Графен. Устройство и использование. Характерности и перспективы

Графен (G) представляет новаторский материал, который открывает большие перспективы. Это самый электропроводящий, легкий и крепкий вариант углеродного соединения.

G — открыли Андреем Геймом и Константином Новоселовым, которые работают в Университете Манчестера. Русских ученых за это открытие наградили Нобелевской премией.

На изыскание параметров графена только в наше время выделено более десяти млд дол.
Ученые предполагают, что он может стать превосходной заменой кремнию, а именно в полупроводниковой промышленности. Не зря называют его «материалом грядущего».

Не обращая внимания на «молодость» графена, экспериментаторы находят все обновленные свойства графена, которые открывают перед человечеством восхитительное окно возможностей.

Что это графен

G — представляет двумерную модификацию углерода, в которой атомы соединены в гексагональную кристаллическую решётку, а его толщина составляет только один атом.

Материал при этом обладает необычными характеристиками:
  • Рекордно большая проводимость тепла.
  • Большая механическая жесткость, он крепче стали в сотни раз.
  • Высокая гибкость.
  • Большая проводимость электричества.
  • Его температура плавления находится выше 3000 градусов.
  • Непроницаемость для многих газов и жидкостей.
  • Светопроницаемость.

Если сложить 3-и миллиона листов графена, то можно получить толщину порядка 1 мм.

Чтобы объяснить довольно обычным способом, что такое G, можно сказать: этот материал состоит из мягкого слоистого материала, который применяется в грифелях. Впрочем графен, в отличии от графита, имеет иную структуру. Также, как графит и алмаз являются формами углерода, они значительно радикально отличаются по своей прочности.

Так и графен очень твёрдый из-за того, что его атомы имеют гексагональное расположение.
Чудеса начинаются, когда начинается выделение графена из графита. Благодаря толщине в один атом он представляет первый 2D-материал из когда-нибудь обнаруженных.

Более того он обладает бесчисленными полезными и поразительными качествами. Сегодня нет такой области использования, где графен не был бы интересен.

Собственно поэтому проводятся бесчисленные интенсивные исследования, которые направлены на изучение сфер, где потенциально можно было бы внедрить этот материал. Для ученых открываются восхитительные возможности, ведь G особенно широко можно применять в развитии технологий и науки.

Устройство
Начав с 2004 года, когда новейший наноматериал открыли, ученые смогли постичь целый спектр методов его получения. Но главными из них считаются такие способы:
  • Химическое перофазное охлаждение, другими словами CVD-процесс.
  • Эпитаксиальный рост в вакууме.
  • Механическая эксфолиация.
Последний метод считается наиболее простым. Создание графена с помощью механической эксфолиации выполняется так:
Применение графена
  • Делается нанесение специализированного графита на специализированную клейкую поверхность изолентой.
  • После основу, будто бы бумажный лист, начинают разгибать и сгибать, отделяя нужный материал.

Во время использования установленного способа G выходит самого лучшего качества. Но такие же действия не подойдут для широкого производства, установленного наноматериала.

При использовании метода эпитаксиального роста:
  • Применяют тонкие кремниевые пластины, у которых верхний слой состоит из карбида кремния.
  • После этот материал греют при очень большой температуре, достигающей 1000 К.
  • Вследствие химреакции выполняется отделение атомов кремния от атомов углерода, при этом первые испаряются. На пластинке остается только чистый G.

Среди недостатков этого способа можно подчеркнуть необходимость использования больших температур, при которых обеспечивается сгорание атомов углерода.
Самым обычным и хорошим способом, который используется для широкого производства графена, считается CVD-процесс. Этот способ представляет способ, при котором течет хим. реакция между углеводородными газами и железным покрытием-катализатором.

В результате перечисленных методов выходит двумерная аллотропная модификация углерода, которая основана слоем атомов углерода толщиной в один атом, которые соединены в гексагональную двумерную кристаллическую решётку при помощи ?- и ?-связей. Носители заряда графена обладают высокой подвижностью, очень большой среди всех популярных материалов.

Из-за этого G считается многообещающим материалом для потенциальной замены кремния в интегральных микросхемах и будущей основы нано электроники.

Использования и характерности

Рынок использования графена конкретно связан с прогрессом в производстве графена с характеристиками, которые нужны для определенного его применения. На данный момент развиваются и используются десятки методов по получению графена разного качества, формы и размера.

Среди методов, которые могут быть применены, можно отметить три класса, получаемого графена:
  1. Хлопьевидный восстановленный оксид графена, который используется для проводящих красок, материалов на композитной основе и так дальше.
  2. Плоский G, используемый для создания очень производительных устройств электроники.
  3. Плоский G, используемый для создания неактивных и низкопроизводительных устройств.

Свойства определенного класса графена, а это означает и функционал приложений, где можно его применять, особенно сильно зависят от качества подложки, материала, типа недостатков и так далее. А это прежде, всего определяется методом производства.

Графен в зависимости от способа изготовления на сегодняшний день используется в следующих направлениях:

  • При механическом отслаивании графен используется для исследований. Подвижность носителей заряда составляет 2?105 и 106 (при малой температуре) см?В-1с-1.
  • При химическом отслаивании G используется для изготовления материалов на композитной основе, покрытий, красок, чернил, биоприложений, конденсаторов, прозрачных проводящих слоев. Подвижность носителей заряда составляет 100 см?В-1с-1.
  • При химическом отслаивании через оксид графена материал используется для изготовления материалов на композитной основе, покрытий, красок, чернил, биоприложений, конденсаторов, прозрачных проводящих слоев. Подвижность носителей заряда составляет 1 см?В-1с-1;
  • При методе CVD G используется для изготовления наноэлектроники, фотоники, биоприложений, сенсоров, прозрачных проводящих слоев. Подвижность носителей заряда составляет 1000 см?В-1с-1;
  • При методе SiC G используется для изготовления устройств электроники, высокочастотных транзисторов и других устройств. Подвижность носителей заряда составляет 1000 см?В-1с-1.
На данный момент изучаются и остальные области использования графена:

— наноплазмоника и оптоэлектроника;
— спинтроника;
— баллистическая электроника.
— газовые сенсоры;
— хранение водорода.

  • G — как конструкционный материал;

— материалы на композитной основе;
— графеновые мембранные ткани.

  • G — как проводник;

— холодные катоды;
— суперконденсаторы и работающие от электричества батареи;
— квантовые точки;
— НЭМС (наноэлектромеханические системы);
— просвечивающиеся покрытия и проводящие электроды.
Так или по другому, но неповторимые свойства, которыми обладает графен, обеспечат внимание разработчиков и ученых к нему на несколько десятков лет. Возможно, этот материал начнет вытеснять кремний из электронной промышленности.

Плюсы и минусы
К плюсам графена можно отнести следующее:
  • Высокая проводимость электричества . G — может проводить электричество как обыкновенная медь. На его основе можно создавать разные электроприборы.
  • Прекрасная оптическая чистота . G — может поглощать только немного более 2-ух процентов видимого света не зависимо от параметров излучения. Благодаря этому этот материал фактически бесцветен. Сторонний наблюдатель может назвать его незаметным.
  • Большая механическая крепость . G — по своей прочности превышает алмаз.
  • Гибкость .G — считается более гибким, чем кремний. По данным показателям он даже превышает резину. Благодаря однослойной структуре можно менять форму и растягивать графен если потребуется.
  • Способность сопротивляться воздействиям внешней среды .
  • Рекордная проводимость тепла . G — по этому показателю превышает медь десятикратно.
К минусам графена можно отнести следующее:
  • На сегодняшний день сложно получать G большой площади в очень больших масштабов с заданными высоко-химическими свойствами. Получается получить лишь маленькие по размеру листы графена.
  • Заводской G по собственным особенностям во многих случаях проигрывает экземплярам, которые получены в научных лабораториях. Благодаря этому добиться подобных параметров при использовании промышленных средств на сегодняшний день не получается, не обращая внимания на совершенствование технологий.
  • Производство графена требует существенных расходов, что уменьшает его использование.

Но все таки, эти трудности вполне преодолимы, что открывает большие перспективы.

Графен и его использование. Открытие графена. Высокие технологии в сегодняшнем мире

Практически недавно в науке и технике возникла новая область, которую назвали нанотехнологией. Перспективы этой дисциплины не просто обширны. Они грандиозны.

Частичка, именуемая «нано», собой представляет величину, равную одной миллиардной доле от какого-нибудь значения. Такие же размеры вполне уместно сравнить исключительно с размерами атомов и молекул.

К примеру, нанометром именуют одну миллиардную долю метра.

Главное направление новой научной сфере

Нанотехнологиями именуют те, которые манипулируют веществом на уровне молекул и атомов. Поэтому данную область науки именуют еще и молекулярной технологией.

Что же явилось толчком к ее развитию? Высокие технологии в сегодняшнем мире возникли благодаря лекции Ричарда Фейнмана.

В ней ученый доказал, что нет никаких преград для создания вещей конкретно из атомов.
Средство для хорошего манипулирования очень мелкими частичками назвали ассемблером. Это молекулярная наномашина, благодаря которой можно построить любую структуру.

К примеру, натуральным ассемблером можно назвать рибосому, синтезирующую белок в живых организмах.

Применение графена

Область использования

Перечислить все сферы человеческой деятельности, где в наше время применяются высокие технологии, нереально из-за очень внушительного списка. Так, с помощью этой научной сфере производятся:
— устройства, которые предназначены для сверхплотной записи любой информации;
— различная видеотехника;
— сенсоры, солнечные детали, полупроводниковые транзисторы;
— информационные, вычислительные и информационные технологии;
— наноимпринтинг и нанолитография;
— устройства, которые предназначены для хранения энергии, и топливные детали;
— оборонные, космические и авиационные приложения;
— биоинструментарий.

Применение графена

На подобную научную область, как высокие технологии, в Российской Федерации, США, Японии и ряде европейских государств из года в год выделяется все больше финансирования. Это связано с обширными перспективами развития этой сферы исследований.
Высокие технологии в Российской Федерации развиваются согласно целевой Федеральной программе, которая учитывает не только большие материальные затраты, но и проведение значительного объема конструкторских и научно-исследовательских работ.

Для реализации установленных задач происходит объединение усилий разных научно-технологических комплексов на уровне национальных и транснациональных корпораций.

Новый материал

Высокие технологии дали возможность ученым сделать углеродную пластину более твёрдую, чем алмаз, ее толщина составляет только один атом. Она состоит из графена.

Это самый тонкий и надежный материал во всей Вселенной, который пропускает электричество на порядок лучше кремния компьютерных чипов.

Применение графена

Открытие графена является реальным революционным событием, которое даст возможность многое скорректировать у нас в жизни. Данный материал обладает настолько уникальными физическими качествами, что в корне меняет представление человека о природе вещей и веществ.

История открытия

Графен собой представляет двухмерный кристалл. Его структура считается гексагональной решёткой, которая состоит из атомов углерода.

Теоретические исследования графена начались задолго до получения его настоящих образцов, так как этот материал считается базой для построения трехмерного кристалла графита.

Применение графена

Применение нового материала

Согласно мнению ученых, сенсорына основе графена, смогут анализировать крепость и состояние самолета, а еще предвещать землетрясения. Но собственно тогда, когда материал с подобными впечатляющими качествами покинет стены лабораторий, будет понятно, в каком направлении пойдёт развитие использования на практике этого вещества.

В наше время химики, физики, а еще инженеры-электронщики уже заинтересовались прекрасными возможностями графена. Ведь всего несколькими граммами данного вещества можно покрыть территорию, равную полю для игры в футбол.
Графен и его использование потенциально рассматриваются в производстве легковесных спутников и самолетов. В данной сфере новый материал может заменить углеродные волокна в композиционных материалах.

Нановещество может быть применено взамен кремния в транзисторах, а его внедрение в пластмасу добавит ей проводимость электричества.
Графен и его использование рассматриваются и в вопросах изготовления датчиков. Данные устройства, сделанные на основе новейшего материала, будут способны обнаруживать наиболее опасные молекулы.

А вот применение пудры из нановещества во время изготовления электрических аккумуляторов в несколько раз повысит их результативность.
Графен и его использование рассматриваются в оптоэлектронике. Из нового материала выйдет более легкий и крепкий пластик, контейнеры из которого позволят в течение пары недель хранить продукты в свежем состоянии.
Применение графена предполагается и для производства прозрачного токопроводящего покрытия, нужного для дисплеев, фотоэлектрических панелей и более крепких и устойчивых к влияниям механики ветряных двигателей.
На основе наноматериала получаются лучшие спортивные снаряды, медицинские имплантаты и суперконденсаторы.
Также графен и его использование важны для:
— высокочастотных высокомощных устройств электроники;
— искусственных мембранных тканей, разделяющих две жидкости в резервуаре;
— улучшения свойства проводимости разных материалов;
— создания монитора на органических светоизлучающих диодах;
— освоения новой техники ускоренного секвенирования ДНК;
— улучшения жидкокристаллических мониторов;
— создания баллистических транзисторов.

Применение в машиностроении

По данным экспериментаторов, удельная энергоемкость графена приближается к 65 кВт*ч/кг. Этот показатель в 47 раз превосходит тот, какой имеют столь популярные ныне литий-ионные аккумуляторы.

Сей факт ученые применяли для создания зарядных устройств нового поколения.
Графен-полимерный аккумулятор — прибор, с помощью которого очень эффективно держится электроэнергия.

На данный момент работа над ним проводится экспериментаторами многих стран. Существенных успехов достигли в данном вопросе испанские ученые. Графен-полимерный аккумулятор, созданный ими, имеет энергоемкость, в сотни раз превышающую аналогичный критерий у уже имеющихся батарей.

Применяют его для оснащения электромобилей. Машина, в которой поставлен графеновый аккумулятор, может проехать безостановочно тысячи километров.

На подзарядку электромобиля при исчерпании энергоресурса понадобится не больше 8 минут.

Сенсорные экраны

Ученые продолжают изучать графен, создавая при этом новые и которые не имеют заменителей вещи. Так, углеродный наноматериал отыскал свое использование в производстве, выпускающем сенсорные мониторы с большой диагональю.

В перспективе может возникнуть и гибкое устройство аналогичного типа.

Применение графена

Получение графена

Начав с 2004 г., когда открыли новейший наноматериал, ученые осилили большой ряд методов его получения. Впрочем наиболее важными из них считаются способы:
— механической эксфолиации;
— эпитаксиального роста в вакууме;
— химического перофазного охлаждения (CVD-процесс).
Первый из данных трех методов считается наиболее простым. Производство графена при механической эксфолиации собой представляет нанесение специализированного графита на клейкую поверхность изолентой.

Потом основу, сродни листу бумаги, начинают сгибать и разгибать, отделяя необходимый материал. При использовании этого способа графен выходит самого хорошего качества.

Но такие действия не годятся для широкого производства данного наноматериала.
Во время использования метода эпитаксиального роста используют тонкие кремниевые пластины, верхний слой которых считается карбидом кремния. Дальше данный материал греют при большой температуре (до 1000 К). В результате химреакции происходит отделение атомов кремния от атомов углерода, первые из которых испаряются.

В результате на пластинке остается чистый графен. Минусом аналогичного способа считается необходимость применения очень больших температур, при которых может случиться сгорание атомов углерода.
Наиболее надежным и обычным способом, используемым для широкого производства графена, считается CVD-процесс. Он собой представляет метод, при котором течет хим. реакция между железным покрытием-катализатором и углеводородными газами.

Где выполняется графен?

В наше время самая крупная компания, изготавливающая новый наноматериал, находится в Китае. Наименование этого изготовителя — Ningbo Morsh Technology.

Производство графена начато им в 2012 году.
Основным потребителем наноматериала выступает компания Chongqing Morsh Technology.

Графен применяется ею для изготовления проводящих прозрачных пленок, которые вставляют в сенсорные мониторы.

Применение графена

Получение в домашних условиях

Можно ли сделать графен дома? Оказывается, да! Нужно просто взять кухонный блендер мощностью не менее 400 Вт, и следовать методике, разработанной ирландскими физиками.

Как же сделать графен дома? Для этого в чашу блендера выливают 500 мл воды, добавляя в жидкость 10-25 миллилитров любого моющего вещества и 20-50 грамм толченого грифеля.

Дальше прибор должен поработать от 10 минут до получаса, аж до возникновения взвеси из чешуек графена. Получившийся материал будет владеть повышенной проводимостью, что даст возможность применять его в электродах фотоэлементов.

Также произведенный в домашних условиях графен может сделать лучше свойства пластика.

Оксиды наноматериала

Ученые активно обсследуют и такую структуру графена, которая в середине или по краешкам углеродной сетки имеет присоединенные кислородосодержащие практичные группы или (и) молекулы. Это оксид самого твёрдого нановещества, являющийся первым двумерным материалом, дошедшим до стадии коммерческого производства.

Из нано- и микрочастиц этой структуры ученые сделали сантиметровые образцы.

Применение графена

Так, оксид графена в комбинировании с диофилизированным углеродом был не так давно получен китайскими учеными. Это очень легкий материал, сантиметровый кубик которого держится на лепестках маленького цветка.

Однако при этом новое вещество, в котором находится оксид графена, считается одним из очень твёрдых в мире.

Биомедицинское использование

Оксид графена обладает неповторимым свойством селективности. Это даст возможность данному веществу найти биомедицинское использование.

Так, благодаря работам ученых возможным стало применение оксида графена для диагностирования раковых болезней. Выявить злокачественную опухоль на ранней стадии ее развития дают возможность уникальные оптические и работающие от электричества свойства наноматериала.
Также оксид графена дает возможность делать адресную доставку лекарственных и диагностических средств.

На основе этого материала делаются сорбционные биодатчики, указывающие на молекулы ДНК.

Индустриальное использование

Разные очищающие вещества на основе оксида графена могут быть использованы для дезакцивации зараженных техногенных и природных объектов. Крое того, данный наноматериал способен переработать подземные и поверхностные воды, а еще почвы, очистив их от радионуклидов.

Фильтры из оксидов графена могут обеспечить суперчистотой помещения, где делаются электронные элементы специализированного назначения. Неповторимые свойства этого материала позволят попасть в тонкие технологии химической сферы. В особенности, это может быть извлечение радиоактивных, рассеянных и редких металлов.

Так, применение оксида графена даст возможность добыть золото из бедных руд.

10 вариантов применения графена, которые изменят вашу жизнь

Применение графена

Он крепкий, он гибкий и он уже тут: после долгих лет исследований и экспериментов графен приходит в нашу жизнь, а конкретно – в продукты, которыми мы пользуемся повседневно. В недалеком будущем графен изменит мир смартфонов, аккумуляторов, спортивной экипировки, суперкаров и сверхпроводников.

Свойства данного материала настолько восхитительные, что некоторые люди даже думают, что графен достался нам от инопланетных кораблей, оставленных на нашей планете задолго до возникновения человечества.
Это, разумеется, фантастика, но потенциал графена не может не рождать такие же теории заговора.

Прошло более 60 лет с той поры, как ученые и производственники электроники первый раз попытались открыть всю мощь нового материала, впрочем его использование на практике стало настоящим лишь теперь. Новости о технологических прорывах в данной области не останавливаются, и следующий всплеск инфоповодов по данной теме прошёл в ходе недавней выставки мобильной электроники MWC 2018.

Дальше речь пойдёт о 10 способах применения графена, которые изменят вашу жизнь обозримой перспективе.

Маленькие УФ-сканеры

Применение графена

Обыкновенная одежда спасает нас от вредных лучей ультрафиолета, однако очень часто этого бывает недостаточно, тем более в жарких солнечных государствах. Проблема будет решена при помощи маленького гибкого УФ-сканера, который может крепиться на покров кожи, как обыкновенный пластырь, либо с самого начала встраиваться в одежду.

Когда этот сканер определит, что вы очень долго находитесь под прямыми лучами солнца, он отправит подходящее уведомление на смартфон, предупредив вас об опасности.

Умные стельки для атлетов

Применение графена

Производственники обуви и спорттоваров также делают большую ставку на графен. На данный момент уже существуют носки и стельки, распознающие силу давления в той либо другой области подошвы. Но подавляющее большинство подобных продуктов оборудованы всего несколькими датчиками, графен дает возможность расположить более 100 датчиков, которые совсем не влияют на вес обуви.

Прототипы очень технологичных стелек есть уже на данный момент, они сделаны из специализированой пены и измеряют давление с точностью до миллиграмма.

Графеновый крио-кулер для охлаждения базовых станций 5G

Нобелевский лауреат показал, как получить графен дома

Применение графена

Всем модулям беспроводной связи при увеличении объема передаваемых данных требуется все больше охлаждения, иначе оборудование перегреется. Аналогичным образом, неоднократное увеличение пропускной способности в приближающихся 5G-сетях.

Разработанный в Швеции небольшой охлаждающий насос способен уменьшать температуру базовых станций аж до -150 градусов, поддерживая стабильный сигнал.

Аудиотехника

Применение графена

Хотя первый раз графен был получен в Университете Манчестера, исследования этого материала ведутся по всему миру, а самое большее число патентов по применению графена принадлежит Китаю. В этом нет ничего удивительного, что самый большой изготовитель электроники в данной стране стал одним из первых брендов, внедривших графен в собственные продукты.

Так, Xiaomi Mi Pro HD являются наушниками с графеновой диафрагмой, которая дает возможность передавать более громкий, чистый и насыщенный звук. Также у Xiaomi есть терапевтический пояс PMA A10 из ткани, покрытой графеном.

Наиболее эффективные в мире фотоэлектрические панели

Применение графена

В Италии ученые создают фотоэлектрическую панель на основе графена и органических кристаллов. Эта технология дает возможность делать солнечные ячейки более большими, что увеличивает результативность сбора энергии и удешевляет производство в 4 раза.

Графеновые самолеты

В авиации вес – это все, от него зависит стоимость полета. Собственно поэтому Ричард Брэнсон (и остальные, менее знаменитости) предвещают полный переход коммерческих авиакомпаний на намного очень легкий и крепкий графен уже в ближайшее десятилетие.

И это не просто слова – например, Airbus уже не первый год активно занимается этим направлением.

Чехлы для смартфонов

Чехлы со встроенной батареей так и не прижились на рынке, а проблема быстро разряжающихся мобильных аккумуляторов некуда не убежала. Чехлы с задней панелью из графена смогут более эффектно охлаждать смартфон, прибавляя до 20% ко рабочего времени батареи в вашем мобильном устройстве.

Супертонкие электронные книги

На MWC 2017 компания FlexEnable показала построенную на основе графена полноцветную пиксельную матрицу для энергосберегающих мониторов и мониторов с электронными чернилами. Экраны такого типа будут иметь толщину обыкновенной бумаги.

Более того, эти матрицы будут гибкими, что спасает от надобности применения толстого защитного стекла.

Машины

Применение графена

Графен открывает большие перспективы для машиностроения, а именно для электромобилей. А дело все в том, что с сделанные из графена ТС обладают маленьким весом и большей жесткостью кузова, что дает возможность им быстрее ускоряться и тратить намного меньше электрической энергии.

Сверхбыстрые зарядки

Что, если бы вы могли зарядить собственный смартфон на 100% за 5 минут? Собственно такое количество времени требуется зарядному устройству от Zap & Go. И хотя тестовый образец имел емкость всего 750 мАч, такой результат не может не впечатлять.

А в следующем году инженеры компании обещают уменьшить данный показатель до 15-20 секунд. А в это время, в Huawei разработали традиционные литий-ионные батареи, которые благодаря использованию плита из пенополистирола как правило будут работать на температурах до 60 о С, что на 10 превосходит критерий типовых аккумуляторов на 10 градусов, что увеличивает эксплуатационный срок батареи практически в несколько раз.

Графен, его изготовление, применение и свойства

Графен, его изготовление, применение и свойства в электронике и др.

Графен является самым надежным материалом на Земля. В 300 раз крепче стали.

Лист графена площадью в один метр квадратный и толщиной, только в один атом, может держать предмет массой 4 килограмма. Графен, как салфетку, можно сгибать, сворачивать, растягивать.

Бумажная салфетка рвется в руках. С графеном этого не произойдет.

Описание графена. Открытие графена:

Графен – это двумерная аллотропная форма углерода, в которой объединённые в гексагональную кристаллическую решётку атомы образовывают слой толщиной в один атом. Атомы углерода в графене между собой соединяются sp 2 -связями. Графен в прямом смысле собой представляет материю, ткань .
Углерод имеет очень много аллотропов.

Отдельные из них, к примеру, алмаз и графит , известны давно, тогда как иные открыты практически недавно (10-15 лет тому назад) – фуллерены и углеродные нанотрубки . Нужно сказать, что именитый многие десятилетия графит собой представляет стопку листов графена, т.е. содержит несколько графеновых плоскостей.
На основе графена получены новые вещества: оксид графена, гидрид графена (именуемый графан) и флюорографен (продукт реакции графена со фтором).
Графен обладает необычными характеристиками, что дает возможность его использовать в разных областях.

Предполагается, что графен может стать прекрасной альтернативой кремнию, тем более в полупроводниковой промышленности, и иным элементам химии.
Графен был получен 2-мя британскими учеными российского происхождения Константином Новоселовым и Андреем Геймом, работающими в Университете Манчестера.

За «передовые опыты с двумерным материалом – графеном» Константин Новоселов и Андрей Гейм в 2010 г. были удостоены Нобелевской премии. Для получения графена ученые применяли подручные материалы – кусок графита и обыкновенный скотч.

Ученые нанесли на липкую ленту минимальное количество графита, после этого ее неоднократно склеивали и расклеивали ленту, каждый раз зонируя (отшелушивая) вещество надвое. Эти действия ученые проводили до той поры, пока от образца графита не останется один, последний – пропускающий свет слой – графен, который перенесли на подложку.

Этот вариант получения графена называется методом “отшелушивания”.

Свойства и плюсы графена:

– графен является самым надежным материалом на Земля. В 300 раз крепче стали . Лист графена площадью в один метр квадратный и толщиной, только в один атом, может держать предмет массой 4 килограмма.

Графен, как салфетку, можно сгибать, сворачивать, растягивать. Бумажная салфетка рвется в руках. С графеном этого не произойдет,

благодаря двумерной структуре графена, он считается самым гибким материалом, что даст возможность применять его, допустим, для плетения нитей и остальных верёвочных структур. При этом тоненькая графеновая «верёвка» по своей прочности будет аналогична толстому и тяжёлому стальному канату,
– в конкретных условиях у графена активируется ещё одна способность, которая дает возможность ему «подлечивать» «отверстия» в собственной кристаллической структуре в случае её повреждений,

графен обладает наиболее высокой электропроводностью. Графен почти не имеет сопротивления.

У графена в 70 раз мобильность электронов больше, чем у кремния . Скорость электронов в графене составляет 10 000 км/с, хотя в традиционном проводнике скорость электронов порядка 100 м/с.
– обладает высокой электроемкостью. Удельная энергоемкость графена приближается к 65 кВт*ч/кг.

Этот показатель в 47 раз превосходит тот, какой имеют столь популярные ныне литий-ионные аккумуляторы ,
обладает большой проводимостью тепла. Он на порядок теплопроводнее меди ,
– специфична полная оптическая светопроницаемость.

Он поглощает всего 2,3% света,
графеновая плёнка пропускает водяные молекулы и при этом останавливает все другие, что дает возможность применять ее как водяной фильтр,
– самый легкий материал.

В 6 раз легче пера,
инертность к внешней среде,
– впитует радиоактивные отходы,

благодаря Броуновскому движению (тепловым колебаниям) атомов углерода в листе графена последний способен «делать» электроэнергию,
– служит основой для сборки разных не только самостоятельных двумерных материалов, но и многослойных двумерных гетероструктур,

Графен оказался источником бесконечной энергии, революция в энергетике

– при протечке соленой воды по листу графена последний способен вырабатывать электроэнергию за счёт изменения кинетической энергии движения потока соленой воды в электрическую (т.н. электрокинетический эффект).

Физические свойства графена*:

Название критерия: Значение:
Длина связи С–С, нм 0,142
Плотность, мг/м 2 0,77
Удельная поверхностную площадь, м 2 /г 2630
Подвижность электронов, см 2 /(В с) 1,5 ? 10 4
Модуль Юнга, ТПа 1
Проводимость тепла, Вт/(м К) 5,1 ? 10 3
Оптическая проницаемость 0,977

* при температуре 20 градусов.

Учёные нашли способ дешёвого производства графена

Получение графена:

Ключевыми способами получения графена являются:
микромеханическое отшелушивание слоев графита (метод Новоселова – метод скотча).

Образец графита помещали между лентами скотча и постепенно отшелушивали слои, пока не останется последний тоненький слой, который состоит из графена,
диспергирование графита в водных средах,
механическая эксфолиация;

эпитаксиальный рост в вакууме;
химическое парофазное охлаждение (CVD-процесс),

метод “выпотевания” углерода из растворов в металлах или при разложении карбидов.

Получение графена дома:

Для получения графена дома нужно взять кухонный блендер мощностью не менее 400 Вт. В чашу блендера выливают 500 мл воды, добавляя в жидкость 10-25 миллилитров любого моющего вещества и 20-50 грамм толченого грифеля от карандаша.

Дальше блендер должен поработать от 10 минут до получаса аж до возникновения взвеси из чешуек графена. Получившийся материал будет владеть повышенной проводимостью, что даст возможность применять его в электродах фотоэлементов.

Также произведенный в домашних условиях графен может сделать лучше свойства пластика.

Использование графена:

Использование графена в медицине

солнечная энергетика,

очистка воды, фильтрация воды, опреснение морской воды,
электроника (ЖК-мониторы, транзисторы, микросхемы и др.),
в аккумуляторных батареях и источниках энергии.

Графеновый аккумулятор позволяет автомобилю без подзарядки одолевать 1000 км, время зарядки которого не больше 16 секунд,
медицина. Ученые выявили, что графеновые чешуйки оксида графена ускоряют размножение стволовых клеток и восстановление клеток костной ткани,

создание суперкомпозитов,
водоочистка от радиоактивных загрязнений. Оксид графена быстро убирает радиоактивные вещества из загрязненной воды.

Хлопья оксида графена быстро связываются с естественными и искусственными радиоизотопами и конденсируют их, преобразовывая в твёрдые вещества. Сами хлопья растворимы в жидкости, и их легко делать в очень больших масштабов.

как сделать графен википедия материал аккумулятор свойства аэрогель углерод графит приобрести цена видео Российская Федерация презентация плотность
техническое использование открытие получение технология производство структура открытие графена в светодиодных устройствах специалист нож

От умной одежды до зелёной энергетики: как применение графена изменит нашу жизнь

Незаметный и крепкий

Графен состоит из плотно соединённых атомов углерода, построеных в решётку наподобие сот пчел толщиной всего в один атом. Это выполняет его самым тонким материалом в мире, незаметным невооружённым глазом, однако при этом достаточно крепким и эластичным. Первый раз графен выделили в 2004 году российские учёные Андрей Гейм и Константин Новосёлов, которые работали тогда в Манчестерском университете.

Шесть лет спустя опыты физиков были удостоены Нобелевской премии.
С той поры экспериментаторы со всех уголков планеты пытались найти все современные способы использования и, что интересно, получения графена.

Ведь одним из основных факторов, которые мешают наладить масштабное производство этого чудо-материала, была большая цена «неповторимого» варианта получения графена при помощи сложного процесса гниения графита. Довольно быстро графен научились добывать с помощью лазера, применяя в качестве сырья простую древесину, и даже путём взрыва углеродсодержащего материала.

Пока одни учёные состязаются, чей метод получения графена дешевле и проще, иные находят ему самое оригинальное использование.

Красота не требует жертв

Профессионалы Северо-Западного университета (США) воплотили чёрный «от природы» графен в суперстойкую краску для волос.
Во время эксперимента американские учёные покрыли образцы волоса человека раствором из листов графена.

Так, физикам получилось превратить светлые, платиновые волосы в угольно-чёрные. Новый цвет оставался устойчивым на протяжении 30 смывов.
Краска на основе графена обладает дополнительными хорошими качествами, говорят исследователи из Америки.

Каждый покрыт ею волос аналогичен небольшому проводу, способному проводить тепло и электричество. Это значит, что волосы, покрашенные графеновой краской, легко рассеивают электричество возникающее в результате трения и решают проблематику электризующихся волос.
Американские учёные также считают, что их краска полностью безвредна.

«Слой снаружи ваших волос, или кутикула, делает функцию защиты и состоит из тонких клеток наподобие рыбных чешуек. Чтобы поднять эти чешуйки и дать возможность молекулам краски быстро попасть в волосы, применяются нашатырный спирт, перекись водорода или органические амины», — сообщил автор исследования Цзясин Хуан.
Из-за аналогичных действий волосы понемногу становятся тонкими.

Проблематику дает возможность решить краска, которая покроет волосы, однако не проникает в их структуру. Но подобная краска довольно быстро смывается. Как говорят профессионалы Северо-Западного университета, их открытие дает возможность справиться с двумя проблемами.

В индустрию моды и красоты графен начал проникать ещё в 2017 году, когда британская компания CuteCircuit представила платье с компонентами из данного чудо-материала. Платье Graphene Dress со спрятанными светоизлучающими диодами благодаря графену меняет цвет «в такт» дыханию его обладательницы.
«Материал грядущего» делает в шемизе сразу две задачи: он считается датчиком, улавливающим частоту дыхания, а еще питает светоизлучающие диоды, которые и меняют цвет платья.

Разработчики умной одежды думают, что графен можно применять для получения тканей, которые будут по радикальному менять собственный цвет. Презентация Graphene Dress состоялась на родине данного материала — в Манчестере.

Негромкая графеновая революция

«У графена массу интересных физических параметров и явлений, к примеру электронные свойства, которые дают возможность применять графен для конструирования трудных электронных наноустройств. Есть работы, в которых его применяют для защиты наночастиц от окисления», — рассказал в беседе с RT научный работник кафедры химической кинетики химического факультета московского университета им. М.В.

Ломоносова Владимир Боченков.
Более того, графен поможет решить одну из основных задач современностиполучить дешевые, прочные и экологично безопасные источники энергии.

Так, графеновые композиты дают возможность создать намного лучше фотоэлектрические батареи. Учёные из Массачусетского технологического института подтвердили, что с помощью графена можно создать эластичные, дешёвые и просвечивающиеся солнечные детали, превращающие фактически любую поверхность в источник электрической энергии. Фотоэлектрические панели из графена, по словам учёных, могут делать энергию даже во время дождей.

«В графене разрешено делать конкретные отверстия, выбивая некоторые атомы углерода, и получать регулирующиеся поры, которые можно применять в качестве мембранные ткани в батареях и топливных ячейках. Также мембранные ткани на основе графена могут удешевить производство тяжёлой воды.

Она нужна в атомной промышленности для получения относительно чистой в экологическом плане энергии. Тут снова же неповторимые свойства графена дают возможность быстрее делить субатомные частицы, делая общий процесс более экономичным. В результате мы приобретаем более зелёную и дешёвую атомную энергию», — отметил Боченков.

Самые большие технологичные компании уже приступали к разработке литийионных аккумуляторов для смартфонов с применением графена. Инновационная технология позволяет заряжать батарею быстрее и сохранять заряд дольше.
Графен можно применять в качестве мембранные ткани для фильтрации атомов водорода в воздухе и получить биологически чистое горючее.

К такому выводу пришли первооткрыватели графена. Андрей Гейм и Константин Новосёлов выяснили, что при больших температурах и наличии платины в качестве ускорителя реакции графен пропускает благоприятно заряженные ионы водорода (протоны) и останавливает фактически все остальное. Эта технология поможет осуществить прорыв в развитии зелёной энергетики.

Взяли на вооружение графен и производственники военной продукции. Стало известно, что материал обладает пуленепробиваемыми качествами. Учёные из Нью-Йоркского университета получили необычайно прочные и практически легкие бронежилеты.

Во время эксперимента физики запустили стеклянную микропулю в листы графена толщиной от десяти до 100 слоёв. Графен рассеял энергию пули, летящей на скорости 3000 м/с.

Но в точке удара материал вытянулся в форме конуса, а потом треснул. Образование трещин не дает возможность пока поставить графеновые бронежилеты на службу полицейским. По оценкам профессиональных мастеров, чтобы обезопасить собственных владельцев, такие бронежилеты должны состоять из миллионов слоёв графена.

А чтобы это сделать требуется наладить его изготовление в очень больших масштабов.
Проник графен и в биологию.

В 2016 году китайские учёные накормили шелкопрядов тутовыми листами, которые были сбрызнуты препаратами, содержащими графен. В конце концов исследователи получили прочную и хорошо проводящую электричество графеновую шёлковую нить.
«Экспериментов с графеном проходит масса.

Потенциал данного материала неимоверно широк. Думаю, спустя пару лет графен будет применяться в разработке и разных детекторов света, и контактных линз, и вообще чего угодно.

Использование на практике данного материала может ограничиваться лишь фантазией учёных», — заключил Боченков.