რა არის გრაფენი? აი, რა უნდა იცოდეთ

შემდგომი კითხვა

• გრაფენის ცხრა საოცარი გამოყენება, წყლის გაფილტვრიდან ჭკვიან საღებავებამდე
• რა არის Hyperloop? აქ არის ყველაფერი, რაც თქვენ უნდა იცოდეთ

დღეს ახალ მასალას აქვს მომავალი შეცვალოს პოტენციალი. გრაფენს, რომელსაც „ზემასალას“ უწოდებენ, მთელ მსოფლიოში მკვლევარები ცდილობენ მის უკეთ გასაგებად. გრაფენის სასწაულებრივი თვისებების გრძელი სია მას თითქმის ჯადოსნურად აქცევს, მაგრამ მას შეიძლება ჰქონდეს ძალიან რეალური და მკვეთრი გავლენა ფიზიკისა და ინჟინერიის მომავალზე.

კონკრეტულად რა არის გრაფენი?

გრაფენის აღწერის უმარტივესი გზა არის ის, რომ ეს არის გრაფიტის ერთი თხელი ფენა - რბილი, ქერცლიანი მასალა, რომელიც გამოიყენება ფანქრის ტყვიაში. გრაფიტი არის ნახშირბადის ელემენტის ალოტროპი, რაც იმას ნიშნავს, რომ მას აქვს იგივე ატომები, მაგრამ ისინი განსხვავებულად არიან განლაგებული, რაც მასალას აძლევს განსხვავებულ თვისებებს. მაგალითად, ბრილიანტიც და გრაფიტიც ნახშირბადის ფორმებია, მაგრამ მათ აქვთ სრულიად განსხვავებული ბუნება. ბრილიანტები წარმოუდგენლად ძლიერია, ხოლო გრაფიტი მყიფეა. გრაფენის ატომები განლაგებულია ექვსკუთხა განლაგებით.

საინტერესოა, რომ როდესაც გრაფინი იზოლირებულია გრაფიტიდან, ის იძენს სასწაულებრივ თვისებებს. ეს არის მხოლოდ ერთი ატომის სისქის, პირველი ორგანზომილებიანი მასალა, რომელიც ოდესმე აღმოაჩინეს. ამის მიუხედავად, გრაფენი ასევე არის ერთ-ერთი ყველაზე ძლიერი მასალა ცნობილ სამყაროში. 130 GPa (გიგაპასკალი) დაჭიმვის სიმტკიცით, ის 100-ჯერ უფრო ძლიერია, ვიდრე ფოლადი.

გრაფენის წარმოუდგენელი სიძლიერე, მიუხედავად იმისა, რომ ასეთი თხელია, უკვე საკმარისია მისი გასაოცარი გახადისთვის, თუმცა, მისი უნიკალური თვისებები ამით არ მთავრდება. ის ასევე არის მოქნილი, გამჭვირვალე, უაღრესად გამტარი და ერთი შეხედვით გაუვალი გაზებისა და სითხეების უმეტესობის მიმართ. როგორც ჩანს, არ არსებობს სფერო, რომელშიც გრაფენი არ გამოირჩეოდა.

გრაფენის ისტორია: ლენტი და სიზმარი

გრაფიტი დიდი ხანია ცნობილი რაოდენობაა (ადამიანები მას ნეოლითის ეპოქიდან იყენებდნენ). მისი ატომური სტრუქტურა კარგად არის დოკუმენტირებული და დიდი ხნის განმავლობაში მეცნიერები ფიქრობდნენ, შეიძლებოდა თუ არა გრაფიტის ცალკეული ფენების იზოლირება. თუმცა, ბოლო დრომდე გრაფინი მხოლოდ თეორია იყო, რადგან მეცნიერები არ იყვნენ დარწმუნებული, რომ ოდესმე შესაძლებელი იქნებოდა გრაფიტის დაჭრა ერთ, ატომის თხელ ფურცელზე. გრაფენის პირველი იზოლირებული ნიმუში აღმოაჩინეს 2004 წელს ანდრე გეიმმა და კონსტანტინე ნოვოსელოვმა მანჩესტერის უნივერსიტეტში. შეიძლება ველოდოთ, რომ მათ ზღაპრული ნივთიერების იზოლირება მოახდინეს მასიური, ძვირადღირებული ტექნიკის გამოყენებით, მაგრამ ინსტრუმენტი, რომელიც მათ გამოიყენეს, სასაცილოდ მარტივი იყო: სკოჩის ლენტი.

გრაფიტის დიდი ბლოკის გასაპრიალებლად ლენტის გამოყენებისას მკვლევარებმა ფირზე განსაკუთრებული თხელი ფანტელები შენიშნეს. აგრძელებდნენ გრაფიტის ფანტელებისგან ფენისა და ფენის მოცილებას, საბოლოოდ მათ შეძლებისდაგვარად თხელი ნიმუში შექმნეს. მათ აღმოაჩინეს გრაფენი. აღმოჩენა იმდენად უცნაური იყო, რომ მეცნიერული სამყარო თავიდან სკეპტიკურად იყო განწყობილი. პოპულარული ჟურნალი Ბუნება ორჯერაც კი უარყო მათი ნაშრომი ექსპერიმენტზე. საბოლოოდ, მათი კვლევა გამოქვეყნდა და 2010 წელს გეიმ და ნოვოსელოვს მიენიჭათ ნობელის პრემია ფიზიკაში მათი აღმოჩენისთვის.

პოტენციური აპლიკაციები

გრაფენს რომ ჰქონოდა მხოლოდ ერთი მისი მრავალი მახასიათებელი, ის იქნებოდა ინტენსიური კვლევის საგანი პოტენციური გამოყენების შესახებ. მრავალი თვალსაზრისით, გრაფენმა შთააგონა მეცნიერები იფიქრონ მასალის გამოყენების ფართო სპექტრზე, ისეთ სფეროებში, როგორიცაა სამომხმარებლო ტექნოლოგია და გარემოსდაცვითი მეცნიერება.

მოქნილი ელექტრონიკა

ძლიერი ელექტრული თვისებების გარდა, გრაფენი ასევე ძალიან მოქნილი და გამჭვირვალეა. ეს ხდის მას მიმზიდველს პორტატულ ელექტრონიკაში გამოსაყენებლად. სმარტფონები და პლანშეტები შეიძლება გახდეს ბევრად უფრო გამძლე გრაფენის გამოყენებით და შესაძლოა ქაღალდის მსგავსად დაიკეცოს. ტარებადი ელექტრონული მოწყობილობები ბოლო დროს სულ უფრო პოპულარული გახდა. გრაფენის საშუალებით, ეს მოწყობილობები შეიძლება კიდევ უფრო სასარგებლო გახდეს, შექმნილია ისე, რომ მჭიდროდ მოერგოს კიდურებს და მოხრილი იყოს ვარჯიშის სხვადასხვა ფორმების მოსაწყობად.

თუმცა, გრაფენის მოქნილობა და მიკროსკოპული სიგანე იძლევა შესაძლებლობებს უბრალო სამომხმარებლო მოწყობილობების მიღმა. ის ასევე შეიძლება სასარგებლო იყოს ბიოსამედიცინო კვლევებში. მცირე მანქანები და სენსორები შეიძლება დამზადდეს გრაფენით, რომელსაც შეუძლია ადვილად და უვნებლად გადაადგილდეს ადამიანის სხეულში, გააანალიზოს ქსოვილები ან თუნდაც წამლების მიწოდება კონკრეტულ ადგილებში. ნახშირბადი უკვე გადამწყვეტი ინგრედიენტია ადამიანის ორგანიზმში; დამატებული ცოტა გრაფენი შეიძლება არ დააზარალებს.

მზის ელემენტები/ფოტოელექტროები

გრაფენი არის ძალიან გამტარი და გამჭვირვალე. როგორც ასეთი, მას აქვს დიდი პოტენციალი, როგორც მასალა მზის უჯრედებში. როგორც წესი, მზის უჯრედები იყენებენ სილიციუმს, რომელიც წარმოქმნის მუხტს, როდესაც ფოტონი მასალებს ეჯახება, არღვევს თავისუფალ ელექტრონს. სილიკონი ათავისუფლებს მხოლოდ ერთ ელექტრონს თითო ფოტოზე, რომელიც მას ურტყამს. კვლევამ აჩვენა, რომ გრაფენს შეუძლია გაათავისუფლოს მრავალი ელექტრონი თითოეული ფოტონისთვის, რომელიც მას მოხვდება. როგორც ასეთი, გრაფენი შეიძლება ბევრად უკეთესი იყოს მზის ენერგიის გარდაქმნაში. ცოტა ხნის წინ, უფრო იაფ, უფრო მძლავრ გრაფენის უჯრედებს შეეძლოთ განახლებადი ენერგიის მასიური ზრდა.

გრაფენის ფოტოელექტრული თვისებები ასევე ნიშნავს, რომ ის შეიძლება გამოყენებულ იქნას უკეთესი გამოსახულების სენსორების შესაქმნელად ისეთი მოწყობილობებისთვის, როგორიცაა კამერები.

ნახევარგამტარები

მაღალი გამტარობის გამო, გრაფენი შეიძლება გამოყენებულ იქნას ნახევარგამტარებში, რათა მნიშვნელოვნად გაზარდოს ინფორმაციის გადაადგილების სიჩქარე. ახლახან ენერგეტიკის დეპარტამენტმა ჩაატარა ტესტები, რომლებმაც აჩვენეს, რომ ნახევრადგამტარი პოლიმერები ატარებენ ელექტროენერგიას გრაფენის ფენის თავზე ბევრად უფრო სწრაფად, ვიდრე სილიკონის ფენას. ეს მართალია მაშინაც კი, თუ პოლიმერი უფრო სქელია. 50 ნანომეტრის სისქის პოლიმერი გრაფენის ფენის თავზე მოთავსებისას უკეთესად ატარებდა დამუხტვას, ვიდრე პოლიმერის 10 ნანომეტრიანი ფენა. ეს გაფრინდა წინა სიბრძნის წინაშე, რომელიც ამტკიცებდა, რომ რაც უფრო თხელია პოლიმერი, მით უკეთესია მას მუხტის გატარება.

ელექტრონიკაში გრაფენის გამოყენების ყველაზე დიდი დაბრკოლება არის ზოლის არარსებობა, უფსკრული ვალენტურობისა და გამტარობის ზოლებს შორის მასალაში, რომელიც გადაკვეთისას იძლევა ელექტრული დენის გადინების საშუალებას. ზოლის უფსკრული არის ის, რაც საშუალებას აძლევს ნახევრად გამტარ მასალებს, როგორიცაა სილიციუმი, იმოქმედონ ტრანზისტორებად; მათ შეუძლიათ გადაერთონ საიზოლაციო ან ელექტრული დენის გამტარობას შორის, იმისდა მიხედვით, მათი ელექტრონები გადაადგილდებიან ზოლის უფსკრულის გასწვრივ თუ არა.

მკვლევარები ამოწმებდნენ სხვადასხვა მეთოდს გრაფენის ზოლიანი უფსკრულისთვის; წარმატების შემთხვევაში, ამან შეიძლება გამოიწვიოს გრაფენით აგებული ბევრად უფრო სწრაფი ელექტრონიკა.

წყლის ფილტრაცია

გრაფენის მჭიდრო ატომური ობლიგაციები მას თითქმის ყველა აირსა და სითხეში შეუღწევადს ხდის. საინტერესოა, რომ წყლის მოლეკულები გამონაკლისია. იმის გამო, რომ წყალს შეუძლია აორთქლდეს გრაფენის მეშვეობით, ხოლო სხვა გაზებისა და სითხეების უმეტესობას არ შეუძლია, გრაფენი შეიძლება იყოს ფილტრაციის განსაკუთრებული ინსტრუმენტი. მანჩესტერის უნივერსიტეტის მკვლევარებმა სპირტით გამოსცადეს გრაფენის გამტარიანობა და შეძლეს ალკოჰოლური სასმელების ძალიან ძლიერი ნიმუშების გამოხდა, რადგან ნიმუშებში მხოლოდ წყალს შეეძლო გავლა გრაფენი.

რა თქმა უნდა, გრაფენის ფილტრად გამოყენებას უფრო ძლიერი ალკოჰოლური სასმელების გამოხდის მიღმა აქვს პოტენციალი. გრაფენი ასევე შეიძლება ძალიან სასარგებლო იყოს წყლის ტოქსინების გაწმენდაში. ქიმიის სამეფო საზოგადოების მიერ გამოქვეყნებულ კვლევაში, მკვლევარებმა აჩვენეს, რომ დაჟანგული გრაფენი შეიძლება იზიდავს რადიოაქტიურ მასალებს, როგორიცაა წყალში არსებული ურანი და პლუტონიუმი, რის შედეგადაც სითხე თავისუფალია დამაბინძურებლები. ამ კვლევის შედეგები მასიურია. ზოგიერთი ყველაზე დიდი ეკოლოგიური საფრთხე ისტორიაში, მათ შორის ბირთვული ნარჩენები და ქიმიური ჩამონადენი, შეიძლება გაწმენდილი იყოს წყლის წყაროებიდან გრაფენის წყალობით.

იმის გამო, რომ გადაჭარბებული მოსახლეობა კვლავ რჩება მსოფლიოში ერთ-ერთი ყველაზე აქტუალური გარემოსდაცვითი საზრუნავი, სუფთა წყლის მარაგის შენარჩუნება უფრო მნიშვნელოვანი გახდება. მართლაც, წყლის დეფიციტი აწუხებს მილიარდზე მეტ ადამიანს მთელს მსოფლიოში, რიცხვი, რომელიც მხოლოდ გაიზრდება არსებული ტენდენციების გათვალისწინებით. გრაფენის ფილტრებს აქვთ დიდი პოტენციალი წყლის გაწმენდის გასაუმჯობესებლად, რაც გაზრდის მტკნარი წყლის რაოდენობას. სინამდვილეში, Lockheed Martin-მა ცოტა ხნის წინ შეიმუშავა გრაფენის ფილტრი სახელწოდებით "Perforene", რომელიც კომპანიის მტკიცებით შეიძლება მოახდინოს რევოლუცია დეზალიზაციის პროცესში.

ამჟამინდელი გამწმენდი ქარხნები იყენებენ მეთოდს, რომელსაც ეწოდება საპირისპირო ოსმოზი, რათა გაფილტრონ მარილი ზღვის წყლიდან. საპირისპირო ოსმოსი იყენებს წნევას წყლის მემბრანის გადასაადგილებლად. დიდი რაოდენობით სასმელი წყლის წარმოებისთვის, წნევა მოითხოვს უზარმაზარ ენერგიას. ა Lockheed Martin-ის ინჟინერი ამტკიცებს მათი Perforene ფილტრები შეიძლება შეამცირონ ენერგიის მოთხოვნილებები ასჯერ ნაკლები, ვიდრე სხვა ფილტრები.

MIT-მა შექმნა გრაფენი "ნანოფორებით"

ფილტრაცია გრაფენის ერთ-ერთი ყველაზე აშკარა გამოყენებაა და MIT-ის ინჟინრებმა მიაღწიეს წინსვლას გრაფენის მოლეკულების გამოყოფის უნარის სრულყოფაში. 2018 წელსMIT-ის ჯგუფმა გამოიგონა მეთოდი, რათა შეექმნათ გრაფენის ფურცლებზე პაწაწინა ხვრელების შექმნა. MIT-ის მკვლევარები გრაფენის საწარმოებლად იყენებენ მიდგომას „roll-to-roll“. მათი დაყენება მოიცავს ორ კოჭას: ერთი კოჭა აწვდის სპილენძის ფურცელს ღუმელში, სადაც ის თბება. შესაბამისი ტემპერატურა, შემდეგ ინჟინრები ამატებენ მეთანს და წყალბადის გაზს, რაც არსებითად იწვევს გრაფენის აუზებს ჩამოყალიბება. გრაფენის ფილმი გამოდის ღუმელიდან, ხვდება მეორე კოჭაზე.

თეორიულად, ეს პროცესი იძლევა გრაფენის დიდი ფურცლების ჩამოყალიბებას შედარებით მოკლე დროში, რაც გადამწყვეტია კომერციული აპლიკაციებისთვის. მკვლევარებს მოუწიათ პროცესის დახვეწა, რათა გრაფენი სრულყოფილად ჩამოყალიბებულიყო და საინტერესოა, რომ გზაზე არასრულყოფილი მცდელობები მოგვიანებით სასარგებლო აღმოჩნდა. როდესაც MIT-ის გუნდი ცდილობდა გრაფენში ფორების შექმნას, მათ დაიწყეს ჟანგბადის პლაზმის გამოყენებით მათი ამოკვეთა. რამდენადაც ეს პროცესი შრომატევადი აღმოჩნდა, მათ სურდათ რაღაც უფრო სწრაფად და გადაჭრეს წინა ექსპერიმენტებში. გრაფენის ზრდის დროს ტემპერატურის შემცირებით მათ ფორები გაჩნდა. ის, რაც განვითარების პროცესში დეფექტების სახით გამოჩნდა, ფოროვანი გრაფენის შესაქმნელად სასარგებლო გზა აღმოჩნდა.

ზეგამტარობა

არც ისე დიდი ხნის შემდეგ აჩვენეს კემბრიჯის მეცნიერებმა MIT-ის მკვლევარებმა, რომ გრაფენს შეუძლია ზეგამტარის როლი იმოქმედოს (მასალა, რომელსაც არ აქვს ელექტრული წინააღმდეგობა) პრასეოდიმი ცერიუმის სპილენძის ოქსიდთან დაწყვილებისას. აღმოაჩინა კიდევ ერთი განსაცვიფრებელი თვისება: როგორც ჩანს, მას შეუძლია ფუნქციონირდეს როგორც მხოლოდ სუპერგამტარი, სწორი კონფიგურაციით. მკვლევარებმა დააწყვეს გრაფენის ორი ნაჭერი, მაგრამ გადაანაწილეს ისინი 1,1 გრადუსიანი კუთხით. Nature-ში გამოქვეყნებული მოხსენების თანახმად, „ფიზიკოსი პაბლო ჯარილო-ჰერერო მასაჩუსეტსის ინსტიტუტში. ტექნოლოგია (MIT) კემბრიჯში და მისი გუნდი არ ეძებდნენ ზეგამტარობას, როდესაც დააყენეს ექსპერიმენტი. ამის ნაცვლად, ისინი იკვლევდნენ, თუ როგორ შეიძლება გავლენა იქონიოს გრაფენზე წოდებულმა მაგიური კუთხემ.

რაც მათ აღმოაჩინეს არის ის, რომ როდესაც მათ ელექტროენერგია გაჰყავდათ გრაფენის დასტაში, ის ფუნქციონირებდა როგორც სუპერგამტარი. ელექტროენერგიის გამოყენების ეს მარტივი პროცესი აადვილებს გრაფენის შესწავლას, ვიდრე მსგავსი კლასი სუპერგამტარები, კუპრატები, თუმცა ეს მასალები ავლენენ ზეგამტარობას ბევრად უფრო მაღალ დონეზე ტემპერატურა. მასალების უმეტესობა, რომლებიც ავლენენ ზეგამტარობას, ამას მხოლოდ აბსოლუტური ნულის ტემპერატურასთან ახლოს აკეთებენ. ზოგიერთ ეგრეთ წოდებულ „მაღალტემპერატურულ ზეგამტარს“ შეუძლია აჩვენოს ზეგამტარობა დაახლოებით 133 კელვინის (-140 ცელსიუსი) ტემპერატურაზე, რაც შედარებით მაღალია; წყალბადის სულფიდი, საკმარისი წნევის ქვეშ, აჩვენებს თვისებას სასწაულებრივი -70 გრადუსი ცელსიუსი!

გრაფენის განლაგება უნდა გაგრილებულიყო აბსოლუტურ ნულზე 1,7 გრადუსამდე, თუმცა მკვლევარები მიიჩნევენ, რომ მისი ქცევა კუპრიტების მსგავსია და ასე რომ, ისინი იმედოვნებენ, რომ ეს იქნება ბევრად უფრო ადვილი მასალა არატრადიციული ზეგამტარობის შესასწავლად, რაც ჯერ კიდევ დიდი უთანხმოების სფეროა. ფიზიკოსები. იმის გამო, რომ სუპერგამტარობა ჩვეულებრივ ხდება მხოლოდ ასეთ დაბალ ტემპერატურაზე, სუპერგამტარები გამოიყენება მხოლოდ ძვირადღირებულ დანადგარებში, როგორიცაა MRI აპარატები, მაგრამ მეცნიერები იმედოვნებენ, რომ ერთ მშვენიერ დღეს იპოვიან სუპერგამტარს, რომელიც მუშაობს ოთახის ტემპერატურაზე, რაც შეამცირებს ხარჯებს გაგრილების საჭიროების მოხსნით. ერთეულები.

In 2019 წელს გამოქვეყნებული კვლევამკვლევარებმა აჩვენეს, თუ როგორ შეუძლია გრაფენის ფენების გადახვევა სპეციფიკურ „ჯადოსნურ“ კუთხით, წარმოქმნას სუპერგამტარი თვისებები დაბალ ტემპერატურაზე, ვიდრე ადრე.

კოღოებისგან დაცვა

რამდენიმე არსებაა ისეთი საზიზღარი, როგორც კოღო, რაც მათ ქავილით და მალარიის მსგავსი საშინელი დაავადებების გავრცელების ტენდენციით. საბედნიეროდ, ბრაუნის უნივერსიტეტის მკვლევარებმა იპოვეს გამოსავალი გრაფენის გამოყენებით. Კვლევა, გამოქვეყნდა 2019 წელსგვიჩვენებს, რომ გრაფენის ფენა კანზე არა მხოლოდ ბლოკავს კოღოებს დაკბენისგან, არამედ თავიდანვე აფერხებს მათ კანზე დაცემისგან. ერთ-ერთი შესაძლო ახსნა არის ის, რომ გრაფენი ხელს უშლიდა კოღოებს მტაცებლის სუნის გაგონებაში.

გრაფენის კვლევის მომავალი

გრაფენის ძლიერი მხარეების ერთი შეხედვით გაუთავებელი სიის გათვალისწინებით, მისი ნახვა ყველგან შეიძლება. მაშ, რატომ არ არის ფართოდ მიღებული გრაფენი? როგორც ბევრ რამეში, საქმეც ფულზე მოდის. გრაფენის წარმოება ჯერ კიდევ ძალიან ძვირია დიდი რაოდენობით, რაც ზღუდავს მის გამოყენებას ნებისმიერ პროდუქტში, რომელიც მოითხოვს მასობრივ წარმოებას. უფრო მეტიც, როდესაც გრაფენის დიდი ფურცლები იწარმოება, გაზრდილია პატარა ნაპრალებისა და მასალაში სხვა ხარვეზების გაჩენის რისკი. რაც არ უნდა წარმოუდგენელი იყოს სამეცნიერო აღმოჩენა, ეკონომიკა ყოველთვის გადაწყვეტს წარმატებას.

წარმოების საკითხების გარდა, გრაფენის კვლევა არავითარ შემთხვევაში არ შენელდება. კვლევითი ლაბორატორიები მთელ მსოფლიოში - მანჩესტერის უნივერსიტეტის ჩათვლით, სადაც პირველად აღმოაჩინეს გრაფენი - მუდმივად ახორციელებენ პატენტს გრაფენის შექმნისა და გამოყენების ახალ მეთოდებზე. ევროკავშირმა დაამტკიცა დაფინანსება ფლაგმანი პროგრამისთვის 2013 წელს, რომელიც დააფინანსებს გრაფენის კვლევას ელექტრონიკაში გამოსაყენებლად. იმავდროულად, აზიის უმსხვილესი ტექნიკური კომპანიები აწარმოებენ კვლევას გრაფენზე, მათ შორის Samsung-ი.

რევოლუციები ერთ ღამეში არ ხდება. სილიკონი აღმოაჩინეს მე-19 საუკუნის შუა ხანებში, მაგრამ დაახლოებით ერთი საუკუნე დასჭირდა, სანამ სილიკონის ნახევარგამტარებმა გზა გაუხსნეს კომპიუტერების განვითარებას. შეიძლება გრაფენი, თავისი თითქმის მითიური თვისებებით, იყოს რესურსი, რომელიც ამოძრავებს კაცობრიობის ისტორიის შემდეგ ეპოქას? Მხოლოდ დრო გეტყვით.

რედაქტორების რეკომენდაციები

• საუკეთესო სინათლის თერაპიის ნათურები
• რამდენ ხანს უნდა გაგრძელდეს თქვენი ტექნიკა?
• საუკეთესო მზის დამტენები თქვენი ტელეფონის ან ტაბლეტისთვის
• 17 შავი გამომგონებელი, რომლებმაც შეცვალეს ტექნიკური სამყარო
• ჯანმრთელობისა და ფიტნესის საუკეთესო გაჯეტები