Mis on grafeen? Siin on, mida peaksite teadma

Lisalugemist

• Üheksa hämmastavat grafeeni kasutust, alates vee filtreerimisest kuni nutika värvini
• Mis on Hyperloop? Siin on kõik, mida peate teadma

Tänapäeval on uuel materjalil potentsiaali tulevikku muuta. "Supermaterjaliks" tituleeritud grafeen on teadlastel üle maailma rabelenud, et seda paremini mõista. Grafeeni imeliste tunnuste pikk nimekiri muudab selle peaaegu maagiliseks, kuid sellel võib olla väga reaalne ja drastiline mõju füüsika ja tehnika tulevikule.

Mis täpselt on grafeen?

Lihtsaim viis grafeeni kirjeldamiseks on see, et see on üks õhuke grafiidikiht - pehme, helbeline materjal, mida kasutatakse pliiatsipliiatsites. Grafiit on elemendi süsiniku allotroop, mis tähendab, et sellel on samad aatomid, kuid need on paigutatud erinevalt, andes materjalile erinevad omadused. Näiteks nii teemant kui ka grafiit on süsiniku vormid, kuid neil on metsikult erinev olemus. Teemandid on uskumatult tugevad, samas kui grafiit on rabe. Grafeeni aatomid on paigutatud kuusnurkselt.

Huvitav on see, et kui grafeen eraldatakse grafiidist, omandab see imelisi omadusi. See on kõigest ühe aatomi paksune, esimene kahemõõtmeline materjal, mis kunagi avastati. Sellest hoolimata on grafeen ka üks tugevamaid materjale teadaolevas universumis. Tõmbetugevusega 130 GPa (gigapaskalit) on see enam kui 100 korda tugevam kui teras.

Grafeeni uskumatust tugevusest hoolimata sellest, et see on nii õhuke, piisab selle hämmastavaks muutmiseks, kuid selle ainulaadsed omadused ei lõpe sellega. Samuti on see painduv, läbipaistev, väga juhtiv ja näiliselt läbimatu enamiku gaaside ja vedelike suhtes. Peaaegu tundub, et pole ühtegi piirkonda, kus grafeen ei paistaks silma.

Grafeeni ajalugu: teibirull ja unistus

Grafiit on tuntud kogus juba pikka aega (inimesed on seda kasutanud juba neoliitikumi ajastust). Selle aatomistruktuur on hästi dokumenteeritud ja teadlased mõtisklesid pikka aega selle üle, kas üksikuid grafiidikihte saab eraldada. Kuni viimase ajani oli grafeen aga pelgalt teooria, kuna teadlased ei olnud kindlad, kas grafiiti on kunagi võimalik viilutada üheks aatomiõhukeseks leheks. Esimese isoleeritud grafeeniproovi avastasid 2004. aastal Andre Geim ja Konstantin Novoselov Manchesteri ülikoolist. Võiks eeldada, et nad eraldasid muinasjutulise aine mõne massiivse ja kalli masina abil, kuid tööriist, mida nad kasutasid, oli lõbusalt lihtne: rull teipi.

Kasutades teipi suure grafiidiploki poleerimiseks, märkasid teadlased lindil erakordselt õhukesi helbeid. Jätkates grafiidihelvestelt kihi ja kihi koorimist, saadi lõpuks võimalikult õhuke proov. Nad olid leidnud grafeeni. Avastus oli nii veider, et teadusmaailm oli alguses skeptiline. Populaarne ajakiri Loodus isegi kaks korda tagasi lükanud nende paberi katse kohta. Lõpuks avaldati nende uurimused ning 2010. aastal said Geim ja Novoselov avastuse eest Nobeli füüsikaauhinna.

Võimalikud rakendused

Kui grafeenil oleks vaid üks paljudest ülimuslikest omadustest, uuritaks selle potentsiaalseid kasutusvõimalusi intensiivselt. Kuna grafeen on nii mitmel viisil tähelepanuväärne, on see inspireerinud teadlasi mõtlema materjali laiale kasutusalale nii erinevates valdkondades nagu tarbijatehnoloogia ja keskkonnateadus.

Paindlik elektroonika

Lisaks võimsatele elektrilistele omadustele on grafeen ka väga paindlik ja läbipaistev. See muudab selle atraktiivseks kasutamiseks kaasaskantavas elektroonikas. Nutitelefonid ja tahvelarvutid võivad grafeeni abil muutuda palju vastupidavamaks ja võib-olla isegi paberina kokku voltida. Kantavad elektroonikaseadmed on viimasel ajal üha populaarsemaks muutunud. Grafeeni abil saab neid seadmeid veelgi kasulikumaks muuta, need on loodud nii, et need sobiksid tihedalt jäsemete ümber ja painduksid, et kohandada erinevaid harjutusi.

Grafeeni paindlikkus ja mikroskoopiline laius pakuvad aga võimalusi, mis ei piirdu tavaseadmetega. See võib olla kasulik ka biomeditsiinilistes uuringutes. Grafeenist saab valmistada väikseid masinaid ja andureid, mis suudavad kergesti ja ohutult läbi inimkeha liikuda, kudesid analüüsida või isegi ravimeid teatud piirkondadesse toimetada. Süsinik on juba inimkehas ülioluline koostisosa; väike grafeeni lisamine ei pruugi haiget teha.

Päikesepatareid/fotogalvaanika

Grafeen on nii hästi juhtiv kui ka läbipaistev. Sellisena on sellel päikesepatareide materjalina suur potentsiaal. Tavaliselt kasutavad päikesepatareid räni, mis tekitab laengu, kui footon tabab materjale, vabastades vaba elektroni. Räni vabastab ainult ühe elektroni iga teda tabava footoni kohta. Uuringud on näidanud, et grafeen võib vabastada mitu elektroni iga seda tabava footoni kohta. Sellisena võiks grafeen olla päikeseenergia muundamisel palju parem. Varsti võivad odavamad ja võimsamad grafeenirakud tekitada taastuvenergia tohutu tõusu.

Grafeeni fotogalvaanilised omadused tähendavad ka seda, et seda saab kasutada paremate pildiandurite väljatöötamiseks selliste seadmete jaoks nagu kaamerad.

Pooljuhid

Tänu oma kõrgele juhtivusele saab grafeeni kasutada pooljuhtides, et suurendada oluliselt teabe liikumiskiirust. Hiljuti viis energeetikaministeerium läbi katsed, mis näitasid, et pooljuhtivad polümeerid juhivad elektrit palju kiiremini, kui need asetatakse grafeenikihi peale, kui ränikiht. See kehtib isegi siis, kui polümeer on paksem. Grafeenikihi peale asetatud 50 nanomeetri paksune polümeer juhtis laengut paremini kui 10 nanomeetrine polümeerikiht. See läks vastuollu varasemate arusaamadega, mille kohaselt mida õhem on polümeer, seda paremini suudab see laengut juhtida.

Suurim takistus grafeeni kasutamisele elektroonikas on ribalaiuse puudumine, lõhe valents- ja juhtivusribade vahel materjalis, mis ristumisel võimaldab elektrivoolu voolamist. Ribavahe on see, mis võimaldab pooljuhtivatel materjalidel, nagu räni, toimida transistoridena; nad võivad lülituda elektrivoolu isoleerimise või juhtimise vahel, olenevalt sellest, kas nende elektronid lükatakse üle ribalaiuse või mitte.

Teadlased on katsetanud erinevaid meetodeid, et anda grafeenile ribavahe; kui see õnnestub, võib see kaasa tuua palju kiirema grafeeniga ehitatud elektroonika.

Vee filtreerimine

Grafeeni tihedad aatomisidemed muudavad selle peaaegu kõikide gaaside ja vedelike jaoks läbimatuks. Kummalisel kombel on veemolekulid erand. Kuna vesi võib läbi grafeeni aurustuda, samas kui enamik teisi gaase ja vedelikke ei saa, võib grafeen olla erakordne filtreerimisvahend. Manchesteri ülikooli teadlased testisid grafeeni läbilaskvust alkoholiga ja suutsid seda teha destilleerida väga kangeid piirituse proove, kuna ainult proovides olev vesi suutis läbida grafeen.

Muidugi on grafeeni kasutamisel filtrina potentsiaali peale kangemate alkohoolsete jookide destilleerimise. Grafeen võib olla ka tohutult kasulik vee puhastamisel toksiinidest. The Royal Society of Chemistry avaldatud uuringus näitasid teadlased, et oksüdeeritud grafeen võib isegi tõmmata sisse vees olevad radioaktiivsed materjalid, nagu uraan ja plutoonium, jättes vedeliku vabaks saasteained. Selle uuringu tagajärjed on tohutud. Mõned ajaloo suurimad keskkonnaohud, sealhulgas tuumajäätmed ja keemiline äravool, saab tänu grafeenile veeallikatest puhastada.

Kuna ülerahvastatus on jätkuvalt üks maailma pakilisemaid keskkonnaprobleeme, muutub puhta veevarude säilitamine ainult olulisemaks. Tõepoolest, veepuudus kimbutab maailmas rohkem kui miljardit inimest, mis praeguseid suundumusi arvestades ainult kasvab. Grafeenfiltritel on tohutu potentsiaal parandada vee puhastamist, suurendades saadaoleva magevee hulka. Tegelikult töötas Lockheed Martin hiljuti välja grafeenfiltri nimega "Perforene", mis ettevõtte väitel võib magestamisprotsessi muuta.

Praegused magestamistehased kasutavad soola mereveest välja filtreerimiseks meetodit, mida nimetatakse pöördosmoosiks. Pöördosmoos kasutab survet vee liigutamiseks läbi membraani. Suures koguses joogivee tootmiseks nõuab see surve tohutult energiat. A Lockheed Martini insener väidab nende Perforene filtrid võivad vähendada energiavajadust sada korda vähem kui teised filtrid.

MIT lõi nanopooridega grafeeni

Filtreerimine on üks grafeeni ilmsemaid kasutusviise ja MIT-i insenerid on teinud suuri edusamme grafeeni molekulide eraldamise võime täiustamisel. 2018. aastalMIT-i meeskond tuli välja meetodi, mille abil luua grafeenilehtedesse pisikesi auke. MIT-i teadlased kasutavad grafeeni tootmiseks rullist rullile lähenemist. Nende seadistamine hõlmab kahte pooli: üks pool toidab vaselehe ahju, kus see kuumutatakse sobival temperatuuril, lisavad insenerid metaani ja gaasilist vesinikku, mis põhjustab sisuliselt grafeenikogumeid moodustada. Grafeenkile väljub ahjust, kerides teisele poolile.

Teoreetiliselt võimaldab see protsess suhteliselt lühikese aja jooksul moodustada suuri grafeenilehti, mis on kaubanduslike rakenduste jaoks ülioluline. Teadlased pidid protsessi viimistlema, et grafeen moodustuks täiuslikult, ja huvitaval kombel osutusid ebatäiuslikud katsed hiljem kasulikuks. Kuna MIT-i meeskond püüdis grafeenis poore luua, kasutas nad nende väljalõikamiseks hapniku plasmat. Kuna see protsess osutus aeganõudvaks, tahtsid nad midagi kiiremat ja otsisid lahendusi oma varasemate katsete kaudu. Grafeeni kasvu ajal temperatuuri langetades tekkisid neile poorid. See, mis arendusprotsessi käigus ilmnes defektidena, oli kasulik viis poorse grafeeni loomiseks.

Ülijuhtivus

Mitte kaua pärast Cambridge'i teadlased näitasid MIT-i teadlased, et grafeen võib toimida ülijuhina (elektrilise takistuseta materjal), kui see on ühendatud praseodüümtseeriumvaskoksiidiga avastatud veel üks hämmastav omadus: see võib ilmselt õiges konfiguratsioonis toimida üksi ülijuhina. Teadlased panid virna kaks grafeeniviilu, kuid nihutasid need 1,1 kraadise nurga võrra. Ajakirjas Nature avaldatud raporti kohaselt on füüsik Pablo Jarillo-Herrero Massachusettsi Instituudist. Cambridge'i tehnoloogia (MIT) ja tema meeskond ei otsinud oma seadistamisel ülijuhtivust katse. Selle asemel uurisid nad, kuidas maagiliseks nurgaks nimetatud orientatsioon võib grafeeni mõjutada.

Nad avastasid, et kui nad juhtisid elektrit läbi grafeenikihi, toimis see ülijuhina. See lihtne elektrienergia rakendamise protsess muudab grafeeni uurimise lihtsamaks kui sarnast klassi ülijuhid, kupraadid, kuigi nende materjalide ülijuhtivus on palju suurem temperatuurid. Enamik materjale, millel on ülijuhtivus, teevad seda ainult absoluutse nulli temperatuuri lähedal. Mõned nn kõrge temperatuuriga ülijuhid võivad näidata ülijuhtivust temperatuuril umbes 133 Kelvinit (-140 Celsiuse järgi), mis on suhteliselt kõrge; vesiniksulfiid kuvab piisava rõhu all omaduse juures imeline -70 kraadi Celsiuse järgi!

Grafeeni paigutus tuli jahutada 1,7 kraadini üle absoluutse nulli, kuid teadlased peavad selle käitumist sarnaseks kupraatide omaga ja seega nad loodavad, et see on palju lihtsam materjal ebatavalise ülijuhtivuse uurimiseks, mis on siiani suurte lahkarvamuste valdkond. füüsikud. Kuna ülijuhtivus toimub tavaliselt ainult nii madalatel temperatuuridel, kasutatakse ülijuhte ainult kulukates masinates, nagu MRI-seadmed, kuid teadlased loodavad ühel päeval leida toatemperatuuril töötava ülijuhi, mis alandaks kulusid, kaotades vajaduse jahutamise järele ühikut.

sisse 2019. aastal avaldatud uuring, näitasid teadlased, kuidas grafeenikihtide keerdumine teatud "maagiliste" nurkade all võib tekitada ülijuhtivaid omadusi madalamatel temperatuuridel kui varem.

Sääsekaitse

Vähesed olendid on nii vastikud kui sääsed, mis on nende sügelevate hammustuste ja kalduvusega levitada kohutavaid haigusi, nagu malaaria. Õnneks on Browni ülikooli teadlased leidnud võimaliku lahenduse, kasutades grafeeni. Uurimus, avaldatud 2019. aastal, näitab, et grafeenkile nahal mitte ainult ei takistanud sääskede hammustamist, vaid isegi takistas neid nahale maandumast. Üks võimalik seletus on see, et grafeen takistas sääskedel saagi lõhna tundmist.

Grafeeniuuringute tulevik

Arvestades grafeeni näiliselt lõputut tugevuste loetelu, võib eeldada, et seda näeb kõikjal. Miks pole siis grafeeni laialdaselt kasutusele võetud? Nagu enamiku asjade puhul, taandub see rahale. Grafeeni suurtes kogustes tootmine on endiselt äärmiselt kallis, mis piirab selle kasutamist toodetes, mis nõuavad masstootmist. Veelgi enam, kui toodetakse suuri grafeenilehti, suureneb oht, et materjalis tekivad väikesed praod ja muud vead. Ükskõik kui uskumatu teaduslik avastus ka poleks, otsustab edu alati majandusteadus.

Kui tootmisprobleemid kõrvale jätta, siis grafeeniuuringud ei aeglustu mingil juhul. Uurimislaborid üle kogu maailma – sealhulgas Manchesteri ülikool, kus grafeen esmakordselt avastati – esitavad pidevalt patente uutele grafeeni loomise ja kasutamise meetodile. Euroopa Liit kiitis 2013. aastal heaks lipulaeva programmi rahastamise, mille raames rahastatakse grafeeniuuringuid elektroonikas kasutamiseks. Samal ajal viivad Aasia suuremad tehnoloogiaettevõtted läbi grafeeniuuringuid, sealhulgas Samsung.

Revolutsioonid ei toimu üleöö. Räni avastati 19. sajandi keskel, kuid kulus ligi sajand, enne kui räni pooljuhid sillutasid teed arvutite levikule. Kas grafeen oma peaaegu müütiliste omadustega võib olla ressurss, mis juhib inimkonna ajaloo järgmist ajastut? Näitab ainult aeg.

Toimetajate soovitused

• Parimad valgusteraapia lambid
• Kui kaua peaksid teie seadmed vastu pidama?
• Parimad päikeselaadijad telefoni või tahvelarvuti jaoks
• 17 mustanahalist leiutajat, kes muutsid tehnikamaailma
• Parimad tervise- ja treeningvidinad