Что такое графен? Вот что вам следует знать

дальнейшее чтение

• Девять удивительных применений графена: от фильтрации воды до умных красок
• Что такое Гиперлуп? Вот все, что вам нужно знать

Сегодня новый материал может изменить будущее. Названный «сверхматериалом», графен заставляет исследователей во всем мире пытаться лучше понять его. Длинный список чудесных свойств графена делает его почти волшебным, но он может иметь весьма реальные и радикальные последствия для будущего физики и техники.

Что такое графен?

Самый простой способ описать графен — это один тонкий слой графита — мягкого, чешуйчатого материала, используемого в карандашном грифеле. Графит — это аллотроп элемента углерода, то есть он содержит те же атомы, но они расположены по-разному, что придает материалу разные свойства. Например, и алмаз, и графит являются формами углерода, но имеют совершенно разную природу. Алмазы невероятно прочны, а графит хрупкий. Атомы графена расположены шестиугольно.

Интересно, что когда графен выделяют из графита, он приобретает чудесные свойства. Это первый двумерный материал, когда-либо обнаруженный, толщиной всего в один атом. Несмотря на это, графен также является одним из самых прочных материалов в известной вселенной. При пределе прочности 130 ГПа (гигапаскалей) он более чем в 100 раз прочнее стали.

Невероятной прочности графена, несмотря на то, что он такой тонкий, уже достаточно, чтобы сделать его удивительным, однако на этом его уникальные свойства не заканчиваются. Он также гибкий, прозрачный, обладает высокой проводимостью и, по-видимому, непроницаем для большинства газов и жидкостей. Кажется, что нет такой области, в которой графен не преуспел бы.

История графена: рулон ленты и мечта

Графит был известен с давних времен (люди использовали его еще с эпохи неолита). Его атомная структура хорошо документирована, и долгое время ученые размышляли над тем, можно ли изолировать отдельные слои графита. Однако до недавнего времени графен был всего лишь теорией, поскольку ученые не были уверены, удастся ли когда-нибудь разрезать графит на один лист толщиной в атом. Первый изолированный образец графена был обнаружен в 2004 году Андреем Геймом и Константином Новоселовым в Манчестерском университете. Можно было бы ожидать, что они выделили легендарное вещество с помощью какого-то массивного и дорогого оборудования, но инструмент, который они использовали, был до смешного простым: рулон скотча.

Используя ленту для полировки большого блока графита, исследователи заметили на ленте исключительно тонкие чешуйки. Продолжая слой за слоем снимать чешуйки графита, они в конечном итоге получили образец как можно тоньше. Они нашли графен. Открытие было настолько странным, что научный мир поначалу отнесся к нему скептически. Популярный журнал Природа даже дважды отвергли их статью об эксперименте. В конце концов их исследование было опубликовано, а в 2010 году Гейм и Новоселов были удостоены Нобелевской премии по физике за свое открытие.

Возможные применения

Если бы графен обладал хотя бы одной из своих многочисленных превосходных характеристик, он стал бы предметом интенсивных исследований потенциального использования. Будучи таким замечательным во многих отношениях, графен вдохновил ученых задуматься о широком спектре применений этого материала в таких разнообразных областях, как потребительские технологии и наука об окружающей среде.

Гибкая электроника

Помимо своих мощных электрических свойств, графен также очень гибок и прозрачен. Это делает его привлекательным для использования в портативной электронике. Смартфоны и планшеты могли бы стать намного более долговечными с использованием графена, и, возможно, их даже можно было бы складывать, как бумагу. В последнее время популярность носимых электронных устройств растет. С графеном эти устройства можно было бы сделать еще более полезными: они могли бы плотно прилегать к конечностям и сгибаться для выполнения различных упражнений.

Однако гибкость и микроскопическая ширина графена открывают возможности, выходящие за рамки простых потребительских устройств. Это также может быть полезно в биомедицинских исследованиях. Небольшие машины и датчики могут быть изготовлены из графена, способного легко и безвредно перемещаться по человеческому телу, анализировать ткани или даже доставлять лекарства в определенные области. Углерод уже является важнейшим компонентом человеческого тела; добавление небольшого количества графена, возможно, не повредит.

Солнечные элементы/фотогальваника

Графен обладает высокой проводимостью и прозрачностью. Таким образом, он имеет большой потенциал в качестве материала для солнечных батарей. Обычно в солнечных элементах используется кремний, который создает заряд, когда фотон попадает в материал, выбивая свободный электрон. Кремний выпускает только один электрон на каждый попавший на него фотон. Исследования показали, что графен может высвобождать несколько электронов для каждого попавшего на него фотона. Таким образом, графен мог бы гораздо лучше преобразовывать солнечную энергию. Вскоре более дешевые и мощные графеновые ячейки смогут произвести огромный всплеск возобновляемой энергии.

Фотоэлектрические свойства графена также означают, что его можно использовать для разработки более совершенных датчиков изображения для таких устройств, как камеры.

Полупроводники

Благодаря своей высокой проводимости графен можно использовать в полупроводниках, чтобы значительно увеличить скорость передачи информации. Недавно Министерство энергетики провело испытания, которые продемонстрировали, что полупроводниковые полимеры проводят электричество гораздо быстрее, если их поместить поверх слоя графена, чем слоя кремния. Это справедливо, даже если полимер толще. Полимер толщиной 50 нанометров, помещенный поверх слоя графена, проводил заряд лучше, чем слой полимера толщиной 10 нанометров. Это противоречило прежней мудрости, согласно которой, чем тоньше полимер, тем лучше он может проводить заряд.

Самым большим препятствием для использования графена в электронике является отсутствие у него запрещенной зоны, разрыва между валентной зоной и зоной проводимости в материале, который при пересечении обеспечивает протекание электрического тока. Запрещенная зона — это то, что позволяет полупроводниковым материалам, таким как кремний, функционировать как транзисторы; они могут переключаться между изолирующим или проводящим электрический ток, в зависимости от того, пересекают ли их электроны запрещенную зону или нет.

Исследователи тестировали различные методы, позволяющие придать графену запрещенную зону; в случае успеха это может привести к созданию гораздо более быстрой электроники, построенной на графене.

Фильтрация воды

Плотные атомные связи графена делают его непроницаемым практически для всех газов и жидкостей. Любопытно, что молекулы воды являются исключением. Поскольку вода может испаряться через графен, в то время как большинство других газов и жидкостей не могут, графен может стать исключительным инструментом для фильтрации. Исследователи из Манчестерского университета проверили проницаемость графена спиртом и смогли перегонять очень крепкие образцы спиртных напитков, так как только вода в пробах могла пройти через графен.

Конечно, использование графена в качестве фильтра имеет потенциал, выходящий за рамки дистилляции более крепких спиртных напитков. Графен также может быть чрезвычайно полезен в очистке воды от токсинов. В исследовании, опубликованном Королевским химическим обществом, исследователи показали, что окисленный графен может даже втягивать радиоактивные материалы, такие как уран и плутоний, присутствующие в воде, оставляя жидкость свободной от загрязняющие вещества. Последствия этого исследования огромны. Некоторые из крупнейших экологических опасностей в истории, включая ядерные отходы и химические стоки, можно было бы устранить из водных источников благодаря графену.

Поскольку перенаселение продолжает оставаться одной из самых актуальных экологических проблем в мире, поддержание запасов чистой воды будет становиться только более важным. Действительно, от нехватки воды страдают более миллиарда человек во всем мире, и это число будет только расти, учитывая нынешние тенденции. Графеновые фильтры обладают огромным потенциалом для улучшения очистки воды, увеличивая количество доступной пресной воды. Фактически, Lockheed Martin недавно разработала графеновый фильтр под названием «Перфорен», который, по утверждению компании, может революционизировать процесс опреснения воды.

Современные опреснительные установки используют метод, называемый обратным осмосом, для фильтрации соли из морской воды. Обратный осмос использует давление для перемещения воды через мембрану. Для производства большого количества питьевой воды необходимое давление требует огромного количества энергии. А Инженер Lockheed Martin утверждает их фильтры Perforene могут снизить потребление энергии в сто раз меньше, чем у других фильтров.

В MIT создали графен с «нанопорами»

Фильтрация — одно из наиболее очевидных применений графена, и инженеры Массачусетского технологического института добились больших успехов в совершенствовании способности графена разделять молекулы. В 2018 годуКоманда Массачусетского технологического института разработала метод создания крошечных отверстий в листах графена. Исследователи Массачусетского технологического института используют метод «рулон-за-рулоном» для производства графена. Их установка включает в себя две катушки: одна катушка подает лист меди в печь, где он нагревается до температуры соответствующую температуру, затем инженеры добавляют метан и водород, что, по сути, приводит к образованию луж графена. сформировать. Графеновая пленка выходит из печи и наматывается на вторую катушку.

Теоретически этот процесс позволяет формировать большие листы графена за относительно короткий промежуток времени, что имеет решающее значение для коммерческого применения. Исследователям пришлось точно настроить процесс, чтобы графен сформировался идеально, и, что интересно, несовершенные попытки на этом пути впоследствии оказались полезными. Когда команда Массачусетского технологического института попыталась создать поры в графене, они начали с использования кислородной плазмы для их вырезания. Поскольку этот процесс оказался трудоемким, им хотелось чего-то более быстрого и в поисках решения они обратились к своим предыдущим экспериментам. Понижая температуру во время роста графена, они добились появления пор. То, что в процессе разработки казалось дефектами, в конечном итоге оказалось полезным способом создания пористого графена.

Сверхпроводимость

Вскоре после этого ученые из Кембриджа продемонстрировали Исследователи из Массачусетского технологического института утверждают, что графен может действовать как сверхпроводник (материал без электрического сопротивления) в сочетании с оксидом меди и церия празеодима. обнаруженный еще одно поразительное свойство: очевидно, что в правильной конфигурации он может функционировать как сверхпроводник. Исследователи сложили два кусочка графена, но сместили их под углом 1,1 градуса. Согласно отчету, опубликованному в журнале Nature, «Физик Пабло Харильо-Эрреро из Массачусетского института Technology (MIT) в Кембридже и его команда не искали сверхпроводимость, когда создавали свою эксперимент. Вместо этого они изучали, как ориентация, получившая название «магический угол», может повлиять на графен».

Они обнаружили, что, когда они пропускали электричество через искривленную графеновую стопку, она функционировала как сверхпроводник. Этот простой процесс применения электричества облегчает изучение графена, чем аналогичный класс материалов. сверхпроводники, купраты, хотя эти материалы обладают гораздо более высокой сверхпроводимостью. температуры. Большинство материалов, обладающих сверхпроводимостью, проявляют себя только при температуре абсолютного нуля. Некоторые так называемые «высокотемпературные сверхпроводники» могут проявлять сверхпроводимость при температуре около 133 Кельвина (-140 Цельсия), что является относительно высоким показателем; сероводород под достаточным давлением проявляет свойство при чудесные -70 градусов по Цельсию!

Графеновую компоновку пришлось охладить до 1,7 градусов выше абсолютного нуля, однако исследователи считают ее поведение схожим с поведением купратов, а поэтому они надеются, что это будет гораздо более простой материал для изучения нетрадиционной сверхпроводимости, которая до сих пор является предметом больших разногласий среди физики. Поскольку сверхпроводимость обычно возникает только при таких низких температурах, сверхпроводники используются только в дорогостоящем оборудовании, таком как аппараты МРТ. ученые надеются однажды найти сверхпроводник, работающий при комнатной температуре, что снизит затраты за счет устранения необходимости охлаждения. единицы измерения.

В исследование, опубликованное в 2019 годуИсследователи показали, как скручивание слоев графена под определенными «магическими» углами может придавать сверхпроводящие свойства при более низких температурах, чем раньше.

Защита от комаров

Немногие существа столь же отвратительны, как комары, с их зудящими укусами и склонностью распространять ужасные болезни, такие как малярия. К счастью, исследователи из Университета Брауна нашли возможное решение с использованием графена. Исследование, опубликовано в 2019 году, демонстрирует, что графеновая пленка на коже не только блокирует укусы комаров, но даже удерживает их от приземления на кожу. Одно из возможных объяснений состоит в том, что графен не позволяет комарам чувствовать запах добычи.

Будущее исследований графена

Учитывая, казалось бы, бесконечный список сильных сторон графена, можно было бы ожидать увидеть его повсюду. Почему же тогда графен не получил широкого распространения? Как и в большинстве случаев, все упирается в деньги. Графен по-прежнему чрезвычайно дорог в производстве в больших количествах, что ограничивает его использование в любом продукте, требующем массового производства. Более того, при производстве больших листов графена возрастает риск появления в материале крошечных трещин и других дефектов. Каким бы невероятным ни было научное открытие, успех всегда будет зависеть от экономики.

Если оставить в стороне проблемы производства, исследования графена ни в коем случае не замедляются. Исследовательские лаборатории по всему миру, в том числе Манчестерский университет, где был впервые обнаружен графен, постоянно подают патенты на новые методы создания и использования графена. Европейский Союз одобрил финансирование флагманской программы в 2013 году, которая будет финансировать исследования графена для использования в электронике. Тем временем крупные технологические компании в Азии проводят исследования графена, включая Samsung.

Революции не происходят в одночасье. Кремний был открыт в середине 19-го века, но потребовалось почти столетие, прежде чем кремниевые полупроводники проложили путь к появлению компьютеров. Может ли графен с его почти мифическими качествами стать ресурсом, который приведет в движение следующую эру человеческой истории? Время покажет.

Рекомендации редакции

• Лучшие лампы для светотерапии
• Как долго должна работать ваша техника?
• Лучшие солнечные зарядные устройства для вашего телефона или планшета
• 17 чернокожих изобретателей, которые изменили мир технологий
• Лучшие гаджеты для здоровья и фитнеса