Графен і його застосування. Відкриття графена. Нанотехнології в сучасному світі
Порівняно недавно в науці і техніці з`явилася нова область, яку назвали нанотехнологией. Перспективи даної дисципліни не просто великі. Вони грандіозні. Частка, що іменується «нано», являє собою величину, що дорівнює одній мільярдної частки від будь-якого значення. Подібні розміри можна порівняти тільки з розмірами атомів і молекул. Наприклад, нанометром називають одну мільярдну частку метра.
Содержание
Основний напрямок нової галузі науки
Нанотехнологіями називають ті, які маніпулюють речовиною на рівні молекул і атомів. У зв`язку з цим дану галузь науки називають ще і молекулярної технологією. Що ж стало поштовхом до її розвитку? Нанотехнології в сучасному світі з`явилися завдяки лекції Річарда Фейнмана. У ній вчений довів, що не існує ніяких перешкод для створення речей безпосередньо з атомів.
Засіб для ефективного маніпулювання дрібними частками назвали ассемблером. Це молекулярна наномашин, за допомогою якої можна вибудувати будь-яку структуру. Наприклад, природним ассемблером можна назвати рибосому, що синтезує білок в живих організмах.
Нанотехнології в сучасному світі є не просто окремою галуззю знань. Вони являють собою велику сферу досліджень, безпосередньо пов`язану з багатьма фундаментальними науками. У їх числі знаходяться фізика, хімія і біологія. На думку вчених, саме ці науки отримають найбільш потужний поштовх до розвитку на тлі прийдешньої нанотехнических революції.
Галузь застосування
Перерахувати всі сфери діяльності людини, де на сьогоднішній день використовуються нанотехнології, неможливо через досить значного переліку. Так, за допомогою даної галузі науки виробляються:
- пристрої, призначені для надщільного запису будь-інформації-
- різна відеотехніка-
- сенсори, Сонячні елементи, напівпровідникові транзістори-
- інформаційні, обчислювальні й інформаційні технології-
- наноімпрінтінг і нанолітографія-
- пристрої, призначені для зберігання енергії, і паливні елементи-
- оборонні, космічні та авіаційні Програми-
- біоінструментарій.
На таку наукову область, як нанотехнології, в Росії, США, Японії та ряді європейських держав з кожним роком виділяється все більше фінансування. Це пов`язано з великими перспективами розвитку даної сфери досліджень.
Нанотехнології в Росії розвиваються відповідно до цільової Федеральної програмі, яка передбачає не тільки великі фінансові витрати, але і проведення великого обсягу конструкторських і науково-дослідних робіт. Для реалізації поставлених завдань відбувається об`єднання зусиль різних науково-технологічних комплексів на рівні національних і транснаціональних корпорацій.
новий матеріал
Нанотехнології дозволили вченим виготовити вуглецеву пластину більш тверду, ніж алмаз, товщина якої складає всього один атом. Складається вона з графена. Це найтонший і міцний матеріал у всьому Всесвіті, який пропускає електрику набагато краще кремнію комп`ютерних чіпів.
Відкриття графена вважається справжнім революційним подією, яке дозволить багато чого змінити в нашому житті. Цей матеріал володіє настільки унікальними фізичними властивостями, що докорінно змінює уявлення людини про природу речей і речовин.
Історія відкриття
Графен являє собою двомірний кристал. Його структура є гексагональної гратами, що складається з атомів вуглецю. Теоретичні дослідження графену почалися задовго до отримання його реальних зразків, так як даний матеріал є базою для побудови тривимірного кристала графіту.
Ще в 1947 р П. Воллес вказав на деякі властивості графена, довівши, що його структура аналогічна металам, і деякі характеристики подібні до тих, якими володіють ультрарелятивістських частки, нейтрино і безмасові фотони. Однак у нового матеріалу є і певні суттєві відмінності, які роблять його унікальним за своєю природою. Але підтвердження цих висновків було отримано тільки в 2004 році, коли Костянтином Новоселовим і Андрієм Гейм вперше був отриманий вуглець у вільному стані. Це нова речовина, яке назвали графеном, і стало великим відкриттям вчених. Знайти цей елемент можна в олівці. Його графітовий стрижень складається з безлічі шарів графену. Яким чином олівець залишає слід на папері? Справа в тому, що, незважаючи на міцність складових стрижень шарів, між ними існують досить слабкі зв`язки. Вони дуже легко розпадаються при зіткненні з папером, залишаючи слід при листі.
Використання нового матеріалу
На думку вчених, сенсори, створені на основі графену, зможуть аналізувати міцність і стан літака, а також передбачати землетруси. Але тільки тоді, коли матеріал з такими приголомшливими властивостями покине стіни лабораторій, стане зрозуміло, в якому напрямку піде розвиток практичного застосування даної речовини. На сьогоднішній день хіміки, фізики, а також інженери-електронники вже зацікавилися унікальними можливостями графена. Адже всього декількома грамами цієї речовини можна покрити територію, рівну футбольному полю.
Графен і його застосування потенційно розглядаються у виробництві легких супутників і літаків. У цій сфері новий матеріал здатний замінити вуглецеві волокна в композиційних матеріалах. Наноречовинами може бути використано замість кремнію в транзисторах, а його впровадження в пластмасу додасть їй електропровідність.
Графен і його застосування розглядаються і в питаннях виготовлення датчиків. Ці пристрої, виконані на основі новітнього матеріалу, будуть здатні виявляти найнебезпечніші молекули. А ось використання пудри з наноречовини при виробництві електричних акумуляторів в рази збільшить їх ефективність.
Графен і його застосування розглядаються в оптоелектроніці. З нового матеріалу вийде дуже легкий і міцний пластик, контейнери з якого дозволять протягом декількох тижнів зберігати продукти в свіжому стані.
Використання графена передбачається і для виготовлення прозорого токопроводящего покриття, необхідного для моніторів, сонячних батарей і міцніших і стійких до механічних впливів вітряних двигунів.
На основі наноматериал вийдуть найкращі спортивні снаряди, медичні імплантати і суперконденсатори.
Також графен і його застосування є актуальними для:
- високочастотних надпотужних електронних пристроїв-
- штучних мембран, які поділяють дві рідини в резервуаре-
- поліпшення якості провідності різних матеріалів-
- створення дисплея на органічних светодіодах-
- освоєння нової техніки прискореного секвенування ДНК
- поліпшення рідкокристалічних дісплеев-
- створення балістичних транзисторів.
Використання в автомобілебудуванні
Згідно з даними дослідників, питома енергоємність графена наближається до 65 кВт * год / кг. Даний показник в 47 разів перевищує той, який мають такі поширені нині літій-іонні акумулятори. Цей факт вчені використовували для створення зарядних пристроїв нового покоління.
Графен-полімерний акумулятор - прилад, за допомогою якого максимально ефективно утримується електрична енергія. В даний час робота над ним ведеться дослідниками багатьох країн. Значних успіхів досягли в цьому питанні іспанські вчені. Графен-полімерний акумулятор, створений ними, має енергоємність, в сотні разів перевищує аналогічний показник у вже існуючих батарей. Використовують його для оснащення електромобілів. Машина, в якій встановлено графеновий акумулятор, може проїхати без зупинки тисячі кілометрів. На підзарядку електромобіля при вичерпанні енергоресурсу знадобиться не більше 8 хвилин.
сенсорні екрани
Вчені продовжують досліджувати графен, створюючи при цьому нові і не мають аналогів речі. Так, вуглецевий наноматериал знайшов своє застосування у виробництві, що випускає сенсорні дисплеї з великою діагоналлю. У перспективі може з`явитися і гнучкий пристрій подібного типу.
Вчені отримали графеновий лист прямокутної форми і перетворили його в прозорий електрод. Саме він і бере участь в роботі сенсорного дисплея, відрізняючись при цьому довговічністю, підвищеною прозорістю, гнучкістю, екологічністю і низькою вартістю.
отримання графена
Починаючи з 2004 року, коли був відкритий новий наноматериал, вчені освоїли цілий ряд методів його отримання. Однак найосновнішими з них вважаються способи:
- механічної ексфоліаціі-
- епітаксіального зростання в вакууме-
- хімічного перофазного охолодження (CVD-процес).
Перший з цих трьох методів є найбільш простим. Виробництво графена при механічної ексфоліації є нанесення спеціального графіту на клейку поверхню ізоляційної стрічки. Після цього основу, подібно аркушу паперу, починають згинати й розгинати, відокремлюючи потрібний матеріал. При застосуванні даного способу графен виходить найвищої якості. Однак подібні дії не годяться для масового виробництва даного наноматериал.
При використанні методу епітаксіального зростання застосовують тонкі кремнієві пластини, поверхневий шар яких є карбідом кремнію. Далі цей матеріал нагрівають при дуже високій температурі (до 1000 К). В результаті хімічної реакції відбувається відділення атомів кремнію від атомів вуглецю, перші з яких випаровуються. В результаті на платівці залишається чистий графен. Недоліком подібного методу є необхідність використання дуже високих температур, при яких може відбутися згоряння атомів вуглецю.
Самим надійним і простим способом, застосовуваним для масового виробництва графена, є CVD-процес. Він являє собою метод, при якому протікає хімічна реакція між металевим покриттям-каталізатором і вуглеводневими газами.
Де проводиться графен?
На сьогоднішній день найбільша компанія, що виготовляє новий наноматериал, знаходиться в Китаї. Назва цього виробника - Ningbo Morsh Technology. Виробництво графена розпочато їм в 2012 році.
Головним споживачем наноматериал виступає компанія Chongqing Morsh Technology. Графен в її користуванні для виробництва проводять прозорих плівок, які вставляють в сенсорні дисплеї.
Порівняно недавно відома компанія Nokia оформила патент на світлочутливу матрицю. У складі цього такого необхідного для оптичних приладів елемента знаходиться кілька шарів графену. Такий матеріал, використаний на датчиках камер, в значній мірі збільшує їх світлочутливість (до 1000 разів). При цьому спостерігається і зниження споживання електроенергії. Гарна камера для смартфона також буде містити графен.
Отримання в побутових умовах
Чи можна виготовити графен в домашніх умовах? Виявляється, так! Необхідно просто взяти кухонний блендер потужністю не менше 400 Вт, і додержуватися методики, розробленої ірландськими фізиками.
Як же виготовити графен в домашніх умовах? Для цього в чашу блендера виливають 500 мл води, додаючи в рідину 10-25 мілілітрів будь-якого миючого речовини і 20-50 грам товченого грифеля. Далі прилад повинен попрацювати від 10 хвилин до півгодини, аж до появи суспензії з лусочок графена. Отриманий матеріал буде володіти високою провідністю, що дозволить використовувати його в електродах фотоелементів. Також вироблений в побутових умовах графен здатний поліпшити властивості пластика.
оксиди наноматериал
Вчені активно досліджують і таку структуру графена, яка всередині або по краях вуглецевої сітки має приєднані кислородосодержащие функціональні групи або (і) молекули. Це оксид самого твердого наноречовини, який є першим двовимірним матеріалом, що дійшли до стадії комерційного виробництва. З нано- і мікрочастинок цієї структури вчені виготовили сантиметрові зразки.
Так, оксид графену в поєднанні з діофілізірованним вуглецем був недавно отриманий китайськими вченими. Це дуже легкий матеріал, сантиметровий кубик якого утримується на пелюстках невеликого квітки. Але при цьому нова речовина, в якому знаходиться оксид графену, є одним із самих твердих у світі.
біомедичне застосування
Оксид графена має унікальну властивість селективності. Це дозволить даної речовини знайти біомедичне застосування. Так, завдяки роботам вчених стало можливим використання оксиду графену для діагностики ракових захворювань. Виявити злоякісну пухлину на ранніх стадіях її розвитку дозволяють унікальні оптичні та електричні властивості наноматериал.
Також оксид графену дозволяє виробляти адресну доставку лікарських і діагностичних засобів. На основі даного матеріалу створюються сорбційні біодатчики, що вказують на молекули ДНК.
індустріальне застосування
Різні сорбенти на основі оксиду графену можуть бути застосовані для дезакціваціі заражених техногенних і природних об`єктів. Крос того, даний наноматериал здатний переробити підземні і поверхневі води, а також грунту, очистивши їх від радіонуклідів.
Фільтри з оксидів графену можуть забезпечити суперчістотой приміщення, де виробляються електронні компоненти спеціального призначення. Унікальні властивості даного матеріалу дозволять проникнути в тонкі технології хімічної сфери. Зокрема, це може бути витяг радіоактивних, розсіяних і рідкісних металів. Так, використання оксиду графену дозволить добути золото з бідних руд.
