Графеновые технологии что это
Графен, его производство, свойства и применение
Графен, его производство, свойства и применение в электронике и др.
Графен является самым прочным материалом на Земле. В 300 раз прочнее стали. Лист графена площадью в один квадратный метр и толщиной, всего лишь в один атом, способен удерживать предмет массой 4 килограмма. Графен, как салфетку, можно сгибать, сворачивать, растягивать. Бумажная салфетка рвется в руках. С графеном такого не случится.
Описание графена. Открытие графена:
На основе графена получены новые вещества: оксид графена, гидрид графена (называемый графан) и флюорографен (продукт реакции графена со фтором).
Графен обладает уникальными свойствами, что позволяет его использовать в различных сферах. Предполагается, что графен может стать отличной заменой кремнию, особенно в полупроводниковой промышленности, и другим химическим элементам.
Графен был получен двумя 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 использовали подручные материалы – кусок графита и обычный скотч. Ученые нанесли на липкую ленту небольшое количество графита, после чего ее много раз склеивали и расклеивали ленту, каждый раз разделяя (отшелушивая) вещество пополам. Эти действия ученые проводили до тех пор, пока от образца графита не остался один, последний – прозрачный слой – графен, который перенесли на подложку. Данный способ получения графена именуется методом “отшелушивания”.
Свойства и преимущества графена:
– благодаря двумерной структуре графена, он является очень гибким материалом, что позволит использовать его, например, для плетения нитей и других верёвочных структур. При этом тоненькая графеновая «верёвка» по прочности будет аналогична толстому и тяжёлому стальному канату,
– в определённых условиях у графена активируется ещё одна способность, которая позволяет ему «залечивать» «дырки» в своей кристаллической структуре в случае её повреждений,
– обладает высокой теплопроводностью. Он в 10 раз теплопроводнее меди. Его теплопроводность составляет около 5000 Вт/м∙К,
– характерна полная оптическая прозрачность. Он поглощает всего 2,3% света и оптически прозрачен в широком диапазоне от UV до far-IR,
– графеновая плёнка пропускает молекулы воды и при этом задерживает все остальные, что позволяет использовать ее как фильтр для воды,
– самый легкий материал. В 6 раз легче пера,
– инертность к окружающей среде,
– впитывает радиоактивные отходы,
– благодаря Броуновскому движению (тепловым колебаниям) атомов углерода в листе графена последний способен «производить» электрическую энергию,
– является основой для сборки различных не только самостоятельных двумерных материалов, но и многослойных двумерных гетероструктур,
– при протекании соленой воды по листу графена последний способен генерировать электрическую энергию за счет преобразования кинетической энергии движения потока соленой воды в электрическую (т.н. электрокинетический эффект),
– графен является гидрофобным и абсолютно непроницаем (за исключением воды) материалом для жидкостей и газов, в том числе агрессивных соединений,
– химически нейтрален, стабилен и экологичен.
Графеновая гонка. Как графен может изменить нашу жизнь?
2021 год был объявлен в России Годом науки и технологий, а месяц июнь, согласно календарному плану Года, посвящен новым производственным технологиям и материалам. Сегодня мы поговорим об одном из таких новых перспективных материалов — графене.
Графен — самый тонкий материал из когда-либо обнаруженных. Впервые он был выделен в начале нулевых, а в 2010 году выпускникам МФТИ, сотрудникам Манчестерского университета Андрею Гейму и Константину Новоселову за это открытие присудили Нобелевскую премию по физике. Есть много идей, как можно применить этот тонкий и чрезвычайно прочный материал, о котором так много говорят в последние годы.
Слой углерода толщиной в один атом
Толщина графена составляет всего один атом — это самый тонкий материал в мире, его можно назвать двумерным объектом. Представьте обычный грифель карандаша, которым вы пишете — он состоит из нескольких миллионов слоев графена, и, по сути, графит в карандаше — это уложенные друг на друга слои графена. Поэтому каждый из нас хотя бы раз в жизни держал графен в руках. Материал был обнаружен Геймом и Новоселовым, когда они изучали проводимость графита. Приклеив скотч к куску графита, ученым удалось получить один слой графена.
Идея отделить слой графена от графита с помощью скотча пришла к ученым спонтанно. Скотч, с помощью которого образцы графита готовят для работы на сканирующем туннельном микроскопе, после процедуры обычно отправляется в мусорное ведро. Однако Новоселов и Гейм решили найти куску скотча с остатками тонкого слоя материала другое применение — за это впоследствии их в шутку окрестили garbage scientists (мусорные ученые).
В возможность отделить один слой никто не верил. Семьдесят лет назад Лев Ландау и Рудольф Пайерлс доказали, что таких материалов существовать не может: силы взаимодействия между атомами должны смять их в гармошку или свернуть в трубочку, пишет Forbes. Однако графен оказался исключением из этого правила.
Практическое применение
Графену приписывают множество самых разнообразных практических применений. Его возможно использовать для создания имплантов для мозга, он может применяться в системе охлаждения для спутников, графен можно превратить в сверхпроводник; полезен он и в быту: например, в качестве краски для волос. Уже сегодня графен применяется в электронике, медицине: работы по нейродевайсам и биосенсорам ведутся с 2008 года — но когда графеновую биоэлектронику начнут массово применять на практике, пока трудно сказать.
Этот материал особо ценится за его прочность и упругость. А еще графен очень прозрачный: его прозрачность составляет 97%.
«Сейчас есть много идей о том, как можно применять графен. Были идеи, что получится его использовать в качестве транзистора, как замена элементной базы современной электроники. Но это, насколько я знаю, не пошло, и теперь пытаются использовать его упругие свойства. Если сравнить атомарный слой углерода (чем по своей сути графен и является) и атомарный слой, скажем, алюминия, то мы увидим, что жесткость графена будет как минимум в десять раз выше. Так как графен одноатомный, то он спокойно пропускает свет, то есть вы видите через него всё. С другой стороны, он достаточно прочный, чтобы обеспечить необходимую защиту от каких-то механических воздействий. Поэтому графен можно применять как прозрачный, но прочный экран для предохранения жидкокристаллических дисплеев, например. Его прочность может быть полезной для создания гибких небьющихся экранов, городских строений и др., возможно, он станет будущим строительным материалом для космических кораблей, общественного транспорта и т.д.», — рассказывал в интервью «Научной России» заместитель директора Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН Игорь БУРМИСТРОВ.
Нобелевские лауреаты К. Новоселов (слева) и А. Гейм. Источник фото: https://panorama.pub/
Некоторые эксперты считают, что графен даже может спровоцировать новый скачок в развитии человеческой цивилизации. Кремниевая эра скоро закончится, говорят ученые, ведь кремневая элементная база, на которой создается современная техника, уже подходит к своему технологическому и физическому пределу, и в этом смысле графен может стать отличной альтернативой. Использование графена в электронике поможет создать более мощные компьютеры и системы. В мире его уже используют для создания гибких мобильных телефонов.
В свое время освоение металлов кардинально изменило жизнь людей — ту же судьбу пророчат графену, называя его самым загадочным и многообещающим новым материалом будущего, который способен произвести революцию в энергетике. Графен дает возможность получать энергию совершенно новым способом. Этот материал обладает возможностью пропускать позитивно заряженные атомы водорода, при том, что он непроницаем для других газов, в том числе и для самого водорода. Это открывает перед учеными невероятные перспективы по созданию топливных элементов на основе водорода. Так, например, можно будет собирать в таких элементах водород из воздуха, а затем получать с помощью графена электричество и воду, практически не порождая никаких отходов.
В прошлом году физики из США показали, что графен можно использовать для сбора энергии: он способен вырабатывать энергию с помощью окружающей среды. Учеными из Университета Арканзаса была разработана схема, способная улавливать тепловое движение графена и преобразовывать его в электрический ток.
«Энергосберегающая схема, основанная на графене, может быть встроена в чип для обеспечения чистой, безграничной, низковольтной энергии для небольших устройств или датчиков», — отметил Пол Тибадо, профессор физики, участвовавший в эксперименте.
Графен может быть использован для создания квантовых компьютеров, благодаря этому материалу такие компьютеры могут стать компактнее. У графена могут быть и более общедоступные применения, например в дизайне одежды. Вещи из графена, легкие и плотные, уже сегодня можно найти на мировых рынках.
Графеновое будущее
Разработки на основе графена уже близки к массовому внедрению в экономику, считает член-корреспондент РАН, научный руководитель Корпоративного энергетического университета Евгений Аметистов. При этом в графеновой гонке Россия отнюдь не лидирует, и наши технологии далеки от совершенства.
В рамках программы финансирования науки (2014-2020 гг.) Евросоюз выделил один миллиард евро на запуск производства графена в промышленных масштабах. Проект объединяет 23 страны и 142 научно-исследовательских коллективов и промышленных партнёров. Не так давно, в 2015 году, в Манчестере открылся Национальный графеновый институт, строительство которого финансировали Европейский фонд регионального развития и правительство Великобритании. Однако более половины мировых публикаций и заявок на патенты в области графена сегодня принадлежит Китаю, где действует так называемый Инновационный альянс графеновой промышленности.
А как обстоят дела в России? По числу исследований графена Россия сегодня находится на 14-м месте в мире, пишет российский деловой еженедельник «Эксперт». Причем процент российских научных публикаций по теме графена падает, отмечает издание: в 2000-е годы он составлял 5,6%, а в 2021 — только 2,3%.
Исследованиями графена в России занимаются свыше 30 организаций, среди них различные институты Российской академии наук, МГУ им. М.В. Ломоносова, предприятия ГК «Роскомос», частные фирмы. В нашей стране есть свой Институт графена, на базе которого впервые в России была создана установка полупромышленного типа для производства чистого (почти 100%) графена.
«Сейчас идет своеобразная графеновая гонка. Наши позиции изначально были очень хорошими, поскольку традиционно Россия сильна в плане фундаментальной физики. Конечно, мы немного упустили тот момент, когда мир рванул вперед», — рассказывал директор центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Валентин Волков на Международной конференции по двумерным материалам в г. Сочи.
Уже сегодня в России графеновые и графеноподобные материалы применяют для повышения ударной прочности экспериментальных образцов карбидокремниевой брони для ударных вертолетов и военных шлемов, при производстве солнечных панелей, используют в составе литий-ионных аккумуляторов и т.д. Однако массовое применение графена — вопрос будущего.
Графен с неба, в воде и в вакцинах. Зачем?
2015-2017 годы. ПАУКИ И ГРАФЕН
Группа итальянских исследователей обнаружила, что при нанесении на некоторых пауков водной взвеси графена и углеродных нанотрубок (УНТ) некоторые животные способны включать их в состав своей паутины, что делает ее более прочной.
Можно также и поить их взвесью графена в воде.
Как оказалось, графен не нарушает жизнедеятельность некоторых из насекомых.
То есть не убивает, по крайней мере сразу.
Так, по ударной вязкости, доходящей до 520 Мдж/м2, их паутина десятикратно превосходит кевлар (защита от ножа и пули), что позволяет паукам Дарвина плести нити до 25 метров длиной и даже перекидывать «мосты» из такой паутины через небольшие реки.
Графен может стать частью живого организма, встроиться в него и изменить его свойства.
2016 год. ГРАФЕН И ШЕЛКОПРЯД
Учёные с химического факультета и центра нано- и микромеханики Университета Цинхуа (Пекин) предложили новый способ обогащения шёлкового волокна с помощью углеродных нанотрубок и графена.
Китайские учёные предположили, что для пищеварительной системы шелкопрядов и внедрения в структуру фиброина гораздо более приемлемыми окажутся одностенчатые углеродные нанотрубки диаметром около 1-2 нм.
Кроме одностенчатых нанотрубок, учёные решили скормить шелкопрядам ещё и графен, тоже потенциальный упрочнитель.
Чтобы скормить материалы животным, учёные применили простой метод: они распылили взвесь с одностенчатыми нанотрубками и графеном на листья шелковицы, которыми питаются шелкопряды — а потом собрали продукт из кокона.
Опыт завершился успехом.
Диета шелкопрядов с добавками одностенчатых нанотрубок и графена привела к получению шёлковой нити с улучшенными свойствами.
Нить получена естественным натуральным путём из кокона, как и обычная шёлковая нить.
Учёные изучили спектры комбинационного рассеяния шёлкового волокна и экскрементов шелкопрядов — и подтвердили в обоих случаях внедрение углеродных нанотрубок в шёлковое волокно.
Они также проверили, насколько изменились свойства волокна после внедрения углеродных нанотрубок.
Неудивительно, что после добавления графена и углеродных нанотрубок шёлковая нить стала проводником электричества.
У лучшего образца шёлка с частицами графена электрическая проводимость составила довольно высокие 120 сименс на сантиметр.
Такой шёлк можно использовать в электронике.
Удобно запитывать носимые гаджеты, вшитые прямо в шёлковую одежду.
Собственно, и светящуюся ткань сделать достаточно просто.
Научная статья опубликована 13 сентября 2016 года в журнале Nano Letters (doi: 10.1021/acs.nanolett.6b03597).
Графен может стать частью живого организма, встроиться в него и изменить его свойства.
2020 год. ЛЮДИ И ГРАФЕН
Смотрим сайт «GRAFENE FLAGSHIP».
Он рассказывает о проекте Евросоюза с бюджетом в 1 млрд. евро.
Речь идет о производстве и использовании графена.
Биолог по имени Рикардо Дельгадо и врач Хосе Луис Севильяно, ведущие онлайн-программы под названием «La Quinta Columna», выдвинули версию, по которой руки некоторых людей становятся магнитными именно в том месте, где им сделали прививку.
В этих местах прилипают не только магниты, но и ножницы, металлические детали, инструменты, даже мобильные телефоны!
Это явление не является исключительным для руки.
В течение нескольких дней оно перемещается в сторону груди, шеи или верхней части позвоночника.
Причина?
La Quinta Columna, команда испанских исследователей, обнаружила, что некоторые вакцины содержат оксид графена.
Рикардо Дельгадо:
«Они вводят оксид графена в качестве адъюванта в вакцины против COVID-19.
Он имеет полосу поглощения для частот 5G, что также может служить причиной магнитного явления.
Нановещества внедряются в ампулы с вакциной.
Не только от COVID-19, но и от вакцины против гриппа.
Существует множество свидетельств «магнитного» явления во всем мире.
Они связаны не только с явлением прилипания магнитов и металлических предметов к месту уколов.
Есть еще явления электромагнитной индукции, генерирующей переменные электромагнитные поля внутри тела если использовать измерительные приборы, такие как гауссметр или мультиметр, которые тоже генерируют переменные электрические поля в милливольтном масштабе, но очень необычные, порядка 180 мВ до 200-350 мВ у некоторых людей, особенно в области лба.
Графен может стать частью организма людей и изменить его свойства, например, сделать более электропроводным и способным принимать сотовое излучение, поскольку при попадании внутрь нас он встраивается в нас на некоторое время (например, полгода) и превращается в антенну.
ЗАЧЕМ?
ПОЧЕМУ ИМЕННО ОКСИД ГРАФЕНА?
Вот версия.
Исследователи из компании Graphene Flagship, партнеры SISSA в Италии, ICN2 в Испании и Манчестерского университета в Великобритании, в сотрудничестве с Медицинской школой Рибейран-Прету Университета Сан-Паулу, в модельном исследовании обнаружили, что оксид графена подавляет поведение, связанное с тревогой.
Они обнаружили, что введение оксида графена в определенную область мозга заставляет замолчать нейроны, ответственные за тревожное поведение.
Ученые использовали обычную модель поведения животных, которую описывают следующим образом.
В известном классическом мультфильме «Том и Джерри», Джерри живет в дыре в стене небольшой комнаты, где чувствует себя защищенным и в безопасности.
Обычно мышь исследует комнату свободно и без забот.
Но когда мышь нюхает кошку, она убегает обратно в нору, поскольку знает, что только там безопасно.
Это очень сильное защитное поведение и основа для реакции «бей или беги», которая свойственна большинству животных.
Мышь надолго запоминает такое свое поведение и при малейшем шорохе убегает обратно в нору даже по прошествии недель встречи с кошкой, даже после того, как малейших запах кошки исчез.
Однако, применив точечное введение оксида графена исследователи получили удивительные результаты. «Через два дня после инъекции оксида графена в определенную область мозга мыши она вела себя как другие мыши, которые никогда не ощущали запах кошки в своей домашней среде.
Другими словами, оксид графена подавлял тревожное поведение мышей», – объясняет Лаура Баллерини, ведущий автор статьи и профессор физиологии из компании Graphene Flagship
«Оксид графена взаимодействует с частью мозга, ответственной за формирование воспоминаний, связанных со страхом, которые вызывают беспокойство. Он не действует как лекарство, подавляя функцию каких-то выборочных рецепторов рецепторов, как действуют все другие лекарства.
Вместо этого графен временно останавливает весь механизм формирования воспоминаний на достаточно долгое время, чтобы разрушить связанную со страхом патологию мозга, не повреждая клеток», – продолжает Баллерини.
Таким образом, экспериментально показано, что графен имеет тропизм к нервной ткани и хорошо там накапливается.
А после того как его концентрация в нейросети становится достаточной – он начинает блокировать механизм формирования памяти, переписывая её настолько, что мышь потом никак не реагирует на кота.
БЛАГИЕ НАМЕРЕНИЯ ВЛАСТЕЙ
Путей введения в нас графена немало.
Это и распыление с самолетов, и добавление в воду.
И вакцины (главный способ введения), и многое, многое другое.
Чему нужно учиться теперь?
Нужно учиться лечиться, чтобы выжить самому и помочь близким.
Все это работает, причем здорово!
Особенно с молитвой Тому, Кто создал лечебные растения и минералы!
(читайте мои статьи, там все есть).
Что такое графен и как он изменит нашу жизнь?
Впервые о графене заговорили в 2004 году, когда Андрей Гейм и Константин Новоселов — британские ученые российского происхождения — опубликовали статью в журнале Science [1]. В ней говорилось о новом материале, который получили с помощью обычного карандаша и скотча. Ученые просто снимали клейкой лентой слой за слоем, пока не дошли до самого тонкого — в один атом. В 2010-м за это их наградили Нобелевской премией. С тех прошло уже десять лет.
Что такое графен и чем он так уникален?
Углерод — это материал, состоящий из кристаллической решетки, которую образуют шестиугольники атомов. Графен — это один слой решетки толщиной в 1 атом.
Отсюда — его первое уникальное свойство: самый тонкий.
Такую структуру графен приобретает за счет sp2-гибридизации. Дело в том, что на внешней оболочке атома углерода расположены четыре электрона. При sp2-гибридизации три из них вступают в связь с соседними атомами, а четвертый находится в состоянии, которое образовывает энергетические зоны. В результате графен еще и прекрасно проводит электрический ток.
Уникальность графена в том, что он обладает такой же структурой, как и полупроводники, при этом он сам проводит электричество — как проводники. А еще у него высокая подвижность носителей заряда внутри материала. Поэтому графен в фото- и видеотехнике обнаруживает сигналы намного быстрее, чем другие материалы.
Графен обладает хорошей теплопроводностью, гибкостью и упругостью, он на 97% прозрачный. При этом, графен — самый прочный из известных материалов: прочнее стали и алмаза.
Миф о токсичности графена
Однако сейчас в биоэлектронике используют другой способ получения графена — путем химического осаждения из газовой фазы. Частицы получаются достаточно крупными. Потом их закрепляют на подложке, и проникнуть сквозь клеточную мембрану они уже не могут.
Где уже используют графен?
Сейчас графен успешно применяют в электронике. Самый массовый продукт — это пауэрбанк [3]: производители обещают, что сам он заряжается за 20 минут, а топовый смартфон заряжает наполовину за полчаса.
Существуют также графеновые куртки и платья. Последние, в частности, оснащены светодиодами [4], которые реагируют на дыхание и температуру тела, меняя цвет.
Теннисные ракетки с графеном весят до 300 грамм меньше, чем обычные, при той же силе удара.
Наконец, машинное масло с графеном призвано снизить износ двигателя.
Где можно применять графен в будущем?
Есть и еще одно свойство графена: он биосовместим, то есть взаимодействует с живыми клетками. Ученые обещают, что материал поможет диагностировать и лечить рак [5]. Это делают с помощью чипа с графеном, который придает повышенную чувствительность. На поверхность чипа высаживают раковые клетки и тестируют на них различные лекарства.
Такие чипы можно использовать и для тестирования других лекарств, а также — определения биомаркеров: иммуноглобулина, ДНК, нейрональных биорецепторов.
Из графена также планируют делать дешевые солнечные батареи, опресняющие устройства для морской воды, гибкие дисплеи, сверхпрочные бронежилеты, сверхчувствительные микропроцессоры, элементы для беспилотников и космических ракет, телефоны с бесконечной зарядкой и умную одежду.
Для России самым перспективным применением графена могут стать нефте- и газодобыча. На основе графена делают жидкости, которые позволят управлять толщиной и свойствами фильтрационной корки буровых растворов. А еще можно делать полимерные трубы и покрытия для нефте- и газопроводов с применением графена.
Графеновый бум
За 7 лет после вручения премии вышло больше 130 тыс. научных работ, посвященных графену и его свойствам. Доля таких исследований среди всех остальных выросла с 0,2% в 2010 году до 1% в 2016-м.
В научном сообществе тестирование свойств графена стало почти мемом. Доходит до того, что в графен добавляют куриный помет, чтобы проверить, как это отразится на его качествах [6].
Всего в мире зарегистрировано более 50 тыс. патентных заявок с упоминанием графена. Больше половины из них принадлежит Китаю, следом идут Южная Корея, США, Япония и Тайвань.
В Китае исследованиями занимаются государственные вузы. В 2013 году здесь создали Инновационный альянс графеновой промышленности, который пророчит Китаю в этой сфере долю в 80% от общемировой.
В остальных странах в графен активно вкладываются коммерческие компании. В Евросоюзе за это отвечает проект Graphene Flagship с инвестициями в €1 млрд [7]. В США — Национальная графеновая ассоциация, в консультативный совет которой входят представители Apple, IBM и Cisco.
В графене заинтересованы гиганты аэрокосмической отрасли: Boeing, Lockheed Martin, Airbus и Thales. Они рассчитывают, что новые материалы позволят им в разы снизить расход топлива — как композиты, которые экономят до 30% горючего в Boeing 787. Электронные корпорации включились в графеновую гонку в надежде, что это принесет им лидерство на рынке смартфонов и аксессуаров к ним.
Среди них — Samsung [8]: компания уже скупила десятки патентов, которых хватит на целую линейку продуктов с графеном. В частности, она представила новый тип аккумуляторов, которые можно будет заряжать за рекордные 12 минут. Такие появятся в новых смартфонах бренда не позднее 2021-го года. Их главный конкурент — Apple — запатентовала акустические диафрагмы с графеном для использования в устройствах следующих поколений. И это, судя по всему — только начало.
В России тоже занимаются изучением графена и даже патентуют электронные устройства на его основе — на базе в Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ. Двое ученых-выпускников этого вуза — гендиректор ведущего производителя Graphene 3D Lab Inc. Елена Полякова и профессор Свободного университета Берлина Кирилл Болотин — входят в ту самую американскую ассоциацию.
Почему же графен до сих пор не изменил нашу жизнь?
Во-первых, он все еще очень дорогой. При этом пока нельзя однозначно посчитать, сколько его нужно и для каких целей. Для этого материала нет единой шкалы измерения, так как он может иметь разную структуру — в зависимости от способа получения.
Во-вторых, массовое производство графена пока не налажено, потому что нет технологий, которые бы позволили бы это: например, сложные электронные устройства с графеном делают вручную. Для графена нужна какая-то подложка — например, кварцевая — которая и определяет свойства конечного продукта. При этом пока еще не совсем понятно, какие именно это должны быть свойства.