Зустрічайте перший у світі 2D-матеріал: 5 способів, як графен може змінити ваш телефон

Графен – перший у світі двовимірний матеріал. Він має товщину в один атом, що робить його в мільйон разів тоншим за людську волосину. Він також дуже міцний, гнучкий, прозорий і більш провідний, ніж будь-що інше, що ми знаємо. Потенційні можливості його застосування здаються безмежними – і перші приклади вже близькі до втілення.

У всьому світі існує багато, багато проектів, які досліджують потенціал графену для широкого спектру галузей промисловості, але є вагомі причини для виробників мобільних технологій, зокрема, сісти і звернути на нього увагу. Дослідники з Samsung і Nokia були серед доповідачів на нещодавньому саміті Graphene Supply, Application & Commercialisation 2014 в Манчестері, обговорюючи можливість масового виробництва, необхідність подальших інвестицій і потенційні застосування, починаючи від гнучких сенсорних екранів до транзисторів і напівпровідників.

Коротка історія

Графен з’явився на горизонті вже кілька десятиліть тому. Вперше він був вивчений на теоретичному рівні ще наприкінці 1940-х років, але практично не використовувався до 1970-х років. Мільйони шарів графену утворюють графіт, який використовується в олівцях, але вчені не могли зрозуміти, як його виділити.

• Як iPhone 14 Plus став одним з найбільших технологічних провалів 2022 року
• Як налаштувати новий телефон Samsung Galaxy як професіонал
• Apple може скасувати iPhone SE 4 в наступному році – і я радий

Лише у 2003 році Андре Гейм і Костя Новосьолов, два російські дослідники, які працювали в Манчестерському університеті у Великобританії, з’ясували, як витягти матеріал з графіту за допомогою скотчу. Вони опублікували свої дослідження наступного року і почали навчати інших, як виготовляти цей матеріал, що призвело до присудження їм Нобелівської премії з фізики 2010 року і вибуху досліджень графену в усьому світі.

З 2004 року спостерігається постійний потік робіт, що досліджують дивні властивості графену. Створення графенових пластівців незабаром поступилося місцем листам, але існували обмеження за розміром, які необхідно було подолати, і дослідники мали труднощі з встановленням надійного методу виробництва, який би стабільно виробляв графен високої якості.

Оскільки наукові проблеми поступово вирішуються, все, що залишилося між нами і графеновими пристроями – це воля і фінансові м’язи для їх виробництва, а це залежить від вбивчих застосувань.

Гнучкі, провідні та небиткі сенсорні екрани

Згідно зі статтею, опублікованою Американським хімічним товариством у 2012 році, “сенсорні екрани, виготовлені з графеном як провідним елементом, можуть бути надруковані на тонкому пластику замість скла, тому вони будуть легкими і гнучкими, що може зробити мобільні телефони тонкими, як аркуш паперу, і досить складними, щоб їх можна було покласти в кишеню. Крім того, завдяки неймовірній міцності графену, ці мобільні телефони були б майже незламними”.

Дослідники з Техаського університету в Остіні розробили спосіб вирощування більших аркушів шириною в кілька сантиметрів у 2009 році. Метод був адаптований з ще більшим успіхом дослідниками з південнокорейського університету Sungkyunkwan в Сувоні, які використовували мідні листи і друкарський верстат для створення графенового листа розміром 30 дюймів в діагоналі. Вони також створили першу сенсорну панель на основі графену. Як повідомляється, Samsung випустила 40-дюймовий лист в 2011 році, але за даними Nikkei Technology, в 2012 році Sony використовувала метод roll-to-roll, щоб виготовити лист шириною 23 см і довжиною 100 метрів.

На нещодавньому саміті в Манчестері Сеунгмін Чо з Samsung провів сесію по гнучким сенсорним екранам, і компанія вже подала численні патенти, пов’язані з графеном, в тому числі патент на пристрій сенсорного дисплея з використанням графена або вуглецевих нанотрубок. Вуглецеві нанотрубки – це листи графену, згорнуті в циліндри.

Той факт, що він є провідним і прозорим, робить графен відмінним кандидатом для сенсорних екранів, але причина, по якій він може замінити матеріали, що використовуються в даний час, такі як оксид індію-олова (ITO), полягає в тому, що він міцніший і більш гнучкий. Розбиті і потріскані сенсорні екрани незабаром можуть залишитися в минулому. Варто також враховувати той факт, що ITO зростає в ціні, оскільки він стає все більш дефіцитним.

Крім того, графен може також прокласти шлях до нових форм-факторів в мобільних і натільних пристроях, і навіть до складних сенсорних екранів.

Гнучкі батареї, що швидко заряджаються

Розмір і ємність акумуляторів вже давно є проблемою як для споживачів, так і для виробників. Уявіть собі, що ви можете зарядити акумулятор свого смартфона за 20 секунд і він працюватиме цілий день. Уявіть, що він може згинатися, набувати форми та інтегруватися безпосередньо в чіп. Можливо, вам не доведеться довго фантазувати.

Згідно з дослідженнями Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі, відповіддю можуть стати суперконденсатори на основі графену. Вони можуть заряджатися і розряджатися в сотні і тисячі разів швидше, ніж стандартні батареї; вони гнучкі і легко формуються; і їх легко виробляти.

“Процес простий, економічно ефективний і може бути здійснений в домашніх умовах”, – пояснює Махер Ель-Каді з Каліфорнійського інституту наносистем при Каліфорнійському університеті в Лос-Анджелесі, – “Потрібен лише DVD-привід і дисперсія оксиду графіту у воді, яка є комерційно доступною за помірною ціною”.

Графен також може відігравати важливу роль у тому, щоб зробити наші сучасні літій-іонні батареї довговічнішими і швидше заряджатися. Згідно з дослідженнями Північно-Західного університету, сендвіч кремнію між листами графену дозволяє створити новий електрод, який може заряджатися в 10 разів швидше і утримувати заряд, який в десять разів більший. Проблема кремнію полягає в тому, що він легко руйнується, але графен набагато гнучкіший і може утримувати його разом.

Це може значно покращити продуктивність акумуляторів у наших смартфонах і зробити їх набагато тоншими. Це також може стати справжнім бумом для зростаючого ринку пристроїв, що носяться.

Покращені сенсори камер і фотографування в умовах низької освітленості

“Ми показали, що тепер можна створювати дешеві, чутливі і гнучкі фотосенсори з одного лише графену”, – говорить доцент Ван Цицзе з Наньянського технологічного університету в Сінгапурі.

Його дослідження дозволили створити датчик зображення з графену, який в 1000 разів чутливіший до світла, ніж сучасні датчики зображення компактних камер, споживає в 10 разів менше енергії і буде дешевшим у виробництві.

Він ефективніший за традиційні CMOS- або CCD-датчики, тому що здатен довше утримувати електрони, перетворюючи світло на сильні електричні сигнали, які можна використовувати для створення чіткіших і ясніших зображень.

Датчики зображення кращої якості, які дешевші у виробництві і менш енергоємні, є очевидними кандидатами для смартфонів. Компанія Nokia подала заявку на отримання патенту в цій галузі ще в 2011 році.

Графенові транзистори

Оскільки ми досягаємо меж можливостей кремнію, дослідники вивчають нові напрямки, і графен може забезпечити подальшу мініатюризацію і більшу швидкість для транзисторів. Проблема полягає в тому, що йому не вистачає енергетичної забороненої зони, що в основному означає, що він не може вимкнути потік електроенергії.

Багато розумних людей працюють над потенційними рішеннями. В одній з робіт Каліфорнійського університету в Ріверсайді пропонується використовувати негативний опір. Університет Ексетера представив статтю про теорію легування графену, яка передбачає введення домішок. В Манчестерському університеті також були проведені дослідження щодо введення ізоляційного шару з нітриду бору.

Швидший Інтернет

Дослідники з університетів Бата і Ексетер припустили, що графен може зробити інтернет в 100 разів швидшим. Швидкість оптичного відгуку графену надзвичайно висока, майже в 100 разів швидше, ніж у оптичних комутаторів, що використовуються в даний час. Використання графену в нашій телекомунікаційній інфраструктурі може забезпечити значний приріст швидкості.

Кращі сонячні панелі і не тільки

Є й інші застосування, які можуть мати вплив на мобільні технології. Дослідження Массачусетського технологічного інституту підкреслило придатність графену для сонячних панелей. Він чудово поглинає сонячне світло, навіть якщо його нанести дуже тонким шаром.

Існує також великий потенціал за межами мобільного зв’язку. Згідно з повідомленням BBC, Фонд Білла і Мелінди Гейтс виділив грант у розмірі 100 000 доларів США для фінансування досліджень у галузі створення більш тонких і міцних презервативів. Він також використовується в газових датчиках, опрісненні води, аерокосмічній промисловості, біоінженерії, і цей список можна продовжувати і продовжувати.

У 2015 році в Манчестері планується відкриття Національного інституту графену вартістю понад 100 мільйонів доларів. Він слугуватиме центром досліджень і розробок графену, де відбуватиметься співпраця між науковцями та комерційними партнерами. Ми можемо очікувати великих досягнень від графену в найближчі кілька років.

Рекомендації редакції

• Підступне оновлення iOS змусило мене знову захопитися iPhone 14 Pro
• Щойно придбали новий iPhone? Ось 12 порад і підказок, як його освоїти
• Найдешевший безлімітний план 5G від Verizon став ще дешевше
• Фотографічні стилі – це найбільш недооцінена функція камери iPhone 14, яку ви не використовуєте
• Новий постійно включений дисплей iOS 16.2 змусив мене зненавидіти свій iPhone 14 Pro

Source: digitaltrends.com