Графен это – Графен и его применение. Открытие графена. Нанотехнологии в современном мире

Содержание

Графен — Википедия

Графе́н (англ. graphene) — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом. Атомы углерода находятся в sp²-гибридизации и соединены посредством σ- и π-связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость слоистого графита, отделённую от объёмного кристалла. По оценкам, графен обладает большой механической жёсткостью[4] и рекордно большой теплопроводностью[5]. Высокая подвижность носителей заряда, которая оказывается максимальной среди всех известных материалов (при той же толщине), делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники[6] и возможную замену кремния в интегральных микросхемах.

Один из существующих в настоящее время способов получения графена в условиях научных лабораторий[7][8] основан на механическом отщеплении или отшелушивании слоёв графита от высокоориентированного пиролитического графита. Он позволяет получать наиболее качественные образцы с высокой подвижностью носителей. Этот метод не предполагает использования масштабного производства, поскольку это ручная процедура. Другие известные способы — метод термического разложения подложки карбида кремния[9][10] и xимическое осаждение из газовой фазы — гораздо ближе к промышленному производству. С 2010 года доступны листы графена метрового размера, выращенные с помощью последнего метода[11].

Из-за особенностей энергетического спектра носителей графен проявляет специфические[12], в отличие от других двумерных систем, электрофизические свойства. Графен был первым полученным элементарным двумерным кристаллом, но впоследствии были получены другие материалы силицен, фосфорен, германен.

За «передовые опыты с двумерным материалом — графеном» Андрею Константиновичу Гейму и Константину Сергеевичу Новосёлову была присуждена Нобелевская премия по физике за 2010 год[13][14]. В 2013 году Михаил Иосифович Кацнельсон награждён премией Спинозы за разработку базовой концепции и понятий, которыми оперирует наука в области графена[15].

Графен — первый известный истинно двумерный кристалл[1]. В отличие от более ранних попыток создания двумерных проводящих слоёв, к примеру, двумерный электронный газ (ДЭГ), из полупроводников методом управления шириной запрещённой зоны, электроны в графене локализованы в плоскости гораздо сильнее.

Многообразие химических и физических свойств обусловлено кристаллической структурой и π-электронами атомов углерода, составляющих графен. Широкое изучение материала в университетах и исследовательских лабораториях связано, прежде всего, с доступностью и простотой его приготовления с использованием механического расщепления кристаллов графита[1]. Материалом, проявившим свои уникальные свойства — высокую проводимость и теплопроводность, прочность[16], гидрофобность, — заинтересовались не только учёные, но и технологи, а также связанные с производством процессоров корпорации IBM[17], Samsung[18]. Принцип работы транзисторов из графена существенно отличается от принципа работы традиционных полевых кремниевых транзисторов, так как графен имеет запрещённую зону нулевой ширины, и ток в графеновом канале течёт при любом приложенном затворном напряжении, поэтому развиваются иные подходы к созданию транзисторов[19].

Качество графена для транспортных измерений характеризуется таким параметром, как подвижность, который характеризует силу отклика носителей тока на приложенное электрическое поле. Двумерный электронный газ в полупроводниковых гетероструктурах обладает рекордными подвижностями при температурах ниже 1 K. Графен уступает ДЭГ в GaAs при столь низких температурах, но, так как электрон-фононное рассеяние в графене намного слабее, подвижность достигает 250 000 см2В−1с−1 при комнатной температуре[1]. Эта подвижность представляет собой один из основных параметров, необходимых для создания быстродействующих высокочастотных транзисторов[19].

Уникальные электронные свойства графена проявляются и в оптике. В частности, графен позволяет глазом «увидеть» постоянную тонкой структуры α, сравнивая интенсивность света, прошедшего через закрытую графеном апертуру и прошедшего свободно. Коэффициент прохождения для графена в области видимого света хорошо описывается простой формулой T ≈ 1−πα ≈ 97,7 %[20]. Постоянная тонкой структуры оказывается связана с величиной кванта сопротивления, измеряемого в Квантовом эффекте Холла. В этом случае точность её настолько высока, что позволяет использовать графен для создания эталона сопротивления, RK = h/e2 = 25 812,807557(18) Ом[21]. Связь между графеном и постоянной тонкой структуры оказывается даже глубже, поскольку динамика электронного газа в графене определяется релятивистским уравнением квантовой механики — уравнением Дирака, — и по существу является твердотельным аналогом (2+1)-мерной квантовой электродинамики. Несколько аналогичных эффектов, предсказанных для квантовой электродинамики можно наблюдать в графене[22].

Несмотря на сильное взаимодействие света с графеном[23], отыскать осаждённые плёнки графена на подложке кремния оказывается трудной задачей. Существуют предпочтительные толщины оксида кремния (90 нм, 290 нм для длин волн видимого света), которые дают максимальный контраст, что существенно упрощает поиск плёнок[24]. Хотя тренированный человек достаточно легко отличает монослой графена от двухслойного графена по контрасту, хорошим доказательством служит также рамановская спектроскопия[25], выгодно отличающаяся быстротой анализа и чувствительностью к количеству слоёв. Альтернативные методы, такие как определение толщины атомно-силовым микроскопом и идентификация по квантовому эффекту Холла требуют гораздо большего времени[24].

Методы роста графена на больших площадях отличаются от механических методов однородностью и чистотой процесса. Газофазная эпитаксия углерода на медную фольгу (CVD-графен) позволяет создавать очень однородные поликристаллические плёнки графена с размерами порядка метров[11]. Размер монокристаллов графена составляет сотни микрон. Меньшие кристаллиты получаются при термическом разложении карбида кремния.

Самый непроизводительный метод механического расщепления оказывается наиболее приспособленным для получения высококачественных кристаллов графена, хотя CVD-графен по качеству приближается к нему. Как механический метод, так и выращивание на поверхности другого материала обладают существенными недостатками, в частности, малой производительностью, поэтому технологи изобретают химические методы получения графена из графита для получения из монокристалла графита плёнки, состоящей преимущественно из графеновых слоёв, что существенно продвинет графен на рынке.

Благодаря сильным углеродным ковалентным связям графен инертен по отношению к кислотам и щелочам при комнатной температуре. Однако присутствие определённых химических соединений в атмосфере может приводить к легированию графена, что нашло применение в обладающих рекордной чувствительностью сенсорах — детекторах отдельных молекул[26].
Для химической модификации с образованием ковалентных связей графена необходимы повышенные температуры и обладающие сильной реакционной способностью вещества. Например, для создания гидрогенизированного графена нужно наличие протонов в плазме газового разряда[27], для создания фторографена — сильного фторирующего агента дифторида ксенона[28].
Оба этих материала показали диэлектрические свойства, то есть их сопротивление растёт с понижением температуры. Это обусловлено формированием запрещённой зоны.

Количество публикаций, посвящённых графену, растёт год от года, превысив 10000 в 2012 году[29]. Несмотря на то, что треть статей (доля от общего числа составляет 34 %) публикуется научными учреждениями и фирмами из Европы, главными держателями патентов (из приблизительно 14000 патентов на июль 2014 года) выступают фирмы и университеты Китая (40 %), США (23 %) и Южной Кореи (21 %), а европейская доля составляет 9 %[30]. Среди фирм и университетов Самсунг является лидером по количеству патентов[31].

Рис. 1. Идеальная кристаллическая структура графена представляет собой гексагональную кристаллическую решётку.

Графен является двумерным кристаллом, состоящим из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решётку. Его теоретическое исследование началось задолго до получения реальных образцов материала, поскольку из графена можно собрать трёхмерный кристалл графита. Графен является базой для построения теории этого кристалла. Графит является полуметаллом, и, как было показано[32] в 1947 году Ф. Уоллесом, в зонной структуре графена также отсутствует запрещённая зона, причём в точках соприкосновения валентной зоны и зоны проводимости энергетический спектр электронов и дырок линеен как функция волнового вектора. Такого рода спектром обладают безмассовые фотоны и ультрарелятивистские частицы, а также нейтрино. Поэтому говорят, что эффективная масса электронов и дырок в графене вблизи точки соприкосновения зон равна нулю. Но здесь стоит заметить, что, несмотря на сходство фотонов и безмассовых носителей, у графена есть несколько существенных отличий, делающих носители в нём уникальными по своей физической природе, а именно: электроны и дырки являются фермионами, и они заряжены. В настоящее время аналогов для этих безмассовых заряженных фермионов среди известных элементарных частиц нет.

Несмотря на такие специфические особенности, до 2005 года[12] экспериментального подтверждения эти выводы не получили, поскольку не удавалось получить графен. Кроме того, ещё раньше было теоретически показано, что свободную идеальную двумерную плёнку получить невозможно из-за нестабильности относительно сворачивания или скручивания[33][34][35]. Тепловые флуктуации приводят к плавлению двумерного кристалла при любой конечной температуре.

Интерес к графену появился снова после открытия углеродных нанотрубок, поскольку вся первоначальная теория графена строилась на простой модели развёртки цилиндра нанотрубки. Поэтому теория для графена в приложении к нанотрубкам хорошо проработана.

Попытки получения графена, прикреплённого к другому материалу, начались с экспериментов, использующих простой карандаш, и продолжились с использованием атомно-силового микроскопа[36] для механического удаления слоёв графита, но не достигли успеха. Использование графита с внедрёнными (интеркалированный графит — соединения, подобные графитиду калия KC8)[33] в межплоскостное пространство чужеродными атомами (используется для увеличения расстояния между соседними слоями и их расщепления) тоже не привело к результату.

В 2004 году британскими учёными российского происхождения Андреем Геймом и Константином Новоселовым из Манчестерского университета была опубликована работа в журнале Science[7], где сообщалось о получении графена на подложке окислённого кремния. Таким образом, стабилизация двумерной плёнки достигалась благодаря наличию связи с тонким слоем диэлектрика SiO2 по аналогии с тонкими плёнками, выращенными с помощью МПЭ. Впервые были измерены проводимость, эффект Шубникова — де Гааза, эффект Холла для образцов, состоящих из плёнок углерода атомарной толщины.

Метод отшелушивания является довольно простым и гибким, поскольку позволяет работать со всеми слоистыми кристаллами, то есть теми материалами, которые представляются как слабосвязанные (по сравнению с силами в плоскости) слои двумерных кристаллов. В последующей работе[8] авторы показали, что его можно использовать для получения других двумерных кристаллов: BN, MoS2, NbSe2, Bi2Sr2CaCu2Ox.

В 2011 году ученые из Национальной радиоастрономической обсерватории объявили, что им, вероятно, удалось зарегистрировать графен в космическом пространстве (планетарные туманности в Магеллановых облаках)[37].

Кусочки графена получают при механическом воздействии на высокоориентированный пиролитический графит или киш-графит[38]. Сначала плоские куски графита помещают между липкими лентами (скотч) и расщепляют раз за разом, создавая достаточно тонкие слои (среди множества полученных плёнок могут попадаться одно- и двуслойные, которые и представляют интерес). После отшелушивания скотч с тонкими плёнками графита прижимают к подложке окислённого кремния. При этом трудно получить плёнку определённого размера и формы в фиксированных частях подложки (горизонтальные размеры плёнок составляют обычно около 10 мкм)[8]. Найденные с помощью оптического микроскопа слабо различимые (при толщине диэлектрика 300 нм) плёнки подготавливают для измерений. Толщину можно определить с помощью атомно-силового микроскопа (она может варьироваться в пределах 1 нм для графена) или используя комбинационное рассеяние. Используя стандартную электронную литографию и реактивное плазменное травление, задают форму плёнки для электрофизических измерений.

Кусочки графена также можно приготовить из графита, используя химические методы[39]. Сначала микрокристаллы графита подвергаются действию смеси серной и азотной кислот. Графит окисляется, и на краях образца появляются карбоксильные группы графена. Их превращают в хлориды при помощи тионилхлорида. Затем под действием октадециламина в растворах тетрагидрофурана, тетрахлорметана и дихлорэтана они переходят в графеновые слои толщиной 0,54 нм. Этот химический метод не единственный, и, меняя органические растворители и химикаты, можно получить нанометровые слои графита[40].

Один из химических методов получения графена основан на восстановлении оксида графита. Первое упоминание о получении хлопьев восстановленного монослойного оксида графита (оксида графена) было уже в 1962 году[41].

Следует упомянуть ещё два метода: радиочастотное плазмохимическое осаждение из газовой фазы (англ. PECVD)[42] и рост при высоком давлении и температуре (англ. HPHT)[43]. Последний можно использовать для получения плёнок большой площади.

Большую площадь графена растят на подложках карбида кремния SiC(0001)[9][10]. Графитовая плёнка формируется при термическом разложении поверхности подложки SiC, причём качество выращенной плёнки зависит от того, какая стабилизация у кристалла: C-стабилизированная или Si-стабилизированная поверхность — в первом случае качество плёнок выше. Этот метод получения графена гораздо ближе к промышленному производству. В работах[44][45] та же группа исследователей показала, что, несмотря на то, что толщина слоя графита составляет больше одного монослоя, в проводимости участвует только один слой в непосредственной близости от подложки, поскольку на границе SiC-C из-за разности работ выхода двух материалов образуется нескомпенсированный заряд. Свойства такой плёнки оказались эквивалентны свойствам графена.

Идеальный графен состоит исключительно из шестиугольных ячеек. Присутствие пяти- и семиугольных ячеек будет приводить к различного рода дефектам. Например, дефект Стоуна — Уэйлса возникает в случае пересоединения углеродных связей и в результате формируются два пятиугольных цикла и два семиугольных[46].

Наличие пятиугольных ячеек приводит к сворачиванию атомной плоскости в конус. Структура с 12 такими дефектами известна под названием фуллерен. Присутствие семиугольных ячеек приводит к образованию седловидных искривлений атомной плоскости. Комбинация этих дефектов и нормальных ячеек может приводить к образованию различных форм поверхности.

На основе графена можно сконструировать баллистический транзистор. В марте 2006 года группа исследователей из технологического института штата Джорджия заявила, что ими был получен полевой транзистор на графене выращенном на подложке карбида кремния (то есть на большой площади), а также квантово-интерференционный прибор, то есть измерили слабую локализацию и универсальные флуктуации кондактанса[en][47]. Данный транзистор обладает большим током утечки, то есть нельзя разделить два состояния с закрытым и открытым каналом[48].

Использовать напрямую графен при создании полевого транзистора без токов утечки не представляется возможным из-за отсутствия запрещённой зоны в этом материале, поскольку нельзя добиться существенной разности в сопротивлении при любых приложенных к затвору напряжениях, то есть не получается задать два состояния, пригодных для двоичной логики: проводящее и непроводящее. Сначала нужно как-то создать запрещённую зону достаточной ширины при рабочей температуре, чтобы термически возбуждённые носители давали малый вклад в проводимость. Один из возможных способов предложен в работе (см. ссылку)[6]. В этой статье предлагается создать тонкие полоски графена с такой шириной, чтобы благодаря квантово-размерному эффекту ширина запрещённой зоны была достаточной для перехода в диэлектрическое состояние (закрытое состояние) прибора при комнатной температуре (28 мэВ соответствует ширине полоски 20 нм). Благодаря высокой подвижности (значительно большей при комнатной температуре, чем подвижность в кремнии, используемом в микроэлектронике) 104 см²·В−1·с−1 быстродействие такого транзистора будет заметно выше. Впрочем при уменьшении размеров до определённого размера (порядка 10 нм) подвижность должна уменьшаться в связи с дефектами графена на границах, что и было продемонстрировано в экспериментах, но при дальнейшем уменьшении размеров теоретические исследования говорят о достижении баллистического транспорта и соответственно росте подвижности и быстодействия. Графеновые транзисторы с коротким каналом (около 50 нм) обладают частотой отсечки 427 ГГц[49].

В статье[50] и продемострировали использование графена в качестве очень чувствительного сенсора для обнаружения отдельных молекул химических веществ, присоединённых к поверхности плёнки. В этой работе исследовались такие вещества, как NH3, CO, H2O, NO2. Сенсор размером 1 × 1 мкм2 использовался для детектирования присоединения отдельных молекул NO2 к графену. Принцип действия этого сенсора заключается в том, что разные молекулы выступают донорами и акцепторами, что в свою очередь ведёт к изменению сопротивления графена. В работе[51] теоретически исследуется влияние различных использованных в отмеченном выше эксперименте примесей на проводимость графена. В работе[52] было показано, что примеси, молекулы которых имеют магнитный момент (неспаренный электрон), обладают более сильными легирующими свойствами.

Высокая подвижность носителей тока, гибкость и низкая плотность позволяет использовать графен в ещё одной перспективной области — использование для изготовления электродов в ионисторах (суперконденсаторах). Опытные образцы ионисторов на графене имеют удельную энергоёмкость 32 Вт·ч/кг, сравнимую с таковой для свинцово-кислотных аккумуляторов (30—40 Вт·ч/кг)[53] и впоследствии можно достичь 250 Вт·ч/кг[54].

Отсутствие запрещённой зоны имеет преимущества над полупроводниками в инфракрасной области спектра, что продемонстрировали при создании новых типов светодиодов и фотодетекторов на основе графена (LEC)[55][56].

Физические свойства нового материала можно изучать по аналогии с другими подобными материалами. В настоящее время экспериментальные и теоретические исследования графена сосредоточены на стандартных свойствах двумерных систем: проводимости, квантовом эффекте Холла, слабой локализации и других эффектах, исследованных ранее в двумерном электронном газе.

Теория[править | править код]

В этом параграфе кратко описываются основные положения теории, некоторые из которых получили экспериментальное подтверждение, а некоторые ещё ждут верификации.

Кристаллическая структура[править | править код]

Рис. 3. Изображение гексагональной решётки графена. Жёлтым цветом показана элементарная ячейка, красным и зелёным цветами показаны узлы различных подрешёток кристалла. e1 и e2 — вектора трансляций

Кристаллическая решётка графена представляет собой плоскость, состоящую из шестиугольных ячеек, то есть является двумерной гексагональной кристаллической решёткой. Для такой решётки известно, что её обратная решётка тоже будет гексагональной. В элементарной ячейке кристалла находятся два атома, обозначенные A и B. Каждый из этих атомов при сдвиге на вектора трансляций (любой вектор вида rA=me1+ne2{\displaystyle \mathbf {r} _{A}=m\mathbf {e} _{1}+n\mathbf {e} _{2}}, где m и n — любые целые числа) образует подрешётку из эквивалентных ему атомов, то есть свойства кристалла независимы от точек наблюдения, расположенных в эквивалентных узлах кристалла. На рисунке 3 представлены две подрешётки атомов, закрашенные разными цветами: зелёным и красным.

Расстояние между ближайшими атомами углерода в шестиугольниках, обозначенное a0{\displaystyle a_{0}}, составляет 0,142 нм. Постоянную решётки (a{\displaystyle a}) можно получить из простых геометрических соображений. Она равна a=3a0{\displaystyle a={\sqrt {3}}a_{0}}, то есть 0,246 нм. Если определить за начало координат точку, соответствующую узлу кристаллической решётки (подрешётка A), из которой начинаются векторы трансляций e1,e2{\displaystyle \mathbf {e} _{1},\,\mathbf {e} _{2}} с длиной векторов, равной a,{\displaystyle a,} и ввести двумерную декартову систему координат в плоскости графена с осью ординат, направленной вниз, и осью абсцисс, направленной по отрезку, соединяющему соседние узлы A и B, то тогда координаты концов векторов трансляций, начинающихся из начала координат, запишутся в виде[32]:

e1=[3a/2,−a/2],e2=[0,a],(1.1){\displaystyle \mathbf {e} _{1}=[{\sqrt {3}}a/2,-a/2],\,\mathbf {e} _{2}=[0,a],\qquad (1.1)}

а соответствующие им векторы обратной решётки:

g1=[2/(3a),0],g2=[1/(3a),1/a](1.2){\displaystyle \mathbf {g} _{1}=[2/({\sqrt {3}}a),0],\,\mathbf {g} _{2}=[1/({\sqrt {3}}a),1/a]\qquad (1.2)}

(без множителя 2π{\displaystyle 2\pi }). В декартовых координатах положение ближайших к узлу подрешётки A (все атомы которой на рисунке 3 показаны красным) в начале координат атомов из подрешётки B (показаны соответственно зелёным цветом) задаётся в виде:

[a/3,0],[−a/(23),a/2],[−a/(23),−a/2].(1.3){\displaystyle [a/{\sqrt {3}},0],\,[-a/(2{\sqrt {3}}),a/2],\,[-a/(2{\sqrt {3}}),-a/2].\qquad (1.3)}
Зонная структура[править | править код]

Кристаллическая структура материала находит отражение во всех его физических свойствах. В особенности сильно от порядка, в котором расположены атомы в кристаллической решётке, зависит зонная структура кристалла.

[a/{\sqrt  {3}},0],\,[-a/(2{\sqrt  {3}}),a/2],\,[-a/(2{\sqrt  {3}}),-a/2].\qquad (1.3) Рис. 4: Ближайшие атомы в окружении центрального узла (A) решётки. Красная пунктирная окружность соответствует ближайшим соседям из той же самой подрешётки кристалла (A), а зелёная окружность соответствует атомам из второй подрешётки кристалла (B)

Зонная структура графена рассчитана в статье[32] в приближении сильно связанных электронов. На внешней оболочке атома углерода находятся 4 электрона, три из которых образуют связи с соседними атомами в решётке при перекрывании sp²-гибридизированных орбиталей, а оставшийся электрон находится в 2pz-состоянии (именно это состояние отвечает в графите за образование межплоскостных связей, а в графене — за образование энергетических зон). В приближении сильно связанных электронов полная волновая функция всех электронов кристалла записывается в виде суммы волновых функций электронов из разных подрешёток

ψ=ϕ1+λϕ2,(2.1){\displaystyle \psi =\phi _{1}+\lambda \phi _{2},\qquad (2.1)}

где коэффициент λ — некий неизвестный (вариационный) параметр, который определяется из минимума энергии. Входящие в уравнение волновые функции ϕ1{\displaystyle \phi _{1}} и ϕ2{\displaystyle \phi _{2}} записываются в виде суммы волновых функций отдельных электронов в различных подрешётках кристалла

ϕ1=∑Ae2πik⋅rAX(r−rA),(2.2){\displaystyle \phi _{1}=\sum _{A}e^{2\pi i\mathbf {k} \cdot \mathbf {r} _{A}}X(\mathbf {r} -\mathbf {r} _{A}),\qquad (2.2)}
ϕ2=∑Be2πik⋅rBX(r−rB).(2.3){\displaystyle \phi _{2}=\sum _{B}e^{2\pi i\mathbf {k} \cdot \mathbf {r} _{B}}X(\mathbf {r} -\mathbf {r} _{B}).\qquad (2.3)}

Здесь rA{\displaystyle \mathbf {r} _{A}} и rB{\displaystyle \mathbf {r} _{B}} — радиус-векторы, направленные на узлы кристаллической решётки, а X(r−rA){\displaystyle X(\mathbf {r} -\mathbf {r} _{A})} и X(r−rB){\displaystyle X(\mathbf {r} -\mathbf {r} _{B})} — волновые функции электронов, локализованных вблизи этих узлов.

В приближении сильно связанных электронов интеграл перекрытия (γ0{\displaystyle \gamma _{0}}), то есть сила взаимодействия, быстро спадает на межатомных расстояниях. Другими словами — взаимодействие волновой функции центрального атома с волновыми функциями атомов, расположенных на зелёной окружности (см. рис. 4), вносит основной вклад в формирование зонной структуры графена.

Энергетический спектр электронов в графене имеет вид (здесь учтены только ближайшие соседи, координаты которых задаются по формуле (1.3))

E=±γ01+4cos2⁡πkya+4cos⁡πkyacos⁡πkx3a,(2.4){\displaystyle E=\pm \gamma _{0}{\sqrt {1+4\cos ^{2}{\pi k_{y}a}+4\cos {\pi k_{y}a}\cos {\pi k_{x}{\sqrt {3}}a}}},\qquad (2.4)}

где знак «+» соответствует электронам, а «-» — дыркам.

Линейный закон дисперсии[править | править код]

Применение графена — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 26 марта 2019;
проверки требует 1 правка.
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 26 марта 2019;
проверки требует 1 правка.

Применение графена находится на начальной стадии научно-исследовательских разработок и исследований. В перспективе графеновая электроника рассматривается как основное применение графена. Отсутствие запрещённой зоны позволяет рассматривать графен как идеальный материал для детектирования инфракрасного света и терагерцового излучения.

В 2011 году в журнале Science была опубликована работа[1], где на основе графена предлагалась схема двумерного метаматериала (может быть востребован в оптике и электронике).

Коробчатая графеновая наноструктура (КГНС), представляющая собой многослойную систему расположенных вдоль поверхности параллельных полых наноканалов с четырёхугольным поперечным сечением, может служить основой для создания сверхчувствительных датчиков, высокоэффективных каталитических ячеек, наноканалов для манипулирования-секвенирования ДНК, высокоэффективных теплоотводящих поверхностей, аккумуляторов с улучшенными характеристиками, наномеханических резонаторов, каналов умножения электронов в приборах эмиссионной наноэлектроники, сорбентов большой ёмкости для безопасного хранения водорода.

В 2014 году исследователи из Массачусетского технологического института разработали технологию, позволяющую делать в листах графена отверстия определённого диаметра и получать сверхтонкие фильтры для высокой степени опреснения и очистки воды[2].
В феврале 2018 года специалисты Объединения научных и прикладных исследований Австралии (CSIRO) предложили дешёвый способ массового и недорогого производства подходящих листов графена. По мнению представителей CSIRO, разработанная технология позволит отказаться от дорогостоящих и многоступенчатых методов очистки воды и способна привести к прорыву в решении проблемы нехватки питьевой воды[3].

В медицинских исследованиях графен демонстрирует противораковые свойства. Команда исследователей из Университета Манчестера в Великобритании во главе с Майклом Лизанти (Michael Lisanti) опубликовали статью в журнале «Oncotarget», посвящённую тому, как окись графена выборочно поражает стволовые клетки, относящиеся к категории раковых[4][5]. Во время исследования учёные оценили эффекты графена при шести разных видах рака: молочной железы, лёгких, поджелудочной железы, простаты, яичников и головного мозга. Во всех случаях получен положительный результат. Предполагается, что графен может быть эффективен при широком диапазоне опухолей.

Термоэлектрический эффект для графена превосходит резистивный омический нагрев, что в перспективе позволит создание на его базе схем, не требующих охлаждения[6][7].

Пневматические аккумуляторы

Графен и его применение. Открытие графена. Нанотехнологии в современном мире

Сравнительно недавно в науке и технике появилась новая область, которую назвали нанотехнологией. Перспективы данной дисциплины не просто обширны. Они грандиозны. Частица, именуемая «нано», представляет собой величину, равную одной миллиардной доле от какого-либо значения. Подобные размеры можно сравнить только с размерами атомов и молекул. Например, нанометром называют одну миллиардную долю метра.

Основное направление новой области науки

Нанотехнологиями называют те, которые манипулируют веществом на уровне молекул и атомов. В связи с этим данную область науки называют еще и молекулярной технологией. Что же явилось толчком к ее развитию? Нанотехнологии в современном мире появились благодаря лекции Ричарда Фейнмана. В ней ученый доказал, что не существует никаких препятствий для создания вещей непосредственно из атомов.

Средство для эффективного манипулирования мельчайшими частицами назвали ассемблером. Это молекулярная наномашина, с помощью которой можно выстроить любую структуру. Например, природным ассемблером можно назвать рибосому, синтезирующую белок в живых организмах.

графен и его применениеНанотехнологии в современном мире являются не просто отдельной областью знаний. Они представляют собой обширную сферу исследований, непосредственно связанную со многими фундаментальными науками. В их числе находятся физика, химия и биология. По мнению ученых, именно эти науки получат наиболее мощный толчок к развитию на фоне грядущей нанотехнической революции.

Область применения

Перечислить все сферы деятельности человека, где на сегодняшний день используются нанотехнологии, невозможно из-за весьма внушительного перечня. Так, при помощи данной области науки производятся:

— устройства, предназначенные для сверхплотной записи любой информации;
— различная видеотехника;
— сенсоры, солнечные элементы, полупроводниковые транзисторы;
— информационные, вычислительные и информационные технологии;
— наноимпринтинг и нанолитография;
— устройства, предназначенные для хранения энергии, и топливные элементы;
— оборонные, космические и авиационные приложения;
— биоинструментарий.

нанотехнологии в россии

На такую научную область, как нанотехнологии, в России, США, Японии и ряде европейских государств с каждым годом выделяется все больше финансирования. Это связано с обширными перспективами развития данной сферы исследований.

Нанотехнологии в России развиваются согласно целевой Федеральной программе, которая предусматривает не только большие финансовые затраты, но и проведение большого объема конструкторских и научно-исследовательских работ. Для реализации поставленных задач происходит объединение усилий различных научно-технологических комплексов на уровне национальных и транснациональных корпораций.

Новый материал

Нанотехнологии позволили ученым изготовить углеродную пластину более твердую, чем алмаз, толщина которой составляет всего один атом. Состоит она из графена. Это самый тонкий и прочный материал во всей Вселенной, который пропускает электричество намного лучше кремния компьютерных чипов.

оксид графена

Открытие графена считается настоящим революционным событием, которое позволит многое изменить в нашей жизни. Этот материал обладает настолько уникальными физическими свойствами, что в корне меняет представление человека о природе вещей и веществ.

История открытия

Графен представляет собой двухмерный кристалл. Его структура является гексагональной решеткой, состоящей из атомов углерода. Теоретические исследования графена начались задолго до получения его реальных образцов, так как данный материал является базой для построения трехмерного кристалла графита.

нанотехнологии в современном миреЕще в 1947 г. П. Воллес указал на некоторые свойства графена, доказав, что его структура аналогична металлам, и некоторые характеристики подобны тем, которыми обладают ультрарелятивистские частицы, нейтрино и безмассовые фотоны. Однако у нового материала есть и определенные существенные отличия, делающие его уникальным по своей природе. Но подтверждение этим выводам было получено только в 2004 г., когда Константином Новоселовым и Андреем Геймом впервые был получен углерод в свободном состоянии. Это новое вещество, которое назвали графеном, и стало крупным открытием ученых. Найти этот элемент можно в карандаше. Его графитовый стержень состоит из множества слоев графена. Каким образом карандаш оставляет след на бумаге? Дело в том, что, несмотря на прочность составляющих стержень слоев, между ними существуют весьма слабые связи. Они очень легко распадаются при соприкосновении с бумагой, оставляя след при письме.

Использование нового материала

По мнению ученых, сенсоры, созданные на основе графена, смогут анализировать прочность и состояние самолета, а также предсказывать землетрясения. Но только тогда, когда материал с такими потрясающими свойствами покинет стены лабораторий, станет понятно, в каком направлении пойдет развитие практического применения данного вещества. На сегодняшний день химики, физики, а также инженеры-электронщики уже заинтересовались уникальными возможностями графена. Ведь всего несколькими граммами этого вещества можно покрыть территорию, равную футбольному полю.

Графен и его применение потенциально рассматриваются в производстве легковесных спутников и самолетов. В этой сфере новый материал способен заменить углеродные волокна в композиционных материалах. Нановещество может быть использовано вместо кремния в транзисторах, а его внедрение в пластмассу придаст ей электропроводность.

Графен и его применение рассматриваются и в вопросах изготовления датчиков. Эти устройства, выполненные на основе новейшего материала, будут способны обнаруживать самые опасные молекулы. А вот использование пудры из нановещества при производстве электрических аккумуляторов в разы увеличит их эффективность.

Графен и его применение рассматриваются в оптоэлектронике. Из нового материала получится очень легкий и прочный пластик, контейнеры из которого позволят в течение нескольких недель сохранять продукты в свежем состоянии.

Использование графена предполагается и для изготовления прозрачного токопроводящего покрытия, необходимого для мониторов, солнечных батарей и более крепких и устойчивых к механическим воздействиям ветряных двигателей.

На основе наноматериала получатся лучшие спортивные снаряды, медицинские имплантаты и суперконденсаторы.

Также графен и его применение актуальны для:

— высокочастотных высокомощных электронных устройств;
— искусственных мембран, разделяющих две жидкости в резервуаре;
— улучшения свойства проводимости различных материалов;
— создания дисплея на органических светодиодах;
— освоения новой техники ускоренного секвенирования ДНК;
— улучшения жидкокристаллических дисплеев;
— создания баллистических транзисторов.

Использование в автомобилестроении

Согласно данным исследователей, удельная энергоемкость графена приближается к 65 кВт*ч/кг. Данный показатель в 47 раз превышает тот, который имеют столь распространенные ныне литий-ионные аккумуляторы. Этот факт ученые использовали для создания зарядных устройств нового поколения.

Графен-полимерный аккумулятор — прибор, при помощи которого максимально эффективно удерживается электрическая энергия. В настоящее время работа над ним ведется исследователями многих стран. Значительных успехов достигли в этом вопросе испанские ученые. Графен-полимерный аккумулятор, созданный ими, имеет энергоемкость, в сотни раз превышающую подобный показатель у уже существующих батарей. Используют его для оснащения электромобилей. Машина, в которой установлен графеновый аккумулятор, может проехать без остановки тысячи километров. На подзарядку электромобиля при исчерпании энергоресурса понадобится не более 8 минут.

Сенсорные экраны

Ученые продолжают исследовать графен, создавая при этом новые и не имеющие аналогов вещи. Так, углеродный наноматериал нашел свое применение в производстве, выпускающем сенсорные дисплеи с большой диагональю. В перспективе может появиться и гибкое устройство подобного типа.

графен в домашних условияхУченые получили графеновый лист прямоугольной формы и превратили его в прозрачный электрод. Он-то и участвует в работе сенсорного дисплея, отличаясь при этом долговечностью, повышенной прозрачностью, гибкостью, экологичностью и низкой стоимостью.

Получение графена

Начиная с 2004 г., когда был открыт новейший наноматериал, ученые освоили целый ряд методов его получения. Однако самыми основными из них считаются способы:

— механической эксфолиации;
— эпитаксиального роста в вакууме;
— химического перофазного охлаждения (CVD-процесс).

Первый из этих трех методов является наиболее простым. Производство графена при механической эксфолиации представляет собой нанесение специального графита на клейкую поверхность изоляционной ленты. После этого основу, подобно листу бумаги, начинают сгибать и разгибать, отделяя нужный материал. При применении данного способа графен получается самого высокого качества. Однако подобные действия не годятся для массового производства данного наноматериала.

При использовании метода эпитаксиального роста применяют тонкие кремниевые пластины, поверхностный слой которых является карбидом кремния. Далее этот материал нагревают при очень высокой температуре (до 1000 К). В результате химической реакции происходит отделение атомов кремния от атомов углерода, первые из которых испаряются. В результате на пластинке остается чистый графен. Недостатком подобного метода является необходимость использования очень высоких температур, при которых может произойти сгорание атомов углерода.

Самым надежным и простым способом, применяемым для массового производства графена, является CVD-процесс. Он представляет собой метод, при котором протекает химическая реакция между металлическим покрытием-катализатором и углеводородными газами.

Где производится графен?

На сегодняшний день крупнейшая компания, изготавливающая новый наноматериал, находится в Китае. Название этого производителя — Ningbo Morsh Technology. Производство графена начато им в 2012 году.

Главным потребителем наноматериала выступает компания Chongqing Morsh Technology. Графен используется ею для производства проводящих прозрачных пленок, которые вставляют в сенсорные дисплеи.

сенсорные дисплеиСравнительно недавно известная компания Nokia оформила патент на светочувствительную матрицу. В составе этого столь необходимого для оптических приборов элемента находится несколько слоев графена. Такой материал, использованный на датчиках камер, в значительной мере увеличивает их светочувствительность (до 1000 раз). При этом наблюдается и снижение потребления электроэнергии. Хорошая камера для смартфона также будет содержать графен.

Получение в бытовых условиях

Можно ли изготовить графен в домашних условиях? Оказывается, да! Необходимо просто взять кухонный блендер мощностью не менее 400 Вт, и следовать методике, разработанной ирландскими физиками.

Как же изготовить графен в домашних условиях? Для этого в чашу блендера выливают 500 мл воды, добавляя в жидкость 10-25 миллилитров любого моющего вещества и 20-50 грамм толченого грифеля. Далее прибор должен поработать от 10 минут до получаса, вплоть до появления взвеси из чешуек графена. Полученный материал будет обладать высокой проводимостью, что позволит использовать его в электродах фотоэлементов. Также произведенный в бытовых условиях графен способен улучшить свойства пластика.

Оксиды наноматериала

Ученые активно исследуют и такую структуру графена, которая внутри или по краям углеродной сетки имеет присоединенные кислородосодержащие функциональные группы или (и) молекулы. Это оксид самого твердого нановещества, который является первым двумерным материалом, дошедшим до стадии коммерческого производства. Из нано- и микрочастиц этой структуры ученые изготовили сантиметровые образцы.

графен полимерный аккумулятор

Так, оксид графена в сочетании с диофилизированным углеродом был недавно получен китайскими учеными. Это весьма легкий материал, сантиметровый кубик которого удерживается на лепестках небольшого цветка. Но при этом новое вещество, в котором находится оксид графена, является одним из самых твердых в мире.

Биомедицинское применение

Оксид графена обладает уникальным свойством селективности. Это позволит данному веществу найти биомедицинское применение. Так, благодаря работам ученых стало возможным использование оксида графена для диагностики раковых заболеваний. Обнаружить злокачественную опухоль на ранних стадиях ее развития позволяют уникальные оптические и электрические свойства наноматериала.

Также оксид графена позволяет производить адресную доставку лекарственных и диагностических средств. На основе данного материала создаются сорбционные биодатчики, указывающие на молекулы ДНК.

Индустриальное применение

Различные сорбенты на основе оксида графена могут быть применены для дезакцивации зараженных техногенных и природных объектов. Крое того, данный наноматериал способен переработать подземные и поверхностные воды, а также почвы, очистив их от радионуклидов.

Фильтры из оксидов графена могут обеспечить суперчистотой помещения, где производятся электронные компоненты специального назначения. Уникальные свойства данного материала позволят проникнуть в тонкие технологии химической сферы. В частности, это может быть извлечение радиоактивных, рассеянных и редких металлов. Так, использование оксида графена позволит добыть золото из бедных руд.

«материал будущего»: где его можно применять?

Об удивительном «материале будущего» — графене — говорят, пишут, спорят, пытаются доказать, что он может иметь успех в будущем. А всё потому, что графен за последние десять лет наделал в научном мире столько шума, что постепенно получает применение практически во всех сферах человеческой деятельности.

Уверен, что вы немного слышали об этом чудо-материале, может даже читали о его применении. Сегодня я попробую собрать все известные факты его применения в нашей современной жизни.

Содержание

  1. Самая тонкая лампочка в мире
  2. Графен действует, как сверхпроводник
  3. Лучшая акустическая система
  4. Тонкие бронежилеты
  5. Фильтрация соли из морской воды
  6. Краска будущего
  7. Спортивная обувь
  8. На страже нашего здоровья
  9. Графеновые аккумуляторы

Что собой представляет графен?

Впервые мир услышал о графене в 2004 году, когда в журнале Science британскими исследователями российского происхождения из Манчестерского университета Андреем Геймом и Константином Новосёловым была опубликована статья об этом удивительном материале. Стоит отметить, что в 2010 году ученные получили за своё изобретение Нобелевскую премию. Прежде всего, представьте себе материал в миллион раз тоньше бумаги. Невероятно прочный, сложенный из «пчелиных сот», незаметных невооруженному взгляду. Гибкий, эластичный, стабильный при комнатной температуре. Обладающий высокой тепло- и электропроводностью. Вы скажете, что один материал не может совмещать в себе все эти свойства, но не тут-то было. Это как раз и есть свойства графена. По сути, «материал будущего» представляет собой первый строго двумерный материал. Свойства любого материала определяются не только химическим составом, но и расположением атомов. С углеродом это особенно понятно. Всем известно, насколько разные алмаз и графит, хотя состоят они из одних и тех же атомов углерода. Но эти атомы разным образом упорядочены в пространстве, что приводит к колоссальному различию свойств.

Во всех известных до недавнего времени материалах атомы упорядочены в трех измерениях, поэтому они, соответственно, имеют длину, ширину и высоту. А графен – это один слой углеродных атомов, взятый из графита. У него есть длина и ширина, а высоты, по сути, нет, поэтому мы и называем его двумерным. 

Графен – двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем, толщиной в один атом, организованным в гексагональную кристаллическую решетку. Его можно представить, как плоскость, срез графита, отделенный от объемного кристалла. Графен обладает огромной механической прочностью и рекордно высокой теплопроводностью. Необычайно высокая подвижность электронов в нем делает графен перспективным материалом для использования в самых различных областях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах.

Это один из самых сложных в мире материалов, который в 100 раз превосходит по прочности сталь, обладает огромной гибкостью и множеством других возможностей. На самом деле графен, по-видимому, является одним из самых полезных новых материалов. Где уже применяют графен?

Самая тонкая лампочка в мире

Коллектив ученых из Колумбийского университета и Сеульского национального университета (SNU) сумел создать самую тонкую лампочку в мире благодаря графену. Ученые создают устройство с использованием небольших графитовых нитей, которые прикреплены к металлическим электродам и кремниевой подушке.

Известно, что исследователи создали микролампочку, присоединив к металлическим электродам крошечные нити из графеновой пленки, при этом вся структура лампочки располагалась на одном кремниевом основании. Потом пропустили ток через нити, чтобы заставить их нагреться. Команда смогла показать, что графен достигал температур выше 2500 градусов по Цельсию, достаточно горячий, чтобы ярко светиться. Руководитель проекта профессор Джеймс Хон утверждает, что «они создали то, что является самой тонкой в мире лампой накаливания», которую можно найти в смарт-переносных устройствах.

В настоящее время исследователи заняты доработкой их изобретения, конструкция которого должна стать более технологичной. Кроме этого, сейчас проводятся измерения скоростных параметров графеновых источников света, скорости их включения и выключения, что имеет важное значения для использования таких источников света в оптических коммуникациях. Кроме этого, производятся поиски технологических методов, которые позволят включить такие источники света в состав тонких и гибких электронных устройств.

Графен действует, как сверхпроводник

Графен также может выступать в качестве сверхпроводника, а это означает, что электрический ток может проходить через него с нулевым сопротивлением. Это открытие было сделано исследователями из Кембриджского университета в Великобритании. Эффект активируется путем прикрепления графена к материалу, который называется praseodymium cerium copper oxide (PCCO). Как это качество графена может помочь? В будущем, благодаря этому открытию, ученые могут обеспечить источник неограниченной энергии.

Разработчики признались, что у них есть мечта создать такой источник неограниченной энергии, который бы позволил зарядить однажды ноутбук или смартфон, а потом можешь забыть о том, чтобы снова заряжать. Проще говоря, одной зарядки должно хватить на всё время, пока ваше устройство будет полноценно работать.

В настоящее время проблема заключается лишь в том, что такие сверхпроводники работают только при крайне низких температурах. Хотя материал PCCO, используемый в этом эксперименте, также охлаждался до очень низкой температуры, есть надежда, что в будущем можно будет выбрать альтернативные материалы, которые могут быть ближе к комнатной температуре.

Лучшая акустическая система

Всем нам известно, что для создания звука обычные динамики создают механические вибрации. Тем не менее, графен может предложить совсем иной подход. Исследователи из Университета Эксетера, Великобритания, продемонстрировали, как этот материал может генерировать сложные и управляемые звуковые сигналы при нагревании и охлаждении. Принцип работы нового динамика основывается на перемене температуры графена, изменения которой приводят к возникновению звука. Ранее графен уже применялся при создании динамиков, но в прошлом из него делали диффузоры, что приводило к увеличению эффективности работы устройства. Из нового же динамика исчезли все движущиеся части, что позволило в разы уменьшить его размер и увеличить эффективность. Динамик выполнен в форм-факторе микропроцессора размером с ноготь большого пальца. Внутри корпуса процессора, помимо самого динамика, спрятаны усилитель и даже графический эквалайзер. Новая технология не включает движущиеся части и не использует вибрации. Графен, который почти полностью прозрачен и способен воспроизводить сложные звуки без физического движения, может запустить новое поколение аудиовизуальных технологий. Результатом открытий может стать возможность включения динамиков в ультратонкие технологии сенсорного экрана, в которых экран способен создавать звук самостоятельно. В таком случает потребность в отдельных динамиках отпадёт.

Тонкие бронежилеты

Все мы знаем, что человеческая жизнь бесценна, поэтому всячески стараемся защитить ее, в том числе и с помощью бронежилетов. Но они громоздкие, тяжелые, неудобные, сковывают движение. Но использование графена перевернет в будущем ваше представление о бронежилетах.

Так, ученые из Georgia Tech обнаружили, что пленка из графена, нанесенная в два слоя, может защитить от пули. Этот сверхлегкий и сверхпрочный материал они назвали «диамином» и предлагают использовать в производстве бронежилетов.

Результаты своих разработок ученые успешно продемонстрировали перед почтенной публикой в Городском университете Нью-Йорка. В эксперименте команда показала, что даже алмазный наконечник не способен пробить двухслойную эпитаксиальную пленку графена.

Можно предположить, что как и ультралегкие, пуленепробиваемые пленки, так и износостойкие, гибкие, защитные покрытия могут быть использованы для защиты экрана и корпуса устройств, например, в смартфонах, планшетах и ноутбуках.

Фильтрация соли из морской воды

Запасы пресной воды на Земле с каждым годом уменьшаются. Проблема недостатка питьевой воды сейчас стоит в одном ряду с проблемой голода. А ведь вода занимает 71% земной поверхности, хотя ее постоянно человечеству не хватает. А все потому, что большая ее часть находится в океане, то есть попросту она солёная и не пригодна для питья.

Специалистам из университета Синсю и Государственного университета Пенсильвании удалось частично решить проблему фильтрации соли из морской воды, разработав интересный способ опреснения воды с помощью сита из мембран, произведенных из оксида графена.

Суть в том, что в обычных условиях отфильтровать соль не получается, так как ее ионы меньше молекул воды. Но мембраны из оксида графена с этим справляются, блокируя ионы соли. Тем самым, пропуская при этом саму воду. Правда, есть нюанс — это создать фильтры подобного рода, которые смогли бы протянуть достаточно долго при непрерывной работе. Например, хлор очень быстро разрушает подобные материалы, и потому ученые решили найти способ получше.Они разработали гибридный фильтр, в мембрану которого входит чистый графен, который лучше сопротивляется хлору. К тому же такая мембрана не разрушается при сильном течении, да и в производстве дешевле. В результате она отфильтровывает 85% соли, просто пропуская воду через себя, и никакой дополнительной энергии или электричества для этого процесса не нужно. Но полученная вода недостаточно чиста для питья, но идеально подходит для использования в сельском хозяйстве.

Однако это ничто по сравнению с недавними исследованиями, полученными в Манчестерском университете Великобритании. Там исследователи использовали графен для фильтрации цвета виски — превращая его в прозрачную жидкость. То есть, получили возможность менять цвет жидкости, что весьма интересно.

Краска будущего

Команда ученых из Института полимерных исследований им. Лейбница в Германии разработала графеновое покрытие, которое может сигнализировать специалистам о возможном повреждении конструкций, к примеру, моста, простым изменением цвета. Команда опубликовала свои результаты в журнале Material Horizons , в котором рассказывается о развитии и потенциальных применениях графена в этой сфере. 

Вдохновленные тем, как скалы отражают свет, они создали покрытие, которое позволяет увеличить некоторую длину волны света за счет других. В настоящее время работа по созданию данной краски все еще находится на ранней стадии, так как еще многое предстоит сделать с точки зрения исследований и инвестиций, чтобы решить проблемы, связанные с расширением производства, контролем параметров и т. д. 

Однако, если эти исследования будут эффективно решены, цветные графеновые покрытия потенциально могут стать неоценимым инструментом в арсенале конструкторов, инженеров-конструкторов.

Спортивная обувь

В декабре 2017 года исследователи из частного университета Райса (Хьюстон) сообщили, что им удалось создать удивительные кроссовки из графена. И добавили, что их спортивная обувь отличается невероятной прочностью и износостойкостью, но при этом очень удобная и характеризуется отличными электропроводящими свойствами.

Особенно поражает эластичность спортивных кроссовок из графена: их можно скрутить, согнуть, сложить и растянуть без какого-либо ущерба для своей структуры. При этом ее эластичность, прочность и износостойкость на 50% выше, чем у самой крепкой спортивной обуви, создаваемой сегодня. Так, в ходе эксперимента ученые выяснили, их кроссовки выдержат беспрерывную нагрузку минимум в 500 км. При этом обувь не потеряет своего внешнего вида. 

В продаже кроссовки из графена должны появиться уже в этом году. Стоимость их не будет баснословно высокой, и составит всего лишь $200. Уверен, что каждый захочет иметь прочные кроссовки из графена. Их продажей будет заниматься один из известных брендов спортивной одежды — британская компания inov-8.

На страже нашего здоровья

Ученые из Университета штата Иллинойс, Чикаго, продемонстрировали, как графен легко обнаруживает раковые клетки. В своих попытках они помещали клетки мозга, взятые у мышей, на графитовый лист, и обнаружили, что они способны отличить одну клетку нормального клеточного рака. Связан этот феномен с тем, что графен обладает удивительной электрической проводимостью. При контакте с гиперактивной раковой клеткой, электрическое поле, окружающее её, отталкивает электроны в долевом облаке графена. Это меняет энергию колебаний атомов углерода, а разницу эту можно заметить и выявить ту самую раковую клетку.

Исследователи из Техасского университета в Остине и вовсе решили использовать графен для диагностики состояния здоровья человека. Ими были разработаны уникальные прозрачные татуировки, которые дают возможность с высокой точностью определять температуру тела и гидратацию человеческой кожи.  Более того, они могут делать электрокардиограмму, электромиографию и считывать электроэнцефалограммы для измерения электрической активности сердца, мышц и мозга. Работы в этом направлении еще ведутся, и кто знает, может в будущем нас ждут еще и новые открытия в диагностике нашего организма при помощи графена.

Графеновые аккумуляторы

Уверен, что каждый из нас мечтает о том, чтобы его смартфон, планшет или ноутбук заряжался за считанные минуты. Возможно, уже совсем скоро нашим мечтам суждено осуществиться. Так, китайская компания  под названием Dongxu Optoelectronic создала батарею G-King, которая имеет мощную емкость — 4800 мА*ч, но ее можно заряжать от пустого до полного в течение 15 минут. Также создатели аккумулятора рассчитывают, что он может выдержать 3 500 циклов разрядки и зарядки. Это примерно в семь раз превосходит срок службы средней литий-ионной батареи. А всё благодаря удивительному «материалу будущего» — графену. Он обладает огромным технологическим потенциалом. Помимо увеличения эффективности батарей в устройствах, материал может пригодиться для создания устройств с гибкими экранами, различные версии которых сейчас разрабатываются.

В сухом остатке

Пусть ученым удалось получить небольшое количество графена, но то, что он имеет большой потенциал в будущем, вселяет большие надежды. Возможно, уже очень скоро мы будем пользоваться смартфонами с дисплеем, корпусом и аккумулятором из графена, ходить в обуви, сделанной из этого чудо-материала, носить прозрачные татуировки для диагностики состояния здоровья и ездить на автомобилях, изготовленных из высокопрочного и в то же время гибкого, эластичного графена. Фантастика и реальность всегда где-то рядом.

Подвешенный графен — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Подвешенный графен — графен, который не касается подложки, свободновисящая плёнка, которая удерживается только частично благодаря подложке или контактам.

Существует несколько способов сделать подвешенный графен.

Первый метод был предложен в работе[1], где в подложке кремния покрытой слоем диэлектрика SiO2 перед нанесением графена протравливались канавки шириной около 1 микрона. После осаждения графена с липкой ленты на эту подложку приходилось искать удачно осаждённый графен на область с канавкой. Графен держался благодаря хорошей адгезии в местах контакта с диэлектриком в по обе стороны от канавки[2]. В работе[1] изучались механические свойства графена. Позже этот метод использовался и для измерения распределения напряжений в подвешенной плёнке[3].

Для оптических измерений или для электронного просвечивающего микроскопа необходимо избавиться от подложки, что и было сделано в работах Мейера и других исследователей[4][5]. В этих работах было показано, что графен в свободном состоянии, не соединённый с подложкой, принимает волнистую форму с высотой неоднородностей около 1 нм. В работе[6] была измерена оптическая прозрачность подвешенного графена и показана её универсальность, определяемая только постоянной тонкой структуры.

Ещё один способ получить подвешенный графен — это вытравить диэлектрик под одноатомной плёнкой[7][8]. Из-за того, что основной вклад в рассеяние носителей в графене вносят заряженные примеси в диэлектрике[9], исследователи стали искать способ избавиться от этого механизма рассеяния или свести его к минимуму. Избавление от подложки и отжиг привел к существенному повышению подвижности носителей в графене (около 200000 см2В−1с−1)[7]. В таких плёнках доминирующий механизм меняется и основной вклад в рассеяние вносят фононы или границы образца[10]. В последнем случае можно говорить о баллистическом транспорте.

Учёные разработали технологию производства графена в рулонах / Habr

Группа учёных из Массачусетского технологического института и других университетов впервые в мире представила масштабируемый процесс производства графена для использования в ультратонких мембранах, необходимых для фильтрации различных молекул — солей, ионов, белков и наночастиц. Новый метод позволил за 4 часа сделать ленту графена шириной в 1 сантиметр и длиной в 10 метров. Метод может быть масштабирован для беспрерывного промышленного производства.

Мембраны на основе графена могут быть полезны для опреснения воды, сепарации биологических материалов и других целей.

Директор Лаборатории производства Массачусетского технологического института Джон Харт возглавил исследование, в котором приняли участие учёные из университетов США, Сингапура, а также специалист из Калтеха Андрей Вятских, бывший студент Сколковского института науки и технологий. «В последние несколько лет учёные считают графен перспективным материалом для создания ультратонких мембран. Наше исследование представляет собой первый в мире способ производства графена для мембран, которым необходимы такие характеристики, как бесшовность и высокое качество материала», – отмечает Харт.

Графен представляет собой похожую на пчелиные соты решётку, образованную одним слоем атомов углерода, он прочен и непроницаем даже для самого маленького атома — гелия. Это свойство учёные используют для создания мембран: нанопоры необходимого размера, сделанные в листе графена, позволят пропустить через него конкретные молекулы.

Основной метод производства графена заключается в химическом осаждении из газовой фазы, при котором на медную фольгу воздействуют химическими соединениями углерода и других газов с целью осаждения на ней углерода. Этот способ пока позволяет изготавливать мембраны только в лабораторных условиях, в ручном режиме и небольшими партиями.

Для производства мембран в коммерческих целях необходимо наладить беспрерывный процесс — из небольших кусочков нельзя сделать достаточное количество материала. Мембраны для определённых целей могут быть достаточно крупными, что также становится невыполнимой задачей для лабораторных условий.

Харт и его коллеги рассчитывают, что созданный ими способ позволит наладить производство в промышленном масштабе и коммерциализировать его. Учёные объединили в производственной цепочке рулонную технологию и химическое осаждение из газовой фазы.

Рулонная технология — процесс изготовления электронных устройств на гибких рулонах пластика или фольги. В данном случае за основу учёные взяли длинную полосу медной фольги шириной менее 1 сантиметра. Система состоит из двух катушек, между которыми размещена небольшая печь. Одна катушка разворачивает полосу фольги, которая последовательно проходит через две трубы.

В первой трубе происходит нагревание до необходимой температуры в 1000 градусов Цельсия. Во второй трубе на ленту воздействуют соотношением метана и газообразного водорода, которые осаждаются на нагретой фольге для получения графена. Учёные отмечают, что сначала графен оседает островками, которые затем вырастают до единого листа. «После выхода из печи графен полностью покрывает фольгу в один слой, словно это длинный лист пиццы», — рассказывает Харт.

Полоса материала наматывается на второй рулон, после чего медную фольгу вытравливают и заменяют полимерной подложкой с порами большего размера, чем поры графена, чтобы материал не свернулся и не потерял форму. Учёные провели диффузионные тесты с образцами мембран, полученных при разной скорости подачи ленты. Они фильтровали воду, соли и другие молекулы, в результате чего подтвердили, что производительность при фильтрации сопоставима с мембранами, полученными при использовании стандартных методов ручного производства в лабораториях.

Новая система при работе со скоростью 5 сантиметров в минуту позволила изготовить за 4 часа около 10 метров графеновой ленты. Процесс можно масштабировать, изменяя скорость подачи фольги и ширину ленты с целью получения материала различного качества, необходимого для использования в разных целях.

Графен является одним из перспективных материалов для использования в различных сферах. Эксперты IDTechEx insight прогнозируют рост рынка продуктов с использованием этого материала до 300 млн долларов к 2027 году. Учёные и коммерческие компании находят применение графену в биочипах для повышения их чувствительности, в фотосенсорах и других электронных устройствах. Учёные смогли повысить прочность шёлковой нити тутового шелкопряда, накормив насекомое графеном. Одним из препятствий для коммерческого успеха продуктов на основе двумерного углерода стали сложности его производства в промышленных масштабах, над чем сегодня работают исследователи в разных странах.

Научная работа опубликована в журнале Applied Materials and Interfaces.
DOI: 10.1021/acsami.8b00846/

Битва за графен-2: коммерческое применение | Технологии

Тонны графена

Если вы решите разобраться, как устроена графеновая отрасль, то неизбежно наткнетесь на десятки коммерческих отчетов, которые оценивают объемы рынка и ранжируют страны по количеству производимого ими графена. Например, эксперты предрекают, что емкость рынка графена к 2027 году будет составлять 3800 тонн в год. Поэтому, исследуя графеновый рынок, неспециалист может решить, что речь идет о мешках, бочках или вагонах с графеном — о больших объемах двумерного материала, в производстве которого соревнуются Китай, США, весь Евросоюз и другие страны. Разумеется, это не так. Сам по себе графен не стоит рассматривать как продукцию для экспорта, и обогатиться на нем нельзя. Производство графена будет расти, что неизбежно приведет к снижению его стоимости, ведь получить сам графен не проблема. Если первые эксперименты были выполнены на небольших чешуйках графена, которые отслаивались от графита с помощью клейкой ленты, то сейчас удается получать высококачественный графен большой площади осаждением в печи при высокой температуре на медную фольгу — это достаточно просто и дешево. Основой для синтеза графена также являются углеводородные газы или даже нефть. Например, совсем недавно ученым из США удалось разработать способ получения графена из ацетилена — природного газа. Сейчас графен уже продается менее чем за один евро за квадратный сантиметр, а к 2022 году, по прогнозам одной из крупнейших компаний-производителей графена, будет стоить меньше евроцента за квадратный сантиметр. То есть квадратный метр графена обойдется исследователям менее чем в сто евро.

Рынок графеновых технологий

По последним данным, в мире насчитывается 142 организации, которые производят графен. Однако в действительности рынок графена — это не килограммы «графенового сырья», а технологии на его основе: прикладные разработки и патенты. Дело в том, что графен, как и другие двумерные материалы, можно комбинировать друг с другом, получая принципиально новые свойства. Так, например, применение графена и оксида графена в биочипах, технология создания которых существует уже несколько лет, позволяет в десятки раз увеличить их чувствительность. Использование графена в качестве одного из фоточувствительных элементов матриц камер позволяет в сотни раз увеличить их чувствительность и существенно расширить их спектральный диапазон.

Возможности таких комбинаций, как отмечает прозванный отцом графена Андрей Гейм, практически безграничны, и вряд ли все из них мы сможем реализовать в перспективе хотя бы ближайших пятидесяти лет. Внедрение графена в различные устройства дает колоссальные перспективы. Но именно здесь пока нет однозначных результатов.

Технологии в массы

Действительно, массовых графеновых технологий, несмотря на серьезные финансовые вливания в эту область, до сих пор не появилось. Основная сложность с широкомасштабным применением графена — создание работающего устройства. Графен — двумерный материал, и использовать его в трехмерном мире достаточно сложно. Совмещение технологий производства графена с существующими технологиями микроэлектроники и других отраслей промышленности позволит создать целый класс новых продуктов, но как раз это сейчас и составляет основную трудность. Выращенный графен можно переносить на ту или иную подложку вручную, но это плохо соотносится с технологиями массового производства. Именно над проблемой интеграции графена в различные устройства работают многие ученые и исследовательские центры: ведутся исследования по низкотемпературному росту графена на различных подложках и разрабатываются автоматизированные технологии его переноса. На решение этой проблемы, например, нацелен графеновый центр в Самсунге. Этой проблемой занимаемся и мы на Физтехе в сотрудничестве с датской компанией Newtec. Ее решение — лишь вопрос времени, а потому, если еще пару лет назад в мире был определенный скепсис по части прикладных разработок на основе графена, то сейчас это уже ничем не сдерживаемый оптимизм.

Применения

Сейчас уже с уверенностью можно сказать: во всех устройствах будущего в том или ином виде будет присутствовать графен или другой двумерный материал. Перечислить все потенциальные применения графена невозможно. Его можно совместить даже биологическими организмами. Например, ученым Университета Тренто (Италия) и Центра по разработкам с использованием графена Кембриджского университета удалось «накормить» графеном пауков, после чего те стали производить паутину, которая оказалась в несколько раз прочнее обычной. Похожую работу провели китайские исследователи, скормив графен шелкопряду и получив прочную шёлковую нить, которая проводит электричество и может быть использована, например, в носимой электронике.

В одном из своих интервью Андрей Гейм высказывал мысль, что выделять какую-то одну наиболее перспективную область применения даже вредно: «Поле [применений] настолько велико, что сосредоточение в одном из направлений приведет к ослаблению развития в целом». Так или иначе, вы можете быть уверены: в камерах ваших телефонов, в ваших очках или умных контактных линзах, любой гибкой носимой электронике, умных настенных покрытиях, в разрабатываемых сейчас биосенсорах и нейроинтерфейсах и многом другом, не говоря о новых функциональных материалах для любых применений, например, в авиастроении или оборонной сфере — будет графен. Есть области, где этот двумерный материал используется уже сейчас. Теннисисты Новак Джокович, Энди Мюррей и Мария Шарапова играют ракетками, содержащими графен, а Билл Гейтс финансирует создание прочных и тонких графеновых презервативов. Научные конференции сопровождаются шоурумами, где стартапы и лидеры индустрии представляют свои последние разработки. Например, на выставке Mobile World Congress в фервале 2017 года был представлен концепт автомобиля с корпусом из графенового пластика. А в марте на Женевском автосалоне был презентован китайский электромобиль на основе графеновых батарей, который планирует конкурировать с Tesla. И количество приложений будет только расти.

Прогнозы рынка

Вложения в исследования графена — это вложения в светлое будущее, пусть пока и без четкого понимания, каким оно будет. Именно поэтому сейчас так сложно спрогнозировать объемы рынка через несколько лет, по текущим прогнозам, рынок графена в течение десятилетия вырастет в 30-100 раз. Но он может вырасти и в тысячи раз — достаточно только появиться умным контактным линзам с графеном, запустить в серийное производство быстрозаряжающиеся аккумуляторы или разработать любую другую технологию, которую представить сейчас мы не можем. Так же, как когда-то не могли представить, как разовьется рынок лазеров или компьютерной техники.

Двумерный мир

Материалы на основе графена изменят мир, потому что они сами по себе — это уже другой мир, двумерный. Хотя будет это не революционным новшеством, а, как подчеркивает Андрей Гейм, медленной диффузией материала в нашу повседневную жизнь. Рисуя эти картины светлого будущего, нужно ответить на неизбежный вопрос: где же во всем этом Россия, родина нобелевских лауреатов, получивших премию за передовые опыты с графеном? Если в области фундаментальных исследований у нас есть определенные результаты, то о лидерстве в области прикладных разработок говорить пока не приходится, хотя именно конкретные технологические решения будут формировать основную часть рынка графена в ближайшем будущем. О том, что поможет нашей стране не упустить место под солнцем графеновых технологий — в следующем материале серии.

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *