Графен что это такое

Графен: что это такое, где применяется и как получить материал, который изменит будущее.

Графен — не просто модное слово, а материал, способный перевернуть представления о технологиях, энергетике и медицине. Его исключительные свойства — основа для инноваций. Что скрывается за этим термином, где используется графен и как его производят?
Графен: что это
Графен — одноатомный слой углерода, организованный в двумерную гексагональную решетку. Простыми словами, это супертонкий материал, соединенных в виде формы пчелиной соты.
Еще графен — базовый структурный элемент графита, того самого, из которого сделаны карандашные стержни. Однако в отличие от графита, он существует в виде плоского листа толщиной в один атом. То есть это первый двумерный материал, обнаруженный в природе.
Структура графена. Источник: Shutterstock
Области применения
От спортивных кроссовок до космических кораблей: вот как этот «чудо-материал» меняет реальность.
Электроника и нанотехнологии
Графен может стать основой посткремниевой эры. Его высокая проводимость и миниатюрность открывают путь к созданию сверхбыстрых транзисторов, гибкой электроники и прозрачных сенсорных экранов. Например, компания Samsung анонсировала графеновые аккумуляторы, заряжающиеся примерно за 15 минут. Пока эта технология находится в разработке.
В смартфонах будущего экраны не разобьются при падении, а батареи будут заряжаться за считанные минуты — и все благодаря графену. Его уже тестируют в гибких дисплеях, которые можно свернуть в рулон, и в процессорах, где электроны мчатся без сопротивления.
Датчики на основе графена в умных часах улавливают пульс точнее, а в телефонах — делают фото четче даже в темноте.
Австралийская компания Graphene Manufacturing Group (GMG) создала батареи на основе алюминия и графена. Эти аккумуляторы заряжаются в 60 раз быстрее литий-ионных. Источник: Shutterstock
Энергетика
В солнечных панелях графен повышает эффективность преобразования света, а в аккумуляторах увеличивает емкость и скорость заряда. Представьте панели, тонкие как пленка, которые можно наклеить на окно — а они работают даже в облачную погоду.
Ученые из Массачусетского технологического института, Сколтеха и Университета Аалто в Хельсинки разработали графеновые суперконденсаторы, способные хранить энергию в разы дольше традиционных батарей.
Ещё по теме
Что такое альтернативная энергия — источники энергии, биотопливо, солнечное тепло, ветряная энергия
Читать статью
Медицина
Свойства графена позволяет использовать его для доставки лекарств, создания имплантатов и диагностики.
Графеновые датчики размером с молекулу могут следить за уровнем сахара в крови без прокола пальца. Имплантаты из графена, гибкие и биосовместимые, способны «обмануть» иммунитет — их тестируют для восстановления нервов. Даже антибактериальные повязки с графеном уже заживляют раны быстрее, убивая инфекцию без лекарств.
Исследования Университета Манчестера показали, что графеновые мембраны могут эффективно фильтровать воду, удаляя даже соли тяжелых металлов. А ученые из МГУ недавно представили свои разработки: для улучшения свойств наномембраны они добавили в материал оксид графена.
Композитные материалы
Добавление графена в пластик, металл или бетон усиливает их прочность, легкость и устойчивость к коррозии.
Например, автомобильные компании тестируют графеновые кузовы для снижения веса машин и расхода топлива.
Космические технологии
Сверхлегкие и прочные графеновые материалы идеальны для космических аппаратов.
Кто открыл графен
В 2004 году Андрей Гейм и Константин Новоселов совершили открытие, похожее на магический фокус. Экспериментируя с графитом, они приклеили к нему кусочек скотча. Отрывая липкую ленту, забирали тончайшие слои графита. Повторяя этот процесс снова и снова, исследователи впервые в истории выделили материал толщиной в один атом.
Казалось бы, что особенного в чешуйке углерода? Но открытие оказалось невероятным. Структура вещества, напоминающая проволочную сетку из шестиугольников, сочетает парадоксальные свойства:
• прочнее алмаза,
• прозрачнее стекла,
• гибкий как пластик,
• проводит ток лучше серебра.
До этого ученые считали, что такие материалы не могут существовать в реальности — их описывали лишь в теориях.
Интересно, что о слоистой структуре графита знали еще в середине XX века, но десятилетиями никто не мог отделить один слой. Многие коллеги Гейма и Новоселова сомневались в их методе, называя его «детским». Однако именно простота подхода стала ключом к успеху.
Открытие стало прорывом. В 2010 году дуэт получил Нобелевскую премию по физике, а графен назвали «материалом будущего», способным перевернуть прикладные сферы жизни.
Что делает его уникальным
Если бы материалы могли быть супергероями, графен занял бы почетное место в рейтинге. Невероятно тонкий, он напоминает невидимый плащ с суперспособностями, о которых раньше можно было только фантазировать.
Вот что делает его таким особенным:
• Прочность и гибкость. Графен в 200 раз прочнее стали, при этом обладает исключительной гибкостью. Его можно растянуть на 20% без повреждений — недостижимо для большинства материалов.
Ещё по теме
Из чего делают сталь и где ее применяют
Читать статью
• Электропроводность. Электроны в графене движутся со скоростью, близкой к скорости света, что делает его идеальным проводником. Это свойство превосходит медь и кремний.
• Теплопроводность. Отводит тепло лучше любого металла. Эта особенность может спасти гаджеты от перегрева: для наглядности достаточно представить ноутбук, который никогда не тормозит из-за высокой температуры.
• Прозрачность. Поглощая всего 2,3% света, графен почти прозрачен, что особенно актуально для дисплеев и солнечных панелей.
• Химическая стабильность. Устойчив к агрессивным средам — это расширяет сферы применения.
Получается, графен — универсальный материал, способный заменить традиционные вещества в разных областях.
Как получить графен
Производство — сложная задача, которая требует баланса между качеством, стоимостью и масштабом. Есть несколько основных методов: у каждого свои преимущества и ограничения, а выбор зависит от требуемых свойств и области применения.
Механическое отслаивание
Он же «метод скотча» — первоначальный способ, использованный Геймом и Новоселовым. Остается эталоном для получения высококачественного графена.
Графит обрабатывают липкой лентой, постепенно отделяя слои до одноатомной толщины.
Несмотря на простоту, метод непрактичен для массового производства из-за низкого выхода.
Химическое осаждение из газовой фазы (CVD)
Наиболее перспективный промышленный метод. Углеродсодержащие газы (например, метан) подаются на металлическую подложку из меди или никеля, где при высоких температурах происходит распад молекул и образование графена.
CVD позволяет создавать большие листы материала, пригодные для электроники.
Главные минусы способа: высокая стоимость и энергозатратность.


Источник:
© Совкомблог