Що таке графен?

Міцніший за сталь, тонший за папір, графен може стати майбутнім технологій

Вілл Нікол 31 жовтня 2019 року

Технологічний прогрес визначає хід історії. Бронза та залізо були настільки важливими для поширення стародавніх суспільств, що на їх честь названі цілі епохи. З підйомом американської сталеливарної промисловості залізничні колії простяглися від Атлантики до Тихого океану, металеві вени, які несли кров нації. Кремнієві напівпровідники уможливили зростання комп’ютерів і найбільший сплеск інформаційних технологій з часів друкарського верстата. Ці матеріали формували розвиток суспільства і допомагали визначати, які країни домінували в геополітиці.

Читати далі

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

• Що таке графен?
• Історія графену: рулон скотчу та мрія
• Потенційні застосування
• Майбутнє досліджень графену

Сьогодні новий матеріал має потенціал змінити майбутнє. Графен, який називають “суперматеріалом”, змушує дослідників у всьому світі намагатися краще його зрозуміти. Довгий список чудодійних властивостей графену робить його майже магічним, але він може мати цілком реальні і радикальні наслідки для майбутнього фізики та інженерії.

Що таке графен?

Найпростіший спосіб описати графен полягає в тому, що це єдиний тонкий шар графіту – м’якого, лускатого матеріалу, який використовується в грифелі для олівців. Графіт є алотропом елемента вуглецю, тобто він має ті ж самі атоми, але вони розташовані по-різному, що надає матеріалу різні властивості. Наприклад, і алмаз, і графіт є формами вуглецю, але вони мають кардинально різну природу. Алмаз неймовірно міцний, а графіт крихкий. Атоми графену розташовані в гексагональному порядку.

Цікаво, що коли графен виділяють з графіту, він набуває якихось чудодійних властивостей. Це перший двовимірний матеріал товщиною всього в один атом, який коли-небудь був відкритий. Незважаючи на це, графен також є одним з найміцніших матеріалів у відомому Всесвіті. З міцністю на розрив 130 ГПа (гігапаскалів) він більш ніж у 100 разів міцніший за сталь.

• Безпілотник Anafi Ai від Parrot з 4G-зв’язком – це машина неба Google Maps
• Найкращі телескопи
• Найкращі дрони вартістю до $500

Неймовірна міцність графену, незважаючи на те, що він такий тонкий, вже сама по собі робить його дивовижним, проте на цьому його унікальні властивості не закінчуються. Він також є гнучким, прозорим, високопровідним і, здається, непроникним для більшості газів і рідин. Майже здається, що не існує області, в якій графен не досяг би успіху.

Історія графену: рулон скотчу та мрія

Графіт відомий з давніх-давен (людина використовує його ще з часів неоліту). Його атомна структура добре задокументована, і довгий час вчені розмірковували над тим, чи можна виділити окремі шари графіту. Однак до недавнього часу графен був лише теорією, оскільки вчені не були впевнені, чи вдасться коли-небудь розрізати графіт до єдиного, тонкого, як атом, листа. Перший ізольований зразок графену був відкритий у 2004 році Андре Геймом і Костянтином Новосьоловим в Манчестерському університеті. Можна було б очікувати, що вони виділили легендарну речовину за допомогою якогось масивного, дорогого обладнання, але інструмент, який вони використовували, був напрочуд простим: Рулон скотчу.

Використовуючи стрічку для полірування великого блоку графіту, дослідники помітили надзвичайно тонкі пластівці на стрічці. Продовжуючи зчищати шар за шаром з пластівців графіту, вони врешті-решт отримали максимально тонкий зразок. Вони знайшли графен. Відкриття було настільки дивним, що науковий світ спочатку поставився до нього скептично. Популярний журнал Nature навіть двічі відхиляв їхню статтю про експеримент. Зрештою, їх дослідження було опубліковано, і в 2010 році Гейм і Новосьолов були удостоєні Нобелівської премії з фізики за своє відкриття.

Потенційні застосування

Якби графен мав лише одну з багатьох своїх чудових властивостей, він був би предметом інтенсивних досліджень потенційних застосувань. Будучи настільки чудовим у багатьох відношеннях, графен надихнув вчених на роздуми про широкий спектр застосування цього матеріалу в таких різноманітних областях, як споживчі технології та екологія.

Гнучка електроніка

BONNINSTUDIO / Shutterstock

На додаток до своїх потужних електричних властивостей, графен також дуже гнучкий і прозорий. Це робить його привабливим для використання в портативній електроніці. Смартфони і планшети можуть стати набагато міцнішими завдяки використанню графену, і, можливо, їх навіть можна буде складати, як папір. Останнім часом популярність електронних пристроїв, що носяться, зростає. За допомогою графену ці пристрої можна зробити ще більш корисними, спроектувавши їх так, щоб вони щільно облягали кінцівки і згиналися для виконання різних форм фізичних вправ.

Гнучкість і мікроскопічна ширина графену надають можливості, що виходять за рамки простих споживчих пристроїв. Він також може бути корисним у біомедичних дослідженнях. З графену можуть бути виготовлені невеликі машини і датчики, здатні легко і нешкідливо переміщатися по людському тілу, аналізувати тканини або навіть доставляти ліки в певні області. Вуглець вже є важливою складовою людського організму, тому трохи графену не завадило б додати до нього.

Сонячні батареї / фотоелектрика

Pedrosala / Shutterstock

Графен є одночасно високопровідним і прозорим. Таким чином, він має великий потенціал в якості матеріалу для сонячних батарей. Зазвичай в сонячних елементах використовується кремній, який виробляє заряд, коли фотон потрапляє на матеріали, вибиваючи вільний електрон. Кремній випускає тільки один електрон на один фотон, який потрапляє на нього. Дослідження показали, що графен може вивільняти кілька електронів на кожен фотон, який потрапляє на нього. Таким чином, графен може набагато краще перетворювати сонячну енергію. Незабаром дешевші, потужніші графенові елементи можуть призвести до значного зростання виробництва відновлюваної енергії.

Фотоелектричні властивості графену також означають, що він може бути використаний для розробки кращих датчиків зображення для таких пристроїв, як камери.

Напівпровідники

Torsak Thammachote / Shutterstock

Завдяки своїй високій провідності графен може бути використаний в напівпровідниках для значного збільшення швидкості передачі інформації. Нещодавно Міністерство енергетики США провело випробування, які продемонстрували, що напівпровідникові полімери проводять електричний струм набагато швидше, коли на них наноситься шар графену, ніж шар кремнію. Це зберігається, навіть якщо полімер має більшу товщину. Полімер товщиною 50 нанометрів, при розміщенні поверх шару графена, проводив заряд краще, ніж 10-нанометровий шар полімеру. Це суперечило попереднім уявленням про те, що чим тонший полімер, тим краще він може проводити заряд.

Найбільшою перешкодою для використання графену в електроніці є відсутність забороненої зони – проміжку між валентною зоною і зоною провідності в матеріалі, який при перетині дозволяє пропускати електричний струм. Саме заборонена зона дозволяє напівпровідниковим матеріалам, таким як кремній, функціонувати в якості транзисторів; вони можуть перемикатися між ізоляцією і проведенням електричного струму, в залежності від того, чи виштовхуються їх електрони через заборонену зону чи ні.

Дослідники випробовують різні методи, щоб надати графену ширину забороненої зони; у разі успіху це може призвести до набагато швидшої електроніки, побудованої з графеном.

Фільтрація води

A_Lesik / Shutterstock

Щільні атомні зв’язки графена роблять його непроникним майже для всіх газів і рідин. Цікаво, що молекули води є винятком. Оскільки вода може випаровуватися через графен, в той час як більшість інших газів і рідин не можуть, графен може стати винятковим інструментом для фільтрації. Дослідники з Манчестерського університету протестували проникність графену з алкоголем і змогли дистилювати дуже міцні зразки спиртних напоїв, оскільки тільки вода в зразках змогла пройти крізь графен.

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

Оскільки перенаселення продовжує залишатися однією з найгостріших екологічних проблем у світі, підтримка чистоти водних ресурсів стане лише більш важливою. Дійсно, дефіцит води зачіпає більше мільярда людей у всьому світі, і це число буде тільки продовжувати зростати, враховуючи поточні тенденції. Графенові фільтри мають величезний потенціал для поліпшення очищення води, збільшуючи кількість доступної прісної води. Фактично, компанія Lockheed Martin нещодавно розробила графеновий фільтр під назвою “Perforene”, який, як стверджує компанія, може зробити революцію в процесі опріснення води.

Нинішні опріснювальні установки використовують метод зворотного осмосу для фільтрації солі з морської води. Зворотний осмос використовує тиск для переміщення води через мембрану. Для того, щоб виробляти велику кількість питної води, необхідний тиск вимагає величезної кількості енергії. Інженер Lockheed Martin стверджує, що їхні фільтри Perforene можуть зменшити потребу в енергії в сто разів менше, ніж інші фільтри.

У Массачусетському технологічному інституті створили графен з “нанопорами”

Фільтрація – одне з найбільш очевидних застосувань графену, і інженери Массачусетського технологічного інституту досягли значних успіхів у вдосконаленні здатності графену розділяти молекули. У 2018 році команда з Массачусетського технологічного інституту розробила метод створення крихітних отворів у листах графену. Дослідники Массачусетського технологічного інституту використовують підхід “від рулону до рулону” для виробництва графену. Їх установка включає в себе дві котушки: Одна котушка подає лист міді в піч, де він нагрівається до відповідної температури, потім інженери додають газ метан і водень, що, по суті, призводить до утворення пулів графену. Графенова плівка виходить з печі, намотуючись на другу котушку.

Теоретично цей процес дозволяє формувати великі листи графена за відносно короткий проміжок часу, що має вирішальне значення для комерційних застосувань. Дослідникам довелося доопрацьовувати процес, щоб домогтися ідеального формування графену, і, що цікаво, недосконалі спроби на цьому шляху виявилися корисними в подальшому. Коли команда MIT намагалася створити пори в графені, вони почали з використання кисневої плазми, щоб вирізати їх. Оскільки цей процес виявився трудомістким, вони хотіли чогось швидшого і звернулися до своїх попередніх експериментів у пошуках рішень. Знизивши температуру під час росту графену, вони домоглися появи пор. Те, що в процесі розробки виглядало як дефекти, в кінцевому підсумку виявилося корисним способом створення пористого графену.

Надпровідність

Незабаром після того, як вчені з Кембриджу продемонстрували, що графен може діяти як надпровідник (матеріал без електричного опору) в парі з оксидом міді празеодиму церію, дослідники з Массачусетського технологічного інституту виявили ще одну дивовижну властивість графену: Він, очевидно, може функціонувати як надпровідник сам по собі, в правильній конфігурації. Дослідники склали дві скибочки графену, але змістили їх на кут 1,1 градуса. Згідно зі звітом, опублікованим в журналі Nature, “фізик Пабло Харілло-Ерреро з Массачусетського технологічного інституту (MIT) в Кембриджі і його команда не шукали надпровідність, коли вони ставили свій експеримент. Замість цього вони досліджували, як орієнтація, названа магічним кутом, може впливати на графен”.

Вони виявили, що, коли вони пропускали електрику через графеновий стек, він функціонував як надпровідник. Цей простий процес подачі електрики робить графен легшим для вивчення, ніж аналогічний клас надпровідників, купратів, хоча ці матеріали демонструють надпровідність при набагато більш високих температурах. 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 градусів Цельсія), що є відносно високою температурою; сірководень, при достатньому тиску, проявляє цю властивість при дивовижни х-70 градусах Цельсія!

Графенову композицію довелося охолодити до 1,7 градусів вище абсолютного нуля, проте дослідники вважають її поведінку схожою на поведінку купратів, і тому сподіваються, що вона буде м

У дослідженні, опублікованому в 2019 році, вчені показали, як скручування шарів графена під певними “магічними” кутами може виробляти надпровідні властивості при більш низьких температурах, ніж раніше.

Захист від комарів

Мало хто з істот є настільки ж огидним, як комар, з його сверблячими укусами і схильністю поширювати жахливі хвороби, такі як малярія. На щастя, дослідники з Університету Брауна знайшли можливе рішення за допомогою графену. Дослідження, опубліковане в 2019 році, демонструє, що графенова плівка на шкірі не тільки блокує укуси комарів, але навіть утримує їх від приземлення на шкіру в першу чергу. Одне з можливих пояснень полягає в тому, що графен заважав комарам відчувати запах здобичі.

Майбутнє досліджень графену

Враховуючи, здавалося б, нескінченний список переваг графену, можна було б очікувати побачити його скрізь. Чому ж тоді графен не отримав широкого розповсюдження? Як і у випадку з більшістю речей, справа в грошах. Графен все ще надзвичайно дорогий для виробництва у великих кількостях, що обмежує його використання в будь-якому продукті, який вимагав би масового виробництва. Крім того, при виробництві великих листів графену зростає ризик появи в матеріалі крихітних тріщин та інших дефектів. Яким би неймовірним не було наукове відкриття, успіх завжди вирішуватиме економіка.

Якщо не брати до уваги виробничі питання, то дослідження графену аж ніяк не збавляють обертів. Дослідницькі лабораторії по всьому світу – в тому числі і Манчестерський університет, де графен був вперше відкритий – постійно подають патенти на нові методи створення і використання графену. Європейський Союз схвалив фінансування флагманської програми у 2013 році, яка фінансуватиме дослідження графену для використання в електроніці. Тим часом, великі технологічні компанії в Азії проводять дослідження графену, в тому числі Samsung.

Революції не відбуваються за одну ніч. Кремній був відкритий в середині 19-го століття, але пройшло майже століття, перш ніж кремнієві напівпровідники проклали шлях до підйому комп’ютерів. Чи може графен, з його майже міфічними властивостями, стати тим ресурсом, який рухатиме наступну епоху людської історії? Тільки час покаже.

Рекомендації редакції

• Цей дикий новий дисплей ставить гігантський 120-дюймовий віртуальний монітор на ваш стіл
• Як купити біткоїн
• Кращі сонячні зарядні пристрої для телефону або планшета
• 14 приголомшливих літаючих таксі і автомобілів, які зараз знаходяться в розробці
• 17 чорношкірих винахідників, які змінили світ технологій

Source: digitaltrends.com