Как получить графен в домашних условиях: Открыт простой способ получения графена с помощью микроволновки

Содержание

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 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.

 

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 11 169

что это, кто создал, фото, создание в домашних условиях

Любовь Соковикова

Если вы любите комиксы (и фильмы) Marvel, то знаете, что во вселенной, созданной Стэном Ли, самым прочным материалом на Земле является металл вибраниум. Из него, в частности, сделан щит Капитана Америки и костюм черной пантеры, в родной стране которого – Ваканде – он и был найден. В комиксах этот материал существует в нескольких вариантах и встречается в изолированных регионах нашей планеты. Также вибраниум обладает способностью поглощать все колебания в окрестности, включая направленную прямо на него кинетическую энергию (энергию движущегося тела). В реальности, разумеется, вибраниума не существует, но это не значит, что на Земле нет ни одного материала, способного составить ему конкуренцию. Но какой материал на нашей планете является самым прочным?

Читать далее

Владимир Кузнецов

28.08.2019,

Несмотря на то, что лето уже подходит к концу, об укусах комаров (и других малоприятных насекомых) и до следующего года можно забыть, средства для отпугивания «гнуса» пока еще рано прятать на зиму. Однако же вполне вероятно, что через какие-то пару лет вы сможете воспользоваться по-настоящему высокотехнологичной защитой от комариных укусов. И речь идет не об очередном «чудо-спрее», а о веществе, которое покроет вашу кожу сверхпрочным слоем графена, которую ни один комар не прокусит.

Читать далее

Николай Хижняк

Выходцы из России, работающие в Британии, Константин Новоселов и Андрей Гейм создали графен – полупрозрачный слой углерода толщиной в один атом – в 2004 году. С этого момента практически сразу и повсюду мы стали слышать хвалебные оды о самых разных удивительных свойствах материала, обладающего потенциалом изменить наш мир и найти свое применение в самых разных сферах, начиная от производства квантовых компьютеров и заканчивая производством фильтрами для получения чистой питьевой воды. Прошло 15 лет, но мир под влиянием графена так и не изменился. Почему?

Читать далее

Илья Хель

05.03.2019,

Когда вы были ребенком, вы когда-нибудь подписывались за одноклассника, если тот сломал руку или ногу? Носили за ним портфель? Сломанные кости для ребенка — очень плохо: несколько катастрофических секунд, за которыми следуют месяцы скучного отдыха и восстановления. Но у детей в будущем может быть другая история, поскольку новые технологии позволят нам пересмотреть, как мы восстанавливаем сломанные кости.

Читать далее

Николай Хижняк

31.01.2019,

Сложно поверить, что даже самые крошечные трещины в металле однажды могут приводить к разрушению целых конструкций. Однако далеко за примерами ходить не нужно – падающие мосты, прорывающиеся трубопроводы и многие другие катастрофические последствия нередко являются действием коррозии, образовавшейся в крошечных трещинах, царапинах и вмятинах, которые очень сложно обнаружить. Наиболее распространенным методом борьбы с коррозией является нанесение защитных покрытий, изолирующих поверхность металла от разрушающего воздействия окружающей среды. Проблема в том, что с нарушением этого покрытия теряется его эффективность.

Читать далее

Николай Хижняк

Возможность практического использования квантовых компьютеров стала еще на один шаг ближе благодаря графену. Специалисты из Массачусетского технологического института и их коллеги из других научных учреждений смогли провести расчет времени суперпозиции, в которой могут находиться кубиты, построенные на базе графена. О результатах исследования сообщает статья Nature Nanotechnology.

Читать далее

Илья Хель

11.11.2018,

Атомы углерода могут формировать связи самыми разными способами. Чистый углерод может встречаться в разных формах, включая алмаз, графит, нанотрубки, молекулы в форме футбольного мяча или сотовую сетку с шестиугольными клетками, известную как графен. Этот экзотический, строго двумерный материал прекрасно проводит электричество, но сверхпроводником не является. Возможно, в скором времени это изменится.

Читать далее

Владимир Кузнецов

Что можно сделать с обычными шампиньонами? Наверняка у вас найдется далеко не один рецепт для того, чтобы вкусно их приготовить. Но, как выяснилось, для того, чтобы извлечь из гриба какую-то пользу, совсем необязательно обладать кулинарными талантами. Зато если вы подкованы в физике, биологии и знаете свойства графена, вам вполне по силам превратить шампиньон в источник по выработке электроэнергии.

Читать далее

Владимир Кузнецов

Изобретенный на заре 21 века графен уже нашел свое применение во многих областях науки и техники. И даже подарил ученым, изучавшим его, Нобелевскую премию. Однако двухмерная структура наподобие этого углеродсодержащего материала была предсказана и для других элементов Периодической системы химических элементов и весьма необычные свойства одного из таких веществ недавно удалось изучить. А называется это вещество «синий фосфор».

Читать далее

Владимир Кузнецов

Все современные электронные устройства используют для передачи информации электроны. Сейчас вовсю идет разработка квантовых компьютеров, которые многие считают будущей заменой традиционных устройств. Однако есть и еще один, при этом не менее интересный путь развития. Создание, так называемых, фотонных компьютеров. И недавно группа исследователей из Университета Эксетера (Великобритания) обнаружила свойство частицы, которое может помочь в разработке новых компьютерных схем.

Читать далее

video — Grafengel accumulator (GGA)

Это первое видео, в котором рассказывается о таком материале, как Графен. Видео на английском языке, но автор достаточно понятно объясняет его происхождение, как его получать и самое главное — для чего вообще его можно и нужно использовать? 

     В Видео описывается способ получения в лаборанторных условиях, а также рассказываются и описываются некоторые технические особенности этого двумерного материала.

Что такое графен

   Лекция одного из обладателей нобелевской премии по физике за 2010 год Константина Новоселова в интерактивной форме с забавными историями и фотографиями. Можно сказать, что всю полезную и интересную информацию Вы узнаете из первых уст. На самом деле его лекция будет понятна как профессионалам в области физики, так и просто людям, которые следят и интересуются  открытиями в области физики.

    Что касается само лекции, то она начинается с небольшого экскурса в историю углерода( именно из него получают графен) и заканчивается все теми областями, в которых можно его применять, в том числе и для аккумуляторов или транзисторов.

Видео YouTube

    

    Очень интересное видео. Тем более мы теперь представляем себе, что такое вообще графен. Как рассказывается в предыдущих видеороликах, графен получают в лабораторных условиях, путем сложного синтеза углерода. Здесь же Американский ученый рассказывает, как можно смастерить в домашних условиях так называемый Суперконденсатор. В принципе это тоже самое, что и аккумулятор. В видео Вам покажут, как с помощью DVD дисков и модели  можно сделать суперконденсатор дома. Конечно,  он не будет обладать всеми необходимыми свойствами, которые можно получить в лаборатории.

Видео YouTube


     Это видео на англисйком языке и немного сложно для восприятия обычного, неподготовленного человека, так  рассказчик применяет достаточно специфичные термины. Но просмотреть это видео все равно стоит, так как рассказывается, как можно получить графеновые аккумуляторы, используя закон Мура, а также рассказывается о будущих источниках питания и о новом представлении мира — Nano World.

Видео YouTube

     Это новостной выпуск РиаНовости, где с помощью скотча, мобильника и грифеля карандаша лауреат Нобелевской премии по физике Константин Новоселов показал, как получить графен. Примечательно, что это ЕЩЕ один способ получения графена из подручных средств. В предыдущих видео американские ученые показывали, как можно получить графен из DVD диска, а тут в прямом эфире с помощью графита, скотча и мобильного телефона

Видео YouTube


   Здесь можно посмотреть где и как будет  и даже УЖЕ применяется графен. Помимо аккумулятор он и используется и в транзисторах и в чипах для компьютера. Но, к с сожалению, из-за большой проводимости ученые не могут создать полноценный компьютерный чип из графена, так за долю секунды может произойти перегрев того или иного прибора.

Видео YouTube


   В этом видеоролике рассказывается о будущих аккумуляторах на базе графена.  Планируется оснастить автомобили такими батареями уже в ближайшем будущем.

Видео YouTube


Здесь описывается некий лабораторный эксперимент, где показывается и замеряется мощь, которую может давать графен. В ходе проведения опыта ученый видел, как все медные провода и нити покрываются неким налетом — атомным углеродом, что свидетельствует о  небывалой энергии.

Видео YouTube

В этом видео рассказывается о конференции, которая проходила в 2011 году и была посвящена новым открытиям в области нано физики, в том числе обсуждался такой материал, как графен и его будущее.

Видео YouTube

   На последок  хочу рассказать о видеоролике, где показано как будут выглядеть наши сегодняшние повседневные вещи в недалеком будущем: как часы или будильник  за одну секунду превращаются в мобильный телефон и наоборот, 3-D газету и т. д.

Видео YouTube



Разработан способ быстро определять токсин плесени в продуктах — Газета.Ru

Российские ученые создали прототип сенсора на основе графена, способный точно и быстро определять содержание охратоксина А. Это опасное вещество выделяют некоторые плесневые грибы, которые могут жить на продуктах питания. Разработка ученых поможет определять нарушения на пищевом производстве в реальном времени. Результаты работы опубликованы в журнале Toxins. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда.

«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. — Также 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. При этом 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, предполагают, что одна из причин балканской почечной нефропатии (своеобразной формы почечной недостаточности) — отравление охратоксином А. Также международное агентство по исследованию рака назвало охратоксин А возможным канцерогеном для человека.

Охратоксины — вещества, вырабатываемые плесневыми грибами рода Aspergillus и Penicillium. Они могут содержаться в различных злаках и фруктах, а также в сырье для изготовления вина, пива и кофе. До 40% этих продуктов содержат охратоксин А в разных концентрациях. Проблема заключается в том, что нагревание или химическая обработка не может его разрушить. Поэтому единственный способ предотвратить попадание продуктов с охратоксином на полки магазинов и на обеденный стол — определить его наличие на этапе производства.
Графен — одна из форм углерода, представляющая из себя решетку с шестигранными ячейками. Это вещество обладает уникальными свойствами, например максимальной подвижностью носителей зарядов среди всех известных веществ при минимальной толщине. Однако электрическая проводимость графена может меняться при движении зарядов вблизи его поверхности. Так можно усилить 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.

В исследовании используется принцип действия полевого транзистора. Иначе говоря, 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 в проводе. Так по сигналу с провода можно оценить концентрацию определяемого вещества.

В этой работе ученые показали возможность эффективно оценить количество токсина в течение пяти минут по капле исследуемой жидкости. Сенсор позволил определить 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 успешно оценили количество токсина, который был искусственно добавлен в известной концентрации, в красном вине.

«Избирательность оказалось 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 своих новых работах коллектив планирует заняться проблемой определения токсинов бактерий в пресной воде. Авторы отмечают возможность разработки комплексных портативных систем сенсоров для определения большого количества разных веществ сразу.

[PDF] Графен: новые методы получения и последние

Download Графен: новые методы получения и последние…

Графен: новые методы получения и последние достижения

Графен (вверху), состоящий из атомов углерода, соединенных в виде проволочной сетки, лежит в основе графита и фуллеренов. Графит (нижний левый рисунок), знакомый каждому в виде карандашного стержня, — это хрупкий материал, который можно представить как слоеный торт со слабо связанными листами графена. Когда графен сворачивается в трубку или сферу, то получаются фуллерены. Они подразделяются на цилиндрические, называемые углеродными нанотрубками (внизу в центре), и структуры в форме футбольного мяча (внизу справа), иногда называемые в честь их первооткрывателя шарами Бакминстера (buckyballs). Однако существуют и другие графитовые формы Графен всё более притягателен для исследователей. Если в 2007 году вышло 797 статей, посвященных графену, то за первые 8 месяцев 2008 года — уже 801 публикация. Каковы же наиболее значимые исследования и открытия последнего времени в области графеновых структур и технологий? На сегодняшний день графен (рис. 1) — самый тонкий материал, известный человечеству, толщиной всего в один атом углерода. Он вошел в учебники по физике и в нашу реальность в 2004 году, когда исследователи из Манчестерского университета Андре Гейм и Константин Новоселов сумели его получить, используя обычную ленту-скотч для последовательного отделения слоев от обычного кристаллического графита, знакомого нам в виде карандашного стержня (см. Приложение). Замечателен тот факт, что графеновый лист, помещенный на подложку из оксидированного кремния, можно рассмотреть в хороший оптический микроскоп. И это при его толщине всего в несколько ангстрем (1Å = 10–10 м)! Популярность графена среди исследователей и инженеров растет день ото дня, поскольку он обладает необычными оптическими, электрическими, механическими и термическими свойствами. Многие эксперты предсказывают в недалеком будущем возможную замену кремниевых транзисторов более экономичными и быстродействующими графеновыми (рис. 2).

Рис. 2. Применение графена в качестве транзистора. Так как графен впервые был получен всего четыре года назад, то это вполне естественно, что в настоящее время пока еще нет работающих устройств на его основе, хотя список перспективных технологий довольно обширный. На рисунке приведен пример возможной реализации одноэлектронного транзистора на базе графена. Слева показана схема транзистора, состоящего из графеновых истока (source) и стока (drain), соединенных островком (island) из проводящего материала или из квантовой точки, шириной около 100 нм. Справа показан тестовый транзистор, изображение которого увеличено в 40 000 раз. Островок транзистора настолько мал, что способен уместить только один электрон в один момент времени. Если к островку подходят новые электроны, то они отбрасываются электростатической силой. Любой электрон из истока квантово-механически туннелирует (есть отличная от нуля вероятность его прохождения через энергетический барьер) к островку, после чего «исчезает», просачиваясь к истоку. Напряжение, приложенное к третьему электроду — затвору (не показан на микроснимке), — управляет входом и выходом электрона с островка, таким образом регистрируя либо логический 0 (на островке нет электрона) либо 1 (электрон на островке) Несмотря на то, что механическое отслоение с помощью скотча позволяет получать графеновые слои высокого качества для фундаментальных исследований, а эпитаксиальный способ выращивания графена может обеспечить наикратчайший путь к электронным микросхемам, химики пытаются получить графен из раствора. В добавление к низкой стоимости и высокой производительности, этот метод открывает дорогу ко многим широко используемым химическим техникам, которые позволили бы внедрять графеновые слои в различные наноструктуры либо интегрировать их с различными материалами для создания нанокомпозитов.

Стремительный рост количества исследований на графене показывает, что это действительно очень перспективный материал для широкого круга применений, но до воплощения их в жизнь еще следует построить немало теорий и провести не один десяток экспериментов.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Процесс изготовления графена в «домашних условиях» Для создания и наблюдения самого тонкого материала на нашей планете вам понадобятся чистые условия (например, физикохимическая лаборатория, хотя подойдет и обычная комната с хорошей вентиляцией), чистые руки, желательно в перчатках, и чистые помыслы ☺. 2. Сначала подготовьте подложку, на которую вы будете помещать графен для наблюдения в микроскопе. Для этого нужно взять кремниевую подложку с естественным оксидом на поверхности, которую перед исследованием следует очистить. Лучше всего для этого подойдет раствор соляной кислоты и перекиси водорода в соотношении 1:3. Поместите пластину в раствор на 30 секунд, а затем просушите сжатым азотом.

3. Приложите отслоенный кусочек графита к ленте-скотч, используя пинцет. Аккуратно сложите ленту пополам, накрыв графит липкой стороной. Несильно прижмите ленту к графиту с обеих сторон и неторопливо раскройте скотч, чтобы можно было наблюдать расслоение графита на две части. 4. Повторите предыдущий этап раз десять. Чем тоньше будут становиться слои графита, тем сложнее будет это делать. 5. Очень осторожно поместите ленту-скотч с графитом на поверхность кремниевой подложки. Используя пластиковый пинцет, удалите воздушные пузырьки между лентой и подложкой. Пройдитесь по поверхности образца пинцетом, несильно его придавливая к подложке в течение десяти минут. Затем очень медленно снимите ленту, придерживая подложку. 6. Поместите ваш образец под 50-, а лучше 100-кратную линзу микроскопа. Вы увидите множество графитовых «чешуек» разных размеров и формы, переливающихся всеми цветами радуги. Если вам повезет, вы заметите графен: почти прозрачную, кристаллической формы «чешуйку», бесцветность которой будет сильно отличаться от ярких цветов «толстых» графитовых собратьев. Elementy.ru. 30.09.08

Мировой рекорд в беге на 100 метров мог бы быть лучше Исследование норвежских физиков показывает, что мировой рекорд в беге на 100 метров, установленный ямайским спортсменом Усейном Болтом на недавно завершившейся Олимпиаде в Пекине, мог бы составлять не 9,69 секунд, а чуть ли не 9,5 с, если бы победитель не начал праздновать свой успех на финише дистанции. 16 августа 2008 года ямайский спринтер Усейн Болт побил мировой рекорд в беге на 100 метров (отныне он равняется 9,69 секунды), тем самым улучшив свое же достижение на 0,03 секунды. Это фантастический результат. Его забег стал грандиозным действом не только из-за нового мирового рекорда, но и из-за того, как бежал победитель. Дело в том, что на последних 20 метрах забега Усейн Болт значительно опережал своих ближайших преследователей и главного конкурента Ричарда Томпсона, а потому притормозил и начал празднование своей победы (см. видео). По окончании забега вся мировая спортивная общественность обсуждала вопрос: насколько меньше могло бы быть время Усейна Болта, если бы он «не валял дурака» остаток дистанции? Масла в огонь подлил тренер ямайского спортсмена, сообщив, что мировое достижение могло быть не 9,69 с, а 9,52 или даже еще лучше. Этот вопрос не обошли вниманием и норвежские физики. В своей статье с остроумным названием Velocity Dispersions in a Cluster of Stars: How Fast Could Usain Bolt Have Run? («Дисперсия скоростей в звездном кластере: Насколько быстро мог бы пробежать Усейн Болт?») они попытались дать на него ответ. Физики решили выяснить, каким бы был мировой рекорд в беге на 100 м, если бы Усейн Болт не праздновал свой успех оставшиеся 20 метров, а «добросовестно» добежал дистанцию. Elementy.ru. 23.09.08

На основе углеродной нанотрубки создан новый тип массспектрометра Ученым из Калифорнийского университета и национальной лаборатории Беркли на основе углеродной нанотрубки удалось создать компактный масс-спектрометр с атомной чувствительностью, который работает при комнатной температуре и не требует необходимой для таких измерений ионизации взвешиваемых частиц. Традиционно измерение массы атомов или молекул производят с помощью масс-спектрометра. Главный недостаток этого прибора — необходимость превращения объекты взвешивания в ионы (обычно с этой целью используют электроспрей и ионизацию лазерной десорбцией при содействии матрицы, МАЛДИ). В случае, например, определения массы белковых соединений этот процесс крайне нежелателен. Современный уровень нанотехнологий позволяет избежать таких «варварских» методов. Несколько лет назад было предложено использовать в качестве основного механизма атомных весов наномеханические резонаторы. Суть этого способа, не требующего ионизации частиц, состоит в следующем. У каждого резонатора, не только наномеханического, существует своя частота, определяемая его массой. Когда резонатор начинает адсорбировать атомы или молекулы, то изменение его массы вызывает изменение этой частоты.. Расчеты показывают что, чувствительность резонатора будет высокой, если его масса маленькая, а частота большая. Углеродные нанотрубки идеально подходят для этой цели, обладая меньшими размерами и плотностью, а значит, и массой (равной по порядку величины 10–21 кг) по сравнению с традиционными нанорезонаторами (10–17 кг), изготовленными методом электронно-лучевой литографии. Именно такой сенсор массы на основе углеродной нанотрубки с двойными стенками и предложили ученые из Калифорнийского технологического института в своей работе An atomicresolution nanomechanical mass sensor (многослойную нанотрубку такого типа — из вложенных друг в друга однослойных цилиндрических нанотрубок — называют «русская матрешка»). Итак, каков же принцип работы предложенного сенсора массы? Углеродная нанотрубка закреплена одним концом на электроде и находится в камере, в которой создан высокий вакуум — давление 10–10 мм рт. ст . С вольфрамовой нити, расположенной на расстоянии dCNT = 50,2 см от нанотрубки, испаряются атомы золота, массу которых и предлагается определить. Заслонка регулирует количество попадающих в резонатор атомов золота. Находящиеся на расстоянии dQCM = 12,8 см перпендикулярно направлению испарения взвешиваемых частиц, кварцевые микровесы (QCM, quartz crystal microbalance) выполняют функцию калибровочного устройства для нанотрубки, контролируя равномерность испарения атомов золота. Иными словами, предназначение этих весов — убеждаться в постоянстве массового потока от вольфрамовой нити. Для детектирования механических колебаний резонатора ученые использовали уникальную особенность углеродных нанотрубок, заключающуюся в зависимости между ее механическими колебаниями и током автоэлектронной эмиссии (рис. 2). Как показали измерения, до открытия заслонки частота резонатора составила 328,5 МГц. Из соотношения между частотой резонатора и его массой получаем, что поглощение одного

цептограмма массы (1 цептограмм (цг) = 10–24 кг) соответствует уменьшению частоты резонатора на Δf = 0,104 МГц (то есть чувствительность резонатора равна 0,104 МГц/цг). Участок схемы, с помощью которой по величине тока автоэлектронной эмиссии детектируют частоту механических колебаний нанотрубки. В динамике работа сенсора массы выглядит так. С помощью кварцевых микровесов при закрытой заслонке исследователи убеждались в постоянстве массового потока атомов золота, испаряющихся с вольфрамовой нити. После этого ученые открывали заслонку, позволяя небольшому количеству атомов достичь углеродной нанотрубки. Далее заслонка закрывалась, и спустя некоторое время эксперимент повторялся вновь. Elementy.ru.21.10.08

Физики открыли идеальный изолятор Группа физиков из США, России, Германии и Бельгии обнаружила полное отсутствие проводимости в тонких пленках нитрида титана, охлажденных до температур, близких к абсолютному нулю, и находящихся в сильном магнитном поле. Парадоксально, но причиной возникновения сверхизоляции оказываются исключительно эффекты, присущие явлению сверхпроводимости. Всё начиналось с 1911 года, когда Хейке Камерлинг-Оннес открыл в образце ртути явление сверхпроводимости — отсутствие сопротивления при температурах вблизи абсолютного нуля при протекании через материал электрического тока. Спустя 46 лет, в 1957 году Бардин, Купер и Шриффер предложили модель сверхпроводимости, согласно которой электроны проводимости в веществе объединяются в так называемые куперовские пары (см. Эффект Купера) и ведут себя как единый квантовомеханический объект (теория Бардина–Купера–Шриффера, теория БКШ). Эта концепция позволила объяснить загадочное на то время явление сверхпроводимости. В 1962 году Брайан Джозефсон, молодой аспирант Лаборатории Монд в Кембридже, по заданию своего научного руководителя Альфреда Пиппарда теоретически исследовал задачу о поведении контакта двух сверхпроводников или сверхпроводника с диэлектриком и получил принципиально новые эффекты, впоследствии названные в его честь эффектами Джозефсона. Выяснилось, что при таком контакте возможно протекание стационарного тока через изолятор, причем при отсутствии приложенного напряжения между двумя сверхпроводниками (стационарный эффект Джозефсона). А в 2008 году Кристофер Штранк из Университета Регенсбурга в Германии, Валерий Винокур из Аргоннской национальной лаборатории в США, Татьяна Батурина из новосибирского Института физики полупроводников и другие учёные из России, Германии и Бельгии обнаружили полное отсутствие проводимости в тонких пленках нитрида титана, охлажденных до температур, близких к абсолютному нулю, и находящихся в сильном магнитном поле. (Их работа опубликована в последнем номере журнала Nature.) Какое отношение, казалось бы, последнее событие имеет к первым трем? Как выяснилось, несмотря на свою противоположность по существу (сверхпроводник vs отсутствие проводимости), самое непосредственное. Но обо всём по порядку. Представим, что в нашем распоряжении находится двумерная система — тонкая пленка нитрида титана, охлажденная до температуры, близкой к 0 К, которую можно представить в виде модели со множеством джозефсоновских контактов, и на этот исследуемый объект (рис. 1) подается постоянный ток.

Изучению протекания тока именно через такую систему и посвящена статья в Nature. На рис. 1 маленькими кругами обозначены сверхпроводящие области пленки (домены), соединенные, как говорят физики, слабыми джозефсоновскими связями (черные перечеркнутые прямоугольники на картинке). По сути, эти прямоугольники представляют собой изолирующие барьеры, как бы «мешающие» распространиться сверхпроводимости на всю область. Куперовские пары могут свободно туннелировать через барьеры согласно теории эффекта Джозефсона. В итоге мы имеем бездиссипативное (то есть без потерь) протекание тока через образец, а значит, материал в целом является сверхпроводником. Пленка как массив джозефсоновских контактов — это всего лишь приближение, на самом деле она представляет собой гранулированную структуру маленькой толщины, в которой гранулы при низких температурах могут стать сверхпроводящими доменами, при этом сами гранулы разделены изолирующими областями, остающимися такими даже при сильном понижении температуры. Вообще говоря, физики и до этого активно занимались исследованием электродинамических свойств таких объектов. Их интерес вызван тем, что эти свойства напрямую зависят от толщины пленки. Например, такой зависимости подвержена критическая температура перехода состояния пленки из изолирующего состояния в сверхпроводящее. При температуре 70 мК (милликельвинов) и в магнитном поле с индукцией 0,9 Тл (тесла) — то есть приблизительно в 2000 раз сильнее магнитного поля Земли — пленка ведет себя как обычный изолятор, при маленьких напряжениях демонстрируя даже согласие с законом Ома. Однако при понижении температуры до 20 мК при конечном напряжении сила тока резко устремляется к нулю, что означает бесконечное сопротивление. По сути, имеет место квантовое явление, полная противоположность сверхпроводимости, — сверхизоляция. Удивительно, но эффект сверхизоляции мирно сосуществует в данном эксперименте со сверхпроводимостью — домены ведь по-прежнему остаются сверхпроводящими. Из школьного курса физики известно, что по отношению к протеканию электрического тока все вещества делятся на проводники и изоляторы (диэлектрики). Характеристикой проводимости электрического тока через вещество является его удельное сопротивление ρ: чем меньше значение ρ, тем лучше протекает электрический ток. Например, для меди, одного из лучших проводников, при комнатной температуре ρ = 0,0175. В принципе, изолятор — это такие же проводники, но только с намного большим удельным сопротивлением (у каучука ρ = 4·1027). Таким образом, здесь имеет место явление, когда в целом, несмотря на наличие сверхпроводящих областей, пленка нитрида титана обладает удельным сопротивлением, равным бесконечности: ρ = ∞. Это действительно позволяет говорить об идеальном изоляторе и собственно о явлении сверхизоляции. Elementy.ru.9.04.08

Космический глаз Байкала

В 1920-х гг. было обнаружено, что при некоторых радиоактивных распадах не выполняется закон сохранения энергии. Спустя десять лет швейцарский физик Вольфганг Паули предположил, что недостающую энергию уносит неизвестная нейтральная частица, обладающая высокой проникающей способностью, впоследствии получившая название нейтрино. Паули считал, что совершил нечто недостойное физика-теоретика: постулировал существование гипотетического объекта, который никому не удастся обнаружить, поспорив даже со своим другом, астрономом Вальтером Бааде, что нейтрино никогда не будет зарегистрировано экспериментально. Паули повезло, он проиграл спор: в 1956 г. американские физики К. Коуэн и Ф. Райнес «поймали» неуловимую частицу. Что дает использование нейтринного телескопа? Зачем прилагать неимоверные усилия для поимки неуловимых частиц, если огромное количество информации на Землю доставляют обычные электромагнитные волны? Все небесные тела не прозрачны для электромагнитного излучения, и если ученые хотят заглянуть в недра Солнца, Земли, галактического ядра (именно там происходят самые интересные процессы), то помочь в этом могут только нейтрино. В 1960 г. советский физик-теоретик, академик М. А. Марков предложил использовать для поимки неуловимых частиц естественные водные резервуары. Все вещество нашей планеты есть гигантский детектор для регистрации нейтрино. Прилетая к нам из космоса, некоторые из них взаимодействуют с отдельными атомами Земли, передавая им часть своей энергии, а заодно и ценную информацию о процессах, происходящих в различных уголках Вселенной. Нужно только суметь ее «увидеть», и проще всего это сделать, наблюдая большие объемы океанской воды. В конце 1970-х гг. советский ученый, академик, доктор физико-математических наук А.Е. Чудаков предложил использовать для детектирования нейтрино озеро Байкал. Этот уникальный природный резервуар пресной воды, как оказалось, оптимально подходит для решения такой задачи. Во-первых, из-за его глубины, которая превышает 1 км; во-вторых, из-за прозрачности чистейшей воды, составляющей примерно 22 м; в-третьих, из-за того, что на большой глубине в течение всего года температура остается постоянной — 3,4°С; и самое главное, зимой озеро покрывается толстым слоем льда, с которого очень удобно опускать под воду научную аппаратуру. Строительство телескопа началось в 1990 г., а в 1994 г. было зарегистрировано первое в мире подводное нейтрино. Основу нейтринного телескопа составляют специально созданные для него фотоумножители, помещенные в стеклянные сферы, выдерживающие давление свыше 100 атм. Они попарно крепятся на специально разработанный для данного эксперимента грузонесущий кабель-трос и опускаются через прорубь в воду. Длина троса превышает километр. Снизу он фиксируется при помощи тяжелых якорей, а вверх его тянут буи (гигантские «поплавки»). В результате вся эта «гирлянда» принимает строго вертикальное положение, при этом самые верхние буи находятся на глубине 20 м. Синхронизация работы фотоумножителей осуществляется с помощью лазерного

источника света, который через определенные промежутки времени «засвечивает» байкальскую воду внутри детектора. Такое периодическое импульсное освещение играет роль своеобразных «меток» времени при анализе информации, поступающей с фотоумножителей. Кроме того, на дне на расстоянии 600 м от центра детектора закреплены акустические датчики, которые просвечивают весь его объем звуковыми волнами и фиксируют малейшие колебания фотоумножителей. Сооружение имеет модульный характер; добавляя новые гирлянды к уже имеющимся, можно наращивать рабочий объем детектора. На сегодняшний день работает 11 гирлянд, и эффективная масса детектора составляет примерно 20 Мт. К 2012 г. планируется увеличить ее до 300 Мт, а в 2016 г. телескоп должен достичь своей проектной мощности, близкой к 1 Гт, что соответствует объему в 1 км3. За все время работы Байкальского телескопа было зарегистрировано около 400 событий, порожденных высокоэнергичными нейтрино, но почти все они — атмосферные. В связи с этим нужно было выделить из множества событий те, которые принадлежат нейтрино, прилетевшим из дальнего космоса, т. к. именно они представляют наибольший научный интерес. В 1931 г. Поль Дирак ввел в физику необычную частицу — магнитный монополь. Английский ученый смог доказать, что существование хотя бы одного магнитного заряда сразу бы объяснило непонятный факт квантования электрического заряда. До сих пор все усилия обнаружить экзотическую частицу заканчивались неудачей. Но если магнитный заряд все-таки существует, то, двигаясь в веществе, он будет излучать электромагнитные волны. И если это редкое событие произойдет вблизи Сибирского детектора, то монополь будет обнаружен «В мире науки» №5, 2008

Графен и его использование. Открытие графена. Нанотехнологии в современном мире

Сравнительно недавно в науке и технике появилась новая область, которую назвали нанотехнологией. Перспективы данной дисциплины не просто обширны. Они грандиозны. Частица, именуемая «нано», представляет собой величину, равную одной миллиардной доле от какого-либо значения. Подобные размеры можно сравнить только с размерами атомов и молекул. Например, нанометром называют одну миллиардную долю метра.

Основное направление новой области науки

Нанотехнологиями называют те, которые манипулируют веществом на уровне молекул и атомов. В связи с этим данную область науки называют еще и молекулярной технологией. Что же явилось толчком к ее развитию? Нанотехнологии в современном мире появились благодаря лекции Ричарда Фейнмана. В ней ученый доказал, что не существует никаких препятствий для создания вещей непосредственно из атомов.

Средство для эффективного манипулирования мельчайшими частицами назвали ассемблером. Это молекулярная наномашина, с помощью которой можно выстроить любую структуру. Например, природным ассемблером можно назвать рибосому, синтезирующую белок в живых организмах.

Нанотехнологии в современном мире являются не просто отдельной областью знаний. Они представляют собой обширную сферу исследований, непосредственно связанную со многими фундаментальными науками. В их числе находятся физика, химия и биология. По мнению ученых, именно эти науки получат наиболее мощный толчок к развитию на фоне грядущей нанотехнической революции.

Область применения

Перечислить все сферы деятельности человека, где на сегодняшний день используются нанотехнологии, невозможно из-за весьма внушительного перечня. Так, при помощи данной области науки производятся:

— устройства, предназначенные для сверхплотной записи любой информации;
— различная видеотехника;
— сенсоры, солнечные элементы, полупроводниковые транзисторы;
— информационные, вычислительные и информационные технологии;
— наноимпринтинг и нанолитография;
— устройства, предназначенные для хранения энергии, и топливные элементы;
— оборонные, космические и авиационные приложения;
— биоинструментарий.

На такую научную область, как нанотехнологии, в России, США, Японии и ряде европейских государств с каждым годом выделяется все больше финансирования. Это связано с обширными перспективами развития данной сферы исследований.

Нанотехнологии в России развиваются согласно целевой Федеральной программе, которая предусматривает не только большие финансовые затраты, но и проведение большого объема конструкторских и научно-исследовательских работ. Для реализации поставленных задач происходит объединение усилий различных научно-технологических комплексов на уровне национальных и транснациональных корпораций.

Новый материал

Нанотехнологии позволили ученым изготовить углеродную пластину более твердую, чем алмаз, толщина которой составляет всего один атом. Состоит она из графена. Это самый тонкий и прочный материал во всей Вселенной, который пропускает электричество намного лучше кремния компьютерных чипов.

Открытие графена считается настоящим революционным событием, которое позволит многое изменить в нашей жизни. Этот материал обладает настолько уникальными физическими свойствами, что в корне меняет представление человека о природе вещей и веществ.

История открытия

Графен представляет собой двухмерный кристалл. Его структура является гексагональной решеткой, состоящей из атомов углерода. Теоретические исследования графена начались задолго до получения его реальных образцов, так как данный материал является базой для построения трехмерного кристалла графита.

Еще в 1947 г. П. Воллес указал на некоторые свойства графена, доказав, что его структура аналогична металлам, и некоторые характеристики подобны тем, которыми обладают ультрарелятивистские частицы, нейтрино и безмассовые фотоны. Однако у нового материала есть и определенные существенные отличия, делающие его уникальным по своей природе. Но подтверждение этим выводам было получено только в 2004 г., когда Константином Новоселовым и Андреем Геймом впервые был получен углерод в свободном состоянии. Это новое вещество, которое назвали графеном, и стало крупным открытием ученых. Найти этот элемент можно в карандаше. Его графитовый стержень состоит из множества слоев графена. Каким образом карандаш оставляет след на бумаге? Дело в том, что, несмотря на прочность составляющих стержень слоев, между ними существуют весьма слабые связи. Они очень легко распадаются при соприкосновении с бумагой, оставляя след при письме.

Использование нового материала

По мнению ученых, сенсоры, созданные на основе графена, смогут анализировать прочность и состояние самолета, а также предсказывать землетрясения. Но только тогда, когда материал с такими потрясающими свойствами покинет стены лабораторий, станет понятно, в каком направлении пойдет развитие практического применения данного вещества. На сегодняшний день химики, физики, а также инженеры-электронщики уже заинтересовались уникальными возможностями графена. Ведь всего несколькими граммами этого вещества можно покрыть территорию, равную футбольному полю.

Графен и его применение потенциально рассматриваются в производстве легковесных спутников и самолетов. В этой сфере новый материал способен заменить углеродные волокна в композиционных материалах. Нановещество может быть использовано вместо кремния в транзисторах, а его внедрение в пластмассу придаст ей электропроводность.

Графен и его применение рассматриваются и в вопросах изготовления датчиков. Эти устройства, выполненные на основе новейшего материала, будут способны обнаруживать самые опасные молекулы. А вот использование пудры из нановещества при производстве электрических аккумуляторов в разы увеличит их эффективность.

Графен и его применение рассматриваются в оптоэлектронике. Из нового материала получится очень легкий и прочный пластик, контейнеры из которого позволят в течение нескольких недель сохранять продукты в свежем состоянии.

Использование графена предполагается и для изготовления прозрачного токопроводящего покрытия, необходимого для мониторов, солнечных батарей и более крепких и устойчивых к механическим воздействиям ветряных двигателей.

На основе наноматериала получатся лучшие спортивные снаряды, медицинские имплантаты и суперконденсаторы.

Также графен и его применение актуальны для:

— высокочастотных высокомощных электронных устройств;
— искусственных мембран, разделяющих две жидкости в резервуаре;
— улучшения свойства проводимости различных материалов;
— создания дисплея на органических светодиодах;
— освоения новой техники ускоренного секвенирования ДНК;
— улучшения жидкокристаллических дисплеев;
— создания баллистических транзисторов.

Использование в автомобилестроении

Согласно данным исследователей, удельная энергоемкость графена приближается к 65 кВт*ч/кг. Данный показатель в 47 раз превышает тот, который имеют столь распространенные ныне литий-ионные аккумуляторы. Этот факт ученые использовали для создания зарядных устройств нового поколения.

Графен-полимерный аккумулятор — прибор, при помощи которого максимально эффективно удерживается электрическая энергия. В настоящее время работа над ним ведется исследователями многих стран. Значительных успехов достигли в этом вопросе испанские ученые. Графен-полимерный аккумулятор, созданный ими, имеет энергоемкость, в сотни раз превышающую подобный показатель у уже существующих батарей. Используют его для оснащения электромобилей. Машина, в которой установлен графеновый аккумулятор, может проехать без остановки тысячи километров. На подзарядку электромобиля при исчерпании энергоресурса понадобится не более 8 минут.

Сенсорные экраны

Ученые продолжают исследовать графен, создавая при этом новые и не имеющие аналогов вещи. Так, углеродный наноматериал нашел свое применение в производстве, выпускающем сенсорные дисплеи с большой диагональю. В перспективе может появиться и гибкое устройство подобного типа.

Ученые получили графеновый лист прямоугольной формы и превратили его в прозрачный электрод. Он-то и участвует в работе сенсорного дисплея, отличаясь при этом долговечностью, повышенной прозрачностью, гибкостью, экологичностью и низкой стоимостью.

Получение графена

Начиная с 2004 г., когда был открыт новейший наноматериал, ученые освоили целый ряд методов его получения. Однако самыми основными из них считаются способы:

— механической эксфолиации;
— эпитаксиального роста в вакууме;
— химического перофазного охлаждения (CVD-процесс).

Первый из этих трех методов является наиболее простым. Производство графена при механической эксфолиации представляет собой нанесение специального графита на клейкую поверхность изоляционной ленты. После этого основу, подобно листу бумаги, начинают сгибать и разгибать, отделяя нужный материал. При применении данного способа графен получается самого высокого качества. Однако подобные действия не годятся для массового производства данного наноматериала.

При использовании метода эпитаксиального роста применяют тонкие кремниевые пластины, поверхностный слой которых является карбидом кремния. Далее этот материал нагревают при очень высокой температуре (до 1000 К). В результате химической реакции происходит отделение атомов кремния от атомов углерода, первые из которых испаряются. В результате на пластинке остается чистый графен. Недостатком подобного метода является необходимость использования очень высоких температур, при которых может произойти сгорание атомов углерода.

Самым надежным и простым способом, применяемым для массового производства графена, является CVD-процесс. Он представляет собой метод, при котором протекает химическая реакция между металлическим покрытием-катализатором и углеводородными газами.

Где производится графен?

На сегодняшний день крупнейшая компания, изготавливающая новый наноматериал, находится в Китае. Название этого производителя — Ningbo Morsh Technology. Производство графена начато им в 2012 году.

Главным потребителем наноматериала выступает компания Chongqing Morsh Technology. Графен используется ею для производства проводящих прозрачных пленок, которые вставляют в сенсорные дисплеи.

Сравнительно недавно известная компания Nokia оформила патент на светочувствительную матрицу. В составе этого столь необходимого для оптических приборов элемента находится несколько слоев графена. Такой материал, использованный на датчиках камер, в значительной мере увеличивает их светочувствительность (до 1000 раз). При этом наблюдается и снижение потребления электроэнергии. Хорошая камера для смартфона также будет содержать графен.

Получение в бытовых условиях

Можно ли изготовить графен в домашних условиях? Оказывается, да! Необходимо просто взять кухонный блендер мощностью не менее 400 Вт, и следовать методике, разработанной ирландскими физиками.

Как же изготовить графен в домашних условиях? Для этого в чашу блендера выливают 500 мл воды, добавляя в жидкость 10-25 миллилитров любого моющего вещества и 20-50 грамм толченого грифеля. Далее прибор 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.

Оксиды наноматериала

Ученые активно исследуют и такую структуру графена, которая внутри или по краям углеродной сетки имеет присоединенные кислородосодержащие функциональные группы или (и) молекулы. Это оксид самого твердого нановещества, который является первым двумерным материалом, дошедшим до стадии коммерческого производства. Из нано- и микрочастиц этой структуры ученые изготовили сантиметровые образцы.

Так, оксид графена в сочетании с диофилизированным углеродом был недавно получен китайскими учеными. Это весьма легкий материал, сантиметровый кубик которого удерживается на лепестках небольшого цветка. Но при этом новое вещество, в котором находится оксид графена, является одним из самых твердых в мире.

Биомедицинское применение

Оксид графена обладает уникальным свойством селективности. Это позволит данному веществу найти биомедицинское применение. Так, благодаря работам ученых стало возможным использование оксида графена для диагностики раковых заболеваний. Обнаружить злокачественную опухоль на ранних стадиях ее развития позволяют уникальные оптические и электрические свойства наноматериала.

Также оксид графена позволяет производить адресную доставку лекарственных и диагностических средств. На основе данного материала создаются сорбционные биодатчики, указывающие на молекулы ДНК.

Индустриальное применение

Различные сорбенты на основе оксида графена могут быть применены для дезакцивации зараженных техногенных и природных объектов. Крое того, данный наноматериал способен переработать подземные и поверхностные воды, а также почвы, очистив их от радионуклидов.

Фильтры из оксидов графена могут обеспечить суперчистотой помещения, где производятся электронные компоненты специального назначения. Уникальные свойства данного материала позволят проникнуть в тонкие технологии химической сферы. В частности, это может быть извлечение радиоактивных, рассеянных и редких металлов. Так, использование оксида графена позволит добыть золото из бедных руд.

Нобелевка по физике 2010 года за новаторские эксперименты с графеном

Надо сказать, что оба лауреата, хотя и «родом из СССР», но уже давно работают за границей. Гейм родился в 1958 г. в южном городе Сочи, а Новоселов —  в 1974 г. в суровом уральском Нижнем Тагиле. Оба они получили высшее образование в Московском физико-техническом институте.

Гейм, работая в Институте физики твердого тела Академии наук СССР (Черноголовка), в 1987 г. защитил кандидатскую диссертацию («Исследование механизмов транспортной релаксации в металлах методом геликонового резонанса») и уже в 1990 г., получив стипендию Английского королевского общества, уехал из Советского Союза. С тех пор он работает за границей, сначала в Нидерландах (Университет Св. Радбода, Неймеген), а позже в Великобритании (Университет Манчестера).

Как писал сам Гейм: «… условия для исследований в Неймегене были гораздо лучше, чем в России, и в конечном счете позволяли выжить в научном плане: спасибо «загранице»».

Константин Новоселов работает с Геймом с 1999 г., начав его аспирантом в Нидерландах. Сейчас оба они — профессора Университета Манчестера, Гейм — гражданин Нидерландов, а Новоселов — Великобритании. Кстати, после того, как бывшие россияне удостоились самой престижной научной награды, их приглашали вернуться и поработать в российском иннограде «Сколково», однако Гейм заочно отказался от этого предложения.

Лауреаты Нобелевской премии по физике за 2010 г. Андрей Гейм (слева) и Константин Новоселов (справа)

Можно добавить, что Андрей Гейм пока единственный ученый, умудрившийся одновременно получить как престижную и серьезную Нобелевскую премию, так и шутливую — Шнобелевскую. Лауреатами Шнобелевской премии становятся ученые, работы которых «сначала заставляют смеяться, а потом думать». Другая формулировка критериев отбора — «исследования», которые невозможно или не нужно повторять. Вручается эта награда ежегодно, накануне Нобелевской недели, и эта церемония совершенно не похожа на чопорное мероприятие в Стокгольме — в зале запускаются бумажные самолетики, гостям представляется премьера мини-оперы, посвященной теме церемонии, лауреаты выступают с короткой речью. Но если их излияния затягиваются, то специальная восьмилетняя девочка прерывает речь криком: «Мне скучно!»

 

Андрей Гейм удостоился Шнобелевской премии в 2000 г. (совместно с сэром М. Берри из Бристольского университета) за свои работы «по левитированию лягушек при помощи магнита». Парящая в воздухе лягушка, фотография которой даже вошла в учебники, стала результатом исследований Геймом магнитных свойств металлов, диэлектриков и полупроводников и наглядной демонстрации того, что ничтожная магнитная восприимчивость воды (из которой на 70 % состоит тело лягушки) — в миллиарды раз меньшая, чем у железа, — тем не менее в чрезвычайно мощных магнитных полях (около 20 Тл) оказывается достаточной для компенсации земного притяжения.

Парящая в чрезвычайно мощном магнитном поле лягушка ( эта фотография вошла в учебники)

Кусок графита (3D-материал)

Интересно мнение одного из манчестерских аспирантов, работавшего с Геймом: «… эти ребята полны сарказма и много пьют, но знаете, здесь все хотят работать у Андрея».

Но вернемся к графену (сам термин «графен» был введен в 1962 г. немецким физиком Ханс-пете Боем). Двумерный кристалл графен — это одна из разновидностей углерода, который является основой всей жизни на Земле. Способность его атомов образовывать сложные цепи является фундаментальной для органической химии. Атомарный углерод демонстрирует необычайно сложное поведение, которое выражается в образовании ряда существенно различающихся по свойствам структур. До недавнего времени были известны три его аллотропные формы (аллотропными формами называют вещества, сходные по составу, но различающиеся химическим строением). Для углерода явление аллотропии обусловлено способом размещения атомов или молекул в кристаллической решетке. Уже давно были известны такие формы углерода, как алмаз, графит и карбин. Несколько десятилетий назад были открыты фуллерены (класс аллотропных форм углерода, представляющий собой выпуклые замкнутые многогранники, фуллерен С60 по форме напоминает футбольный мяч) и нанотрубки. Кстати, фуллерен обязан своим названием американскому архитектору Ричарду Фуллеру, чьи конструкции строились по этому принципу.

Структура фуллерена (0D)

Графен (верхний рисунок) — это 2D (двумерный) строительный материал для других углеродных аллотропных модификаций. Он может быть свернут в 0D-фуллерен (слева), скручен в 1D-углеродную нанотрубку (в центре) или уложен в 3D-штабеля, образуя графит (справа).
Рисунок из статьи A. K. Geim и K. S. Novoselov «The rise of graphene в Nature Materials»

Биосфера архитектора Фуллера. (Павильон США на «Экспо-67», ныне музей «Биосфера» в Монреале, Канада)

Таким образом, до 2004 г. были известны следующие аллотропные формы углерода:

  • трехмерные (3D — алмаз, графит). В алмазе элементарный строительный блок — тетрайдр. Графит имеет плоскую слоистую структуру, соседние слои сдвинуты на полпериода решетки, причем сильная химическая связь существует лишь в пределах одного слоя;
  • одномерные (1D — нанотрубки). Нанотрубка — одномерная углеродная структура, все атомы которой находятся на поверхности. Электронные и оптические свойства такой системы полностью определяются ее геометрией, и в первую очередь диаметром нанотрубки, т. е. это материал, обладающий варьируемыми свойствами;
  • нульмерные (0D — фуллерены).

Андрей Гейм с макетом графеновой плоскости в руках

В этой последовательности не хватало двумерной формы, долго сопротивлявшейся всем экспериментальным попыткам ее получить. Многочисленные попытки синтезировать двумерные атомные кристаллы графита заканчивались неудачей. Эти трудности не были сюрпризом для исследователей, поскольку имелось серьезное теоретическое обоснование того, что двумерные кристаллы и не могут существовать. Действительно, более семидесяти лет назад Лев Ландау и Рудольф Пайерлс доказали, что таких материалов существовать не может: силы взаимодействия между атомами должны смять их в гармошку или свернуть в трубочку (нанотрубки). Теория указывала, что смещения атомов в низкоразмерных кристаллических решетках под воздействием тепловых флуктуаций становятся сравнимыми с межатомными расстояниями при любой конечной температуре. Это было подтверждено многими экспериментальными наблюдениями. В самом деле, температура плавления тонких пленок быстро снижается с уменьшением толщины, и пленки становятся нестабильными (разделяются на островки или распадаются) уже при толщине в десяток атомных слоев.

 

Поэтому атомные монослои долгое время были известны только как неотъемлемая часть более сложных 3D-структур. Ранние попытки выделить графен концентрировались на методе химического отслоения. С этой целью образец графита сначала расслаивался так, что плоскости графена отделялись промежуточными слоями атомов или молекул. Обычно в результате получались новые 3D-материалы. Однако в некоторых случаях между атомными плоскостями удавалось вставить большие молекулы, что обеспечивало лучшее разделение, и образованные структуры могли рассматриваться как изолированные слои графена, встроенные в 3D-матрицу. Использовалось и выращивание графена на поверхности другого монокристалла. А при использовании подхода, аналогичного выращиванию углеродных нанотрубок, получались графитовые пленки толщиной более 100 слоев.

Кристаллическая решетка графена — слой графита толщиной в один атом

Процесс разворачивания нанотрубки

И вот в 2004 г. в группе под руководством Андрея Гейма наконец-то удалось получить «неуловимый» графен в стабильном состоянии, да еще и весьма незамысловатым и малозатратным способом, не требующим сложного оборудования. Этот способ позже получил красивое название — усовершенствованная техника микромеханического скалывания. Дальнейшие исследования показали, что графен обладает целым набором уникальных кристаллических и электронных свойств, делающих его «лакомым кусочком» для новой физики и потенциальных электронных приложений. Результаты этих усилий и были оценены научной общественностью присуждением Нобелевской премии.

Вот как позже описал историю получения графена Андрей Гейм в своей нобелевской лекции: «Осенью 2002 года прибыл наш первый манчестерский аспирант, Да Цзян, и мне нужно было придумать для него тему диссертации. Было ясно, что первые несколько месяцев ему будет необходимо изучать английский язык и ознакомиться с лабораторией, соответственно для начала я предложил ему очередной «побочный» эксперимент. Задача состояла в том, чтобы изготовить пленку графита настолько тонкую, насколько это возможно. Если получится, то я обещал, что мы будем изучать ее «мезоскопические» свойства… Я просчитал, что если нам повезет и удастся создать тонкие пленки из графита, то в них уже смогут проявиться эффекты электрического поля и/или некоторые другие интересные свойства, похожие на те, что имеются в углеродных нанотрубках (начало 2000-х гг. было как раз пиком популярности исследования нанотрубок. — Прим. автора). При наихудшем сценарии, поскольку наши мезоскопические образцы представляли бы собой монокристаллы, это помогло бы прояснить дискуссионные вопросы, касающиеся графита.

Для изготовления тонких графитовых пленок я дал Да Цзяну таблетку пиролитического графита (поликристаллический углеродный материал, получаемый методом химического газофазного осаждения при пиролизе углеводородов, характеризуется высокой термической стойкостью, отсутствием открытой пористости и используется в качестве конструкционного и тигельного материала в производстве чистых металлов, монокристаллов и полупроводников. — Прим. автора) с толщиной в несколько миллиметров и диаметром в два с половиной сантиметра и предложил ему использовать полировальную машину. У нас была специальная машина, обеспечивавшая субмикронную точность. Через несколько месяцев Да заявил, что достиг предельной толщины, и показал мне крошечный кусочек графита на дне чашки Петри. Я взглянул на графит в оптический микроскоп и оценил его толщину примерно в 10 мкм. Слишком толстый подумал я и предложил попробовать использовать полировальную жидкость. Однако, как оказалось, для получения этого образца Да уже отработал всю таблетку (стоимостью около 500 долларов. — Прим. автора). На самом деле это была моя вина… Более того, я по ошибке дал ему образец высокоплотного пиролитического графита, вместо высокоориентированного графита, который легче шлифовался.

Олег Шкляревский, старший научный сотрудник из Харькова, работал рядом и вынужденно услышал весь ход моих поддразниваний, на сей раз о горе, которую следует шлифовать до размера песчинки… Олег вмешался, принеся с собой кусок скотча — самоклеящейся ленты с графитовыми чешуйками, которую он только что выудил из мусорной корзины. В самом деле, высокоориентированный пиролитический графит — это стандартно используемый материал для сканирующей туннельной микроскопии, где образец со свежей поверхностью обычно готовится путем отслаивания верхнего слоя графита с помощью липкой ленты. Мы года использовали эту технику, но никогда внимательно не смотрели на то, что же мы выбрасываем вместе с лентой. Я посмотрел в микроскоп на остатки графита и обнаружил фрагменты намного меньшей толщины, чем та, что была у Да. Только тогда я осознал, как это было неразумно с моей стороны — предложить полировальную машину. Полировка умерла, да здравствует скотч!»

Как шутил позже Константин Новоселов: «За то, что мы ее (ленту) подобрали и исследовали, нас обозвали garbage scientists — мусорными учеными».

Следы графита, оставшиеся на скотче (а).
Некоторые кристаллики оптически прозрачны, если взглянуть на них через оптический микроскоп (b).
На подложке из оксида кремния светопроницаемые кристаллики дают различные оттенки голубого цвета (c).
Одно из самых первых устройств для измерения электрических свойств графена, изготовленное с помощью «сургуча и веревки» (d)

Спустя несколько лет в интервью веб-сайту Sciencewatch Александр Гейм так описал метод усовершенствованной техники микромеханического скалывания: «Вы ставите (липкую ленту) на графит и очищаете ею верхний слой графита, хлопья графита остаются на вашей ленте… Тогда вы складываете ленту пополам и приклеиваете ее к хлопьям на верхней части и разделяете их снова. Вы повторяете эту процедуру 10 или 20 раз. Каждый раз хлопья разделяются на все более тонкие и тонкие. В конце у вас остаются очень тонкие хлопья, которые все еще на вашей ленте».

Уже в первых экспериментах площадь полученных чешуек графита достигала одного квадратного миллиметра, что было вполне достаточно, чтобы перенести материал на подложку и исследовать его механические и электронные свойства. Здесь, по мнению самих ученых, существенной составляющей успеха стало наблюдение, что тонкие фрагменты (чешуйки) графита, помещенные на пластину кремния, покрытую тонким слоем оксида, выглядели окрашенными в разные цвета вследствие интерференции. Это указывало на то, что некоторые фрагменты оптически прозрачны, и, более того, по цвету можно было судить о том, какие из них наиболее тонкие. Авторы считают, что если бы не этот достаточно простой, но эффективный способ сканировать подложку с помощью оптического микроскопа в поисках кристаллов графена, их, вероятно, не открыли бы и по сей день.

 

Но важно было не только получить то, что считалось невозможным, — слои графита толщиной в один атом, но и определить их физические свойства. Этим и занялись исследователи — в 2004 г. в престижном журнале Science вышла первая статья Гейма и Новоселова, в которой суммировались результаты их интенсивных исследований. Проводимость, прочность, стабильность графена оказались уникальными (каждое из изученных свойств превосходило аналогичные свойства материалов-конкурентов).

 

Сам Гейм считает самым удивительным из полученных экспериментальных результатов то, что отдельные атомные плоскости вообще сохраняют свою целостность в свободном состоянии и обладают проводимостью. Как же примирить теоретически предсказанную нестабильность двумерных кристаллов с фактом получения графена?

 

Соображения следующие — любой существующий метод получения графена использует 3D-кристалл, а не рост 2D. Графеновые листы изначально формируются либо в объеме, либо в верхнем слое эпитаксиальной подложки. 2D-кристаллы графена, извлеченные из объемного 3D-материала, остаются как бы замороженными в метастабильном состоянии потому, что их небольшие размеры (существенно меньше 1 мм) и сильные межатомные связи препятствуют образованию дислокаций или других дефектов кристаллической решетки вследствие тепловых флуктуаций даже при повышенной температуре. Дополнительным аргументом служит то, что извлеченные 2D-кристаллы становятся практически стабильными вследствие мягкого сжатия в третьем измерении (когда кристалл становится не идеально плоским, а, например, волнистым). Это ведет к увеличению энергии упругой деформации, но подавляет тепловые колебания. Температуры, требующиеся для необратимого разрушения графена на воздухе, по крайней мере, в два раза превышают комнатную. Таким образом, обычные условия земной среды оказались вполне подходящими для сохранности графеновой решетки и, соответственно, существования графена.

 

Оглядываясь назад, можно отметить, что слоистая структура графита, который можно представить в виде стопки из слабосвязанных графеновых плоскостей, была известна уже очень давно. Именно благодаря такой структуре рисуют обычные карандаши, и монослои графита при внимательном исследовании можно обнаружить в любой карандашной надписи или рисунке. Получается, что графен буквально годами был у всех на глазах, прямо перед нашим носом, но только современное развитие научных исследований позволило понять, что же это на самом деле.

Применения графена

Ценность нового материала для развития физических исследований трудно переоценить. «Фактически графен открывает новую научную парадигму — «релятивистскую» физику твердого тела, в которой квантовые релятивистские явления (часть которых нереализуема даже в физике высоких энергий) теперь могут быть исследованы в обычных лабораторных условиях… Впервые в твердотельном эксперименте можно исследовать все нюансы и многообразие квантовой электродинамики» (Гейм, Новоселов, Морозов).

 

То есть многие явления, для изучения которых требовалось строительство огромных ускорителей элементарных частиц, теперь можно исследовать, вооружившись гораздо более простым инструментом — тончайшим в мире материалом.

 

При изучении графена выяснилось, что этот самый тонкий из когда-либо полученных объектов в то же время и самый прочный материал. Если бы удалось из графенового волокна соткать нить хотя бы в метр длиной, то, как полагают ученые, ее прочность и гибкость были бы достаточны, чтобы такую нить можно было использовать для лифта в космос. Этого кусочка хватило бы, чтобы растянуть его от поверхности Земли до геостационарной орбиты. Графен исключительно хорошо проводит электрический ток (носители заряда в нем являются безмассовыми дираковскими фермионами) и тепло, очень упругий и непроницаем для любых молекул.

Гипотетический пример, демонстрирующий механическую прочность графена. Графеновый гамак площадью 1 м2 (его масса меньше миллиграмма) способен выдержать взрослого кота массой 4 кг. Для сравнения: стальной гамак той же площади (если бы нам удалось его сделать той же толщины) удерживал бы в 100 раз меньше — всего 40 г.

В общем, графен оказался весьма перспективным с точки зрения не только развития физических исследований, но и различных практических приложений, начиная от электроники и заканчивая композитными материалами. Обычно, чтобы новый материал из академической лаборатории превратился в коммерческий продукт, требуется около 40 лет. Но графен и здесь рекордсмен — он проходит этот путь с невиданной скоростью. И, похоже, добьется титула материала, который быстрее других перешел из науки в настоящее производство.

Графен рассматривается как основа микроэлектроники будущего

 

Будучи полупроводником, графен обладает проводимостью, как у одного из лучших металлических проводников — меди. Оказалось, что у графена носители заряда ведут себя как релятивистские частицы с нулевой эффективной массой, в результате чего имеют весьма высокую подвижность. Сейчас физики работают над дальнейшим увеличением подвижности носителей заряда в графене. Если научиться получать «свободновисящие» пленки графена (без подложки SiO2), то подвижность можно увеличить на два порядка — до 2×106 см2/В.с.

 

Кроме того, в графене был обнаружен амбиполярный эффект электрического поля, при котором его сопротивление изменялось примерно в 100 раз. То есть графен можно перестраивать из состояния, близкого к нормальному металлу с довольно высокой концентрацией электронов (1021 см-3), до металла с такой же концентрацией дырок — проделать весь путь, минуя «полупроводниковое» состояние с невысокой концентрацией зарядов. Таким образом, свойства графена легко изменить простым изменением напряжения на затворе.

 

Очевидно, что все эти качества графена вкупе с его нанометровой толщиной делают его кандидатом на материал, который мог бы заменить в электронике, в том числе и в будущих быстродействующих компьютерах, уже не удовлетворяющий современным запросам кремний. Чем больше скорость носителей, тем выше рабочая частота и тем больше можно обработать операций в единицу времени. Вдобавок графен обладает и высокой теплопроводностью, что очень важно для электронных устройств — новые более миниатюрные и быстрые графеновые микросхемы будут греться намного меньше кремниевых. Исследователи полагают, что новый класс графеновой наноэлектроники с базовой толщиной транзисторов не более 10 нм (сегодня уже получен полевой транзистор на графене) — дело обозримого будущего.

 

Благодаря уникальным оптическим свойствам весьма перспективно применение графена и в фотонике (дисциплина, занимающаяся фундаментальными и прикладными аспектами работы с оптическими сигналами, а также созданием на их базе устройств различного назначения). Здесь графен может использоваться в качестве сверхбыстрого модулятора световых пучков — насыщающегося поглотителя (НП). НП используются для реализации режима самосинхронизации мод и формирования сверхкоротких, фемтосекундных (1 фемтосекунда = 10-15 c) импульсов в лазерах ближнего инфракрасного диапазона. Такие импульсы важны для развития оптических коммуникаций, лазерной хирургии, в том числе офтальмологической, зондирования загрязнений в атмосфере и спектроскопии.

 

При этом графен открыл фантастическую возможность создания нелинейно-оптических элементов для практически неограниченного спектрального диапазона — от средней инфракрасной до терагерцовой области, в отличие от других НП, которые работали только в определенном ограниченном диапазоне длин волн. При создании компактных лазеров на основе фотонных кристаллов графен рассматривается как единственный подходящий насыщающийся поглотитель, способный сохранить миниатюрность таких устройств.

 

Благодаря тому, что пленка графена практически прозрачна, она может прекрасно подойти и для изготовления прозрачных сенсорных экранов. Для этих целей традиционно использовались оксиды металлов или тонкие металлические пленки. Однако существующие технологии их производства сложны и дороги, поэтому поиск новых типов тонких проводящих пленок продолжался.

 

Уже существуют тестовые образцы мобильного телефона Lenovo c тачэкраном, сделанным из графена, который внешне ничем не отличается от обычного. Для изготовления экранов мобильных телефонов японская компания Sony уже готовит производство 100-метровых рулонов графена. На выставке «NanoTubes — 2010» специалисты компании демонстрировали гибкие дисплеи с диагональю до 70 сантиметров, где один из проводящих электродов сделан из графена.

 

Будучи прочнейшим и одновременно одним из самых жестких известных материалов, графен является идеальным кандидатом для армирования высококачественных композитов. Имея толщину всего в один атом, он не может расколоться, что придает ему максимально возможную прочность на изгиб. Высокое аспектное отношение (отношение поперечного размера к толщине) позволяет графену быть идеальным ограничителем распространения трещин. Что же касается взаимодействия со связующим материалом — главной проблемы всех нанокомпозитных наполнителей наподобие углеродного волокна или углеродных нанотрубок, — то химическая модификация поверхности или краев графена может существенно усилить сцепление графена с полимером.

 

Разработчики ищут самые разнообразные применения графену, — например, более прочные корпуса автомобилей и самолетов, зубные протезы. Этот материал уже применяется в производстве таких спортивных изделий, как лыжи и теннисные ракетки. Известная европейская фирма Head в сезоне 2015/2016 гг. предлагает женскую коллекцию лыж — 24hr Joy. Это очень легкие лыжи (зачем заставлять нежных женщин кататься на тяжелых лыжах?), использование в их конструкции графитовой пленки в комбинации с другими легкими конструктивными материалами (короид и углерод) обеспечивает снижение веса на 350 грамм при неизменности их рабочих характеристик.

 

Американские ученые из университета штата Массачусетс рассматривают возможность использования двумерных кристаллов графена для создания брони нового поколения. Результаты их экспериментов свидетельствуют, что графен может выдерживать более сильные удары, чем сталь, которую он превосходит по прочности в 8–10 раз. Обстреливая листы графена шариками из кремния, ученые выяснили, что графен в состоянии поглощать энергию порядка 0,92 МДж/кг, тогда как сталь в сопоставимых условиях обычно поглощает порядка 0,08 МДж/кг. Помимо этого, было установлено, что графен направляет часть кинетической энергии обратно в «пулю», рассеивая энергию удара гораздо эффективнее стали. Потенциальным недостатком графена можно считать то, что «снаряды» оставляют более широкие (чем в стали) входные отверстия. Чтобы решить эту проблему, ученые рассчитывают комбинировать графен с другими материалами.

Графен направляет часть кинетической энергии обратно в «пулю», благодаря чему листы графена рассеивают энергию удара гораздо эффективнее стали

Исследователи из Китая создали из графена материалы толщиной с лист бумаги, которые реагируют на дистанционное управление самостоятельным складыванием.

 

В основе материала с такими необычными свойствами — слои оксида графена, дополненные соединениями из водорода и кислорода. На этот «скелет» наращены слоистые полоски из модифицированного оксида графена, содержащие поры, в которые могут внедряться молекулы воды.

 

Полоски действуют, как губки, поглощая воду из воздуха и набухая в условиях повышенной влажности. При нагревании или под воздействием инфракрасного излучения они выпускают воду, тогда полоски сжимаются, и весь лист из оксида графена сгибается в местах расположение полосок. При этом скорость эффекта удивительна — в ходе одного из экспериментов лента материала с одной полоской складывалась и раскладывалась за пять секунд. Уже получены листы, которые складываются в коробку, и «манипулятор», который способен захватывать и поднимать предметы в пять раз тяжелее собственного веса. Разновидность подобной технологии может быть перспективна и для использования в конструкции солнечных батарей космических станций и спутников.

Графеновый аэрогель, балансирующий на усике растения

Интересно, что сминание графеновой «бумаги» (образованной двумя слоями графена с изолирующим промежутком из гидрогеля) наделяет ее новыми свойствами, весьма полезными при создании эластичных суперконденсаторов (источников питания для следующего поколения гибких электронных гаджетов). Подобно батареям, графеновые суперконденсаторы могут хранить электроэнергию, не только химически, а и электростатически. Такой суперконденсатор из смятой графеновой бумаги, можно сгибать, складывать и растягивать на 800 % от первоначального размера, причем рабочие характеристики такого устройства не ухудшались даже после 1 000 подобных циклов.

 

К настоящему времени в Манчестерском университете, где и был открыт графен, разработали с его использованием новые лампочки. Лампочка с регулируемой мощностью содержат светодиод в форме нити, покрытой графеном. По словам создателей, благодаря проводящим свойствам графена новая лампочка будет служить дольше и расходовать на 10 % меньше электроэнергии.

 

На основе графена собираются делать и газовые датчики. Как было показано, графен абсорбирует молекулы газа из окружающей атмосферы, которые образуют примеси в слое графена, при этом свойства электронов и дырок зависят от природы газа. В результате, наблюдая за изменениями электросопротивления графена, можно определить концентрацию соответствующих газов в окружающей среде.

Гибкий мобильный телефон фирмы Samsung

Гибкое мобильное устройство фирмы Apple

И в конце расскажем о совершенно новом и очень перспективном направлении, возникшем благодаря графену, — это построение новых материалов с «заказными» свойствами.

 

Как отмечалось выше, свойства двумерных кристаллов сильно отличаются от свойств трехмерных. Даже два слоя графена, положенные один на другой, существенно отличаются от однослойного. К настоящему моменту уже научились разбирать на отдельные плоскости не только графит, но и два десятка других материалов. В результате образовалась своеобразная «библиотека материалов». А поскольку двумерными кристаллами легко манипулировать, можно создавать стопки этих кристаллов в соответствии с нашими требованиями.

 

Здесь можно говорить не только о стопках одинаковых материалов: можно объединять в одну стопку несколько различных двумерных кристаллов. Например, можно скомпоновать изолирующие, проводящие или магнитные слои, причем свойства результирующего материала будут зависеть от порядка их укладки и легко регулироваться. Теперь мы имеем новый класс материалов, складываемые по желанию, как конструктор «Лего». Открывается совершенно новый мир «материалов по требованию».

 

Первые члены этого огромного семейства уже есть. Складывая монослои изолирующего нитрида бора и графена, можно получить слабо связанные слои графена, взаимодействие между которыми будет зависеть от количества слоев нитрида бора между плоскостями графена. При этом взаимодействие между слоями графена может варьироваться от туннелирования (при одном или двух слоях нитрида бора в промежутках) до чисто кулоновского (при более широких промежутках).

Графеновая вода, тест IBM

Учитывая, что набор исходных двумерных кристаллов очень широк, свойства новых материалов могут покрыть гигантский диапазон параметров, совмещая в себе характеристики, ранее невероятные для одного материала.

 

Разумеется, все вышеперечисленное не исчерпывает список удивительных явлений и разнообразнейших применений графена. Без сомнения, уникальные свойства этого объекта, «от которого исходит магия», обеспечат к нему внимание ученых и разработчиков еще не один десяток лет.   

 

Процесс изготовления графена в домашних условиях

  1. Для создания и наблюдения самого тонкого материала на нашей планете вам понадобятся чистые условия (например, физико-химическая лаборатория, хотя подойдет и обычная комната с хорошей вентиляцией), чистые руки, желательно в перчатках.
  2. Сначала подготовьте подложку, на которую вы будете помещать графен для наблюдения в микроскопе. Для этого нужно взять кремниевую подложку с естественным оксидом на поверхности, которую перед исследованием следует очистить. Лучше всего для этого подойдет раствор соляной кислоты и перекиси водорода в соотношении 1:3. Поместите пластину в раствор на 30 секунд, а затем просушите сжатым азотом.
  3. Приложите отслоенный кусочек графита к ленте-скотч, используя пинцет. Аккуратно сложите ленту пополам, накрыв графит липкой стороной. Несильно прижмите ленту к графиту с обеих сторон и неторопливо раскройте скотч, чтобы можно было наблюдать расслоение графита на две части.
  4. Повторите предыдущий этап раз десять. Чем тоньше будут становиться слои графита, тем сложнее будет это делать.
  5. Очень осторожно поместите ленту-скотч с графитом на поверхность кремниевой подложки. Используя пластиковый пинцет, удалите воздушные пузырьки между лентой и подложкой. Пройдитесь по поверхности образца пинцетом, несильно его придавливая к подложке в течение 10 минут. Затем очень медленно снимите ленту, придерживая подложку.
  6. Поместите ваш образец под 50-, а лучше 100-кратную линзу микроскопа. Вы увидите множество графитовых «чешуек» разных размеров и формы, переливающихся всеми цветами радуги. Если вам повезет, вы заметите графен: почти прозрачную, кристаллической формы «чешуйку», бесцветность которой будет сильно отличаться от ярких цветов «толстых» графитовых собратьев.

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

Сделайте графен на кухне с мылом и блендером

Джейкоб Арон

Чудесный материал, который вы можете сделать в своем блендере

(Изображение: Science Picture Co / Science Photo Library)

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

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

«Существуют компании, производящие графен с гораздо более высокими темпами, но качество не является исключительным», — говорит Джонатан Коулман из Тринити-колледжа в Дублине в Ирландии.

Команда

Коулмана наняла Томас Свон, химическую фирму из Консетта, Великобритания, чтобы придумать что-нибудь получше.Из предыдущей работы они знали, что можно вырезать графен из графита, формы углерода, найденной в грифеле карандаша. Графит, по сути, состоит из листов графена, сложенных вместе, как колода карт, и, сдвинув его правильно, можно разделить слои.

Карбон смузи

Команда поместила графитовый порошок и растворяющую жидкость в лабораторный миксер и запустила его в режим вращения. Анализ с помощью электронного микроскопа подтвердил, что они производили графен со скоростью около 5 граммов в час.Чтобы выяснить, насколько хорошо этот процесс масштабируется, они опробовали различные типы двигателей и растворителей. Они обнаружили, что кухонный блендер и жидкость для мытья посуды Fairy Liquid из Великобритании также подойдут.

«Если вы используете блендер, зачем использовать модное дорогое поверхностно-активное вещество? Почему бы не использовать простейшее из существующих поверхностно-активных веществ, и я думаю, это Fairy Liquid », — говорит Коулман.

Тем не менее, Коулман говорит, что вы, возможно, не захотите пробовать это дома. Точное количество жидкости для мытья посуды зависит от свойств графитового порошка, таких как гранулометрический состав зерен и от того, загрязняют ли образец какие-либо материалы, кроме углерода.Их можно определить только с использованием современного лабораторного оборудования. Этот метод также не преобразует весь графит в графен, поэтому два материала должны быть впоследствии разделены.

«Это забавный эксперимент, но далеко не уедешь», — говорит Колман. «Вы могли бы сделать черную жидкость, полную графена, но что делать дальше?» Вместо этого, по расчетам команды, эта технология масштабируется до промышленного уровня — чан емкостью 10 000 литров с правильным двигателем может производить 100 граммов в час. Томас Свон уже начал работу над пилотной системой.

Полезные дефекты

Коулман воодушевлен научным потенциалом дешевого графена в большом количестве. Например, предыдущий лабораторный эксперимент показал, что добавление небольшого количества графена к полиэстеру повышает его прочность на 50 процентов, поскольку графен является одним из самых прочных известных материалов. Новый метод производства позволит получить достаточно графена, чтобы его можно было использовать в промышленных процессах, которые обычно требуют килограммов сырья.

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

Тем не менее, простота метода перекликается с первоначальным выделением графена Андре Геймом и Константином Новоселовым в Университете Манчестера. Они использовали липкую ленту и карандаш — метод, который принес им Нобелевскую премию в 2010 году.

«Наши первоначальные планы по расширению масштабов в ретроспективе были ужасно сложными, и в этом не было необходимости», — говорит Коулман.«Возможно, мы плохо понимаем, насколько простыми могут быть вещи».

Справка журнала & двоеточие; Nature Materials , DOI & col; 10.1038 / nmat3944

Еще по этим темам:

Графен массового производства | Американский ученый

Что, если бы вы обнаружили бесконечно тонкий материал, способный проводить электричество, способный удерживать вес в миллионы раз больше собственного веса, но при этом достаточно пористый, чтобы фильтровать самую мутную воду? А что, если эта субстанция была создана из того же элемента, что и заполнение обычного карандаша?

Растущее число ученых стремится сделать этот необычный материал, графен, основным технологическим материалом ко второй половине 21 века.Неудовлетворенные этим графиком, некоторые предприниматели хотели бы увидеть широкое распространение графена в течение следующего десятилетия.

Графен элегантен. Он создан из одного элемента, углерода, образованного только одним типом связи. Несмотря на кажущуюся простоту графена, изолировать материал было труднодостижимым как для химиков, так и для физиков. Графен отлично скрывает на виду, и усовершенствованные за последние два десятилетия методы и инструменты сыграли решающую роль в его открытии.

Углерод, единственная составляющая графена, повсюду вокруг нас. Этот элемент является четвертым по распространенности во всей вселенной. Большинство людей думают о материалах как об атомах и молекулах, где молекулы состоят из определенных типов и количества атомов. В случае графена подсчет атомов углерода несущественен. Решающее значение имеет просто способ, которым составляющие атомы углерода связаны друг с другом, поскольку эта особенность отделяет графен от других полностью углеродных материалов, таких как алмазы и графит.На атомном уровне исключительно углеродный графен напоминает шестиугольный забор из проволочной сетки, в котором каждый атом углерода составляет вершину шестиугольника. Гексагональное распределение делает возможными свойства графена, потому что распределение позволяет отдельным атомам углерода графена лежать плоско.

Это свойство графена нельзя не заметить. Графен — идеальная аномалия в мире химии — плоская двумерная молекула с одним листом графена толщиной всего в один атом.Вы можете сразу же усомниться в структурной целостности графена из-за его восхитительно упрощенной конструкции, но переплетение углеродных шестиугольников по всей структуре делает атомно тонкий материал неожиданно прочным.

Вы испытали синтез графена, может быть, даже раньше, в очень малых масштабах. Давление, оказываемое вашей рукой и кончиками пальцев, вероятно, привело к образованию нескольких слоев графена, когда вы в последний раз проводили карандашом по блокноту, превращая скромный графит в графен, как вы составляли список покупок на этой неделе.

После того, как два исследователя из Великобритании, Константин Новоселов и Андре Гейм, были удостоены Нобелевской премии по физике в 2010 году, технологические журналы повсюду провозгласили новую эру «чудесных материалов», основанных на этой атомарно тонкой мозаике атомов углерода. Обладая невероятно высокой прочностью и почти невероятно низким электрическим сопротивлением, графен отдернул скрытую завесу, позволяя ученым мельком увидеть чудеса, которые лежали за его пределами.

Ранние инвесторы, однако, были обожжены предпринимателями, которые обещали слишком много и недостаточно обеспечивали производительность продуктов (особенно композитов, таких как пластмассы), в которых был графен, но которые не использовали графен таким образом, чтобы его включение стоило дополнительных расход.В некоторых случаях это была просто добавка змеиного масла. Поскольку общий объем новых методов производства и качество получаемого графена со временем увеличиваются, мы, наконец, начинаем видеть истинные преимущества графена.

Если графен сделан из углерода, и ученые знают, как изолировать этот материал более десяти лет, почему на рынке так мало продуктов из графена?

Дорожная карта от лаборатории фундаментальных исследований до полки магазина никогда не является прямым путем, хотя время, которое проходит между открытием и коммерческим применением, быстро сокращается.

Графеновые хлопья на кремниевых пластинах на самом деле являются лишь первыми каплями на дне химического стакана по сравнению с революцией, которая произойдет, когда кто-то решит загадку того, как сделать нетронутые листы графена большой площади.

Последнее десятилетие или около того, аддитивное производство (AM) было в моде. Возможно, вы знаете AM по более распространенному названию — 3D-печать. Многие устройства AM раннего поколения использовали только пластик, чтобы создавать интересные трехмерные изображения различных объектов, но технология стала значительно более функциональной.

Структурные материалы аддитивного производства — очевидное место для начала добавления хлопьев графена. Исследователи из Массачусетского технологического института, используя специальную машину AM, напечатали различные трехмерные объекты из графена и протестировали их, чтобы измерить их физические свойства по сравнению с деталями, производимыми более традиционным способом. Результаты были ошеломляющими. Некоторые из напечатанных на 3D-принтере образцов имели в 10 раз большую прочность стали при 1/20 массы. Теперь они могут печатать детали и узлы, которые в некоторых случаях могут заменять изготовленные на заказ стальные детали для повышения механической прочности.

Для того, чтобы графен совершил все предсказанные революционные изменения (а в некоторых случаях и фактически протестировал), должен существовать автоматизированный производственный процесс, позволяющий производить килограммы графена в день или тонны материала в год, а не просто несколько граммов тут и там. Графит — это в основном графен, наложенный на себя, ожидающий, пока кто-нибудь его отделит. Однако здесь все усложняется.

Прежде всего, вероятно, следует исключить массовое производство графена тем методом, которым он был первоначально выделен.Хотя забавно представить себе огромную комнату, заполненную людьми, использующими клейкую ленту для отделения листов графена от стопки грифеля карандаша, это просто непрактично. Возможно, кто-то сможет придумать, как автоматизировать этот конкретный процесс, но даже в этом случае маловероятно, что он будет хорошо масштабироваться для необходимого массового производства. Другими словами, не вкладывайте свои пенсионные сбережения в фьючерсы на клейкую ленту!

Исследователи из Университета Рутгерса делают листы графена из обычных хлопьев графита и небольшого количества серной или азотной кислоты.Добавление кислоты окисляет графеновые листы, из которых состоит графит, и заставляет атомы кислорода между листами графена расщепляться, образуя листы оксида графена, взвешенные в кислоте и воде. Затем жидкость фильтруется, оставляя хлопья оксида графена, забивающие фильтр. Сумма всех засоров на фильтре в конечном итоге образует лист оксида графена, похожий на бумагу. Затем этот похожий на бумагу лист можно удалить с фильтра, растворив фильтр с помощью растворителя, который не вступает в реакцию с оксидом графена.Последний шаг — удалить кислород с помощью гидразина, оставив только покрытие из чистого графена.

Полученный материал называется восстановленным оксидом графена , сокращенно или RGO. В этом случае «восстановленный» относится к химическому использованию этого слова, когда степень окисления каждого графенового углерода была уменьшена за счет удаления кислорода гидразином. В этом случае гидразин является восстановителем, который окисляется в результате реакции с оксидом графена.

Метан, богатое углеродом газообразное соединение, с которым мы, люди, очень хорошо знакомы, может реагировать с медью при высоких температурах с образованием графена. Просто нагрейте медь примерно до 1000 градусов по Цельсию и подвергните ее воздействию метана. Слои графена образуются на поверхности меди из многочисленных атомов углерода в газообразном метане. Этот процесс называется химическим осаждением из паровой фазы (CVD). У этого метода есть две большие проблемы: требуется много времени, чтобы сделать даже небольшой графен, и качество получаемого графена не очень хорошее.

Дэвид Бойд из Калифорнийского технологического института вместе со своими сотрудниками-исследователями нашел способ улучшить метод CVD, чтобы он работал при более низких температурах и производил графен более высокого качества. Они тоже используют медь и метан, но добавляют немного азота, чтобы улучшить наслоение графена на меди. В этом методе еще нужно добавить энергии, но не так много. Реакция идет вперед при «простых» 420 градусах. Мировая промышленность имеет значительный опыт работы с сердечно-сосудистыми заболеваниями, поэтому в конечном итоге должна появиться возможность крупномасштабной автоматизации процесса; цель состоит в том, чтобы производить сантиметры или даже метры высококачественного графена за один раз.

Чтобы воплотить в жизнь замечательные чудеса графена, его нужно производить в огромных количествах — дешево.

Опасные химические вещества, сложные механизмы и многоступенчатые химические реакции и процессы слишком сложны на ваш вкус? Затем рассмотрим этот подход, открытый в Государственном университете Канзаса, где они получили графен путем взрыва. Вы когда-нибудь строили лопаточный пистолет? В основном, если вы возьмете трубу из ПВХ длиной от одного до двух метров, создайте камеру сгорания на одном конце с помощью свечи зажигания и быстро закрывающейся торцевой крышки, набейте картофель на другом конце и заполните теперь герметичную камеру сгорания. с легковоспламеняющимся паром (подойдет лак для волос), тогда у вас есть распылитель.После того, как картофель окажется на месте, камера заправлена ​​лаком для волос, а затем запечатана, вы можете направить дальний конец трубы из ПВХ к своей цели и разрядить аккумулятор, чтобы свеча зажигания загорелась. В результате небольшой взрыв создает волну давления, которая выталкивает картофель из конца камеры сгорания, перемещая его вверх по соплу ПВХ-трубы в воздух, часто отбрасывая его на десятки метров вдаль. Физика того, что происходит в камере сгорания, очень похожа на метод, который ученые из Университета штата Канзас использовали для создания графена, который может стать масштабируемым процессом, который может стать шагом к массовому производству.

Интересно, что графен был не тем, что пытались создать ученые. Вместо этого они пытались создать нечто, называемое аэрозольным гелем угольной сажи, для использования в системах изоляции и очистки воды. Об этих гелях внезапно забыли, когда они поняли, что их сажа была не тем, что они искали, а графеном. И не только немного графена. Они утверждают, что их процесс является наименее дорогостоящим для потенциально массового производства графена и не требует больших затрат энергии.Конечно, нет ничего проще, но этот подход кажется хорошим для использования в сочетании с другими методами.

Вместо трубы из ПВХ ученые использовали более прочную камеру для горения. Они заменили лак для волос ацетиленом или этиленом, смешанным с кислородом. Они использовали свечу зажигания, чтобы создать горение, так же, как мы сделали с нашим пистолетом-распылителем. Топливо, ацетилен или газообразный этилен, было превращено в графен и некоторые другие углеродные детриты.

Еще есть метод соевого масла — то же самое, что вы можете использовать дома, когда готовите.Исследовательская группа в Австралии нашла способ использовать повседневные соевые бобы для производства однослойных листов графена поверх никелевой подложки, потенциально создавая листы с большими площадями одновременно. Этот процесс представляет собой разновидность процесса CVD, описанного ранее, но с существенным отличием: он выполняется в окружающем воздухе (без специальных вакуумных камер и т. Д.), И требуемая энергия не так велика, как для других процессов CVD.

Секрет кроется в используемом катализаторе из никелевой фольги и в тщательном контроле температуры процесса, чтобы максимально предотвратить образование диоксида углерода.Вуаля: идет соевое масло — выходит графен. Стоит отметить, что команда исследовала другие металлические фольги, включая медь, и никакие другие не способствовали образованию графена. Только никель.

Когда ничего не помогает, почему бы просто не пойти домой и не использовать свой блендер, чтобы сделать чудо-материал 21 века? По сути, это то, что сделал Джонатан Коулман из Тринити-колледжа в Дублине, когда он и его команда поместили немного графита в блендер, добавили безрецептурную жидкость для мытья посуды и нажали кнопку запуска.Поскольку для разделения вновь сформированных листов графена требуется лишь немного больше обработки, Коулман и его коллеги обнаружили, что они могут производить несколько сотен граммов в час, используя довольно скромный набор смесительного оборудования в чане емкостью 10 000 литров. Однако пока неясно, может ли этот метод обеспечить высококачественный графен.

Поиск в научной литературе обнаруживает множество методов, с помощью которых можно производить графен различного качества. Их объединяет сложность, энергия и тот факт, что они могут производить только небольшое количество графена, который затем необходимо отделить от других продуктов реакции.На сегодняшний день не существует простой технологии производства, позволяющей получать большие количества высококачественного графена. Чтобы воплотить в жизнь поистине замечательные чудеса графена, его необходимо производить в огромных количествах — дешево.

Хотите купить монослой графеновых хлопьев размером 10 х 10 мм на кремниевой подложке? 146 долларов. Как насчет монослоя графена на меди размером 60 х 40 мм? 172 доллара. Есть компании, специализирующиеся на графене, которые будут продавать образцы отдельным пользователям по очень разумным ценам.Фактически, они продадут вам немного графена на вашей собственной подложке за 124 доллара и выше.

Однако сделать графен нетривиально. Лучший графен для массового рынка поступает из химически расслоенного природного, добытого графита, и компании, которым принадлежит доля в графитовых рудниках, уже зарекомендовали себя в качестве участников этой графеновой революции, используя свой преимущественный доступ к сырью для повышения цен на акции.

Но без соглашения на рынке или регулирования, как покупатели могут определить, какой так называемый графеновый продукт лучше всего подходит для их нужд?

Центр современных 2D-материалов (CA2DM) Национального университета Сингапура установил семь различных тестов, с помощью которых он измеряет графитовые материалы для определения качества и идентичности.К сожалению, только некоторые из этих тестов доступны в типичной лаборатории компании; другие требуют дорогостоящего оборудования, которое должно эксплуатироваться и обслуживаться специально обученными специалистами.

Три самых дешевых теста для определения размера конкретной чешуйки, степени дефектов в данном образце и элементного состава образца. Размер чешуйки определяют с помощью оптического микроскопа, тогда как образец графена / графита на опорной поверхности измеряют с помощью обычного светового микроскопа.Камера и компьютер могут измерить приблизительные размеры частиц графена / графита и приблизительно сообщить, насколько велики получающиеся хлопья.

Поскольку электронные свойства графена очень чувствительны к дефектам в хлопьях, степень этих дефектов является важным параметром для измерения. Это измерение производится с помощью так называемой рамановской спектроскопии, которая измеряет колебательные структуры в образце. Окисление углерод-углеродных связей в графене кислородом открывает графен для разрушения окружающей среды, а введение других атомов на поверхность графена приводит к резкому изменению различных свойств.Например, добавление даже одного атома водорода к структуре графена приводит к тому, что графен становится магнитным.

Измерения дефектов будут подтверждены элементным анализом, в частности анализом углерод-азот-водород-сера (CNHS). Добытый графит будет содержать остатки ранее живого вещества, из которого он был создан, и эти элементы в конечном итоге ухудшат качество графена через тот или иной механизм. К сожалению, анализ CNHS — деструктивный метод.Часть образца должна быть сожжена для анализа компонентов. Хотя это было бы полезно для контроля от партии к партии относительно дешевого промышленно расслоенного графита, это неприемлемо для образцов графена, полученных другими методами.

Есть много способов определить количество слоев в данной пластинке графита. В одном из таких тестов, называемом атомно-силовой микроскопией (АСМ), используется игла толщиной с волос, установленная на небольшом рычаге, похожем на трамплин, для измерения атомных сил между иглой и образцом.Лазер отражается от верхней части рычага, который может измерять величину отклонения вверх или вниз, которое испытывает игла при взаимодействии с поверхностью. Показания показывают измеренную толщину, а поскольку чешуйки графита укладываются на постоянное расстояние друг от друга, вы можете выполнить математические вычисления, чтобы определить количество слоев. AFM может создавать изображение из множества сканированных изображений, поскольку он складывает последовательные одномерные линии вместе для отображения топографии образца. По сути, он создает карту высот поверхности.

Все это стало возможным благодаря наиболее распространенному, наиболее универсальному и наиболее важному из всех элементов — углероду.

Сканирующая электронная микроскопия и просвечивающая электронная микроскопия — это методы изучения того, как выглядит чешуйка графена, но на гораздо более тонком уровне, чем это возможно в оптической микроскопии. Эти два анализа имеют гораздо более высокое разрешение при увеличении и, следовательно, позволяют обнаруживать разрывы, разрывы и другие проколы на отщепе; такие проколы могут существовать естественным образом или образоваться во время выделения графена или обращения с ним.Эти два анализа в сочетании с АСМ дадут наиболее полную трехмерную картину графена / графитового образца в целом.

Последним крупным анализом, выполненным CA2DM, является рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS). XPS определяет химический состав образца неразрушающим образом и, таким образом, предоставит вам всю информацию, которую предоставляет CNHS, но при этом позволит вам восстановить образец. В этом методе рентгеновское излучение направлено на поверхность графена, и часть рентгеновского излучения поглощается электронами в образце.Электроны выбрасываются из образца с энергетической характеристикой элемента в образце, которая сообщает вам, какие элементы присутствуют и в каком количестве.

Помимо метода скотча и химического отшелушивания, какие у нас могут быть варианты для производства графена в больших количествах? Есть ли способ распечатать или вырастить что-нибудь в графен? Для отделения кусков графита от поверхности более крупных кусков графита можно использовать механическое расслоение, с последовательным отслаиванием, проводимым для изоляции нескольких однослойных листов.За прошедшие годы этот процесс был значительно улучшен, и действительно, сейчас используются специальные ленты, которые легче растворяются в воде или других растворителях, чем офисная лента. Это делает нанесение хлопьев графена еще проще, чем раньше.

Второй метод, химическое отшелушивание, восходит к концу 1800-х годов. Как и в случае с процессом механического отшелушивания, исследователи расширили эту область, разработав новые параметры отшелушивания. Как правило, они менее агрессивны к графиту и, таким образом, сводят к минимуму повреждение графеновых поверхностей.Возможно, в этом методе используются перерабатываемые материалы, что чрезвычайно важно для любой компании, которая хочет производить буквально тонны графена в год. Некоторые из улучшений улучшают выход чистых однослойных хлопьев, что является наиболее важной из всех оптимизаций.

Графен также может быть выращен из карбида кремния для производства так называемого эпитаксиального графена .

Рост графенового слоя в результате разложения карбида кремния в настоящее время является чрезвычайно сложным процессом, в котором кремний сублимируется при высокой температуре, но атмосфера над поверхностным слоем изменчива.Настройка среды над поверхностью позволяет исследователям производить графен с большей эффективностью, чем в атмосфере под открытым небом. В редакционной статье 2009 года Nature Materials Питера Саттера описан прогресс в эпитаксиальном росте, который включал удаление воздуха над поверхностью карбида кремния и замену его атмосферой инертного благородного газа. С тех пор исследования вернулись к реактивной атмосфере.

В результате три группы со всей Германии разработали метод, с помощью которого они приклеили пластик, сделанный из множества ароматических шестиугольников бензола, на поверхность карбида кремния и обнаружили, что этот пластик на самом деле значительно улучшил размер и качество монослоев графена, полученных из кремния. сублимация.Эта работа была вдохновлена ​​более ранней статьей, в которой CVD сочетается с эпитаксиальным ростом для улучшения выхода графена. Кажется, что каким-то образом комбинация этих двух процессов создает продукт, который лиги лучше любого изолированного метода. Если время покажет, что эта комбинация окажется воспроизводимой и экономичной, она может подготовить почву для взлета повседневной важности графена. Более того, он может даже вытеснить природный графит, добытый из высокотехнологичного графена. Это может обернуться катастрофой для компаний, занимающихся добычей графита, которые делают ставку на свои фьючерсы на продажу потребителям графена.Это будет разработка, за которой нужно внимательно следить.

Дорогие, редкие или другие ценные исходные материалы вызовут значительный спрос на эти исходные материалы, что ограничит использование графена в повседневных материалах. Следовательно, абсолютно необходимо найти способ надежного изготовления графена из дешевого (или бесплатного) ресурса. Если бы графен можно было сделать из вещей, которые в противном случае пошли бы впустую, это значительно снизило бы долгосрочную цену графена, так что любой мог бы иметь к нему доступ.

Если бы такой процесс был доступен, те, кто его изобрел, были бы оценены так же высоко, как Фриц Габер, получивший Нобелевскую премию по химии в 1918 г. «за синтез аммиака из его элементов». Габер взял азот из воздуха и водород из газообразного метана, объединил их под высоким давлением и температурой над металлическим катализатором, чтобы ускорить реакцию, и бум! Аммиак вышел из реакции, готовый к внесению в удобрение. Изобретение Габера буквально кормит мир.

Какой исходный материал мы могли бы использовать для получения углерода в качестве сырья, которое не будет чрезмерно облагать налогом типичные источники углерода, такие как ископаемое топливо или природный газ? Конечно, один из вариантов — собрать углекислый газ из воздуха и восстановить его до C.Однако это чрезвычайно энергоемкий процесс, и никакие технологические достижения в рамках известных законов физики не уменьшат эту потребность в энергии.

Если бы графен можно было сделать из вещей, которые в противном случае пошли бы впустую, это значительно снизило бы долгосрочную цену графена.

Это возвращает нас к размышлениям о том, что в изобилии повсюду вокруг нас, эффективно использует улавливание углерода и может улавливать этот углерод без прямого поступления энергии от человека: растения.Растения поглощают пассивный солнечный свет и углекислый газ из атмосферы и в большинстве мест растут сами по себе. Огромные деревья — поглотители углерода, ставшие возможными благодаря фотосинтезу. За год образуется много растительных отходов, которые могли бы пойти на создание графена, если бы в противном случае он занимал бы место на свалке. Инвазивные виды растений, такие как кудзу и бамбук на юго-востоке США, могут служить в качестве сырья.

Джеймс Тур довел это до логического предела в 2011 году, сделав ставку.Тур думал о способах использования уже свободного углерода в окружающей среде. Ему удалось преобразовать оргстекло (полиметилметакрилат) в графен, и его следующей целью был столовый сахар. После того, как столовый сахар превратился в хлопья графена пиролиз-CVD на куске медной фольги, один из его коллег оживился и осмелился Тур сделать графен из шести различных углеродных материалов: печенья, шоколада, травы, полистирола (пенополистирола). , тараканы и собачьи фекалии.Этот результат интересен, поскольку упомянутая выше австралийская лаборатория потерпела неудачу при использовании подложки из медной фольги для процесса переработки соевого масла. Однако эти противоречивые истории означают, что есть огромные возможности для улучшения нашего понимания того, как графен образуется из газообразных молекул.

Используя тот же метод, что и для столового сахара, все предложенные необычные источники углерода производили небольшие хлопья высококачественного графена. Тур и его коллеги подчеркнули, что никакой подготовки или очистки этих странных материалов не требуется.Другими словами, ногу таракана можно было уронить на фольгу, нагреть и получить графен. С такой легкостью не получится даже испечь торт. Открытие Тура в 2011 году в сочетании с результатами CVD-эпитаксии, сделанными немецкой командой в 2016 году, может обеспечить четкий путь к созданию больших, дешевых бездефектных образцов графена.

В настоящее время НАСА изучает способы переработки углекислого газа, выделяемого дыханием астронавтов на Международной космической станции, в графен. Это улучшение системы жизнеобеспечения будет иметь двойной бонус.Во-первых, отходы, такие как углекислый газ, в противном случае требуют улавливания с помощью специальных химикатов, которые необходимо отправлять специальными грузами с Земли. Обработка углекислого газа в графен будет означать, что потребуется меньше миссий по пополнению запасов.

Превращение углекислого газа в графен дает еще одно преимущество: полученный графен может быть включен в новые солнечные элементы, или может быть использован в системах очистки воды, или тысяча других возможностей, вместо того, чтобы пытаться выбросить его наружу. воздушный шлюз.Эта возможность помогает удлинить пуповину между станцией и Землей. В конце концов, нам нужно полностью отрезать эту пуповину, если мы хотим когда-нибудь отправить людей в расширенные миссии на другие планеты и за их пределы.

К счастью, для нас, землян, есть и побочная выгода. Подобный процесс также сможет забрать углекислый газ из атмосферы и превратить наше собственное дыхание в органическую электронику или миллион других вещей, в которых можно найти применение графену. Хотя превращение углекислого газа в графен не было бы рентабельным или энергоэффективным на Земле (прямо сейчас), обильная энергия солнечных элементов на борту Международной космической станции может дать толчок, необходимый для удаления кислорода из углекислого газа.Компании могут «добывать» атмосферу, чтобы получить углекислый газ из процессов, которые не могут не производить его, и превращать отработанный газ в сырье для дальнейшей продукции. Принцип «не тратьте, не хочу», который хорошо знает каждый путешественник и исследователь, означает, что система, предназначенная для повторного использования, в конечном итоге увеличит шансы на успех миссии (будь то на Земле или в космосе), а также сведет к минимуму воздействие на окружающую среду. Избыточность на Земле может быть только хорошей вещью. В космосе это абсолютное требование.

Графен состоит из чистого углерода в виде одного листа в виде плоского шестиугольника. Любые изменения в этой структуре означают, что образующийся химикат технически больше не является графеном; вместо этого это производное графена. Графен ведет себя совсем не так, как оксид графена, и оба ведут себя иначе, чем графен, легированный литием.

Возьмем, к примеру, разницу между двумя образцами вспененного графита от двух разных компаний. Один образец мог быть расслоен с помощью довольно жесткого процесса, так что расслоение добавляло дефекты атомов кислорода или спиртовых групп к чешуйкам графена.Второй образец можно было расслоить более мягко, чтобы сохранить структуру, состоящую только из углерода, без появления дырок или разрывов на хлопьях. Что лучше другого? Как их отличить? Оба производителя наклеили на бутылку «Графен» и продали его вам по непомерно высокой цене; они должны быть неотличимы в составе продукта, и поэтому вы можете просто выбрать более дешевый вариант, верно? Не так. Источник графена и способ его приготовления имеют огромное значение для его работы.Устройство может вообще не работать или просто работать хуже, чем ожидалось.

Стандартов для производства графена еще не существует, и не все компании вообще поддерживают их. Эти стандарты могут иметь множество возможных форм и не обязательно означают правовое регулирование. Совершенно очевидно, что это была бы крайняя мера и не имела бы исковой силы в других странах. Учитывая международное игровое поле для графена, это было бы значительным препятствием. Никто этого не хочет.Однако на данном этапе игры большинство продуктов, представленных на рынке с пометкой «графен», на самом деле не являются графеном. Скорее, это тонкие чешуйки графита, толщина которых может достигать нескольких сотен слоев. Некоторые производители могут производить хлопья с высоким выходом монослойного графена, и эти компании с радостью скажут вам, что они производят гарантированный процент монослойного графена, при этом большая часть остальной части образца состоит из агрегатов чешуек толщиной от двух до десяти слоев. . Несколько слов тем из вас, кто заинтересован в использовании настоящего графена для приложения, спросите об этой толщине чешуек у своего поставщика.Крайне важно передать то, что они говорят, в независимую лабораторию для проверки, чтобы установить окончательный уровень доверия.

В идеале изложенные стандарты должны сортировать графен с учетом таких параметров, как выход монослойных чешуек, размер этих чешуек и элементный анализ образца (как минимум). Таким образом, продавец может оплатить стоимость производства своего так называемого образца графена, а не завышать стоимость графита, измельченного в кухонном блендере. Caveat emptor. С другой стороны, если поставщик продает эпитаксиально выращенный графен с большой площадью поверхности с повторяемым или поддающимся проверке сертификатом анализа, то у вас может быть оправдание платить больше за этот образец.

Потенциал графена изменить ход бесчисленных отраслей промышленности ограничен только воображением и хитростью бизнес-лидеров, которые разделяют видение со знающим химиком, инженером или физиком. Более смелые и предприимчивые технологии будут развиваться, добавляя к графену различные молекулы, рассматривая его как основу, на которую можно прививать биомолекулы, возможно, как пассивные сенсоры для химического и биологического оружия.

Графен в качестве материала покрытия может даже изменить отрасль в краткосрочной перспективе. Поскольку графен в основном нереактивен и очень гидрофобен, любая поверхность, покрытая слоем графена, будет двигаться через воду с уменьшенным трением из-за поверхностного натяжения вода-металл. Слой графена на танкерах повысит эффективность судоходства по всему миру. Добавление слоя графена на лобовое стекло создаст поверхность, которая будет не только прозрачной (потому что сам графен прозрачен), но и естественным образом отталкивает воду и повышает безопасность водителя во время ливня.Хотите уменьшить сопротивление воздуха высокопроизводительному автомобилю? Убедитесь, что его оболочка совершенно атомарно плоская, заключив ее в графен. Возможно, особенно талантливый инженер в будущем спроектирует автомобиль с идеально плавным и равномерным обтеканием кузова автомобиля, вырабатывая еще несколько лошадиных сил от двигателя и еще несколько миль на галлон от бака.

И все это стало возможным благодаря одному из самых распространенных, самых универсальных и наиболее важных из всех элементов, углероду — тому же самому углероду, который составляет основу всех известных форм жизни на Земле и позволяет формировать графен. : графен — сверхпрочный, сверхтонкий и сверхразмерный материал, который произведет революцию в мире.


Эта статья взята из книги Graphene: The Super Strong, Superthin и Superversatile Material, которая революционизирует мир (Prometheus Books, 2018). Печатается с разрешения издателя.

Есть новый, более дешевый способ получения графена

Поделиться
Артикул

Вы можете поделиться этой статьей с указанием авторства 4.0 Международная лицензия.

Исследователи разработали экономичную и промышленно жизнеспособную стратегию производства графена.

Новый метод решает давнюю проблему эффективного процесса крупномасштабного производства графена и открывает путь к устойчивому синтезу материала.

Графен представляет собой двумерный материал с сотовой структурой толщиной всего в один атом.Графен, названный материалом будущего, демонстрирует уникальные электронные свойства, которые потенциально могут быть использованы в широком спектре приложений, таких как сенсорные экраны, проводящие чернила и быстро заряжаемые батареи.

Однако трудность производства высококачественного графена по доступной цене в больших масштабах продолжает препятствовать его широкому распространению в промышленности.

Обычный метод производства графена использует звуковую энергию или силы сдвига для отслаивания слоев графена от графита и последующего диспергирования слоев в больших количествах органического растворителя.Поскольку недостаточное количество растворителя заставляет графеновые слои снова присоединяться к графиту, для получения одного килограмма графена в настоящее время требуется как минимум одна тонна органического растворителя, что делает этот метод дорогостоящим и экологически вредным.

Новый метод, с другой стороны, использует до 50 раз меньше растворителя. Исследователи достигли этого путем расслаивания предварительно обработанного графита в сильно щелочных условиях, чтобы вызвать флокуляцию, процесс, в котором слои графена непрерывно группируются вместе, образуя суспензию графена без необходимости увеличения объема растворителя.Этот метод также создает электростатические силы отталкивания между слоями графена и предотвращает их повторное прикрепление.

Графен на тосте может стать источником съедобной электроники

Исследователи могут легко разделить полученную суспензию графена на монослои при необходимости или хранить ее в течение нескольких месяцев. Они также могут использовать суспензию для 3D-печати проводящих аэрогелей графена — сверхлегкого губчатого материала, который может удалять разливы нефти в море.

«Мы успешно продемонстрировали уникальную стратегию отшелушивания для получения высококачественного графена и его композитов», — говорит руководитель исследования Ло Киан Пинг, профессор химического факультета факультета естественных наук Университета штата Нью-Йорк и руководитель отдела исследования 2D-материалов в Центре исследования материалов университета. Продвинутые 2D-материалы.

«Наша технология, которая дает высокий выход кристаллического графена в форме концентрированной суспензии со значительно меньшим объемом растворителя, является привлекательным решением для промышленных предприятий для проведения крупномасштабного синтеза этого многообещающего материала при экономически эффективных и эффективных затратах. устойчивый образ жизни »,

Из графеновых чернил можно изготавливать моющиеся электронные устройства

Результаты опубликованы в журнале Nature Communications . Исследователи сотрудничали с Университетом Фудань.

Источник: Национальный университет Сингапура

Как извлечь графен | Techinstro

Графен — чудесный материал. Графен невероятно легкий, но чрезвычайно прочный. Этот материал не похож ни на один другой материал, известный сегодня человеку. Графен непрерывно изучается с момента его открытия более 15 лет назад. Сегодня есть полезные практические применения графена, и быстро открываются новые потенциальные применения.

Что такое графен?

Графен представляет собой однослойный лист атомов углерода. Его толщина составляет всего один атом, и он невидим невооруженным глазом. Атомы углерода в графене расположены в уникальной гексагональной решетке. Каждый атом углерода в графене связан с тремя другими атомами углерода. Связанные между собой атомы углерода образуют соты.
Графен проявляет некоторые уникальные свойства. Эти свойства графена, мягко говоря, невероятны. Свойства графена сегодня делают его поистине революционным материалом.Впечатляющие химические, физические, электронные и термические свойства графена делают его широко применяемым.

Как извлечь графен?

Существует множество методов извлечения графена. Некоторые из этих методов экстракции графена просты и могут успешно выполняться в домашних условиях. Другие методы извлечения графена требуют сложного лабораторного оборудования и значительных научных и технических знаний.
В настоящее время метод эксфолиации для извлечения графена включает наименьшее количество дефектов и обеспечивает наибольшую подвижность электронов.Вот некоторые из методов эксфолиации для извлечения графена:

Клейкая лента

Клейкая лента для извлечения графена — слишком простые звуки, чтобы быть правдой. Однако ученые Манчестерского университета использовали эту же технику и получили Нобелевскую премию по физике. При этом вам нужно будет рисовать графитным карандашом на листе бумаги. Когда вы достаточно нацарапаете небольшой участок на бумаге, вы увидите, что там формируется слой графита.
Используйте обычную липкую ленту, чтобы собрать скопившийся графит с бумаги.Используйте еще один кусок липкой ленты и накиньте его поверх первого. Осторожно удалите вторую ленту. На каждом этапе используйте свежий кусок липкой ленты. Вскоре у вас будет единственный слой графита, который технически является графеном.

Метод смешивания

Отшелушивание жидким сдвигом — полезный метод извлечения графена. Теоретически отслаивание при сдвиге в жидкости начинается с смешивания порошкообразных кристаллов с жидкостью. Используя сдвиговый смеситель, материал может быть легко извлечен из кристалла с отслаиванием (разделением).
Для этого процесса необходима жидкость, поскольку она предотвращает слипание частиц графена. Он сохраняет частицы графена хорошо разделенными и в состоянии суспензии. Эта жидкая смесь может быстро высохнуть. Он дает наночастицы графена. Их можно эффективно использовать для разработки графеновых покрытий и красок.

Образование пленки на границе раздела гептан-вода

Это относительно ультрасовременный метод экстракции графена. Механика жидкости, используемая в этой технике извлечения графена, очень помогает.Мы знаем, что нерастворимые в воде материалы, смешанные с водой, имеют тенденцию всплывать (при меньшей плотности) или собираться на дне (при более высокой плотности).
Этот метод требует использования гептанов и воды вместе с мелкодисперсным графитовым порошком. Когда эту смесь погружают в ванну для обработки ультразвуком, получается графен толщиной от 1 до 4 слоев, который также является химически стабильным. Вы можете легко извлечь листы графена и легко положить их на стеклянную подложку.
Это наиболее распространенные методы, используемые сегодня для извлечения графена.Существует несколько методов, используемых для извлечения графена, однако многие из них очень сложны и требуют полностью контролируемой лабораторной среды и оборудования для успешного извлечения графена.

40 способов, которыми графен собирается изменить вашу жизнь

Он сильный, гибкий, и вот уже какое-то время здесь. Его дорабатывали и разрабатывали в лабораториях долгое время, но графен на рынке уже пару лет … и он оказывает влияние.

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

Графен — это материал, который, , по мнению некоторых , был получен с брошенных космических кораблей, оставленных на Земле инопланетянами много лет назад. Хотя это маловероятно, сила этого сверхтонкого, прочного, проводящего и универсального удивительного материала заслуживает такого заговора.

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

Мы недавно обновили эту страницу, добавив еще 10 способов, которыми графен собирается изменить вашу жизнь. Тем не менее, некоторые из этих новых достижений все еще находятся на стадии прототипа, а не в продаже.

Хотите знать, почему? Ознакомьтесь с нашей функцией, почему графен так долго?

Графеновое охлаждение в Huawei Mate 20 X

Huawei Mate 20 X имеет графеновый слой в своей «супер-крутой системе». Изображение предоставлено: Huawei (Изображение предоставлено Huawei)

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

Однако подробностей о том, как графен используется в «супер-крутой системе» этого 7,2-дюймового телефона, пока нет.

Все, что мы знаем, это то, что графеновая пленка (которая отлично отводит тепло благодаря своей структуре) используется вместе с паровой камерой, чтобы сохранять Mate 20 X прохладным, даже когда ЦП и ГП работают на пределе своих возможностей. .

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

Графеновая наноэлектроника

Группа исследователей из Дании занимается исследованиями графеновой наноэлектроники. Изображение предоставлено Карлом Отто Моесгаардом (Изображение предоставлено Карлом Отто Моесгаардом)

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

Исследователи из DTU Physics в Дании разработали новую технологию «сэндвича», основанную на нанолитографии, которая позволяет получать графен наноразмерных размеров без ухудшения его электрических свойств.

«Тот факт, что мы можем изменять электронные свойства графена, — это большой шаг к созданию новой электроники с чрезвычайно маленькими размерами», — говорит исследователь Питер Бёггильд.

Graphene «Fitness patch»

Этот фитнес-пластырь измеряет частоту сердечных сокращений, гидратацию и частоту дыхания.Изображение предоставлено: ICFO (Изображение предоставлено ICFO)

Поскольку он гибкий и чрезвычайно чувствительный к изменениям тепла и света, у графена большое будущее в носимых устройствах. Этот «трансдермальный фитнес-патч» от ICFO в Барселоне делает все, что может делать ваш Fitbit, и многое другое, но в виде липкого пластыря.

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

К сожалению, сейчас это всего лишь прототип, но ICFO считает, что он может легко подключиться к вашему смартфону и предупреждать вас, когда вы немного обезвожены…. потому что мы так заняты, глядя на наши телефоны, что забыли заметить, когда нам хочется пить.

Графеновые NFC-антенны могут войти в историю пластиковых карт. Изображение предоставлено: CNR (Изображение предоставлено CNR)

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

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

Помимо электронных ключей, предназначенных для отелей, которые демонстрирует CNR Италии, та же технология может также означать экологически безопасные посадочные талоны, браслеты на концерты, билеты на поезд и многое другое… со встроенным NFC в качестве бонуса.

Графеновый цемент

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

Как насчет дома без (дорогой) меди и проводов? Одним из самых популярных дисплеев в графеновом павильоне Mobile World Congress 2019 стал «проводящий цемент» Italcementi.

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

В жарких странах стена, которая легко рассеивает тепло, автоматически охлаждает дом без необходимости использования дорогостоящего кондиционера. Цемент, наполненный графеном, также может означать интегрированные проводящие полосы графена вокруг дома для освещения и обогрева полов.

Графен дает более качественные басы.Изображение предоставлено: MediaDevil / Versarien (Изображение предоставлено: MediaDevil / Versarien)

Если вы хотите немного графена, вы можете получить его прямо сейчас по низкой цене. В продаже у лондонской компании MediaDevil находятся наушники Nanene с улучшенным звуком, производимые Versarien.

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

Однако, поскольку он гибкий, им можно лучше управлять, что позволяет улучшить высокие и низкие частоты.Они совместимы с iOS и Android.

Графеновые настольные игры

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

Как насчет игры в монополию… с огнями? Используя электролюминесцентные чернила, которые излучают свет благодаря графену, Novalia и Кембриджский университет придумали демонстрационную настольную игру под названием Homeward Bound, в которую встроены сенсорные панели, загорающиеся кубики и многоязычные «случайные» карты.

Он не поступит в продажу, но подчеркивает тот факт, что чернила графена могут быть напечатаны на картоне, дереве, бумаге (или чем-либо еще) для создания умных поверхностей.

Графеновые газоанализаторы и «анализаторы воздуха»

Электролюминесцентные чернила могут определять влажность и газы. Изображение предоставлено: ICN2 (Изображение предоставлено: ICN2)

Электролюминесцентные чернила на основе графена были показаны ICN2 (Каталонский институт нанонауки и нанотехнологий) в качестве детекторов газа.

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

Когда датчик графена внутри реагирует на изменения в составе воздуха, он становится проводящим, и загорается свет, интенсивность которого меняется в зависимости от того, сколько газа обнаружено.

Тартуский университет в Эстонии также создал Graphene Air Sniffer (GAS), в котором есть миниатюрные датчики на основе графена, которые могут обнаруживать очень низкие уровни загрязнителей в воздухе.

Графеновые «суперкапсы» для телефонов

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

Поскольку графен так идеально проводит электричество, его можно использовать для создания сверхбыстрых аккумуляторов, способных выдерживать ток со скоростью в десятки раз выше, чем у литиевых аккумуляторов. .

Суперконденсаторы или «суперконденсаторы» — это запоминающие устройства, которые могут заряжаться и разряжаться с очень высокой скоростью, а над добавлением графена в течение пяти лет работали аэрокосмические гиганты Thales и M-SOLV.

Новая технология нанесения покрытия распылением позволила исследователям увеличить мощность суперконденсаторов в пять раз.Ожидайте, что продукты будут выпущены в конце 2019 года.

Графеновая интеллектуальная одежда

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

Думаете, эра носимых устройств означает Fitbits и Apple Watch 4? Если эти громоздкие устройства являются первой волной носимых устройств, возможно, второй будет «умная одежда» на основе графена.

Поскольку графеновые чернила можно печатать на гибких поверхностях, таких как пластиковые листы, бумага и ткани, можно изготавливать электропроводящую одежду на основе графена, такую ​​как футболку с сенсорным интерфейсом от Центра технических исследований Финляндии VTT.

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

Это также может позволить солдатам, пожарным, лыжникам и другим спортсменам отвечать на телефонные звонки на ходу, а также облегчить пожилым людям обращение в службы экстренной помощи.

Графеновый патч, отслеживающий УФ-излучение

Этот графеновый патч измеряет УФ-излучение на коже.Изображение предоставлено: Джейми Картер

УФ-защитная одежда, которая пропускает часть вредных солнечных лучей к вашей коже, теперь стала обычным явлением, но что, если бы ваша одежда действительно могла сказать вам, когда ваша кожа получила достаточно УФ-излучения? Это идея, лежащая в основе этого ультратонкого и гибкого датчика.

«Вы наклеиваете его прямо на кожу или на свои плавательные шорты, или он может быть интегрирован в одежду», — говорит профессор Франк Коппенс из ICFO (Институт фотонных наук), Барселона. «Он измеряет УФ-индекс и отправляет сигнал на ваш телефон, когда вам нужно спрятаться от солнца.«В настоящее время находится в процессе миниатюризации, в будущем этот патч будет еще меньше и будет полностью прозрачным.

Интеллектуальный мониторинг стельки для спортсменов

Графеновая пена в стельке реагирует на колебания давления. Изображение предоставлено: Джейми Картер

Graphene также делает большие успехи в области создания умной обуви. Носки и стельки, измеряющие давление в реальном времени, не новость, но в большинстве случаев в такие изделия встроено всего несколько датчиков давления. В этом прототипе их более 100.Легкая пена с графеном, способная точно измерить, где ваша ступня касается подошвы, реагирует на колебания давления — и с точностью до миллиграмма.

«Я могу получить качественные данные о том, насколько каждая точка моей стопы оказывает влияние на подошву, и представить карту давления обуви, все в приложении для смартфона», — говорит Ярджан Абдул Самад из Кембриджского центра графена при Университете Кембридж.

Крутая обувь из графена

Обувь из графена отгоняет горячие, вонючие ноги.Изображение предоставлено: Джейми Картер

Графен может похвастаться отличной теплопроводностью, так где же его лучше положить, чем в жаркое и вонючее место? В этом прототипе графеновой обуви, разработанной Istituto Italiano di Tecnologia, BeDimensional и тосканским сапожником Fadel, к полиуретану добавлены хлопья графена. Конечным результатом является обувь, которая рассеивает на 50% больше тепла, чем когда обувь сделана только из полиуретана.

Это отличный способ понять значение графена в производственном процессе; Обычно это дополнение к существующим материалам, а не замена им.Еще более поразительно то, что эти графеновые туфли состоят всего на 1% из графена.

Самый эффективный солнечный элемент в мире

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

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

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

Графеновые интерфейсы мозг-компьютер

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

Гибкость графена означает, что его можно использовать в мозговых имплантатах, которые записывают и стимулируют сигналы мозга на поверхности мозга. «Графен позволяет создать новое поколение менее инвазивных нейронных имплантатов», — говорит профессор д-р.Хосе А Гарридо, профессор-исследователь ICREA в ICN2.

«Его можно легко интегрировать в гибкие подложки, он имеет очень высокое отношение сигнал / шум, поэтому сохраняет электрический сигнал очень высокого качества, а также сводит к минимуму использование кабелей».

Работа Гарридо в речевом центре ICN2 Stimulation и BrainCom сосредоточена на обеспечении пути общения для пациентов с тяжелыми нарушениями речи (такими как инсульты и болезни двигательных нейронов) путем картирования области мозга, связанной с произнесением речи.

Графеновый компрессор криоохладителя для 5G

Графеновые слои позволяют использовать эту компактную базовую станцию ​​для 5G. Изображение предоставлено: Джейми Картер

Мобильные антенны и приемники нуждаются в большем охлаждении, чем выше пропускная способность, иначе они перегреются. Таким образом, значительное увеличение пропускной способности данных, необходимое для базовых станций 5G , является чем-то вроде головоломки для телекоммуникационной отрасли. Используйте этот миниатюрный охлаждающий насос, чтобы довести электронные системы до криогенных температур.

«Мы разработали небольшой компрессор на основе графена, размер которого примерно в десять раз меньше того, что можно сделать с другими материалами», — объясняет Ларс Лундгрен из APR Technologies AB, Швеция. Без движущихся частей и с графеном во всех остальных слоях он создает давление, необходимое для охлаждения базовых станций примерно до -150 градусов Цельсия, сигнал 5G остается стабильным. Эрикссон и Nokia вовлечены.

Графеновые детекторы инфекции

Графен используется для анализа образцов крови за 10 минут.Изображение предоставлено: Джейми Картер

Впервые сообщалось в марте 2014 г. об эпидемии Эболы в Западной Африке, унесшей жизни более 11 000 человек в Либерии, Гвинее, Сьерра-Леоне, Нигерии, Мали и США. Так как же остановить следующий? Графеновые фотоприемники, вот как.

Проблема во время вспышки заключается в том, что анализы крови занимают несколько дней, и людей в таких местах, как аэропорты и центры городов, необходимо немедленно сдавать. Эта сенсорная платформа, созданная Королевским технологическим институтом KTH в Швеции для работы с крошечной каплей крови, основана на кремниевой фотонике и графеновых фотодетекторах, которые обнаруживают определенные пары молекул в инфракрасном спектре.По сути, он определяет молекулярный отпечаток конкретного заболевания.

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

Графеновые наушники

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

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

Все, что Xiaomi скажет, это то, что он содержит «двухдиафрагму из графена с 25 шагами», чтобы сохранить богатые детали и сохранить мягкость низких нот ». Графеновая диафрагма «более пластична на высоких частотах, производит богатые, резкие и кристально чистые звуки» и «проводит 100% электрических сигналов, проходящих через них».Xiaomi также продает ультратонкий пояс PMA Graphene Smart Therapy Belt, в котором используется ткань, пропитанная графеном.

Графеновые самолеты

В авиации вес имеет решающее значение, а это означает огромные расходы на топливо. Большинство пассажирских авиакомпаний перевозят достаточно топлива, чтобы выдержать не только вес самолета и пассажиров, но и вес самого топлива. Поэтому неудивительно, что такие люди, как Sir Richard Branson , думают, что все самолеты будут построены из сверхлегкого графена в течение десятилетия.

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

Графеновые чехлы для телефонов

NanoCase использует графен для отвода тепла. Изображение предоставлено: NanoCase

Чехлы для смартфонов со встроенными батареями для дополнительной зарядки просто не прижились, но проблема быстрого разряда аккумуляторов телефона сохраняется, особенно для опытных пользователей.Cue NanoCase для iPhone X, iPhone 8/8 Plus и iPhone 7/7 Plus, который содержит графеновую панель, которая быстро отводит излишки тепла внутри телефона.

Это продлевает время автономной работы телефона до 20%, заявляют производители NanoCase. Тем не менее, это поможет вам только в том случае, если вы из тех пользователей телефона, которые так интенсивно используют свой телефон, что он становится горячим. Геймеры, обратите внимание.

Графен — не такой уж и удивительный материал?

(Источник: iStock)

Спустя более чем десятилетие после открытия графена все еще существуют проблемы, которые необходимо преодолеть, чтобы «чудо-материал» стал мейнстримом.

Графен должен был преобразовать все, от автомобильных шин до презервативов. Никогда еще не было столько ажиотажа вокруг нового материала. Легко понять, почему: его слои из атомов углерода невероятно прочные, сверхэластичные и проводят тепло лучше, чем большинство металлов. Однако проблема с графеном заключается в том, что он еще не оправдал своих ожиданий с коммерческой точки зрения.

Когда в 2004 году его открыли два профессора Манчестерского университета, Андре Гейм и Костя Новоселов, графен был провозглашен чудо-материалом, способным разрушить многие отрасли промышленности.

Ученые, которые с тех пор получили Нобелевскую премию за свою работу, создали материал во время эксперимента в пятницу вечером, играя и используя скотч для создания ультратонких хлопьев из куска графита. И хотя графен оказался самым тонким материалом, известным ученым, и имел толщину всего в один атом, оказалось, что он в 200 раз прочнее стали.

Последняя разработка заключается в том, что графен может произвести революцию в аккумуляторах смартфонов. Исследователи из Samsung Advanced Institute of Technology обнаружили, что, когда литий-ионный аккумулятор был покрыт этим материалом, его емкость увеличивалась, а зарядка происходила в пять раз быстрее — результаты были опубликованы в журнале Nature Communications в ноябре.Однако исследователи признают, что проблемой будет массовое производство, и может пройти некоторое время, прежде чем люди начнут ходить с батареями с графеновым покрытием в карманах.

Хотя на бумаге графен обладает качествами, которые в совокупности должны сделать его идеальным материалом для работы, проблема заключается в том, что бездефектный графен, как правило, слишком дорого обходится. Трудно получить точные данные, но цена материала может варьироваться в зависимости от условий производства, а методы массового производства не являются полностью рентабельными.

«Когда графен был впервые выделен командой в Манчестере, он происходил из высококачественного графита, но снимался слой за слоем с помощью ленты», — объясняет Кшиштоф Козиол, профессор инженерии композитов в Университете Крэнфилда и глава отдела усовершенствованных композитов и структур. Центр. «Это идеальный метод для получения нескольких хлопьев в лабораторных условиях, но он не совсем подходит для получения значительных объемов».

Исследователь Антониос Ойкономоу из Манчестерского университета (Источник: Манчестерский университет / NGI)

Хотя механически расслоенный графен, такой как графен, полученный методом скотча
, имеет лучшие физические свойства, отдельные хлопья, полученные с помощью этого метода, слишком дороги для массового производства, добавляет Козиол.

Одним из основных используемых вместо этого методов является химическое осаждение из паровой фазы (CVD), относительно простой процесс, который включает выращивание графена на подложке, обычно на медной фольге. Здесь цена зависит от объема производимого материала и стоимости его переноса с подложки. Хотя промышленные технологии, такие как запатентованный метод переноса графена, разработанный ведущим производителем Graphenea, помогают снизить стоимость процесса, CVD также имеет свои недостатки.

«Проблема в том, что, когда вы расслаиваете графен механически посредством силы или применяя химический подход, вы можете внести дефекты в структуру материала», — говорит Козиол. «С помощью метода CVD можно использовать вредные кислоты для растворения субстрата и отделения его от графена. В конечном итоге вы можете создать оксид графена, который поврежден до такой степени, что перестанет быть электропроводным ».

Более зеленый графен

Для того, чтобы графен имел коммерческое влияние и использовался для разработки более качественных продуктов, таких как транзисторы, он должен быть не только рентабельным, но и экологически безопасным.Таковы идеи нового исследования Университета Иллинойса на факультете механики и инженерии Урбана-Шампейн, где ученые открыли более чистый и экологичный способ производства графена и изоляции его от подложки. Волшебный ингредиент? Углекислота, содержащаяся в газированных напитках и шампанском.

«Текущие стратегии по производству графена используют и выбрасывают большое количество агрессивных химикатов, а также выбрасывают деионизированную воду высокой чистоты. Мало того, они расходуют медную подложку и загрязняют графен химическими остатками, которые необходимо смыть », — говорит Майкл Кай Ван, аспирант, возглавлявший исследовательский проект, результаты которого были опубликованы в журнале Journal of Materials. Chemistry C ранее в этом году.

«Использование угольной кислоты в качестве проводящего раствора позволило нам отслоить графен от медной подложки. Углекислота испарялась в виде углекислого газа и водяного пара, а это значит, что графен не нужно было очищать. Мы также смогли повторно использовать подложку, что, конечно, могло бы иметь большое влияние на снижение затрат, если бы процесс переноса был когда-либо расширен », — добавляет Ван.

Чтобы подготовить графен таким образом, чтобы процесс, который Ван любит называть «производством на основе кладовой химии», был экологически чистым, он и его коллеги-исследователи покрыли материал этилцеллюлозой пищевого качества.Это биологически полученное покрытие можно найти в капсулах для таблеток и использовать в качестве средства против комкования в сыре пармезан.

Они обнаружили, что он может заменить обычную тонкую пленку, которой графен обычно покрывается во время процесса CVD, и которая требует использования растворителей, которые могут быть канцерогенными и токсичными. При этом они также обнаружили, что он совместим с другими материалами, которые не переносят агрессивные растворители.

Ван надеется, что это исследование проливает свет на необходимость более чистых процессов переноса при производстве графена.По мере роста спроса на графен в будущем возрастет потребность в более быстрых методах производства. Однако, по его словам, устойчивое производство также является важным фактором, который следует принимать во внимание.

Компания Cambridge Nanosystems, соучредителем которой в 2012 году стала компания Cambridge Nanosystems. Благодаря гранту в размере 500 000 фунтов стерлингов от Совета по технологической стратегии он и его коллега Выпускница Кембриджского университета Катарина Паукнер разработала метод создания графена без подложек и растворителей с использованием газообразного метана.

«В этом процессе используется уникальный плазменный реактор, чтобы сначала разбить сырье [газообразный метан] на водород и атомы элементарного углерода, а затем эти атомы рекомбинируют в листы графена, плавая их в атмосфере водорода», — объясняет Козиол. «Время, необходимое для того, чтобы газообразный метан попадал в плазменный реактор до момента образования графена, составляет менее секунды».

Согласно Козиолу, химическая природа процесса приводит к очень чистому графену. «Представьте себе снежинку, падающую на землю.В наших реакторах у нас есть хлопья чистого графена, падающие в сборную камеру », — истекает он.

Необходимы универсальные стандарты

Как показывают работы Ванга и Козиола, производство графена полно возможностей и потенциала. Однако это само по себе представляет собой камень преткновения, поскольку различные методы производства означают, что производимый графен имеет разную степень качества. Это может сбивать с толку конечных пользователей и в некоторой степени препятствовать усвоению материала.

Чтобы устранить двусмысленность, Национальный институт графена (NGI) при Манчестерском университете в сотрудничестве с Национальной физической лабораторией разработал набор стандартизованных измерений. В ноябре обе организации опубликовали свое первое руководство под названием «Характеристика структуры графена», цель которого — информировать производителей о том, как надежно измерить структурные свойства материала.

«Стандартизация поможет ускорить внедрение. Это даст пользователям уверенность в качестве и неизменности свойств графена, который они покупают », — говорит Антониос Ойкономоу, который до сентября был научным сотрудником NGI.Его работа сыграла важную роль в запуске колеса для установления общепризнанных стандартов.

Неспособность решить эту проблему может иметь критическое значение и ограничить использование графена стадией НИОКР.

С другой стороны, осведомленность о структуре материала, характеристиках и потенциальных дефектах может дать исследователям и новаторам столь необходимый шанс и уверенность в расширении масштабов и выводе продуктов на рынок, — говорит Ойконому, который является соавтором. основал Eksagon, компанию, изучающую технологии производства, хранения и преобразования энергии на основе графена.

Костя Новоселов показывает бывшему канцлеру Джорджу Осборну графеновую лампочку (Источник: Манчестерский университет / NGI)

Только в 2015 году, спустя более чем десять лет после открытия графена, NGI представила первый коммерческий продукт с улучшенным графеном: светодиодную лампочку. Нить лампы накаливания, произведенной метко названной компанией Graphene Lighting, вышедшей из института, покрыта графеном, что придает ей большую проводимость и повышенную эффективность.

«Основное преимущество использования графена заключается в его способности более эффективно передавать тепло. Светодиоды выделяют большое количество тепла на небольшой площади, и, если это тепло не будет удалено, температура повысится и приведет к значительному ухудшению характеристик светодиодов », — говорит Стивен Бигнелл, директор британского производителя освещения Sera Technologies, который недавно стал один из первых в мире, кто применил графеновую технологию. «За счет более эффективного отвода тепла графен улучшает светоотдачу светодиодных ламп и продлевает срок их службы.”

Бигнелл не видит причин, по которым лампы, усиленные графеном, не будут иметь коммерческого успеха, особенно потому, что они будут продаваться примерно по той же цене, что и модели без графена.

Что касается других продуктов, то может пройти пять, 10 или 20 лет, прежде чем графеновая революция появится на полках для покупок. Но они придут, вопрос только в том, когда. По словам Козиола, графен не только изменит производственные процессы, но и улучшит характеристики повседневных предметов.


Материалы, опубликованные Professional Engineering, не обязательно отражают точку зрения Института инженеров-механиков.

Графеновый бронежилет, пуленепробиваемый жилет и защита

Что такое графен?

С тех пор, как он был впервые обнаружен в 2003 году, исследования чудесного материала, известного как графен, быстро расширились. Состоящий исключительно из атомов углерода, расположенных в гексагональной конфигурации толщиной в один атом, этот материал известен своей способностью с большой эффективностью проводить тепло и электричество.Из-за этого исследователи изучают возможность использования его в области электроники, накопления энергии, фотоэлектрических элементов, биологической инженерии и даже лечения.

Использование графена в бронежилетах

Однако было проведено мало исследований способности материалов поглощать удары. Если и есть что-то, чем известен графен, кроме его проводимости, так это его чистая прочность. Несмотря на небольшой вес, этот материал необычайно прочен и долговечен, даже больше, чем сталь или кевлар.Неудивительно, почему исследователи рассматривают возможность использования его для создания новых форм бронежилетов.

До недавнего времени исследования графена были сосредоточены на его прочности на разрыв — сколько напряжения он может выдержать, когда его учат тянуть. В 200 раз прочнее стали, он рассматривается для создания таких концепций, как космический лифт. Но почти столь же впечатляющим является тот факт, что он может рассеивать в 10 раз больше кинетической энергии, чем сталь, что означает, что он также очень силен перед лицом прямого нападения.

Это исследование потенциала графена для использования в качестве бронежилета было проведено нами из Университета Райса в Хьюстоне при дополнительной поддержке Агентства по уменьшению угроз обороны и Фонда Уэлча — некоммерческой организации из Техаса, занимающейся финансирование химических исследований.

В Райсе ученый-материаловед Эдвин Томас и доцент Джэ-Хван Ли из Массачусетского университета, Амхерст, создали испытание на удар с использованием небольших листов графена и подвергли их процессу, известному как испытание на удар лазерным ударом ( ЛИПИТ).

Графеновая технология для бронежилета

Этот процесс, который был впервые разработан Rice labs, заключается в отталкивании маленьких сфер от противоположной стороны поглощающей поверхности золота с большой скоростью. Используя этот процесс, управляемый лазером, они смогли посылать «микропулы» по листам графена со скоростью до 3 км (1,9 мили) в секунду, что намного быстрее, чем скорость пуль, выпущенных из штурмовой винтовки АК-47.

Для теста группа исследователей выстроила многослойные графеновые листы, полученные из объемного графита, толщиной от 10 до 100 нанометров.Затем они использовали высокоскоростную камеру, чтобы сделать снимки снарядов до и после того, как они попали в листы, а затем закончили, используя микроскопические изображения для оценки нанесенного ущерба.

В каждом случае микропули пробивали графен, но не оставляли чистых, аккуратных отверстий. Вместо этого они отметили наличие трещин вокруг каждой точки удара, что указывает на то, что графен растягивается перед разрушением. На основании своих наблюдений они смогли вычислить количество энергии, поглощенной материалом, и скорость, с которой он мог ее рассеять.

Проверка прочности графена

Они пришли к выводу, что графен распределяет напряжение от пуль на большой площади со скоростью до 2200 метров (7217 футов) в секунду. Это не только скорость передачи напряжения выше, чем у любого известного материала, она также превышает скорость звука в воздухе, которая эквивалентна 342 метрам (1125 футов) в секунду.

Они обнаружили, что способность графена одновременно быть жестким, прочным и эластичным делает его идеальным для защитного экранирования.Как объяснил профессор Томас в выпуске новостей и СМИ Университета Райса: «Игра в защиту — это получение напряжения, которое распределяется по большой площади. Это гонка. Если конус может двигаться с заметной скоростью по сравнению со скоростью снаряда, напряжение не локализовано под снарядом «.

Это означает, что жилет, дополненный листами графена, не только будет иметь больше шансов остановить пулю, но и сможет гораздо более эффективно распределять напряжение наружу.Это снизит количество смертей и травм, связанных с «тупой травмой», которая в случае огнестрельного оружия почти так же смертельна, как и само огнестрельное ранение.

Применение графена для военных и самолетов

Кроме того, способность слоев графена рассеивать напряжение также может быть полезна для танков и бронетехники, учитывая, что кинетическое оружие, такое как флешеты из обедненного урана и высокоэнергетические направленные взрывные устройства, является широко используется против них.Блоки «реактивной брони» и сегменты композита уже размещены над резервуарами, чтобы обеспечить дополнительную защиту, поэтому нетрудно представить себе, что эти существующие системы могут быть дополнительно дополнены слоями графена.

И последнее, но не менее важное: графен может обеспечить легкую защиту космических кораблей и высотных сверхзвуковых (и гиперзвуковых) самолетов. Сочетание эффективной передачи тепла и энергии сделало бы его идеальным в сочетании с другими композитами, чтобы гарантировать, что летательные аппараты, летающие в атмосфере Земли и других планет, не сгорают.

Естественно, это далеко не единственная область исследований, в которой графен открывает новые захватывающие возможности. И, как и в случае с электроникой, науками о здоровье, медициной и энергетикой, потенциал ошеломляет. Без особых усилий можно представить новое поколение сверхпрочных зенитных бронежилетов, военных машин и космических кораблей, дополненных крошечными листами невероятно легкого материала.

Graphene Body Armor Usage

И, учитывая его использование в биологических исследованиях, вполне возможно, что форма имплантируемого графена также может быть разработана для солдат и телохранителей, людей, которые носят свою броню под кожей, а не поверх тела .Можно даже представить себе, что слои графена могут быть помещены на кости, чтобы защитить их от атак и предотвратить их разрушение. Переместитесь через адамантий, графен в городе!

Отчет об исследовании профессора Томаса и доцента Джэ-Хванга Ли был опубликован в декабрьском выпуске журнала Science Magazine под названием «Попадания микропулей подтверждают силу графена». Соавторами статьи являются аспирант Райс Филлип Лойя и Джун Лу, доцент кафедры материаловедения и наноинженерии.

И обязательно ознакомьтесь с этим видео из Университета Райса, демонстрирующим тестирование микропуляций:

Источники:

Кредиты изображений:

Исследователи создали специальную платформу для выстраивания многослойных листов графена, механически вытянутых из насыпной графит.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *