное количество жидкости для мытья посуды зависит от свойств используемого графена, которые необходимо определять с помощью дорогостоящего оборудования для аналитической химии. Он также не преобразует весь графит в графен, что оставляет вам небольшую проблему разделения.По сути, вы получите черную жидкость, полную графена, но вы не сможете извлечь ее и удалить — по крайней мере, дома.

Тем не менее, несмотря на эти проблемы для любителей, эта технология действительно перспективна. Расчеты показывают, что чан емкостью 10 000 литров с правильным двигателем может производить 100 граммов графена в час, и экспериментальная схема уже реализуется. Учитывая все крутые возможности, на которые способен графен, такие масштабы производства могут помочь суперматериалу, наконец, стать мейнстримом.[Nature Materials через New Scientist]

Изображение jcjgphotography / Shutterstock

повседневная химия — Могу ли я сделать свой собственный графен дома на кухне?

Я погуглил фразу «Как сделать графен» и получил результат, который содержит раздел о том, как сделать его дома.

Ответ однозначно: да, можно. Ниже приведены выдержки со связанной страницы.

(1) Первый способ сделать своими руками — использовать графитовый карандаш для нанесения толстого слоя графита на бумагу.Затем обычной липкой лентой снимите с бумаги слой графита. Используйте другой кусок липкой ленты, чтобы удалить слой графита с первой липкой ленты. Затем используйте третий кусок неиспользованной липкой ленты, чтобы удалить слой со второй части липкой ленты и т. Д. В конце концов, слои графита будут становиться все тоньше и тоньше, и вы получите графен, который является однослойным графитом в строгом смысле слова, или двухслойным или многослойным графитом (который в некоторых случаях действует почти как графен).Несмотря на то, что этот способ изготовления графена является лишь подтверждением концепции, метод липкой ленты работает. Это требует терпения и времени, но это метод «сделай сам», который манчестерская группа использовала в 2004 году. И помните, они на самом деле получили Нобелевскую премию за свою работу, так что с липкой лентой не стоит связываться!

(2) Сдвиговое расслоение в жидкостях начинается с заливки порошкообразных кристаллов в жидкость, а затем с использованием срезного миксера для отделения (отслаивания) слоев материала от кристалла. Жидкость, которая используется в таких процессах, выбирается так, чтобы маленькие частицы графена не слипались вместе, и в результате получилась жидкая суспензия графена.Затем суспензия может быть высушена для получения графеновых наночастиц или может быть непосредственно использована в более поздних технологических процессах, таких как создание графеновых покрытий и другие. Итак, как сделать графен дома с помощью этого метода? Что ж, вы можете заменить миксер с ножницами кухонным блендером (поскольку смешивание с ножницами — это модное слово для высокотехнологичного смешивания), а вместо специальных жидкостей вы можете использовать воду и средство для мытья посуды. Моющее средство добавляется так, чтобы частицы не слипались, и действует как поверхностно-активное вещество.Прекрасным источником графитового порошка являются графитовые карандаши. Просто припудрите несколько грифелей карандашей и добавьте порошок в раствор моющего средства, затем перемешайте некоторое время. Если у вас нет доступа к специальным микроскопам и другому оборудованию, вы, вероятно, не сможете подтвердить наличие графена в растворе моющего средства, но есть небольшое практическое правило, которое вы можете использовать для оценки размера частиц. Вообще говоря, если частицы графена слишком велики, они будут опускаться на дно сосуда, а если они меньше, они будут плавать наверху.Наночастицы настолько малы, что они будут взвешиваться в воде, и это то, к чему вы стремитесь, если хотите получить графен. После того, как вы получите достаточное количество частиц графена, вы можете отфильтровать суспензию и дать ей высохнуть.

(3) Если вы наливаете нерастворимую в воде жидкость в воду, она либо будет плавать поверх воды, либо вода будет плавать поверх нее, в зависимости от того, тяжелее (более плотно) или легче добавленная жидкость. (менее плотный), чем вода. Типичный пример — нефть, плавающая на поверхности воды.Одна группа ученых обнаружила, что вы можете получить графен, налив два растворителя, которые не смешиваются вместе, например гептан и вода, в стакан, добавив мелко измельченный порошок графита и поместив его в ванну для обработки ультразвуком. Вы можете купить гептан в большинстве магазинов химикатов, вода легко доступна (рекомендуется использовать дистиллированную воду), и вы можете легко приобрести графитовые палочки в художественных магазинах. Ультразвуковая ванна необходима, но это не редкость на ebay и т.п. Полученный графен имеет толщину от одного до четырех слоев и химически стабилен.Его можно извлечь и нанести на чистую стеклянную пластину или любую другую подложку. Идея состоит в том, чтобы смешать тонкоизмельченный графит с водой и гептаном (соотношение воды и гептана 1: 1) и некоторое время обработать ультразвуком. Далее происходит расслоение чешуек графита на границе раздела воды и гептана, и графен фактически начинает «взбираться» по стеклянным стенкам флакона. Если гидрофильный субстрат, такой как предметное стекло, вводится через границу раздела, тонкая пленка графена также будет подниматься по стенкам предметного стекла.Затем стеклянное предметное стекло можно извлечь, и после высыхания у вас останется стекло с графеновым покрытием. Если вы используете полиэтиленовый флакон, полученный графен не будет взбираться по стенкам флакона, но вы все равно можете извлечь его с помощью предметного стекла из стекла или другого гидрофильного материала. Графен нанесен в виде тонкой пленки на обе стороны стеклянной пластины, и его легкие светопоглощающие свойства можно увидеть, глядя сквозь него (графен поглощает около 2,3% видимого света). Объяснение процесса состоит в том, что графен самовосстанавливается из небольших отслоившихся чешуек на границе раздела воды и гептана из-за поверхностного натяжения графена (54.8 мН / м) почти прямо между поверхностным натяжением воды (72,9 мН / м) и гептана (20,1 мН / м). Толщина графеновой пленки ограничена капиллярными силами на границе раздела, и избыток графена просто упадет на дно пузырька. Формирование толстых агрегатов подавляется за счет диффузии и потребности в энергии, необходимой для образования нового слоя. Возможно, это самый простой способ сделать дома графен в виде листа произвольно большого размера. Другие методы создают только чешуйки графена, но эти чешуйки, возможно, могут быть использованы вместо чешуек графита в этом методе на стадии уточнения.

Вы можете сделать «чудесный материал» графен у себя дома

Три слова: графен. является. классно. Он не только прочнее стали, тверже алмаза, но и невероятно гибок. Буквально на этой неделе японские исследователи выяснили, как превратить его в сверхпроводник, в котором электричество может течь без сопротивления. Он был призван произвести революцию во всем, от сенсорных экранов и аккумуляторов до процессов очистки воды и лампочек.Графен сейчас повсюду, и вы можете принять участие в действии, легко приготовив его дома.

Как объясняет видео из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук Джона А. Полсона, вот что вам понадобится:

  • Микрочип
  • Кристаллы графита — недорого купить онлайн
  • Пинцет
  • Скотч

Во-первых, вам нужно отрезать кусок скотча и насыпать один из кристаллов графита на липкую сторону.Сложите ленту на себя и снова снимите ее, чтобы кристалл осторожно разделился. Сделайте это несколько раз, чтобы слой за слоем отшелушивать кристалл.

Затем отрежьте еще один кусок ленты и положите его поверх исходного фрагмента. Снова разделите их и приклейте новый кусок ленты на микрочип. Надавите на микрочип, чтобы убедиться, что все прилипло, и удалите ленту. Как бы то ни было, теперь у вас есть микрочип, покрытый графеном и чешуйками графита!

Если вы предпочитаете делать ужасные вещи со своим блендером во имя науки, на самом деле есть альтернативный метод изготовления графена в домашних условиях.Как пишет Ричард Ван Норден в Nature, , рецепт был обнаружен глубоко в дополнительной информации в исследовательской статье, опубликованной еще в 2014 году, как способ дешево и легко производить большие количества графеновых хлопьев.

«[T] Они взяли мощный (400 Вт) кухонный блендер и добавили пол-литра воды, 10-25 миллилитров моющего средства и 20-50 граммов графитового порошка (содержится в грифелях карандашей). машина работала в течение 10-30 минут. Результат, как сообщает команда: большое количество микрометровых чешуек графена, взвешенных в воде «, — говорит Ван Ноорден.

Мы не говорим, что вы должны открыть свой собственный завод по производству графена на заднем дворе, хотя, если вы можете гарантировать качество и выяснить, как сделать процесс рентабельным, это принесет вам много денег. Просто помни нас, когда ты богат и знаменит, хорошо?

Вот еще одна демонстрация метода ленты:

Графен — это материал будущего — и теперь вы можете сделать его дома

Для ученых, создающих новые материалы, нет ничего более захватывающего, чем графен.

Материал, состоящий из листов атомов углерода, необычайно прочный, тонкий и гибкий. Инженеры предполагают, что это может произвести революцию в электронной и компьютерной отраслях — настолько, что New York Times недавно провозгласила его «материалом завтрашнего дня».

В воскресенье ученые объявили о новом упрощенном способе производства графена, который потенциально может быть получен с меньшими затратами энергии. Просто для удовольствия они также немного изменили свой новый процесс, чтобы показать, что это можно сделать с помощью вещей, которые у вас есть на домашней кухне, например, мыла и блендера.

Смоделированный лист графена. Wikimedia Commons

Что такое графен?

Графен — это название листов атомов углерода, связанных в форме сот. Каменный графит, используемый в качестве «грифеля» в карандашах, состоит из множества этих листов, сложенных вместе, но отдельные графеновые листы обычно не встречаются в природе.

В результате существование этих крошечных листов было доказано только в 1990 году, когда британские ученые сняли их с куска графита липкой лентой.С тех пор ученые придумали способы сделать большие листы из материала толщиной в один атом и обнаружили, что он необычайно прочен — в 100 раз прочнее стали.

Поскольку графен тонкий, легкий, прочный, гибкий и проводит электричество, инженеры рады возможности делать из него множество различных вещей, например, электронные схемы, батареи, сотовые телефоны и солнечные панели. Но пока графен используется только экспериментально.

Что это за новый метод изготовления графена?

Раньше инженеры получали графен, смешивая небольшие кусочки графита с жидкостью и воздействуя на нее ультразвуковой энергией, нагревая ее на тысячи градусов.Это привело к дальнейшему разрушению графита, в результате чего листы графена отслаивались. Специальные химические вещества в жидкости препятствовали слипанию вновь образованных листов графена.

Новый метод заменяет ультразвуковую активность физической нарезкой, выполняемой промышленным оборудованием, называемым миксером с большими сдвиговыми усилиями. «У вас есть вращающееся лезвие внутри цилиндрического держателя, и зазор между держателем и лезвием крошечный — примерно десятая миллиметра», — говорит Джонатан Коулман, физик из Тринити-колледжа в Дублине, который помогал разработать метод.

Когда лезвие включается и маленькие кусочки графита попадают в этот зазор, они внезапно подвергаются огромному напряжению и расслаиваются. «Вы можете думать об этом, как будто вы держите колоду карт в одной руке, а другой кладете на колоду и перемещаете ее вперед и назад, заставляя карты соскальзывать с верха», — говорит Коулман.

Этот новый метод производства графена является многообещающим, потому что он использует гораздо меньшее количество энергии, чем старый метод, и, вероятно, его можно масштабировать для производства больших количеств графена без огромных осложнений, поскольку сдвиговые смесители уже используются в промышленности.«Я думаю, что этот метод определенно будет полезен», — говорит Андреа Феррари, исследователь графена из Кембриджского университета, не участвовавшая в этой работе. «Есть много способов сделать графен, но это действительно интересный, потому что его можно масштабировать».

Коулман и другие исследователи разработали метод в сотрудничестве с Thomas Swan, британской химической компанией, которая построила пилотный реактор, чтобы начать производство материала в больших количествах.

Изображение справа: сдвиговый смеситель исследователей, взбивающий партию графена.CRANN

Брент Томсон

Как я могу сделать это дома на кухне?

Ну, вы не могли бы использовать ту же технику точно , но Коулман и другие ученые немного адаптировали ее, чтобы делать с ингредиентами и инструментами, которые могут быть у вас дома.

По сути, вы должны взять крошечные хлопья графита (которые можно купить в Интернете), смешать их с водой и мылом для посуды (ученые использовали торговую марку Fairy Liquid) и поместить смесь в мощный кухонный блендер.После запуска блендера на несколько минут вы получите коктейль из крошечных, микроскопически тонких графеновых хлопьев и воды, который будет выглядеть как черный осадок.

Чтобы было ясно, это не тот процесс, который они предлагают, имеет коммерческую ценность, и у вас не будет практического способа извлечь хлопья графена из воды. Но все равно довольно круто.

Для чего можно использовать графен в будущем?

Инженеры изучают способы использования графена, полученного либо традиционными методами, либо с помощью этого нового процесса, во всех видах устройств.

Поскольку он гибкий и эластичный, некоторые полагают, что его можно было бы использовать в сотовых телефонах, носимых устройствах или других потребительских устройствах. Электронные компании, такие как Samsung, Nokia и IBM, пытаются использовать этот материал для изготовления сверхтонких датчиков, транзисторов и схем. Он использовался для изготовления экспериментальных батарей с длительным сроком службы, высококачественных аудиоколонок и высокоэффективных солнечных батарей.

Тем не менее, графен пока используется только экспериментально. На данный момент у нас нет проверенных применений графена, которые нельзя было бы сделать проще и дешевле с помощью обычных материалов, таких как кремний, и некоторые препятствия стоят на пути коммерческого использования (в настоящее время у нас тяжелые времена для производства чистые листы, которые не изнашиваются по краям, и есть опасения, что случайные кусочки могут проткнуть кожу и клетки легких, потому что они такие острые).

Однако эта область неуклонно развивается, и новые методы производства, подобные объявленному сегодня, могут в конечном итоге сделать графен повседневным материалом.

Как сделать графен в кухонном блендере: Новостной блог

Атомное разрешение, изображение, полученное с помощью сканирующего просвечивающего электронного микроскопа, части нанолиста расслоенного при сдвиге графена. Кредит: CRANN / SuperSTEM

.

Не пытайтесь повторить это дома. Нет, правда, не надо: это почти наверняка не сработает, и после этого вы не сможете использовать кухонный блендер для еды. Но в дополнительной информации опубликованной сегодня исследовательской работы похоронен отечественный рецепт производства больших количеств чистых хлопьев графена.

Карбоновые листы — самый тонкий и прочный материал в мире; электропроводящие и гибкие; и позволяет преобразовать все, от сенсорных дисплеев до водоочистки. Многие исследователи, в том числе Джонатан Коулман из Тринити-колледжа в Дублине, искали способы сделать большое количество высококачественных графеновых хлопьев.

В статье Nature Materials команда под руководством Коулмана (при финансовой поддержке британской фирмы Thomas Swan) описывает, как они взяли мощный (400 Вт) кухонный блендер и добавили пол-литра воды, 10–25 миллилитры моющего средства и 20–50 граммов графитового порошка (содержится в грифелях карандашей).Машину включили на 10–30 минут. Результат, сообщает команда: большое количество микрометровых чешуек графена, взвешенных в воде.

Коулман поспешно добавляет, что рецепт включает в себя тонкий баланс поверхностно-активного вещества и графита, который он еще не раскрыл (этот барьер отговорил меня попробовать его; он готовит подробный рецепт кухни для последующей публикации). А в его лаборатории центрифуги, электронные микроскопы и спектрометры также использовались для выделения графена и проверки результата.Фактически, рецепт кухонного блендера был добавлен в конце исследования как своего рода уловка — основная работа была сделана сначала с помощью промышленного блендера (на фото).

Пять литров подвешенного графена (в промышленном блендере). Предоставлено: CRANN.

Тем не менее, по его словам, этот пример показывает, насколько прост его новый метод производства графена в промышленных количествах. Томас Свон расширил (запатентованный) процесс на пилотную установку и, по словам коммерческого директора Энди Гудвина, надеется к концу этого года производить килограмм графена в день, продаваемый в виде высушенного порошка и жидкой дисперсии из который может быть распылен на другие материалы.

«Это значительный шаг вперед к дешевому и масштабируемому массовому производству», — говорит Андреа Феррари, эксперт по графену из Кембриджского университета, Великобритания. «Материал имеет качество, близкое к лучшему в литературе, но с производительностью, очевидно, в сотни раз выше».

Качество хлопьев не такое высокое, как у лауреатов Нобелевской премии по химии 2010 года Андре Гейма и Кости Новоселова из Манчестерского университета, которые, как известно, изолированы с помощью скотча для отделения отдельных листов от графита.И они не такие большие, как листы графена метрового масштаба, которые сегодня фирмы выращивают атом за атомом из пара. Но за пределами высокотехнологичной электроники достаточно небольших хлопьев — реальный вопрос заключается в том, как сделать их много.

Хотя сотни тонн графена уже производятся каждый год — и вы можете легко купить его в Интернете, — их качество варьируется. Многие хранящиеся хлопья полны дефектов или задушены химическими веществами, влияющими на их проводимость и другие свойства, и имеют толщину в десятки или сотни слоев.«Большинство компаний продают вещи, которые я бы даже не назвал графеном, — говорит Коулман.

С помощью блендера получаются мелкие хлопья в среднем толщиной в четыре или пять слоев, но без дефектов, что означает высокую электропроводность. Коулман считает, что блендер вызывает в жидкости поперечные силы, достаточные для отделения слоев атомов углерода от кусков графита («как будто выскальзывает карты из колоды», — объясняет он).

Кухонные блендеры — не единственный способ производить достаточно качественные хлопья графена.Феррари по-прежнему считает, что использование ультразвука для разрыва графита в некоторых случаях может дать лучшие материалы. А Синьлян Фэн из Института исследований полимеров Макса Планка в Майнце, Германия, говорит, что его недавняя публикация в журнале Американского химического общества сообщает о способе производства более качественного графена с меньшим количеством слоев и более высокими темпами. электрохимическим способом. (Коулман отмечает, что Томас Свон применил эту технику далеко за пределы того, о чем говорится в статье.)

Что касается приложений, «рынок графена не универсален», — говорит Коулман, но исследователи сообщают о его тестировании в качестве электродных материалов в солнечных элементах и ​​батареях. Он предполагает, что хлопья также могут быть добавлены в качестве наполнителя в пластиковые бутылки для напитков, где их повышенная прочность снижает количество необходимого пластика, а их способность блокировать прохождение молекул газа, таких как кислород и углекислый газ, поддерживает срок годности напитка.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *