Какво е графен? Ето какво трябва да знаете

Допълнителна информация

• Девет невероятни приложения на графена, от филтриране на вода до интелигентна боя
• Какво е Hyperloop? Ето всичко, което трябва да знаете

Днес един нов материал има потенциала да промени бъдещето. Наречен „суперматериал“, графенът кара изследователите по целия свят да се борят да го разберат по-добре. Дългият списък от чудотворни свойства на графена го кара да изглежда почти магически, но може да има много реални и драстични последици за бъдещето на физиката и инженерството.

Какво всъщност представлява графенът?

Най-простият начин да се опише графенът е, че той е единичен тънък слой графит - мекият, люспест материал, използван в олово за молив. Графитът е алотроп на елемента въглерод, което означава, че притежава същите атоми, но те са подредени по различен начин, което придава на материала различни свойства. Например, както диамантът, така и графитът са форми на въглерод, но те имат изключително различна природа. Диамантите са невероятно здрави, докато графитът е чуплив. Атомите на графена са подредени в шестоъгълна подредба.

Интересното е, че когато графенът се изолира от графит, той придобива някои чудодейни свойства. Той е с дебелина само един атом, първият двуизмерен материал, открит някога. Въпреки това, графенът също е един от най-здравите материали в познатата вселена. С якост на опън от 130 GPa (гигапаскала), той е повече от 100 пъти по-здрав от стоманата.

Невероятната сила на графена, въпреки че е толкова тънък, вече е достатъчна, за да го направи удивителен, но уникалните му свойства не свършват дотук. Освен това е гъвкав, прозрачен, силно проводим и привидно непропусклив за повечето газове и течности. Почти изглежда, че няма област, в която графенът да не е превъзходен.

Историята на графена: Ролка лента и една мечта

Графитът е известно количество от дълго време (хората са го използвали още от епохата на неолита). Атомната му структура е добре документирана и дълго време учените размишляваха дали могат да бъдат изолирани единични слоеве графит. Доскоро обаче графенът беше само теория, тъй като учените не бяха сигурни дали някога ще бъде възможно да нарежат графита до един лист, тънък като атом. Първата изолирана проба от графен е открита през 2004 г. от Андре Гейм и Константин Новоселов от университета в Манчестър. Човек може да очаква, че са изолирали легендарното вещество с помощта на някаква масивна, скъпа машина, но инструментът, който използваха, беше забавно прост: ролка скоч.

Когато използваха лента за полиране на голям блок графит, изследователите забелязаха изключително тънки люспи върху лентата. Продължавайки да отлепват слой и слой от люспите графит, те в крайна сметка произвеждат проба възможно най-тънка. Бяха открили графен. Откритието беше толкова странно, че научният свят първоначално беше скептичен. Популярното списание Природата дори два пъти отхвърли тяхната статия за експеримента. В крайна сметка изследването им е публикувано и през 2010 г. Гейм и Новоселов получават Нобелова награда за физика за откритието си.

Потенциални приложения

Ако графенът имаше само една от многото си превъзходни характеристики, той щеше да бъде обект на интензивни изследвания за потенциални употреби. Тъй като е толкова забележителен по толкова много начини, графенът е вдъхновил учените да мислят за широк спектър от приложения на материала в толкова разнообразни области като потребителските технологии и науката за околната среда.

Гъвкава електроника

В допълнение към мощните си електрически свойства, графенът е също много гъвкав и прозрачен. Това го прави привлекателен за използване в преносима електроника. Смартфоните и таблетите биха могли да станат много по-издръжливи с помощта на графен и може би дори биха могли да бъдат сгънати като хартия. Носимите електронни устройства напоследък стават все по-популярни. С графен тези устройства биха могли да станат още по-полезни, проектирани да прилягат плътно около крайниците и да се огъват, за да поемат различни форми на упражнения.

Гъвкавостта и микроскопичната ширина на Graphene обаче предоставят възможности отвъд обикновените потребителски устройства. Може да бъде полезен и при биомедицински изследвания. Малки машини и сензори могат да бъдат направени с графен, способни да се движат лесно и безвредно през човешкото тяло, да анализират тъкани или дори да доставят лекарства в определени области. Въглеродът вече е решаваща съставка в човешкото тяло; малко добавен графен може да не навреди.

Слънчеви клетки/фотоволтаици

Графенът е едновременно високопроводим и прозрачен. Като такъв, той има голям потенциал като материал в слънчевите клетки. Обикновено слънчевите клетки използват силиций, който произвежда заряд, когато фотон удари материалите, освобождавайки свободен електрон. Силиконът освобождава само един електрон на фотон, който го удари. Изследванията показват, че графенът може да освободи множество електрони за всеки фотон, който го удари. Като такъв, графенът може да бъде много по-добър в преобразуването на слънчевата енергия. Не след дълго, по-евтини, по-мощни графенови клетки биха могли да доведат до огромен прилив на възобновяема енергия.

Фотоволтаичните свойства на графена също означават, че той може да се използва за разработване на по-добри сензори за изображения за устройства като камери.

полупроводници

Поради високата си проводимост, графенът може да се използва в полупроводници за значително увеличаване на скоростта, с която се разпространява информацията. Наскоро Министерството на енергетиката проведе тестове, които показаха, че полупроводимите полимери провеждат електричество много по-бързо, когато са поставени върху слой от графен, отколкото върху слой от силиций. Това важи дори ако полимерът е по-дебел. Полимер с дебелина 50 нанометра, поставен върху графенов слой, провежда заряд по-добре от 10-нанометров слой от полимера. Това противоречи на предишната мъдрост, според която колкото по-тънък е полимерът, толкова по-добре може да провежда заряд.

Най-голямата пречка за използването на графен в електрониката е липсата на пропускаща лента, разликата между валентните и проводящите ленти в материала, която, когато се пресече, позволява поток на електрически ток. Забранената лента е това, което позволява на полупроводникови материали като силиций да функционират като транзистори; те могат да превключват между изолиране или провеждане на електрически ток, в зависимост от това дали техните електрони са избутани през забранената лента или не.

Изследователите са тествали различни методи, за да осигурят на графена пропускаща лента; ако успее, това може да доведе до много по-бърза електроника, изградена с графен.

Филтриране на водата

Тесните атомни връзки на графена го правят непропусклив за почти всички газове и течности. Любопитно е, че водните молекули са изключение. Тъй като водата може да се изпари чрез графен, докато повечето други газове и течности не могат, графенът може да бъде изключителен инструмент за филтриране. Изследователи от университета в Манчестър тестваха пропускливостта на графена с алкохол и успяха дестилирайте много силни проби от спиртни напитки, тъй като само водата в пробите е успяла да премине през графен.

Разбира се, използването на графен като филтър има потенциал отвъд дестилирането на по-силни спиртни напитки. Графенът също може да бъде изключително полезен при пречистването на водата от токсини. В проучване, публикувано от The Royal Society of Chemistry, изследователите показват, че окисленият графен може дори издърпайте радиоактивни материали като уран и плутоний, присъстващи във водата, оставяйки течността чиста замърсители. Последствията от това проучване са огромни. Някои от най-големите опасности за околната среда в историята, включително ядрените отпадъци и химическите оттоци, могат да бъдат пречистени от водните източници благодарение на графена.

Тъй като пренаселеността продължава да бъде един от най-належащите екологични проблеми в света, поддържането на запасите от чиста вода ще става все по-важно. Наистина, недостигът на вода засяга повече от един милиард души по света, число, което само ще продължи да нараства предвид настоящите тенденции. Графеновите филтри имат огромен потенциал за подобряване на пречистването на водата, увеличавайки количеството налична прясна вода. Всъщност Lockheed Martin наскоро разработи графенов филтър, наречен „Perforene“, за който компанията твърди, че може да революционизира процеса на обезсоляване.

Сегашните инсталации за обезсоляване използват метод, наречен обратна осмоза, за да филтрират солта от морската вода. Обратната осмоза използва налягане, за да премести водата през мембрана. За да се произведат големи количества питейна вода, необходимото налягане изисква огромни количества енергия. А Инженерът на Lockheed Martin твърди техните филтри Perforene биха могли да намалят енергийните нужди сто пъти по-малко от тези на други филтри.

MIT създаде графен с "нанопори"

Филтрирането е едно от най-очевидните приложения на графена и инженерите на MIT са направили големи крачки в усъвършенстването на способността на графена да разделя молекулите. През 2018г, екип от Масачузетския технологичен институт измисли метод за създаване на малки дупки с „убождане“ в листове графен. Изследователите от Масачузетския технологичен институт използват подхода „от ролка до ролка“, за да произвеждат графен. Тяхната настройка включва две макари: Едната макара подава лист мед в пещ, където се нагрява до подходяща температура, тогава инженерите добавят метан и водороден газ, което по същество причинява басейни от графен за да се образува. Графеновият филм излиза от пещта, навивайки се върху втората макара.

На теория този процес позволява да се формират големи листове графен за сравнително кратко време, което е от решаващо значение за търговски приложения. Изследователите трябваше да прецизират процеса, за да накарат графена да се оформи перфектно, и интересното е, че несъвършените опити по пътя се оказаха полезни по-късно. Докато екипът на Масачузетския технологичен институт се опитваше да създаде пори в графен, те започнаха с помощта на кислородна плазма, за да ги издълбаят. Тъй като този процес се оказа отнемащ време, те искаха нещо по-бързо и потърсиха решения в предишните си експерименти. Чрез понижаване на температурата по време на растежа на графена, те получават пори, за да се появят. Това, което се появи като дефекти по време на процеса на разработка, се оказа полезен начин за създаване на порест графен.

Свръхпроводимост

Не след дълго демонстрираха учени от Кеймбридж че графенът може да действа като свръхпроводник (материал без електрическо съпротивление), когато е сдвоен с празеодимов цериев меден оксид, изследователи от MIT открити друго удивително свойство: очевидно може да функционира като свръхпроводник сам, в правилната конфигурация. Изследователите подреждат два парчета графен, но ги изместват под ъгъл от 1,1 градуса. Според доклад, публикуван в Nature, „физикът Пабло Джарило-Хереро от Масачузетския институт Technology (MIT) в Кеймбридж и неговият екип не са търсили свръхпроводимост, когато са създавали своя експеримент. Вместо това те проучваха как ориентацията, наречена магически ъгъл, може да повлияе на графена.

Това, което те откриха, е, че когато прокараха електричество през необработения стек от графен, той функционираше като свръхпроводник. Този прост процес на прилагане на електричество прави графена по-лесен за изучаване от подобен клас свръхпроводници, купрати, въпреки че тези материали показват свръхпроводимост при много по-високи нива температури. Повечето материали, които показват свръхпроводимост, го правят само близо до температура от абсолютната нула. Някои така наречени „високотемпературни свръхпроводници“ могат да показват свръхпроводимост при температури около 133 Келвина (-140 Целзий), което е сравнително високо; сероводород, под достатъчно налягане, показва свойството при чудодейните -70 градуса по Целзий!

Подреждането на графена трябваше да бъде охладено до 1,7 градуса над абсолютната нула, но изследователите смятат, че поведението му е подобно на това на купратите и така че те се надяват, че това ще бъде много по-лесен материал за изучаване на неконвенционалната свръхпроводимост, която все още е област на големи разногласия между физици. Тъй като свръхпроводимостта обикновено се случва само при такива ниски температури, свръхпроводниците се използват само в скъпи машини като ЯМР машини, но учените се надяват един ден да намерят свръхпроводник, който работи при стайна температура, което ще намали разходите, като премахне необходимостта от охлаждане единици.

в проучване, публикувано през 2019 г, изследователите показаха как усукването на слоеве графен под специфични „магически“ ъгли може да произведе свръхпроводими свойства при по-ниски температури от преди.

Защита от комари

Малко същества са толкова отвратителни, колкото комарите, с техните сърбящи ухапвания и склонността да разпространяват ужасни болести като малария. За щастие, изследователи от университета Браун са намерили възможно решение с помощта на графен. Проучването, публикувана през 2019 г, демонстрира, че графенов филм върху кожата не само блокира ухапването на комарите, но дори ги възпира да кацнат върху кожата на първо място. Едно възможно обяснение е, че графенът е попречил на комарите да надушат плячка.

Бъдещето на изследванията на графен

Като се има предвид привидно безкрайният списък от силни страни на графена, човек би очаквал да го види навсякъде. Защо тогава графенът не е широко възприет? Както при повечето неща, всичко се свежда до пари. Графенът все още е изключително скъп за производство в големи количества, което ограничава употребата му във всеки продукт, който би изисквал масово производство. Освен това, когато се произвеждат големи листове графен, съществува повишен риск от появата на малки пукнатини и други дефекти в материала. Колкото и невероятно да е едно научно откритие, икономиката винаги ще решава успеха.

Като оставим настрана проблемите с производството, изследванията на графена в никакъв случай не забавят темпото си. Изследователски лаборатории по целия свят - включително Университета в Манчестър, където графенът е открит за първи път - непрекъснато подават патенти за нови методи за създаване и използване на графен. Европейският съюз одобри финансиране за водеща програма през 2013 г., която ще финансира изследвания на графена за използване в електрониката. Междувременно големи технологични компании в Азия провеждат изследвания върху графена, включително Samsung.

Революциите не стават за една нощ. Силицият е открит в средата на 19 век, но отне почти век, преди силициевите полупроводници да проправят пътя за възхода на компютрите. Може ли графенът, с неговите почти митични качества, да бъде ресурсът, който движи следващата ера от човешката история? Само времето ще покаже.

Препоръки на редакторите

• Най-добрите лампи за светлинна терапия
• Колко време трябва да издържат вашите уреди?
• Най-добрите слънчеви зарядни устройства за вашия телефон или таблет
• 17 черни изобретатели, които промениха света на технологиите
• Най-добрите джаджи за здраве и фитнес