Kas ir grafēns? Lūk, kas jums jāzina

Tālāka lasīšana

• Deviņi pārsteidzoši grafēna lietojumi, sākot no ūdens filtrēšanas līdz viedajai krāsai
• Kas ir Hyperloop? Šeit ir viss, kas jums jāzina

Šodien jaunam materiālam ir potenciāls mainīt nākotni. Par “supermateriālu” dēvētais grafēns liek pētniekiem visā pasaulē šifrēt, lai to labāk izprastu. Grafēna garais brīnumaino īpašību saraksts padara to gandrīz maģisku, taču tam var būt ļoti reāla un krasa ietekme uz fizikas un inženierijas nākotni.

Kas īsti ir grafēns?

Vienkāršākais veids, kā aprakstīt grafēnu, ir tas, ka tas ir viens plāns grafīta slānis — mīksts, pārslains materiāls, ko izmanto zīmuļa svinā. Grafīts ir elementa oglekļa alotrops, kas nozīmē, ka tam ir vienādi atomi, bet tie ir sakārtoti atšķirīgi, piešķirot materiālam atšķirīgas īpašības. Piemēram, gan dimants, gan grafīts ir oglekļa formas, tomēr tiem ir ļoti atšķirīgas īpašības. Dimanti ir neticami spēcīgi, savukārt grafīts ir trausls. Grafēna atomi ir sakārtoti sešstūra formā.

Interesanti, ka, izolējot grafēnu no grafīta, tas iegūst dažas brīnumainas īpašības. Tas ir tikai viena atoma biezs, pirmais divdimensiju materiāls, kas jebkad atklāts. Neskatoties uz to, grafēns ir arī viens no spēcīgākajiem materiāliem zināmajā Visumā. Ar stiepes izturību 130 GPa (gigapaskāli) tas ir vairāk nekā 100 reizes stiprāks par tēraudu.

Grafēna neticamā izturība, neskatoties uz to, ka tā ir tik plāna, jau ir pietiekama, lai padarītu to pārsteidzošu, tomēr tā unikālās īpašības ar to nebeidzas. Tas ir arī elastīgs, caurspīdīgs, ļoti vadošs un šķietami necaurlaidīgs lielākajai daļai gāzu un šķidrumu. Gandrīz šķiet, ka nav nevienas jomas, kurā grafēns neizceltos.

Grafēna vēsture: lentes rullis un sapnis

Grafīts ir zināms daudzums jau ilgu laiku (cilvēki to izmantojuši kopš neolīta laikmeta). Tās atomu struktūra ir labi dokumentēta, un zinātnieki ilgu laiku domāja, vai varētu izolēt atsevišķus grafīta slāņus. Tomēr vēl nesen grafēns bija tikai teorija, jo zinātnieki nebija pārliecināti, vai kādreiz būs iespējams grafītu sagriezt līdz vienai atomu plānai loksnei. Pirmo izolēto grafēna paraugu 2004. gadā atklāja Andrē Geims un Konstantīns Novoselovs Mančestras Universitātē. Varētu sagaidīt, ka viņi izdalīja teiksmaino vielu, izmantojot kādu masīvu, dārgu iekārtu, taču viņu izmantotais rīks bija uzjautrinoši vienkāršs: lentes rullis.

Izmantojot lenti liela grafīta bloka pulēšanai, pētnieki pamanīja uz lentes īpaši plānas pārslas. Turpinot nolobīt slāņus un slāņus no grafīta pārslām, viņi galu galā izveidoja pēc iespējas plānāku paraugu. Viņi bija atraduši grafēnu. Atklājums bija tik dīvains, ka zinātniskā pasaule sākumā bija skeptiska. Populārs žurnāls Daba pat divas reizes noraidīja viņu darbu par eksperimentu. Galu galā viņu pētījumi tika publicēti, un 2010. gadā Geimam un Novoselovam par atklājumu tika piešķirta Nobela prēmija fizikā.

Iespējamie pielietojumi

Ja grafēnam būtu tikai viena no daudzajām izcilajām iezīmēm, tas būtu intensīvi pētīts par iespējamiem lietojumiem. Tā kā grafēns ir tik ievērojams daudzos veidos, tas ir iedvesmojis zinātniekus domāt par plašu materiāla lietojumu klāstu tik daudzveidīgās jomās kā patērētāju tehnoloģijas un vides zinātne.

Elastīga elektronika

Papildus spēcīgajām elektriskām īpašībām grafēns ir arī ļoti elastīgs un caurspīdīgs. Tas padara to pievilcīgu lietošanai portatīvajā elektronikā. Viedtālruņi un planšetdatori varētu kļūt daudz izturīgāki, izmantojot grafēnu, un, iespējams, tos pat varētu salocīt kā papīru. Valkājamas elektroniskās ierīces pēdējā laikā kļūst arvien populārākas. Izmantojot grafēnu, šīs ierīces var padarīt vēl noderīgākas, izstrādātas tā, lai tās cieši pieguļ ekstremitātēm un saliektos, lai pielāgotos dažādiem vingrinājumu veidiem.

Tomēr grafēna elastība un mikroskopiskais platums sniedz iespējas, kas pārsniedz vienkāršas patēriņa ierīces. Tas varētu būt noderīgs arī biomedicīnas pētījumos. No grafēna var izgatavot nelielas mašīnas un sensorus, kas spēj viegli un nekaitīgi pārvietoties pa cilvēka ķermeni, analizēt audus vai pat piegādāt zāles noteiktās vietās. Ogleklis jau ir būtiska cilvēka ķermeņa sastāvdaļa; nedaudz pievienots grafēns varētu nekaitēt.

Saules baterijas/fotoelementi

Grafēns ir gan ļoti vadošs, gan caurspīdīgs. Kā tādam tam ir liels potenciāls kā materiālam saules baterijās. Parasti saules baterijas izmanto silīciju, kas rada lādiņu, kad fotons saskaras ar materiāliem, izsitot brīvo elektronu. Silīcijs atbrīvo tikai vienu elektronu uz katru fotonu, kas tam trāpa. Pētījumi liecina, ka grafēns var atbrīvot vairākus elektronus katram fotonam, kas tam trāpa. Tādējādi grafēns varētu būt daudz labāks saules enerģijas pārveidošanā. Drīz vien lētākas, jaudīgākas grafēna šūnas varētu radīt milzīgu atjaunojamās enerģijas pieaugumu.

Grafēna fotoelektriskās īpašības arī nozīmē, ka to var izmantot, lai izstrādātu labākus attēla sensorus tādām ierīcēm kā kameras.

Pusvadītāji

Pateicoties tā augstajai vadītspējai, grafēnu var izmantot pusvadītājos, lai ievērojami palielinātu informācijas kustības ātrumu. Nesen Enerģētikas departaments veica testus, kas parādīja, ka pusvadoši polimēri vada elektrību daudz ātrāk, ja tie atrodas virs grafēna slāņa, nekā silīcija slānis. Tas ir spēkā pat tad, ja polimērs ir biezāks. 50 nanometru biezs polimērs, novietojot to virs grafēna slāņa, vadīja lādiņu labāk nekā 10 nanometru polimēra slānis. Tas bija pretrunā ar iepriekšējo gudrību, kas uzskatīja, ka jo plānāks ir polimērs, jo labāk tas var vadīt lādiņu.

Lielākais šķērslis grafēna izmantošanai elektronikā ir joslu atstarpes trūkums, plaisa starp valences un vadītspējas joslām materiālā, kas, šķērsojot, nodrošina elektriskās strāvas plūsmu. Joslu sprauga ir tas, kas ļauj pusvadošiem materiāliem, piemēram, silīcijam, darboties kā tranzistoriem; tie var pārslēgties starp izolāciju vai elektriskās strāvas vadīšanu atkarībā no tā, vai to elektroni tiek virzīti pāri joslas spraugai vai nē.

Pētnieki ir izmēģinājuši dažādas metodes, lai piešķirtu grafēnam joslas atstarpi; ja tas izdosies, tas varētu novest pie daudz ātrākas elektronikas, kas veidota ar grafēnu.

Ūdens filtrēšana

Grafēna blīvās atomu saites padara to necaurlaidīgu gandrīz visām gāzēm un šķidrumiem. Interesanti, ka ūdens molekulas ir izņēmums. Tā kā ūdens var iztvaikot caur grafēnu, bet vairums citu gāzu un šķidrumu nevar, grafēns varētu būt izcils filtrēšanas līdzeklis. Mančestras universitātes pētnieki pārbaudīja grafēna caurlaidību ar alkoholu un spēja destilēt ļoti spēcīgus stipro alkoholisko dzērienu paraugus, jo tikai paraugos esošais ūdens varēja iziet cauri grafēns.

Protams, grafēna izmantošanai kā filtram ir potenciāls ne tikai stiprāku spirtu destilēšanai. Grafēns varētu būt arī ļoti noderīgs ūdens attīrīšanā no toksīniem. Karaliskās ķīmijas biedrības publicētajā pētījumā pētnieki parādīja, ka oksidēts grafēns var pat ievelciet ūdenī esošos radioaktīvos materiālus, piemēram, urānu un plutoniju, atstājot šķidrumu bez tā piesārņotāji. Šī pētījuma sekas ir milzīgas. Dažus no lielākajiem vides apdraudējumiem vēsturē, tostarp kodolatkritumus un ķīmisko noteci, var attīrīt no ūdens avotiem, pateicoties grafēnam.

Tā kā pārapdzīvotība joprojām ir viena no pasaules aktuālākajām vides problēmām, tīra ūdens piegādes uzturēšana kļūs tikai svarīgāka. Patiešām, ūdens trūkums cieš vairāk nekā miljardu cilvēku visā pasaulē, un šis skaitlis tikai turpinās pieaugt, ņemot vērā pašreizējās tendences. Grafēna filtriem ir milzīgs potenciāls uzlabot ūdens attīrīšanu, palielinot pieejamā saldūdens daudzumu. Faktiski Lockheed Martin nesen izstrādāja grafēna filtru ar nosaukumu "Perforene", kas, pēc uzņēmuma domām, varētu mainīt atsāļošanas procesu.

Pašreizējās atsāļošanas rūpnīcās izmanto metodi, ko sauc par reverso osmozi, lai filtrētu sāli no jūras ūdens. Reversā osmoze izmanto spiedienu, lai pārvietotu ūdeni caur membrānu. Lai ražotu lielu daudzumu dzeramā ūdens, ar to saistītais spiediens prasa milzīgu enerģijas daudzumu. A Lockheed Martin inženieris apgalvo viņu Perforene filtri varētu samazināt enerģijas patēriņu simts reizes mazāk nekā citi filtri.

MIT radīja grafēnu ar "nanoporām"

Filtrēšana ir viens no acīmredzamākajiem grafēna lietojumiem, un MIT inženieri ir guvuši lielus panākumus, pilnveidojot grafēna spēju atdalīt molekulas. 2018. gadāMIT komanda nāca klajā ar metodi, kā grafēna loksnēs izveidot sīkus, “izdurt” caurumus. MIT pētnieki grafēna ražošanai izmanto "rullīšu uz riteni" pieeju. To uzstādīšana ietver divas spoles: viena spole ievada vara loksni krāsnī, kur tā tiek uzkarsēta līdz atbilstošu temperatūru, tad inženieri pievieno metānu un ūdeņraža gāzi, kas būtībā izraisa grafēna baseinus veidot. Grafēna plēve iziet no krāsns, uztinoties uz otro spoli.

Teorētiski šis process ļauj salīdzinoši īsā laikā izveidot lielas grafēna loksnes, kas ir ļoti svarīgi komerciāliem lietojumiem. Pētniekiem bija jāprecizē process, lai grafēns veidotos perfekti, un interesanti, ka nepilnīgie mēģinājumi vēlāk izrādījās noderīgi. Tā kā MIT komanda mēģināja izveidot poras grafēnā, viņi sāka izmantot skābekļa plazmu, lai tās izgrieztu. Tā kā šis process izrādījās laikietilpīgs, viņi gribēja kaut ko ātrāku un meklēja risinājumus savos iepriekšējos eksperimentos. Pazeminot temperatūru grafēna augšanas laikā, tiem parādījās poras. Tas, kas izstrādes procesā parādījās kā defekti, bija noderīgs veids, kā izveidot porainu grafēnu.

Supravadītspēja

Neilgi pēc tam Kembridžas zinātnieki demonstrēja MIT pētnieki, ka grafēns var darboties kā supravadītājs (materiāls bez elektriskās pretestības), ja tas ir savienots pārī ar prazeodīma cērija vara oksīdu. atklāja vēl viena pārsteidzoša īpašība: tas acīmredzot var darboties kā supravadītājs tikai pareizajā konfigurācijā. Pētnieki salika divas grafēna šķēles, bet kompensēja tās ar 1,1 grādu leņķi. Saskaņā ar ziņojumu, kas publicēts žurnālā Nature, “Fiziķis Pablo Jarillo-Herero no Masačūsetsas institūta Tehnoloģija (MIT) Kembridžā un viņa komanda, uzstādot savu, nemeklēja supravadītspēju eksperiments. Tā vietā viņi pētīja, kā orientācija, kas nosaukta par burvju leņķi, varētu ietekmēt grafēnu.

Viņi atklāja, ka, palaižot elektrību caur grafēna skursteni, tas darbojās kā supravadītājs. Šis vienkāršais elektrības pielietošanas process atvieglo grafēna izpēti nekā līdzīgas klases supravadītāji, kuprāti, lai gan šiem materiāliem supravadītspēja ir daudz augstāka temperatūras. Lielākā daļa materiālu, kuriem ir supravadītspēja, to dara tikai tuvu absolūtās nulles temperatūrai. Daži tā sauktie “augstas temperatūras supravadītāji” var parādīt supravadītspēju aptuveni 133 Kelvina (-140 Celsija) temperatūrā, kas ir salīdzinoši augsta; sērūdeņradis, zem pietiekama spiediena, parāda īpašumu plkst brīnumaini -70 grādi pēc Celsija!

Grafēna izkārtojums bija jāatdzesē līdz 1,7 grādiem virs absolūtās nulles, tomēr pētnieki uzskata, ka tā uzvedība ir līdzīga kuprātu uzvedībai, un tāpēc viņi cer, ka tas būs daudz vienkāršāks materiāls nekonvencionālās supravadītspējas pētīšanai, par ko joprojām pastāv lielas domstarpības. fiziķi. Tā kā supravadītspēja parasti notiek tikai tik zemās temperatūrās, supravadītājus izmanto tikai dārgās iekārtās, piemēram, MRI iekārtās, bet zinātnieki cer kādu dienu atrast supravadītāju, kas darbojas istabas temperatūrā, kas samazinātu izmaksas, novēršot nepieciešamību pēc dzesēšanas vienības.

In pētījums, kas publicēts 2019, pētnieki parādīja, kā grafēna slāņu savīšana noteiktos "maģiskos" leņķos var radīt supravadītspējas īpašības zemākā temperatūrā nekā iepriekš.

Aizsardzība pret odiem

Tikai daži radījumi ir tik riebīgi kā odi, kas ar niezošiem kodumiem un tieksmi izplatīt tādas briesmīgas slimības kā malārija. Par laimi, Brauna universitātes pētnieki ir atraduši iespējamu risinājumu, izmantojot grafēnu. Pētījums, publicēts 2019. gadā, parāda, ka grafēna plēve uz ādas ne tikai bloķēja odus no košanas, bet pat atturēja tos no nosēšanās uz ādas. Viens no iespējamiem izskaidrojumiem ir tāds, ka grafēns neļāva odiem sajust laupījumu.

Grafēna pētniecības nākotne

Ņemot vērā šķietami nebeidzamo grafēna stipro pušu sarakstu, to varētu redzēt visur. Kāpēc tad grafēns nav plaši izmantots? Tāpat kā lielākajā daļā lietu, tas ir atkarīgs no naudas. Grafēna ražošana lielos daudzumos joprojām ir ārkārtīgi dārga, ierobežojot tā izmantošanu visos produktos, kuriem būtu nepieciešama masveida ražošana. Turklāt, ja tiek ražotas lielas grafēna loksnes, palielinās risks, ka materiālā var parādīties sīkas plaisas un citi defekti. Lai cik neticams būtu zinātnisks atklājums, ekonomika vienmēr izšķirs panākumus.

Neņemot vērā ražošanas problēmas, grafēna izpēte nekādā ziņā nepalēninās. Pētniecības laboratorijas visā pasaulē, tostarp Mančestras Universitāte, kur pirmo reizi tika atklāts grafēns, pastāvīgi iesniedz patentus jaunām grafēna radīšanas un izmantošanas metodēm. Eiropas Savienība 2013. gadā apstiprināja finansējumu vadošajai programmai, kas finansēs grafēna izpēti izmantošanai elektronikā. Tikmēr lielākie tehnoloģiju uzņēmumi Āzijā veic grafēna izpēti, tostarp Samsung.

Revolūcijas nenotiek vienas nakts laikā. Silīcijs tika atklāts 19. gadsimta vidū, taču pagāja gandrīz gadsimts, pirms silīcija pusvadītāji pavēra ceļu datoru attīstībai. Vai grafēns ar tā gandrīz mītiskajām īpašībām varētu būt resurss, kas virza nākamo cilvēces vēstures laikmetu? To rādīs tikai laiks.

Redaktoru ieteikumi

• Labākās gaismas terapijas lampas
• Cik ilgi jūsu ierīcēm vajadzētu kalpot?
• Labākie saules lādētāji jūsu tālrunim vai planšetdatoram
• 17 melnādainie izgudrotāji, kas mainīja tehnoloģiju pasauli
• Labākie veselības un fitnesa sīkrīki