Що таке графен? Ось що вам слід знати

Подальше читання

• Дев'ять дивовижних застосувань графену, від фільтрації води до розумної фарби
• Що таке Hyperloop? Ось усе, що вам потрібно знати

Сьогодні новий матеріал може змінити майбутнє. Графен, названий «надматеріалом», змушує дослідників у всьому світі намагатися краще його зрозуміти. Довгий список чудесних властивостей графена робить його майже магічним, але він може мати дуже реальні та кардинальні наслідки для майбутнього фізики та техніки.

Що таке графен?

Найпростіший спосіб описати графен полягає в тому, що це один тонкий шар графіту — м’якого пластівчастого матеріалу, який використовується в грифелі для олівців. Графіт є алотропом елемента вуглецю, тобто він має однакові атоми, але вони розташовані по-іншому, що надає матеріалу різні властивості. Наприклад, і алмаз, і графіт є формами вуглецю, але вони мають абсолютно різну природу. Алмази неймовірно міцні, а графіт крихкий. Атоми графену розташовані в шестикутній формі.

Цікаво, що коли графен виділяється з графіту, він набуває деяких чудесних властивостей. Це перший двовимірний матеріал, який коли-небудь був відкритий, товщиною всього в один атом. Незважаючи на це, графен також є одним із найміцніших матеріалів у відомому Всесвіті. Маючи міцність на розрив 130 ГПа (гігапаскаль), він більш ніж у 100 разів міцніший за сталь.

Неймовірної міцності графену, незважаючи на його таку тонкість, уже достатньо, щоб зробити його дивовижним, однак на цьому його унікальні властивості не закінчуються. Він також гнучкий, прозорий, високопровідний і, здається, непроникний для більшості газів і рідин. Майже здається, що немає жодної галузі, в якій би графен не був кращим.

Історія графену: рулон стрічки і мрія

Графіт був відомою величиною протягом тривалого часу (люди використовували його ще з епохи неоліту). Його атомна структура добре задокументована, і протягом тривалого часу вчені розмірковували над тим, чи можна виділити окремі шари графіту. Однак донедавна графен був лише теорією, оскільки вчені не були впевнені, чи вдасться коли-небудь розрізати графіт до одного тонкого з атом аркуша. Перший ізольований зразок графену був виявлений у 2004 році Андре Геймом і Костянтином Новосьоловим з Манчестерського університету. Можна було очікувати, що вони виділили легендарну речовину за допомогою якогось масивного, дорогого обладнання, але інструмент, який вони використали, був надзвичайно простим: рулон скотча.

Використовуючи стрічку для полірування великого блоку графіту, дослідники помітили винятково тонкі пластівці на стрічці. Продовжуючи знімати шар за шаром з пластівців графіту, вони врешті-решт виготовили зразок якомога тоншого. Вони знайшли графен. Відкриття було настільки дивним, що науковий світ спочатку поставився до нього скептично. Популярний журнал природа навіть двічі відхилив їхній документ про експеримент. Зрештою їх дослідження було опубліковано, а в 2010 році Гейм і Новосьолов отримали за своє відкриття Нобелівську премію з фізики.

Потенційні застосування

Якби графен мав лише одну з багатьох чудових властивостей, він був би предметом інтенсивних досліджень потенційного використання. Будучи настільки чудовим у багатьох відношеннях, графен надихнув вчених на думку про широкий спектр використання цього матеріалу в таких різноманітних сферах, як споживчі технології та екологія.

Гнучка електроніка

Крім потужних електричних властивостей, графен також дуже гнучкий і прозорий. Це робить його привабливим для використання в портативній електроніці. Смартфони та планшети можуть стати набагато міцнішими за допомогою графену, і, можливо, їх навіть можна буде згорнути, як папір. Носимі електронні пристрої останнім часом набувають популярності. Завдяки графену ці пристрої можна зробити ще більш корисними, сконструйованими для щільного прилягання до кінцівок і згинання для різних форм вправ.

Однак гнучкість і мікроскопічна ширина графена надають можливості не лише для споживчих пристроїв. Це також може бути корисним у біомедичних дослідженнях. Маленькі машини та датчики можуть бути виготовлені з графену, здатні легко та нешкідливо пересуватися по тілу людини, аналізувати тканини або навіть доставляти ліки в певні області. Вуглець вже є важливим інгредієнтом людського тіла; трохи графену може не зашкодити.

Сонячні елементи/фотовольтаїка

Графен є високопровідним і прозорим. Таким чином, він має великий потенціал як матеріал для сонячних елементів. Як правило, сонячні батареї використовують кремній, який створює заряд, коли фотон потрапляє на матеріали, вибиваючи вільний електрон. Кремній вивільняє лише один електрон на фотон, що потрапляє на нього. Дослідження показали, що графен може вивільняти кілька електронів для кожного фотона, який потрапляє на нього. Таким чином, графен міг би набагато краще перетворювати сонячну енергію. Невдовзі дешевші та потужніші графенові елементи можуть спричинити величезний сплеск відновлюваної енергії.

Фотоелектричні властивості графену також означають, що його можна використовувати для розробки кращих датчиків зображення для таких пристроїв, як камери.

Напівпровідники

Завдяки своїй високій провідності графен можна використовувати в напівпровідниках, щоб значно збільшити швидкість передачі інформації. Нещодавно Міністерство енергетики провело випробування, які продемонстрували, що напівпровідникові полімери проводять електрику набагато швидше, якщо їх помістити поверх шару графену, ніж шару кремнію. Це справедливо, навіть якщо полімер товщі. Полімер товщиною 50 нанометрів, поміщений поверх шару графену, проводив заряд краще, ніж 10-нанометровий шар полімеру. Це суперечило попереднім думкам, згідно з якими чим тонший полімер, тим краще він може проводити заряд.

Найбільшою перешкодою для використання графену в електроніці є його відсутність забороненої зони, розриву між валентною зоною та зоною провідності в матеріалі, яка при перетині пропускає електричний струм. Ширина забороненої зони дозволяє напівпровідним матеріалам, таким як кремній, працювати як транзистори; вони можуть перемикатися між ізоляцією або проведенням електричного струму, залежно від того, проштовхуються їхні електрони через заборонену зону чи ні.

Дослідники тестували різноманітні методи, щоб надати графену забороненої зони; якщо вдасться, це може призвести до набагато швидшої електроніки, створеної з графену.

Фільтрація води

Міцні атомні зв’язки графена роблять його непроникним для майже всіх газів і рідин. Цікаво, що молекули води є винятком. Оскільки вода може випаровуватися через графен, тоді як більшість інших газів і рідин не може, графен може бути винятковим інструментом для фільтрації. Дослідники з Університету Манчестера перевірили проникність графену в спирт і змогли це зробити дистилюйте дуже міцні зразки міцних спиртних напоїв, оскільки тільки вода в зразках могла пройти через графен.

Звичайно, використання графену як фільтра має потенціал, окрім дистиляції міцніших спиртних напоїв. Графен також може бути надзвичайно корисним для очищення води від токсинів. У дослідженні, опублікованому Королівським хімічним товариством, дослідники показали, що окислений графен може навіть втягувати радіоактивні матеріали, такі як уран і плутоній, які присутні у воді, залишаючи рідину вільною забруднення. Наслідки цього дослідження величезні. Деякі з найбільших екологічних небезпек в історії, включаючи ядерні відходи та хімічні стоки, можуть бути очищені з джерел води завдяки графену.

Оскільки перенаселення продовжує залишатися однією з найактуальніших екологічних проблем у світі, підтримання запасів чистої води ставатиме ще важливішим. Дійсно, дефіцит води страждає від понад мільярда людей у ​​всьому світі, і ця цифра буде лише зростати, зважаючи на поточні тенденції. Графенові фільтри мають величезний потенціал для покращення очищення води, збільшуючи кількість доступної прісної води. Насправді Lockheed Martin нещодавно розробила графеновий фільтр під назвою «Perforene», який, як стверджує компанія, може революціонізувати процес опріснення.

Сучасні опріснювальні установки використовують метод зворотного осмосу для фільтрації солі з морської води. Зворотний осмос використовує тиск для переміщення води через мембрану. Щоб виробити велику кількість питної води, тиск вимагає величезної кількості енергії. А Про це стверджує інженер Lockheed Martin їхні фільтри Perforene можуть зменшити потреби в енергії в сто разів менше, ніж інші фільтри.

MIT створив графен з «нанопорами»

Фільтрація є одним із найбільш очевидних застосувань графену, і інженери MIT досягли великих успіхів у вдосконаленні здатності графену розділяти молекули. У 2018 році, команда з Массачусетського технологічного інституту винайшла метод створення крихітних «шпилькових» отворів у листах графену. Дослідники Массачусетського технологічного інституту використовують підхід «від рулону до рулону» для виробництва графену. Їх установка включає дві котушки: одна котушка подає лист міді в піч, де він нагрівається до відповідної температури, то інженери додають метан і водень, що, по суті, спричиняє накопичення графену формувати. Графенова плівка виходить із печі та намотується на другу котушку.

Теоретично цей процес дозволяє сформувати великі листи графену за відносно короткий проміжок часу, що має вирішальне значення для комерційного застосування. Дослідникам довелося налагодити процес, щоб отримати ідеальну форму графену, і, що цікаво, недосконалі спроби на цьому шляху виявилися корисними пізніше. Коли команда MIT намагалася створити пори в графені, вони почали з використання кисневої плазми, щоб вирізати їх. Оскільки цей процес виявився трудомістким, вони захотіли чогось швидшого й шукали рішень у своїх попередніх експериментах. Знижуючи температуру під час росту графену, у них з’явилися пори. Те, що з’явилося як дефекти в процесі розробки, виявилося корисним способом створення пористого графену.

Надпровідність

Невдовзі показали вчені з Кембриджа що графен може діяти як надпровідник (матеріал без електричного опору) у парі з празеодимом церієм оксидом міді, дослідники з MIT виявлено ще одна вражаюча властивість: він, очевидно, може функціонувати як надпровідник сам по собі, у правильній конфігурації. Дослідники склали два шматки графену, але зсунули їх на кут 1,1 градуса. Відповідно до звіту, опублікованого в Nature, «фізик Пабло Джарілло-Ерреро з Массачусетського інституту Технології (MIT) у Кембриджі та його команда не шукали надпровідності, коли створювали свій експеримент. Замість цього вони досліджували, як орієнтація, яку називають магічним кутом, може вплинути на графен».

Вони виявили, що коли вони пропускали електрику через нерівний графеновий стек, він функціонував як надпровідник. Цей простий процес застосування електрики робить графен легшим для вивчення, ніж аналогічний клас надпровідники, купрати, хоча ці матеріали виявляють надпровідність на значно вищому рівні температури. Більшість матеріалів, які демонструють надпровідність, роблять це лише поблизу температури абсолютного нуля. Деякі так звані «високотемпературні надпровідники» можуть проявляти надпровідність при температурах близько 133 Кельвінів (-140 за Цельсієм), що є відносно високим показником; сірководень при достатньому тиску проявляє властивість при чудодійних -70 градусів Цельсія!

Композицію з графену потрібно було охолодити до 1,7 градусів вище абсолютного нуля, однак дослідники вважають, що її поведінка схожа на поведінку купратів, і тому вони сподіваються, що це буде набагато легший матеріал для вивчення нетрадиційної надпровідності, яка все ще є предметом великих розбіжностей між фізики. Оскільки надпровідність зазвичай виникає лише при таких низьких температурах, надпровідники використовуються лише в дорогому обладнанні, наприклад апаратах МРТ, але вчені сподіваються одного разу знайти надпровідник, який працює при кімнатній температурі, що зменшить витрати, усунувши потребу в охолодженні одиниць.

в дослідження, опубліковане в 2019 році, дослідники показали, як скручування шарів графену під певними «магічними» кутами може створювати надпровідні властивості при нижчих температурах, ніж раніше.

Захист від комарів

Небагато створінь є такими огидними, як комарі, з їхніми сверблячими укусами та схильністю поширювати такі жахливі хвороби, як малярія. На щастя, дослідники з Університету Брауна знайшли можливе рішення за допомогою графену. дослідження, опубліковано в 2019 році, демонструє, що графенова плівка на шкірі не тільки блокувала комарів від укусів, але навіть утримувала їх від посадки на шкіру. Одним із можливих пояснень є те, що графен заважав комарам відчути запах здобичі.

Майбутнє досліджень графену

Враховуючи, здавалося б, нескінченний список сильних сторін графену, можна очікувати побачити його скрізь. Чому ж тоді графен не отримав широкого поширення? Як і в більшості речей, справа зводиться до грошей. Виробництво графену у великих кількостях все ще надзвичайно дороге, що обмежує його використання в будь-якому продукті, який потребує масового виробництва. Крім того, коли виготовляються великі листи графену, існує підвищений ризик появи крихітних тріщин та інших дефектів у матеріалі. Яким би неймовірним не було наукове відкриття, успіх завжди буде вирішувати економіка.

Крім проблем виробництва, дослідження графену аж ніяк не сповільнюються. Дослідницькі лабораторії по всьому світу, включаючи Манчестерський університет, де вперше був виявлений графен, постійно подають патенти на нові методи створення та використання графену. У 2013 році Європейський Союз схвалив фінансування флагманської програми, яка фінансуватиме дослідження графену для використання в електроніці. Тим часом великі технологічні компанії в Азії проводять дослідження графену, включаючи Samsung.

Революції не відбуваються відразу. Кремній був відкритий у середині 19 століття, але минуло майже століття, перш ніж кремнієві напівпровідники проклали шлях для розвитку комп’ютерів. Чи може графен, з його майже міфічними властивостями, бути тим ресурсом, який рухатиме наступну еру історії людства? Тільки час покаже.

Рекомендації редакції

• Найкращі лампи для світлотерапії
• Як довго має працювати ваша техніка?
• Найкращі сонячні зарядні пристрої для вашого телефону чи планшета
• 17 чорношкірих винахідників, які змінили світ технологій
• Найкращі гаджети для здоров’я та фітнесу