Kas yra Grafenas? Štai ką turėtumėte žinoti

Papildoma literatūra

• Devyni nuostabūs grafeno panaudojimo būdai – nuo ​​vandens filtravimo iki išmaniųjų dažų
• Kas yra „Hyperloop“? Štai viskas, ką reikia žinoti

Šiandien nauja medžiaga gali pakeisti ateitį. „Supermedžiaga“ pramintas grafenas visame pasaulyje stengiasi jį geriau suprasti. Dėl ilgo grafeno stebuklingų savybių sąrašo jis atrodo beveik stebuklingas, tačiau jis gali turėti labai realių ir drastiškų pasekmių fizikos ir inžinerijos ateičiai.

Kas tiksliai yra grafenas?

Paprasčiausias būdas apibūdinti grafeną yra tai, kad tai yra vienas plonas grafito sluoksnis – minkšta, dribsniai, naudojama pieštuko švinu. Grafitas yra elemento anglies alotropas, tai reiškia, kad jis turi tuos pačius atomus, tačiau jie yra išdėstyti skirtingai, todėl medžiagai suteikiamos skirtingos savybės. Pavyzdžiui, deimantas ir grafitas yra anglies formos, tačiau jų prigimtis labai skiriasi. Deimantai yra neįtikėtinai stiprūs, o grafitas yra trapus. Grafeno atomai yra išdėstyti šešiakampe.

Įdomu tai, kad kai grafenas yra izoliuotas nuo grafito, jis įgauna keletą stebuklingų savybių. Tai tik vieno atomo storio, pirmoji kada nors atrasta dvimatė medžiaga. Nepaisant to, grafenas taip pat yra viena stipriausių medžiagų žinomoje visatoje. 130 GPa (gigapaskalių) tempimo stipris yra daugiau nei 100 kartų stipresnis už plieną.

Neįtikėtino grafeno stiprumo, nepaisant to, kad jis toks plonas, jau pakanka, kad jis būtų nuostabus, tačiau jo unikalios savybės tuo nesibaigia. Jis taip pat yra lankstus, skaidrus, labai laidus ir, atrodo, nepralaidus daugumai dujų ir skysčių. Beveik atrodo, kad nėra srities, kurioje grafenas nepasižymėtų.

Grafeno istorija: juostos ritinys ir svajonė

Grafitas jau seniai žinomas kiekis (žmonės jį naudojo nuo neolito eros). Jo atominė struktūra yra gerai dokumentuota, ir ilgą laiką mokslininkai svarstė, ar galima išskirti atskirus grafito sluoksnius. Tačiau iki šiol grafenas buvo tik teorija, nes mokslininkai nebuvo tikri, ar kada nors bus įmanoma grafitą supjaustyti iki vieno atomo plonumo lakšto. Pirmąjį izoliuotą grafeno pavyzdį 2004 m. atrado Andre Geim ir Konstantinas Novoselovas Mančesterio universitete. Galima tikėtis, kad jie išskyrė pasakišką medžiagą naudodami masyvią, brangią mašiną, tačiau jų naudojamas įrankis buvo juokingai paprastas: juostos ritinys.

Naudodami juostą šlifuodami didelį grafito bloką, mokslininkai pastebėjo išskirtinai plonus dribsnius ant juostos. Toliau nulupdami sluoksnį ir sluoksniuodami nuo grafito dribsnių, jie galiausiai pagamino kuo plonesnį mėginį. Jie rado grafeno. Šis atradimas buvo toks keistas, kad mokslo pasaulis iš pradžių buvo skeptiškas. Populiarus žurnalas Gamta net du kartus atmetė jų dokumentą apie eksperimentą. Galiausiai jų tyrimai buvo paskelbti, o 2010 metais Geimas ir Novoselovas už atradimą buvo apdovanoti Nobelio fizikos premija.

Galimos programos

Jei grafenas turėtų tik vieną iš daugybės puikių savybių, jis būtų intensyvių galimų panaudojimo tyrimų objektas. Kadangi grafenas yra toks nuostabus daugeliu atžvilgių, jis įkvėpė mokslininkus galvoti apie platų medžiagos panaudojimo spektrą tokiose įvairiose srityse kaip vartotojų technologijos ir aplinkos mokslas.

Lanksti elektronika

Be galingų elektrinių savybių, grafenas taip pat yra labai lankstus ir skaidrus. Dėl to jis patrauklus naudoti nešiojamoje elektronikoje. Išmanieji telefonai ir planšetiniai kompiuteriai gali tapti daug patvaresni naudojant grafeną ir galbūt netgi gali būti sulankstyti kaip popierius. Nešiojami elektroniniai prietaisai pastaruoju metu populiarėja. Naudojant grafeną, šie prietaisai gali būti dar naudingesni, suprojektuoti taip, kad tvirtai priglustų prie galūnių ir sulenktų, kad būtų galima pritaikyti įvairias pratimų formas.

Tačiau grafeno lankstumas ir mikroskopinis plotis suteikia galimybių ne tik vartotojams skirtuose įrenginiuose. Jis taip pat gali būti naudingas atliekant biomedicininius tyrimus. Iš grafeno būtų galima pagaminti mažas mašinas ir jutiklius, galinčius lengvai ir nekenksmingai judėti per žmogaus kūną, analizuoti audinius ar net tiekti vaistus į konkrečias vietas. Anglis jau yra esminė žmogaus kūno sudedamoji dalis; šiek tiek pridėtas grafenas gali nepakenkti.

Saulės elementai/fotoelektra

Grafenas yra labai laidus ir skaidrus. Taigi jis turi didelį potencialą kaip saulės elementų medžiaga. Paprastai saulės elementai naudoja silicį, kuris sukuria krūvį, kai fotonas atsitrenkia į medžiagas, išmušdamas laisvą elektroną. Silicis išskiria tik vieną elektroną kiekvienam jį pataikiusiam fotonui. Tyrimai parodė, kad grafenas gali išleisti kelis elektronus kiekvienam fotonui, kuris jį pasiekia. Taigi grafenas galėtų daug geriau konvertuoti saulės energiją. Netrukus pigesnės, galingesnės grafeno ląstelės gali sukelti didžiulį atsinaujinančios energijos antplūdį.

Grafeno fotovoltinės savybės taip pat reiškia, kad jis gali būti naudojamas kuriant geresnius vaizdo jutiklius tokiems įrenginiams kaip fotoaparatai.

Puslaidininkiai

Dėl didelio laidumo grafenas gali būti naudojamas puslaidininkiuose, kad labai padidėtų informacijos sklidimo greitis. Neseniai Energetikos departamentas atliko bandymus, kurie parodė, kad pusiau laidūs polimerai daug greičiau praleidžia elektrą, kai yra ant grafeno sluoksnio, nei silicio sluoksnis. Tai galioja net jei polimeras yra storesnis. 50 nanometrų storio polimeras, uždėtas ant grafeno sluoksnio, įkrovą atliko geriau nei 10 nanometrų polimero sluoksnis. Tai prieštarauja ankstesnei išminčiai, kuri teigė, kad kuo plonesnis polimeras, tuo geriau jis gali atlikti krūvį.

Didžiausia kliūtis grafeno naudojimui elektronikoje yra juostos tarpo nebuvimas, tarpas tarp valentinių ir laidumo juostų medžiagoje, kuri, kai kerta, leidžia tekėti elektros srovei. Juostos tarpas yra tai, kas leidžia pusiau laidžioms medžiagoms, tokioms kaip silicis, veikti kaip tranzistoriai; jie gali perjungti elektros srovę izoliuojančią arba laidinčią, priklausomai nuo to, ar jų elektronai stumiami per juostos tarpą, ar ne.

Tyrėjai išbandė įvairius metodus, siekdami suteikti grafenui juostos tarpą; jei pasiseks, tai gali lemti daug greitesnę elektroniką, pagamintą naudojant grafeną.

Vandens filtravimas

Dėl glaudžių grafeno atominių ryšių jis yra nepralaidus beveik visoms dujoms ir skysčiams. Įdomu tai, kad vandens molekulės yra išimtis. Kadangi vanduo gali išgaruoti per grafeną, o dauguma kitų dujų ir skysčių negali išgaruoti, grafenas gali būti išskirtinė filtravimo priemonė. Mančesterio universiteto mokslininkai išbandė grafeno pralaidumą alkoholiui ir sugebėjo distiliuoti labai stiprius spirito pavyzdžius, nes tik mėginiuose esantis vanduo galėjo prasiskverbti pro grafenas.

Žinoma, grafeno kaip filtro naudojimas turi ne tik stipresnių spiritinių gėrimų distiliavimą. Grafenas taip pat gali būti labai naudingas valant vandenį nuo toksinų. Karališkosios chemijos draugijos paskelbtame tyrime mokslininkai parodė, kad oksiduotas grafenas netgi gali Įtraukite vandenyje esančias radioaktyviąsias medžiagas, tokias kaip uranas ir plutonis, palikdami skystį be teršalų. Šio tyrimo pasekmės yra didžiulės. Kai kurie iš didžiausių pavojų aplinkai istorijoje, įskaitant branduolines atliekas ir cheminių medžiagų nuotėkį, gali būti išvalyti nuo vandens šaltinių grafeno dėka.

Kadangi gyventojų perteklius ir toliau yra vienas iš didžiausių pasaulio aplinkosaugos problemų, švaraus vandens tiekimo palaikymas taps tik dar svarbesnis. Iš tiesų vandens trūkumas kamuoja daugiau nei milijardą žmonių visame pasaulyje, o šis skaičius tik didės atsižvelgiant į dabartines tendencijas. Grafeno filtrai turi didžiulį potencialą pagerinti vandens valymą, padidindami turimo gėlo vandens kiekį. Tiesą sakant, „Lockheed Martin“ neseniai sukūrė grafeno filtrą „Perforene“, kuris, bendrovės teigimu, gali pakeisti gėlinimo procesą.

Dabartiniai gėlinimo įrenginiai naudoja metodą, vadinamą atvirkštiniu osmosu, kad išfiltruotų druską iš jūros vandens. Atvirkštinis osmosas naudoja slėgį vandeniui perkelti per membraną. Norint pagaminti didelius kiekius geriamojo vandens, slėgiui reikia didžiulio energijos kiekio. A Lockheed Martin inžinierius tvirtina Jų Perforene filtrai gali sumažinti energijos poreikį šimtą kartų mažiau nei kiti filtrai.

MIT sukūrė grafeną su „nanoporomis“

Filtravimas yra vienas iš akivaizdžiausių grafeno naudojimo būdų, o MIT inžinieriai padarė didelę pažangą tobulindami grafeno gebėjimą atskirti molekules. 2018 metaisMIT komanda sugalvojo metodą, kaip grafeno lakštuose sukurti mažytes „smeigtukų“ skylutes. MIT tyrėjai grafenui gaminti naudoja „rutulio į ritinį“ metodą. Jų įrengimas apima dvi rites: viena ritė tiekia vario lakštą į krosnį, kur jis įkaitinamas iki tinkama temperatūra, tada inžinieriai prideda metano ir vandenilio dujų, kurios iš esmės sukelia grafeno telkinius suformuoti. Grafeno plėvelė išeina iš krosnies, vyniojama ant antrosios ritės.

Teoriškai šis procesas leidžia per palyginti trumpą laiką suformuoti didelius grafeno lakštus, o tai yra labai svarbu komerciniams tikslams. Tyrėjai turėjo tiksliai sureguliuoti procesą, kad grafenas susidarytų tobulai, ir įdomu, kad netobuli bandymai pakeliui vėliau pasirodė naudingi. Kai MIT komanda bandė sukurti grafeno poras, jie pradėjo naudoti deguonies plazmą, kad jas iškirptų. Kadangi šis procesas užtruko, jie norėjo kažko greitesnio ir ieškojo sprendimų ankstesniuose eksperimentuose. Sumažinus temperatūrą grafeno augimo metu, atsirado porų. Tai, kas kūrimo proceso metu pasirodė kaip defektai, buvo naudingas būdas sukurti porėtą grafeną.

Superlaidumas

Neilgai trukus Kembridžo mokslininkai pademonstravo MIT mokslininkai, kad grafenas gali veikti kaip superlaidininkas (medžiaga, neturinti elektrinės varžos), kai suporuotas su prazeodimio cerio vario oksidu. atrado dar viena stulbinanti savybė: jis, matyt, gali veikti kaip vienas superlaidininkas, tinkama konfigūracija. Tyrėjai sudėjo dvi grafeno skilteles, bet jas atstojo 1,1 laipsnio kampu. Remiantis „Nature“ paskelbta ataskaita, „Fizikas Pablo Jarillo-Herrero iš Masačusetso instituto Technologijos (MIT) Kembridže ir jo komanda, kurdami savo, neieškojo superlaidumo eksperimentas. Vietoj to, jie tyrinėjo, kaip magišku kampu pavadinta orientacija gali paveikti grafeną.

Jie išsiaiškino, kad kai jie tiekė elektrą per grafeno kaminą, jis veikė kaip superlaidininkas. Dėl šio paprasto elektros panaudojimo proceso grafeną lengviau ištirti nei panašią klasę superlaidininkai, kupratai, nors šių medžiagų superlaidumas yra daug didesnis temperatūros. Dauguma medžiagų, kurios pasižymi superlaidumu, tai daro tik esant absoliutaus nulio temperatūrai. Kai kurie vadinamieji „aukštos temperatūros superlaidininkai“ gali parodyti superlaidumą esant maždaug 133 kelvinų (-140 Celsijaus) temperatūrai, o tai yra gana aukšta; vandenilio sulfidas, esant pakankamai slėgiui, rodo savybę esant stebuklinga -70 laipsnių Celsijaus!

Grafeno išdėstymas turėjo būti atvėsintas iki 1,7 laipsnių virš absoliutaus nulio, tačiau mokslininkai mano, kad jo elgesys yra panašus į kupratų ir todėl jie tikisi, kad tai bus daug lengvesnė medžiaga tiriant netradicinį superlaidumą, dėl kurio vis dar kyla didelių nesutarimų. fizikai. Kadangi superlaidumas paprastai atsiranda tik esant tokiai žemai temperatūrai, superlaidininkai naudojami tik brangiose mašinose, tokiose kaip MRT aparatai, tačiau mokslininkai tikisi vieną dieną rasti superlaidininką, kuris veiktų kambario temperatūroje, o tai sumažintų išlaidas, nes nebereikės vėsinti vienetų.

Į tyrimas, paskelbtas 2019 m, mokslininkai parodė, kaip grafeno sluoksnių sukimas tam tikrais „stebuklingais“ kampais gali sukelti superlaidžias savybes žemesnėje temperatūroje nei anksčiau.

Apsauga nuo uodų

Nedaugelis sutvėrimų yra tokie bjaurūs kaip uodai, niežtintys įkandimai ir polinkis platinti siaubingas ligas, tokias kaip maliarija. Laimei, Browno universiteto mokslininkai rado galimą sprendimą naudojant grafeną. Tyrimas, paskelbta 2019 m, rodo, kad grafeno plėvelė ant odos ne tik užkirto kelią uodams įkąsti, bet netgi atgrasė juos nuo nutūpimo ant odos. Vienas iš galimų paaiškinimų yra tas, kad grafenas neleido uodams užuosti grobio.

Grafeno tyrimų ateitis

Atsižvelgiant į iš pažiūros begalinį grafeno privalumų sąrašą, galima tikėtis, kad jį pamatysite visur. Kodėl tada grafenas nebuvo plačiai pritaikytas? Kaip ir daugumoje dalykų, tai priklauso nuo pinigų. Grafeną vis dar labai brangu gaminti dideliais kiekiais, todėl jo naudojimas ribojamas bet kuriame gaminyje, kuriam reikalinga masinė gamyba. Be to, kai gaminami dideli grafeno lakštai, padidėja rizika, kad medžiagoje atsiras mažų įtrūkimų ir kitų defektų. Kad ir koks neįtikėtinas būtų mokslinis atradimas, ekonomika visada nulems sėkmę.

Be gamybos problemų, grafeno tyrimai jokiu būdu nesulėtėja. Mokslinių tyrimų laboratorijos visame pasaulyje, įskaitant Mančesterio universitetą, kuriame pirmą kartą buvo atrastas grafenas, nuolat teikia patentus dėl naujų grafeno kūrimo ir naudojimo būdų. 2013 m. Europos Sąjunga patvirtino finansavimą pavyzdinei programai, pagal kurią bus finansuojami grafeno tyrimai, skirti naudoti elektronikoje. Tuo tarpu didžiosios Azijos technologijų įmonės, įskaitant „Samsung“, atlieka grafeno tyrimus.

Revoliucijos neįvyksta per naktį. Silicis buvo atrastas XIX amžiaus viduryje, tačiau prireikė beveik šimtmečio, kol silicio puslaidininkiai atvėrė kelią kompiuterių atsiradimui. Ar grafenas, pasižymintis beveik mitinėmis savybėmis, gali būti šaltinis, skatinantis kitą žmonijos istorijos erą? Tik laikas parodys.

Redaktorių rekomendacijos

• Geriausios šviesos terapijos lempos
• Kiek laiko turėtų tarnauti jūsų prietaisai?
• Geriausi saulės įkrovikliai jūsų telefonui ar planšetiniam kompiuteriui
• 17 juodaodžių išradėjų, pakeitusių technologijų pasaulį
• Geriausi sveikatos ir kūno rengybos įtaisai