9 дивовижних застосувань графену: від фільтрації морської води до розумної фарби

Графен – це один шар графіту – також відомий як м’який матеріал, який зазвичай використовується в грифелях олівців – з атомами, розташованими у вигляді сот, гексагональної структури. Хоча такий опис, безумовно, не викликає захоплення, графен насправді стає одним з найуніверсальніших нових матеріалів у науці.

Графен товщиною в один атом (або тонкий, залежно від того, як ви про нього думаєте) є одним з найміцніших матеріалів у відомому Всесвіті, він у 100 разів міцніший за сталь, має дивовижну гнучкість та безліч інших талантів, що ховаються під його поверхнею.

Пам’ятаєте класичну сцену з “Сімпсонів”, в якій Гомеру пропонують “воскові губи”, описані продавцем як “цукерка на 1000 застосувань”? Так ось, графен – це воскові губи світу матеріалознавства. І хоча у нас немає часу детально розповідати про 1000 застосувань, ось деякі з найбільш захоплюючих відкриттів графену, зроблених на сьогоднішній день.

Створення найтоншої в світі лампочки

Яскраве видиме випромінювання світла в графені

Уявіть собі гнучкий, прозорий дисплей або світлову смужку товщиною всього в один атом. Це те, що графен може допомогти зробити реальністю, як показали дослідження вчених з Колумбійського (університетського) інженерного інституту, Сеульського національного університету і Корейського науково-дослідного інституту стандартів і науки.

Прикріпивши невеликі смужки графену до металевих електродів і пропустивши через них струм, було показано, що графен нагрівається – і світиться -. Професор Колумбійського університету Джеймс Хоун описав його як “найтоншу в світі лампочку”. Пошук способу втілити цей прорив у носінні, такому як “розумний” одяг, був би революційним.

Діючи як надпровідник

Графен також може діяти як надпровідник, тобто електричний струм може протікати через нього з нульовим опором – це відкриття було зроблено дослідниками з Кембриджського університету Великої Британії. Ефект активується шляхом з’єднання графену з матеріалом під назвою празеодим-церієвий оксид міді (PCCO).

Чому надпровідні матеріали мають значення? Тому що в майбутньому вони можуть стати джерелом необмеженої енергії, оскільки не потребуватимуть постійного підживлення струмом.

“Одного разу ми мріємо змусити ваш комп’ютер або ваш iPhone працювати без розсіювання енергії, – розповів Digital Trends молодший науковий співробітник Анджело Ді Бернардо, один з дослідників проекту. “Ви просто зарядите його один раз, а потім зможете забути про необхідність заряджати його знову на все життя”.

Краща акустична система

Для відтворення звуку звичайні динаміки створюють хвилю тиску в повітрі, фізично рухаючись вперед і назад. Графен може запропонувати інший підхід. Дослідники з британського Університету Ексетера продемонстрували, як графен може створити нерухомий твердотільний аудіопристрій, який одного разу може замінити існуючу громіздку звукову систему на щось, що називається термоакустичною генерацією звуку.

Замість фізичного переміщення компонента, цей процес працює за допомогою графену, який періодично змінює температуру повітря з дуже високою швидкістю – достатньою для генерування звуку на чутних частотах і набагато вищих, ультразвукових частотах. Результатом може стати можливість вбудовувати динаміки в технології ультратонких сенсорних екранів, в яких екран здатний виробляти звук самостійно. Окремі динаміки не потрібні.

Бронежилети міцніші за алмази

Ella Maru Studio

Один шар графену – це круто. А знаєте, що ще більш приголомшливо? Два шари графену разом. Саме це нещодавно продемонстрували дослідники з Технологічного інституту Джорджії, показавши, як двошарова епітаксійна графенова плівка – лише два атомарних шари графіту – може витримати перфорацію алмазним наконечником.

Сподівання полягає в тому, щоб розвинути цю технологію в ультратонкий бронежилет, легкий, як фольга, але міцний, як алмаз, який здатен зупинити кулю на півдорозі. (Цікаво, що ефект надтвердості графенового щита досягається лише тоді, коли використовуються два аркуші графену, а додаткові шари, схоже, мають згубний вплив).

Фільтрування солі з морської води або кольору з віскі

Кічігін Олександр/123RF

Графенові мембрани можуть бути використані для створення сита дрібніше, ніж те, яке можна знайти на кухні будь-якого ресторану. Одне дослідження показало, що графенова мембрана може відфільтрувати 85 відсотків солі з морської води, яка не є достатньо чистою для пиття, але цілком прийнятна для сільськогосподарського використання.

Думаєте, це вражає? Це ніщо в порівнянні з нещодавніми дослідженнями британського Університету Манчестера, де дослідники використовували графенову мембрану, щоб відфільтрувати колір з віскі, залишивши його прозорою рідиною.

“Відсутність проникнення молекул барвника було видно навіть за кольором розчину після фільтрації”, – розповів Digital Trends професор Рахул Наїр з Манчестерського університету Великобританії. “Оригінальний розчин барвника барвистий, в той час як після фільтрації через мембрану [з оксиду графена] розчин втратив свій колір і став чистим розчинником”.

Фарба майбутнього

Уявіть, що ви можете пофарбувати будівлю спеціальним покриттям, яке змінює колір, коли відчуває, що основна структура потребує ремонту. Саме цього досягли дослідники з німецького Інституту полімерних досліджень ім. Лейбніца за допомогою “розумного” графенового покриття, яке вказує на розриви і переломи, змінюючи колір.

Натхненне тим, як риб’яча луска відбиває світло, покриття призначене для посилення певних довжин хвиль світла, але приглушення інших. Графенові пластівці розміщені на поверхні під певними кутами так, що, якщо вони порушені, вони будуть відбивати червоне, жовте і зелене світло, в той час як непорушені ділянки не будуть.

Завдяки тому, що колір світла може змінюватись відповідно до серйозності навантаження на ділянку, можна було б використовувати кольорове кодування конструкцій, щоб показати, наскільки серйозною є конкретна ділянка пошкодження.

Відстеження нашого здоров’я

Графен добре виявляє не тільки зміцнення здоров’я. Дослідники з Університету Іллінойсу в Чикаго продемонстрували, що він також може допомогти виявити ракові клітини. В ході експерименту вони помістили клітини мозку, взяті у мишей, на лист графену і виявили, що він здатен відрізнити одну ракову клітину (гліобластому або клітину GMB) від нормальної клітини.

Інші дослідники з Техаського університету в Остіні також створили тимчасові татуювання на основі графену, здатні відстежувати життєві показники людини, такі як температура і зволоженість шкіри.

Підзарядка наших гаджетів

Графен також може бути використаний для створення нових акумуляторів, які перезаряджаються надшвидко. Одна китайська компанія під назвою Dongxu Optoelectronic створила акумуляторну батарею під назвою G-King, яка має гігантську ємність 4800 мАг, але, як повідомляється, може заряджатися від порожнього до повного всього за чверть години.

Елемент також нібито достатньо міцний, щоб розряджатися і перезаряджатися 3500 разів – що набагато більше, ніж у звичайного літій-іонного акумулятора.

Створення крутих кросівок для бігу

Починаючи з цього року, ви зможете придбати кросівки, виготовлені з використанням графену, завдяки партнерству між британським Університетом Манчестера та брендом спортивного одягу inov-8. Взуття вже пройшло випробування в лабораторії, і, як повідомляється, підошва з графенової композитної гуми (частина взуття, що містить графен) набагато міцніша і більш еластична, ніж традиційні матеріали, що робить взуття більш стійким до зносу і пошкоджень.

Сподіваємося, що кросівки другого покоління також будуть фільтрувати солону воду, захищати від куль, заряджати мобільні пристрої та лікувати рак – для більшої користі!

Рекомендації редакції

• Чому Matter – найважливіший тренд розумного будинку з CES 2022
• Кому потрібні навушники? Holoplot може передавати звук прямо у вуха на відстані
• Майбутнє освітлення розумного будинку – велике на датчиках, тонке на додатках
• Чи може суперкомп’ютер врятувати нас від коронавірусу? Ми поговорили з тим, хто знає
• Майбутні медичні імплантати можна буде заряджати через шкіру за допомогою звуку

Source: digitaltrends.com