Графен что это такое

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.

  1. Что такое графен
  2. Миф о токсичности
  3. Где используют графен
  4. Применение в будущем
  5. Графеновый бум
  6. Препятствия для развития
  7. Что почитать о графене

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.

  • Графен в 60 раз тоньше мельчайшего из вирусов.
  • В 3 тыс. раз тоньше бактерии.
  • В 300 тыс. раз тоньше листа бумаги.

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

Влияние графена на человеческий организм до конца не изучено, но и токсичность графена никто не доказал. Единственную опасность представляет графен, который получают путем размешивания графита или углерода в воде: попадая в клетку, такие мельчайшие частицы действительно могут ее убить [2].

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.

  • 1 грамм чистого графена, который используют в электронике, стоит около $28 млрд.
  • 1 грамм графена, смешанного с пылью — около $1 тыс.

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.

Графен: новые методы получения и последние достижения

Графен всё более притягателен для исследователей. Если в 2007 году вышло 797 статей, посвященных графену, то за первые 8 месяцев 2008 года — уже 801 публикация. Каковы же наиболее значимые исследования и открытия последнего времени в области графеновых структур и технологий?

На сегодняшний день графен (рис. 1) — самый тонкий материал, известный человечеству, толщиной всего в один атом углерода. Он вошел в учебники по физике и в нашу реальность в 2004 году, когда исследователи из Манчестерского университета Андре Гейм и Константин Новоселов сумели его получить, используя обычную ленту-скотч для последовательного отделения слоев от обычного кристаллического графита, знакомого нам в виде карандашного стержня (см. Приложение). Замечателен тот факт, что графеновый лист, помещенный на подложку из оксидированного кремния, можно рассмотреть в хороший оптический микроскоп. И это при его толщине всего в несколько ангстрем (1Å = 10 –10 м)!

Популярность графена среди исследователей и инженеров растет день ото дня, поскольку он обладает необычными оптическими, электрическими, механическими и термическими свойствами. Многие эксперты предсказывают в недалеком будущем возможную замену кремниевых транзисторов более экономичными и быстродействующими графеновыми (рис. 2).

Несмотря на то что механическое отслоение с помощью скотча позволяет получать графеновые слои высокого качества для фундаментальных исследований, а эпитаксиальный способ выращивания графена может обеспечить наикратчайший путь к электронным микросхемам, химики пытаются получить графен из раствора. В добавление к низкой стоимости и высокой производительности, этот метод открывает дорогу ко многим широко используемым химическим техникам, которые позволили бы внедрять графеновые слои в различные наноструктуры либо интегрировать их с различными материалами для создания нанокомпозитов. Однако при получении графена химическими методами есть некоторые трудности, которые должны быть преодолены: во-первых, необходимо достигнуть полного расслоения графита, помещенного в раствор; во-вторых, сделать так, чтобы отслоенный графен в растворе сохранял форму листа, а не сворачивался и не слипался.

На днях в престижном журнале Nature были опубликованы две статьи независимо работающих научных групп, в которых авторам удалось преодолеть вышеназванные трудности и получить графеновые листы хорошего качества, подвешенные в растворе.

Первая группа ученных — из Стэнфордского университета (Калифорния, США) и Пекинского института физики (Китай) — внедряла серную и азотную кислоты между слоями графита (процесс интеркаляции; см. Graphite intercalation compound), и затем быстро нагревала образец до 1000°C (рис. 3a). Взрывное испарение молекул-интеркалянтов производит тонкие (толщиной в несколько нанометров) графитовые «хлопья», которые содержат множество графеновых слоев. После этого в пространство между графеновыми слоями химически внедряли два вещества — олеум и гидроокись тетрабутиламмония (ГТБА) (рис. 3b). Обработанный ультразвуком раствор содержал как графит, так и графеновые листы (рис. 3c). После этого методом центрифугирования проводили отделение графена (рис. 3d).

В тоже время вторая группа ученых — из Дублина, Оксфорда и Кембриджа — предложила другую методику для получения графена из многослойного графита — без использования интеркалянтов. Главное, по словам авторов статьи, использовать «правильные» органические растворители, такие как N-метил-пирролидон. Для получения высококачественного графена важно подобрать такие растворители, чтобы энергия поверхностного взаимодействия между растворителем и графеном была такой же, как для системы графен–графен. На рис. 4 показаны результаты пошагового получения графена.

Успех обоих экспериментов основан на нахождении правильных интеркалянтов и/или растворителей. Конечно, существуют и другие методики для получения графена, такие как преобразование графита в оксид графита. В них используется подход, называемый «оксидирование–расслоение–восстановление», в ходе которого базисные плоскости графита покрываются ковалентно-связанными функциональными группами кислорода. Этот окисленный графит становится гидрофильным (или попросту влаголюбивым) и может легко расслаиваться на отдельные графеновые листы под действие ультразвука, находясь в водяном растворе. Полученный графен обладает замечательными механическими и оптическими характеристиками, но его электрическая проводимость на несколько порядков ниже, чем проводимость графена, полученного при помощи «скотч-метода» (см. Приложение). Соответственно, такой графен вряд ли сможет найти применение в электронике.

Как оказалось, графен, который был получен в результате двух вышеобозначенных методик, более высокого качества (содержит меньшее количество дефектов в решетке) и, как результат, обладает более высокой проводимостью.

Очень кстати пришлось еще одно достижение исследователей из Калифорнии, которые недавно сообщили о высокоразрешающей (разрешение до 1Å) электронной микроскопии с низкой энергией электронов (80 кВ) для прямого наблюдения за отдельными атомами и дефектами в кристаллической решетке графена. Ученым впервые в мире удалось получить изображения атомной структуры графена высокой четкости (рис. 5), на которых можно своими глазами увидеть сеточную структуру графена.

Еще дальше ушли исследователи из Корнелловского университета. Из листа графена им удалось создать мембрану толщиной всего в один атом углерода, и надуть ее, как воздушный шарик. Такая мембрана оказалась достаточно прочной для того, чтобы выдерживать давление газа в несколько атмосфер. Эксперимент состоял в следующем. На подложку из оксидированного кремния с предварительно вытравленными ячейками были помещены листы графена, которые вследствие ван-дер-ваальсовых сил плотно прикрепились к поверхности кремния (рис. 6a). Таким образом были образованы микрокамеры, в которых можно было удерживать газ. После этого ученые создавали разность давлений внутри и снаружи камеры (рис. 6b). Используя атомно-силовой микроскоп, измеряющий величину отклоняющей силы, которую кантилевер с иглой чувствует при сканировании мембраны на высоте всего нескольких нанометров от ее поверхности, исследователям удалось наблюдать степень вогнутости-выгнутости мембраны (рис. 6c–e) при изменении давления до нескольких атмосфер.

После этого мембрана была использована в роли миниатюрного барабана для измерения частоты ее вибраций при изменении давления. Было установлено, что гелий остается в микрокамере даже при высоком давлении. Однако поскольку графен, использованный в эксперименте, был не идеален (имел дефекты кристаллической структуры), то газ понемногу просачивался через мембрану. В течение всего эксперимента, который продолжался более 70 часов, наблюдалось неуклонное уменьшение натяжения мембраны (рис. 6e).

Авторы исследования указывают, что подобные мембраны могут иметь самые разнообразные применения — например, использоваться для изучения биологических материалов, помещенных в раствор. Для этого будет достаточно накрыть такой материал графеном и изучать его сквозь прозрачную мембрану микроскопом, не опасаясь за утечку или испарение раствора, поддерживающего жизнедеятельность организма. Также можно сделать проколы атомного размера в мембране и затем наблюдать, изучая диффузионные процессы, как отдельные атомы или ионы проходят сквозь отверстие. Но самое главное — исследование ученых из Корнелловского университета еще на шаг приблизило науку к созданию одноатомных сенсоров.

Стремительный рост количества исследований на графене показывает, что это действительно очень перспективный материал для широкого круга применений, но до воплощения их в жизнь еще следует построить немало теорий и провести не один десяток экспериментов.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Процесс изготовления графена в «домашних условиях»

  • Для создания и наблюдения самого тонкого материала на нашей планете вам понадобятся чистые условия (например, физико-химическая лаборатория, хотя подойдет и обычная комната с хорошей вентиляцией), чистые руки, желательно в перчатках, и чистые помыслы ☺.
  • Сначала подготовьте подложку, на которую вы будете помещать графен для наблюдения в микроскопе. Для этого нужно взять кремниевую подложку с естественным оксидом на поверхности, которую перед исследованием следует очистить. Лучше всего для этого подойдет раствор соляной кислоты и перекиси водорода в соотношении 1:3. Поместите пластину в раствор на 30 секунд, а затем просушите сжатым азотом.
  • Приложите отслоенный кусочек графита к ленте-скотч, используя пинцет. Аккуратно сложите ленту пополам, накрыв графит липкой стороной. Несильно прижмите ленту к графиту с обеих сторон и неторопливо раскройте скотч, чтобы можно было наблюдать расслоение графита на две части.
  • Повторите предыдущий этап раз десять. Чем тоньше будут становиться слои графита, тем сложнее будет это делать.
  • Очень осторожно поместите ленту-скотч с графитом на поверхность кремниевой подложки. Используя пластиковый пинцет, удалите воздушные пузырьки между лентой и подложкой. Пройдитесь по поверхности образца пинцетом, несильно его придавливая к подложке в течение десяти минут. Затем очень медленно снимите ленту, придерживая подложку.
  • Поместите ваш образец под 50-, а лучше 100-кратную линзу микроскопа. Вы увидите множество графитовых «чешуек» разных размеров и формы, переливающихся всеми цветами радуги. Если вам повезет, вы заметите графен: почти прозрачную, кристаллической формы «чешуйку», бесцветность которой будет сильно отличаться от ярких цветов «толстых» графитовых собратьев.
  • Источники:
    1) Xiaolin Li et al. Highly conducting graphene sheets and Langmuir–Blodgett films // Nature Nanotech (2008). V. 3. P. 538–542.
    2) Yenny Hernandez et al. High-yield production of graphene by liquid-phase exfoliation of graphite // Nature Nanotech (2008). V. 3. P. 563–568.
    3) Jannik C. Meyer et al. Direct Imaging of Lattice Atoms and Topological Defects in Graphene Membranes // NanoLetters (2008), doi: 10.1021/nl801386m.
    4) Andre K. Geim, Philip Kim. Carbon Wonderland // Scientific American (2008). No. 4. P. 90–97. См. также по-русски: Андре Гейм и Филип Ким «Углерод — страна чудес» // «В мире науки» № 7, 2008.
    5) J. Scott Bunch et al. Impermeable Atomic Membranes from Graphene Sheets (доступен полный текст) // NanoLetters. V. 8. No. 8. P. 2458–2462 (2008).

    Графен: вещество, которое изменит наш мир

    Научное сообщество и промышленность всего мира восхищаются новым веществом, которое благодаря своим удивительным свойствам и многочисленным возможностям практического применения, вне всякого сомнения, изменит многочисленные аспекты нашей жизни; имя этому веществу — графен.

    В чем же необычность графена?

    Речь идет о прозрачном, очень тонком (максимально тонком), очень легком (0,77 мг / кв. м), водонепроницаемом, эластичном, гибком и одновременно удивительно прочном веществе. Графен является лучшим проводником электричества из когда-либо известных и, к тому же, в изобилии находится в природе, что делает его весьма экономичным.

    Кроме того, недавние исследования Манчестерского университета подтвердили его способность «самовосстанавливаться». При повреждении кристаллической решетки графеновой пленки атомы графена притягивают к себе свободные атомы углерода, заполняя по мере необходимости образовавшиеся «дыры».

    Химическая структура

    Графен представляет собой углеродную пленку толщиной в один атом, кристаллическая решетка которой имеет форму сетки из шестиугольников. Получают графен из природного графита, который добывается в угольных шахтах и из которого делают, например, простые карандаши или тормоза автомобиля; хотя возможно также синтезирование этого вещества.

    С точки зрения химической структуры, графен является аллотропной модификацией углерода, имеющей плоскую кристаллическую решетку, образованную шестигранниками (как пчелиные соты) из атомов углерода, соединенных посредством ковалентных связей путем наложения гибридов sp(2) связанных углеродов.

    Графен был открыт в 2004 году британскими учеными российского происхождения Андреем Геймом и Константином Новоселовым, однако лишь в 2010 году, когда авторы открытия получили Нобелевскую премию по физике, началась «графеновая лихорадка».

    Применение

    Поразительное разнообразие свойств графена обеспечивает многочисленные возможности промышленного использования. На самом деле, возможности практически безграничны. Их список постоянно расширяется. Вот лишь некоторые примеры:

    Транзистор, основанный на вертикальной графеновой гетероструктуре (Манчестерский университет).

    • Жесткие диски, имеющие возможность хранения данных в 1000 раз большего объема, чем современные устройства.
    • Полупроводники, используемые в производстве сверхбыстрых компьютеров будущего (взамен кремниевым).
    • Гибкие (которые можно свернуть и сложить и которые лягут в основу самых разных устройств) и сверхтонкие экраны, которые позволят интегрировать бесконтактные системы оплаты.
    • Видеокамеры ночного видения, чтобы осуществлять фото— и видеосъемку без источников света.
    • Аккумуляторные батареи более длительного срока действия для мобильных телефонов, компьютеров и электромобилей (графеновые электроды позволяют в 10 раз увеличить срок действия батареи, используемой для зарядки наших мобильных телефонов).
    • Новые сверхбыстрые телекоммуникационные сети.

    • Ультраконденсаторы (для автомобилей и электропоездов, а также для повышения кпд линий электропередачи).
    • Применение в аэронавтике: более быстрые самолеты, выбрасывающие в атмосферу меньше вредоносных выхлопов.
    • Мощные солнечные установки с эффективностью 42 % (в настоящее время лишь 16 % улавливаемой энергии солнца преобразуется в электричество).
    • Телевизоры с органическими светодиодами (OLED), при производстве которых используются органические материалы, не приносящие вред окружающей среде.
    • Мембраны, позволяющие экономить энергию при переработке природного газа и одновременно сократить выбросы углекислого газа тепловых электростанций и выхлопных труб автомобилей.
    • Снижение себестоимости разделения газа в производстве пластмасс и горючего.
    • Применение в медицине, в частности при разработке новой вакцины против рака и производстве сенсоров, наносимых на зубы для обнаружения патологий.

    Более того, графен представляет собой идеальную основу для создания новых материалов «под заказ» в зависимости от конкретных нужд. Эльза Прада, научный сотрудник Мадридского института материаловедения Высшего совета по научным исследованиям Испании CSIC, работавшая вместе с Новоселовым, указала, в частности, на флюорографен (двумерный аналог тефлона, имеющий исключительные смазывающие и изолирующие свойства), гексагональный нитрит бора (прозрачный кристаллический изоляционный материал, обладает высокой твердостью, в комбинации с графеном улучшает электромеханические свойства), дисульфид молибдена (еще один двумерный кристалл, обладающий многообещающими свойствами и возможностью применения в производстве транзисторов нового поколения) и силицен (соединение кремния, подобное графену; имеет некоторые подобные графену свойства, может быть легко использован в современной электронике, основанной на кремнии).

    Графен в Испании и проект Евросоюза Graphene Flagship

    Испанские передовые ученые занимаются исследованиями в области изучения графена. На сегодняшний день самым активным проектом в Испании является проект Европейского Союза Graphene Flagship. Компания из Сан-Себастьяна Graphenea, крупнейший производитель графена в ЕС, является одним из партнеров этого проекта вместе с такими компаниями, как Philips, Varta, Nokia, ST Microelectronics, Repsol, Alcatel-Lucent и Airbus. Наряду с этим в ближайшем будущем планируется начать строительство одной из крупнейших в мире графеновых фабрик в городе Йекла (Мурсия, Испания).

    Трудности, которые предстоит преодолеть

    На сегодняшний день производство графена из графита, а также получение материала заданной чистоты в зависимости от дальнейшего применения представляют собой весьма сложный процесс. Несмотря на это, решение этих трудностей — лишь вопрос времени: такие издания, как Science и Nature регулярно отзываются на сообщения о новейших технологических разработках.

    Графен — что это за материал, его особенности

    Развитие такой отрасли науки и техники, как нанотехнологии, позволило найти применение удивительным качествам углерода. Одно из ярких событий в науке ознаменовалось открытием графена. Многих читателей интересует, что такое графен, и когда он появился. Надо обратиться к истории его изобретения.

    История открытия

    Графен – это пластина, представляющая собой кристаллическую решётку из двухмерных кристаллов углерода. Автором нового материала, учёным Уоллесом, в 1947 году были замечены необычные свойства графена. Он утверждал, что вещество по своим характеристикам аналогично металлам.

    Невозможность получения углерода в чистом виде в те времена объяснялось отсутствием должного оборудования. С появлением нанотехнологии в 2004 году учёными Новосёловым и Геймом был получен этот материал. Выходцам из России, работающим в Манчестерском университете, за графен присуждена Нобелевская премия.

    Описание графена

    Чтобы понять, что это такое графен, достаточно провести карандашом по бумаге. Графитовый след будет состоять из слоя кристаллов этого вещества. Грифель состоит из множества слоёв кристаллических решёток нановещества. Такой материал, как графен, представляет собой слой атомов углерода, объединённых в форму шестигранных сот.

    На рисунке в левом нижнем углу изображен графит, его можно обнаружить в простом карандаше. Его структура выглядит, как слои торта. Прочные пласты графена перемежаются слабыми прослойками. Свёрнутые листы в виде трубки или шара называют фуллеренами. Их подразделяют на цилиндры – углеродные нанотрубки (в нижнем ряду по центру) и на сферы – бакиболсы (там же справа).

    Свойства и преимущества графена

    Это самый тонкий в мире материал, полученный лабораторным путём. Из-за ничтожной толщины материал графен абсолютно прозрачен. Его прочность превышает в 200 раз показатель стали. В перспективе новый материал станет заменой кремния и медных проводников в интегральных микросхемах.

    Важно! С каждым годом учёные мира обнаруживают новые свойства графеновых материалов. Это открывает окно бескрайних возможностей в развитии нанотехнологии. Новый материал – настоящее чудо современной науки. Он обладает непревзойдёнными термическими, оптическими, электрическими и механическими качествами.

    Получение

    Графен был получен вышеупомянутыми учёными, когда они стали поступательно отделять от графита чешуйки вещества, применяя липкую ленту (скотч). Сейчас делаются попытки получения материала химическим способом. Однако ещё требуются усилия по преодолению трудностей, связанных с полным разделением графеновых слоёв и препятствованием их сворачиваемости.

    Совсем недавно учёные Стэндфордского университета и специалисты из Китая опубликовали совместную статью о новом способе извлечения наноматериала. Получение графена представляет довольно сложный процесс, состоящий из обработки химреактивами графита, воздействия ультразвуком, нагрева взвеси до 10000 С. В результате графит, как ножом, разрезается на множество слоёв.

    В это же время ирландские учёные опубликовали другой способ, основанный на скрупулёзном подборе интеркоагулянтов. В результате этого графитовый порошок становится гидрофильным веществом. В растворе под воздействием ультразвука графитовая взвесь легко расслаивается. Оба метода признаны успешными.

    Получение графена в домашних условиях

    Несмотря на сложность вышеперечисленных методик, получить графен в обычных домашних условиях вполне возможно. Надо следовать следующей инструкции:

    1. Дома нужно воспользоваться мощным блендером (400 Вт).
    2. Графитовый стержень от обычного карандаша измельчают до порошкообразного состояния.
    3. В агрегат заливают ½ литра воды вместе с 20 мл моющего средства для посуды.
    4. Блендером сбивают раствор в течение получаса. В результате сверху появится взвесь чешуек графена.
    5. Ленту скотча опускают на поверхность жидкости липкой стороной вниз, чтобы чешуйки прилипли к ней.
    6. Скотч складывают вдвое, затем разнимают половинки. Чешуйки разделятся на две части. Процесс можно повторять до десяти раз.
    7. В результате появятся светлые лепестки графена, переливающиеся разными цветами. Образец помещают под окуляр 100-кратного микроскопа. Если повезёт, можно будет наблюдать совсем прозрачные чешуйки.

    Дефекты

    Кажущаяся лёгкость получения графена неразрывно связана с фундаментальной проблемой – термодинамической устойчивостью двумерных проводников. Новый наноматериал, представленный слоистыми кристаллами, относится к 2D системам. Двумерные слоистые структуры, обладая металлическими свойствами, термодинамически крайне неустойчивы.

    В условиях понижения окружающей температуры графеновые материалы теряют свойства металлов. То есть происходит переход из металла в диэлектрик. Проблема требует дальнейших исследований.

    Возможные применения

    Уникальные свойства графена позволили применять его практически во всех сферах деятельности человека. Уже сейчас появляются новейшие разработки использования графена в различных устройствах.

    Оксиды наноматериала

    Оксид – продукт взаимодействия атомов кислорода с молекулярной структурой какого-либо вещества. Учёные, занимающиеся вопросом, что такое графен и областью его применения, обнаружили по краям углеродной сетки графена оксидные группы молекул. Несколькими граммами этого вещества можно накрыть футбольное поле. Наноматериал уже используют в биомедицине.

    Биомедицинское применение

    Сверхспособности вещества в оптике и электронике позволят врачам распознавать злокачественные опухоли на ранней стадии развития. Оксид графена способен осуществлять адресную доставку лекарства к определённому органу человека, минуя окружающие ткани. Недавно было сделано заявление о создании сорбентовых датчиков, которые могут распознавать молекулы ДНК, используя свойства нановещества.

    Индустриальное применение

    Адресные сорбенты оксида графена будут способны деактивировать территории, заражённые в результате техногенных катастроф. Сейчас рассматривается применение продукта для очистки водных ресурсов и воздушного пространства от радионуклидов.

    Новые технологии на основе оксида графена совершат технологическую революцию в химической промышленности. Они позволят значительно снизить затраты по извлечению драгоценных металлов из бедных руд.

    Дополнительная информация. Внедрение наноматериала в пластиковый полимер сделает его способным проводить ток. Замена кремния в микросхемах сделает переворот в создании новых компьютеров с огромными возможностями.

    Перспективы использования нановещества в оборонной промышленности практически неограниченны. Появление брони, выдерживающей самые мощные снаряды, даст толчок в создании новой бронетехники и бронежилетов.

    Использование в автомобилестроении

    Удельная энергоёмкость графена в 50 раз превышает энергоёмкость литий-ионных аккумуляторов. Заметив это свойство, учёные приступили к разработке аккумуляторных батарей нового поколения.

    Проблема, связанная с громоздкостью и ограниченностью заряда аккумуляторов для электромобилей, в ближайшее время будет решена. Машина с графеновой батареей сможет за один раз проехать тысячу километров, причём на одну зарядку аккумулятора понадобится около 8 минут.

    Обратите внимание! Автомобилисты часто пользуются аэрогелем с графитовой смазкой. Средство покрывает тонкой плёнкой автодетали, предохраняя их от коррозии, проникая в заржавевшие резьбовые соединения. В какой-то мере это прообраз графена.

    Сенсорные экраны

    Углеродный наноматериал используют при изготовлении сенсорных экранов с диагональю в несколько метров. Это позволяет получить сенсорные дисплеи, которые можно будет скручивать в трубку для переноски.

    Физика

    Физическая природа графена объясняется электрическими свойствами атомов вещества. Материал имеет общее сходство с графитом и алмазами.

    Теория

    Теоретические исследования ещё 70 лет назад предсказали существование такого вещества, как графен. Утверждалось, что углерод способен создавать кристаллические двумерные пространственные решётки в виде тончайших плёнок толщиной в 1 атом. Теория была подкреплена практическими опытами в 2012 году, когда были получены первые образцы наноматериала.

    Кристаллическая структура

    Группа правильных шестиугольников образует решётку, что отражает эквивалентную гексагональную структуру построения атомов углерода. На рисунке жёлтым фоном выделена элементарная ячейка. В кругу розового цвета видны атомы с векторами. Синие и красные кружочки отображают различные подрешётки кристалла, являющиеся базисом решётки.

    Зонная структура

    Суть термина выражает близкие связи электронов. Вокруг ядра атома углерода вращаются электроны. Три из них связаны с соседними атомами, формируя связи в кристаллической решётке. Четвёртый электрон образует связи в одной плоскости. Диаграмма зонной структуры графена выглядит в виде конусов.

    Линейный закон дисперсии

    Выявление зонной структуры нановещества позволило вывести закон дисперсии одномерных нанотрубок.

    Закон дисперсии определён уравнением Дирака. Математическое выражение подтверждает линейную зависимость дисперсии и вытекает из уравнения Шредингера для зонной структуры вещества при малых затратах энергии электронов.

    Эффективная масса

    Линейный закон дисперсии определяет эффективную массу электронов и дырок в структуре наноматериала, не имеющую никакой величины. Но при вращении электронов вокруг ядра получается иная масса, называемая энергией Ландау.

    Хиральность и парадокс Клейна

    Трёхмерное уравнение Дирака для частиц без массы (нейтрино) определяет постоянную величину – спиральность в квантовой электродинамике. В графене выявлен аналог, который называют хиральностью, то есть проекцией псевдоспина в сторону движения.

    Эксперимент

    Практически все эксперименты связаны с отшелушиванием чешуек – кристаллических решёток. Извлечение графена в результате опытов описано выше.

    Проводимость

    Было замечено, что наноматериал ведёт себя как полупроводник. Из-за этого графен имеет перспективу полностью заменить кремний в интегральных микросхемах. Это принесёт существенный экономический эффект от производства дешёвых радиокомпонентов.

    Квантовый эффект холла

    Когда на двумерную кристаллическую решётку воздействуют перпендикулярно направленным магнитным полем, возникает эффект холла. Взаимодействие направленного движения тока в графене с поперечным магнитным потоком вызывает напряжение, которое называют холловским эффектом.

    Двухслойный графен

    Американские учёные в результате многочисленных опытов обнаружили, что при воздействии на двойной слой графена высоким давлением материал приобретает твёрдость алмаза. Явление уникально тем, что таких качеств нет у однослойного и многослойного наноматериала. В связи с этим ведутся активные изыскания по созданию сверхтонкого защитного покрытия.

    Открытие непревзойдённых качеств графена рисует перед учёными мира перспективу технологической революции во всех сферах деятельности человечества. Однако, наряду с этим, высказываются мнения, охлаждающие пыл энтузиастов.

    Видео

    Графен: тончайшая твердая смазка

    Обычно, когда заходит речь о графене, сразу возникают ассоциации с чем-то микроскопическим, невидимым невооруженным взглядом, и, пока что, не имеющим какого-либо практического применения за пределами лабораторий. Такое впечатление усиливается после прочтения новостей о последних «прикладных» открытиях — будь то «самый тонкий двигатель», или «самый тонкий и гибкий транзистор». Однако, помимо таких хоть и полезных, но (пока) далеких от реальной жизни применений, есть области, где графен может применяться прямо сейчас, причем в макроскопическом масштабе. Одна из них — трибология.

    Сначала — несколько слов о трибологии вообще, и об измерении трибологических свойств, в частности. Если официально, то трибология — это наука о трении и износе, объект исследования которой — пара тел, находящихся в механическом контакте, и двигающихся относительно друг друга. Вообще, если задуматься, то трение — это, наверное, второе по важности физическое явление, после гравитации. Попробуйте посидеть на стуле без трения. Нет, вы сначала до него дойдите!

    Два основных осязаемых трибологических параметра — это коэффициенты трения и износа. С коэффициентом трения все просто — это отношение силы трения к силе, с которой тела прижимаются друг к другу. Впервые я познакомился с этой величиной классе, наверное, в седьмом, на лабораторках по физике. Помните, с помощью пружинного динамометра тянули один деревянный брусок по другому и мерили эту самую силу трения? Про износ тогда никто не упоминал по понятным причинам — измерять его было несколько проблематично. Коэффициент износа — это соотношение объема вещества, которое безвозвратно отделилось от тела в процессе трения, к расстоянию скольжения. Простейший пример — кирпич царапается гвоздем. Отношение объема образовавшейся крошки к длине царапины и будет коэффициентом износа.

    В современной лаборатории принцип измерения трибологических характеристик практически не отличается от школьной лабораторки. Простенький прибор для измерения трения может выглядеть вот так:

    Цветными рамками обведены основные компоненты: 1) Вертикальный актуатор, служит для перемещения измерительной головки вверх-вниз (нужно для контроля нормальной силы) 2) Измерительная головка (датчик силы трения) к ней прикреплена пружинная балка с шариком на конце (3). Исследуемый образец (4) приклеен к столику, который установлен на датчике нормальной силы. Все это ездит туда-сюда вдоль оси X по рельсу, который стоит на тумбочке стоящей возле моего стола))) В правом верхнем углу виден модуль АЦП от National Instruments, который обрабатывает сигнал с датчиков. Оба актуатора на шаговых двигателях. Управляется все самописным софтом под Windows.

    Белый шарик на конце балки имеет диаметр 1 мм, сделан из оксида циркония. Образец, в данном случае, кремниевая пластина 10×10 мм 2 . Если начать двигать измерительную головку вниз, то шарик прикоснется к поверхности образца, а при дальнейшем движении начнет давить на нее с силой, которая зависит от упругости подвеса и степени его деформации. Обычно, 1 мм соответствует 10 миллиньютонам. Точная величина измеряется нижним датчиком.

    Если задать возвратно-поступательное движение нижней каретки, и подождать, скажем, 10 минут, то на поверхности нашего образца мы увидим такую картину (слева — вид сверху, справа — трехмерное изображение центральной части; длина трека — 2 мм):

    «О боже, все пропало!» Ну или «мы его протерли!».
    При этом зависимость коэффициента трения от количества циклов будет выглядеть так:

    А теперь возвращаемся к графену. Если каким-либо образом нанести на кремний графен, то картина изменится кардинально!
    При тех же самых параметрах теста, мы не увидим никаких следов износа на поверхности образца, при этом кривая коэффициента трения будет выглядеть так:

    Т.е. не смотря на то, что слой графена имеет толщину меньше нанометра, и мы елозим по нему миллиметровым шариком, он все равно не рвется. Вот это прочность!
    «Стоп!» скажет внимательный читатель. Обещали же практическое применение! А где вы видели плоский кремниевый подшипник? Правильно, нигде. Но, к счастью, на кремнии свет клином не сошелся. Более того, графен на кремнии — это результат переноса его с меди, на которой он выращивается, и это уже более интересно.

    Существует два основных способа производства графена. Первый — механическая эксфолиация. Нам она не интересна, поскольку не позволяет получить покрытие большой площади (более нескольких миллиметров). Второй способ — химическое нанесение из газовой фазы (Chemical Vapour Deposition, CVD). В этом методе, медная подложка помещается в печь и нагревается до температуры около 1000 градусов цельсия. Затем печь продувается чистым водородом для восстановления поверхностных окислов, и заполняется метаном. При высокой температуре метан разлагается, образуя углеродную (графеновую) пленку на поверхности меди, которая выступает в роли катализатора. Количество слоев графена зависит от концентрации метана и времени выдержки, обчно это 5–20 минут. После этого подложку медленно охлаждают в инертной атмосфере. В результате мы получаем кусок меди, равномерно покрытый графеном. И как же у него обстоят дела с трением? Да замечательно!

    На этом рисунке показаны коэффициенты трения для чистой меди, а также двух кусков меди, покрытых графеном разной толщины (время выдержки в метане 5 и 20 минут):

    Как видно, чистая медь сдается сразу. А вот «толстый» графен (5 слоев) увеличивает время жизни в десять раз! При этом поверхность меди все-же деформируется, и образуется «канал», повторяющий форму шарика (слева чистая медь, справа графен):

    Но не смотря на деформацию поверхности, графен препятствует формированию задиров, что удерживает коэффициент трения на низком уровне.

    Тем не менее, под давлением все разрушается, и графен не исключение. На предыдущем рисунке этот момент обозначен как «critical failure point». После определенного количества циклов, коэффициент трения начинает расти, хотя и остается ниже, чем для чистой меди. И вызвано это не отслоением графена и обнажением поверхности меди, как можно было бы подумать («надо же, протерли насквозь»). Нет, графен остается на месте, но меняет свою структуру. Верхние слои разрушаются, становясь аморфными, а аморфный углерод имеет более высокий коэффициент трения. Тем не менее, графен продолжает служить, защищая поверхность меди от окисления.

    Осталось сделать медный вкладыш для подшипника, покрыть его графеном, и вуалая! Сухая наносмазка готова. Кстати, если нанести графен еще и на сами шарики, то результат будет феноменальным. Но об этом — в следующий раз.

    Незаменимый графен: как используют самый тонкий и прочный материал, известный человеку

    Если 20 век был веком пластмасс, то 21 век, похоже, станет веком графена — недавно обнаруженного материала, изготовленного из листов углерода толщиной всего в один атом. В научных журналах графен описывают как самый лёгкий, самый прочный, самый тонкий, самый лучший тепло- и электропроводящий материал из когда-либо обнаруженных. Рассказываем, как и где его используют.

    Что такое графен?

    Учёные давно обнаружили, что углерод имеет две основные, но поразительно разные формы:

    • графит — мягкий, черный материал в карандашных грифелях;
    • алмаз — сверхтвёрдые, блестящие кристаллы в ювелирных изделиях.

    Оба эти радикально отличающихся материала состоят из одинаковых атомов углерода. Но атомы внутри них расположены по-разному, и это дает двум формам совершенно разные свойства.

    Так что же такое графен? Графен — это один слой графита. Он имеет плоскую кристаллическую решетку, состоящую из взаимосвязанных шестиугольников атомов углерода, плотно связанных между собой. Слои имеют высоту всего в один атом. Поэтому, чтобы получить графен толщиной 1 мм, понадобится стопка примерно из 3 миллионов таких слоёв.

    Кристаллическая решетка графена. Фото: Коммерсант

    Кто открыл графен?

    Теоретические исследования графена начались в середине 20 века, но на протяжении нескольких десятилетий никто не мог получить этот материал на практике. Графен был произведён в лаборатории только в 2004 году русскими учёными Андреем Геймом и Константином Новосёловым, работающими в британском Университете Манчестера. С помощью клейкой ленты они сняли верхний слой графита. Затем исследователи растянули ленту, чтобы расщепить графит на ещё более мелкие слои. Проделав большую работу, они обнаружили, что у них есть несколько кусочков графита толщиной всего в один атом — другими словами графен. В знак признания важности их открытия Гейм и Новосёлов были удостоены Нобелевской премии по физике.

    Андрей Гейм и Константин Новосёлов. Фото: ТАСС

    Свойства графена

    То, как графен ведёт себя как материал, удивляет многих учёных. Перечислим его главные характеристики.

    Прочность и жесткость

    Считается, что графен является самым прочным материалом из когда-либо обнаруженных. Он примерно в 200 раз прочнее стали. Примечательно, что графен одновременно жесткий и эластичный. Это позволяет растягивать материал на удивительную величину (20-25% от его первоначальной длины), не сломав его.

    Электронные свойства

    Они также весьма необычны. Электроны в графене очень подвижны, что открывает возможность создания компьютерных чипов, которые работают быстрее и с меньшей мощностью, чем те, что мы используем сегодня.

    Оптические характеристики

    Сверхтонкий графен, будучи толщиной всего в один атом, почти полностью прозрачен. Графен пропускает около 97-98% света. Для сравнения: у оконного стекла этот показатель не превышает 90%.

    Фото: Medium

    Как мы можем использовать графен?

    Графен часто применяют в медицине. Его используют при создании сенсоров, определяющих биомаркеры. В частности, иммуноглобулин, опасные токсины, а также биомаркеры, связанные с онкологией и сердечно-сосудистыми заболеваниями. Это позволяет врачам по-новому диагностировать заболевания.

    Более того, графен считается отличной заменой существующим материалам, которые были доведены до своих физических пределов. Например, кремниевые транзисторы (коммутационные устройства, используемые в качестве запоминающих устройств и логических элементов для принятия решений в компьютерах) за последние несколько десятилетий последовательно уменьшались и становились всё более мощными. Но учёные уже давно выражают опасения, что дальнейшие усовершенствования ограничены законами физики. Замена кремния графеном позволит создать ещё более мелкие и быстрые транзисторы.

    Таким же образом графен мог бы революционизировать и другие области технологии, ограниченные традиционными материалами. Например, с его помощью можно создать конкурентоспособные по стоимости и более эффективные солнечные панели и более энергоэффективное оборудование для передачи энергии. Такие компании, как Samsung, Nokia и IBM уже разрабатывают графеновые заменители для сенсорных экранов, транзисторов и флэш-памяти, но разработка всё ещё находится на очень ранней стадии.

    Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
    Добавить комментарий