Про дивний “матеріал майбутнього” – графен – кажуть, пишуть, сперечаються, намагаються довести, що він може мати успіх у майбутньому. А все тому, що графен за останні десять років наробив у науковому світі стільки шуму, що поступово отримує застосування практично в усіх сферах людської діяльності.
Упевнений, що ви трохи чули про цей чудо-матеріал, може навіть читали про його застосування. Сьогодні я спробую зібрати усі відомі факти його застосування в нашому сучасному житті.
Зміст
- Найтонша лампочка у світі
- Графен діє, як надпровідник
- Краща акустична система
- Тонкі бронежилети
- Фільтрація солі з морської води
- Фарба майбутнього
- Спортивне взуття
- На сторожі нашого здоров’я
- Графенові акумулятори
Що собою являє графен?
Вперше світ почув про графен у 2004 році, коли в журналі Science британськими дослідниками російського походження з Манчестерського університету Андрієм Геймом і Костянтином Новоселовим була опублікована стаття про цей дивовижний матеріал. Варто відзначити, що у 2010 році вчені отримали за свій винахід Нобелівську премію. Перш за усе, уявіть собі матеріал у мільйон разів тонший за папер. Неймовірно міцний, складений із «бджолиних сот», непомітних неозброєному погляду. Гнучкий, еластичний, стабільний при кімнатній температурі. Він володіє високою тепло- та електропровідністю. Ви скажете, що один матеріал не може суміщати в собі усі ці властивості, але де там. Це як раз і є властивості графена.
По суті, “матеріал майбутнього” являє собою перший строго двовимірний матеріал. Властивості будь-якого матеріалу визначаються не тільки хімічним складом, але й розташуванням атомів. З вуглецем це особливо зрозуміло. Усім відомо, наскільки різні алмаз і графіт, хоча вони складаються з тих самих атомів вуглецю. Але ці атоми різним чином впорядковані в просторі, що призводить до колосальної відмінності властивостей.
В усіх відомих донедавна матеріалах атоми впорядковані в трьох вимірах, тому вони, відповідно, мають довжину, ширину та висоту. А графен – це один шар вуглецевих атомів, взятий із графіту. У нього є довжина й ширина, а висоти, по суті, немає, тому ми й називаємо його двовимірним.
Графен – двовимірна аллотропна модифікація вуглецю, утворена шаром, товщиною з один атом, організованим у гексагональну кристалічну решітку. Його можна уявити, як площину, зріз графіту, відокремлений від об’ємного кристалу. Графен має величезну механічну міцність і рекордно високу теплопровідність. Надзвичайно висока рухливість електронів у ньому робить графен перспективним матеріалом для використання в самих різних областях, зокрема, як майбутню основу наноелектроніки та можливу заміну кремнію в інтегральних мікросхемах.
Це один з найскладніших у світі матеріалів, який у 100 разів перевершує за міцністю сталь, володіє величезною гнучкістю і безліччю інших можливостей. Насправді графен, мабуть, є одним з найбільш корисних нових матеріалів. Де вже застосовують графен?
Найтонша лампочка у світі
Колектив вчених з Колумбійського університету та Сеульського національного університету (SNU) зумів створити найтоншу лампочку у світі завдяки графену. Вчені створюють пристрій із використанням невеликих графітових ниток, які прикріплені до металевих електродів і кремнієвої подушки.
Відомо, що дослідники створили мікролампочку, приєднавши до металевих електродів крихітні нитки з графенової плівки, при цьому уся структура лампочки розташовувалася на одній кремнієвій підставі. Потім пропустили струм через нитки, щоб змусити їх нагрітися. Команда змогла показати, що графен досягав температур вище 2500 градусів за Цельсієм, досить гарячий, щоб яскраво світитися. Керівник проекту професор Джеймс Хон стверджує, що «вони створили те, що є найтоншою у світі лампою розжарювання», яку можна знайти в смарт-переносних пристроях.
На цей час дослідники зайняті доробкою їх винаходу, конструкція якого повинна стати більш технологічною. Крім цього, зараз проводяться вимірювання швидкісних параметрів графенових джерел світла, швидкості їх включення і виключення, що має важливе значення для використання таких джерел світла в оптичних комунікаціях. Окрім цього, проводяться пошуки технологічних методів, які дозволять включити такі джерела світла до складу тонких і гнучких електронних пристроїв.
Графен діє, як надпровідник
Графен також може виступати в якості надпровідника, а це означає, що електричний струм може проходити через нього з нульовим опором. Це відкриття було зроблене дослідниками з Кембриджського університету у Великобританії. Ефект активується шляхом прикріплення графена до матеріалу, який називається praseodymium cerium copper oxide (PCCO). Як ця якість графена може допомогти? У майбутньому, завдяки цьому відкриттю, вчені можуть забезпечити джерело необмеженої енергії.
Розробники зізналися, що вони мають мрію створити таке джерело необмеженої енергії, яке би дозволило зарядити один раз ноутбук або смартфон, а потім можеш забути про те, щоб знову заряджати. Простіше кажучи, однієї зарядки повинно вистачити на весь час, поки ваш пристрій буде повноцінно працювати.
На цей час проблема полягає лише в тому, що такі надпровідники працюють тільки при украй низьких температурах. Хоча матеріал PCCO, який використовується в цьому експерименті, також охолоджувався до дуже низької температури, є надія, що в майбутньому можна буде вибрати альтернативні матеріали, які можуть бути ближче до кімнатної температури.
Краща акустична система
Усім нам відомо, що для створення звуку звичайні динаміки створюють механічні вібрації. Проте, графен може запропонувати зовсім інший підхід. Дослідники з Університету Ексетера, Великобританія, продемонстрували, як цей матеріал може генерувати складні й керовані звукові сигнали при нагріванні та охолодженні. Принцип роботи нового динаміка грунтується на зміні температури графена, зміни якої приводять до виникнення звуку.
Раніше графен вже застосовувався при створенні динаміків, але в минулому з нього робили дифузори, що призводило до збільшення ефективності роботи пристрою. З нового ж динаміка зникли усі рухомі частини, що дозволило в рази зменшити його розмір і збільшити ефективність. Динамік виконаний у форм-факторі мікропроцесора розміром з ніготь великого пальця. Усередині корпуса процесора, окрім самого динаміка, заховані підсилювач і навіть графічний еквалайзер. Нова технологія не включає рухомі частини і не використовує вібрації.
Графен, який майже повністю прозорий і здатний відтворювати складні звуки без фізичного руху, може запустити нове покоління аудіовізуальних технологій. Результатом відкриттів може стати можливість включення динаміків в ультратонкі технології сенсорного екрану, в яких екран здатний створювати звук самостійно. У такому випадку потреба в окремих динаміках відпаде.
Тонкі бронежилети
Усі ми знаємо, що людське життя безцінне, тому усіляко намагаємося захистити його, у тому числі й за допомогою бронежилетів. Але вони громіздкі, важкі, незручні, сковують рух. Але використання графена переверне в майбутньому ваше уявлення про бронежилети.
Так, вчені з Georgia Tech виявили, що плівка з графена, нанесена у два шари, може захистити від кулі. Цей надлегкий і надміцний матеріал вони назвали “діаміном” і пропонують використовувати у виробництві бронежилетів.
Результати своїх розробок вчені успішно продемонстрували перед поважною публікою в Міському університеті Нью-Йорка. В експерименті команда показала, що навіть алмазний наконечник не здатний пробити двошарову епітаксійну плівку графена.
Можна припустити, що, як й ультралегкі, куленепробивні плівки, так і зносостійкі, гнучкі, захисні покриття можуть бути використані для захисту екрана та корпуса пристроїв, наприклад, у смартфонах, планшетах і ноутбуках.
Фільтрація солі з морської води
Запаси прісної води на Землі з кожним роком зменшуються. Проблема нестачі питної води зараз знаходиться в одному ряду з проблемою голоду. Вода займає 71% земної поверхні, хоча її постійно людству не вистачає. А все тому, що велика її частина знаходиться в океані, тобто попросту вона солона й не придатна для пиття.
Фахівцям з університету Сінсю і Державного університету Пенсільванії вдалося частково вирішити проблему фільтрації солі з морської води, розробивши цікавий спосіб опріснення води за допомогою сита з мембран, вироблених з оксиду графена.
Суть у тому, що у звичайних умовах відфільтрувати сіль не виходить, оскільки її іони менше молекул води. Але мембрани з оксиду графена з цим справляються, блокуючи іони солі. Тим самим, пропускаючи при цьому саму воду. Правда, є нюанс – це створити фільтри подібного роду, які змогли б простягнути досить довго при безперервній роботі. Наприклад, хлор дуже швидко руйнує подібні матеріали, і тому вчені вирішили знайти кращий спосіб.
Вони розробили гібридний фільтр, у мембрану якого входить чистий графен, який краще чинить опір хлору. До того ж така мембрана не руйнується при сильній течії, та й у виробництві дешевше. У результаті вона відфільтровує 85% солі, просто пропускаючи воду через себе, і ніякої додаткової енергії або електрики для цього процесу не потрібно. Але отримана вода не досить чиста для пиття, але ідеально підходить для використання в сільському господарстві.
Втім це ніщо в порівнянні з недавніми дослідженнями, отриманими в Манчестерському університеті Великобританії. Там дослідники використовували графен для фільтрації кольору віскі – перетворюючи його на прозору рідину. Тобто, отримали можливість змінювати колір рідини, що вельми цікаво.
Фарба майбутнього
Команда вчених з Інституту полімерних досліджень ім. Лейбніца в Німеччині розробила графенове покриття, яке може сигналізувати фахівцям про можливе ушкодження конструкцій, наприклад, мосту, простою зміною кольору. Команда опублікувала свої результати в журналі Material Horizons, в якому розповідається про розвиток і потенційні застосування графена в цій сфері.
Натхненні тим, як скелі відбивають світло, вони створили покриття, яке дозволяє збільшити деяку довжину хвилі світла за рахунок інших. На цей час робота зі створення цієї фарби усе ще перебуває на ранній стадії, оскільки ще багато що належить зробити з точки зору досліджень та інвестицій, щоб вирішити проблеми, пов’язані з розширенням виробництва, контролем параметрів і т. д.
Проте, якщо ці дослідження будуть ефективно вирішені, кольорові графенові покриття потенційно можуть стати неоціненним інструментом в арсеналі конструкторів, інженерів-конструкторів.
Спортивне взуття
У грудні 2017 року дослідники з приватного університету Райса (Х’юстон) повідомили, що їм вдалося створити дивовижні кросівки з графена. І додали, що їх спортивне взуття відрізняється неймовірною міцністю і зносостійкість, але при цьому дуже зручне й характеризується відмінними електропровідними властивостями.
Особливо вражає еластичність спортивних кросівок із графена: їх можна скрутити, зігнути, скласти й розтягнути без якоїсь шкоди для своєї структури. При цьому її еластичність, міцність та зносостійкість на 50% вище, ніж у найміцнішого спортивного взуття, створюваного сьогодні. Так, у ході експерименту вчені з’ясували, їх кросівки витримають безперервне навантаження мінімум у 500 км. При цьому взуття не втратить свій зовнішній вигляд.
У продажу кросівки з графена повинні з’явитися вже в цьому році. Вартість їх не буде неймовірно високою, і складе усього лише $200. Упевнений, що кожен захоче мати міцні кросівки з графена. Їх продажем займатиметься один із відомих брендів спортивного одягу – британська компанія inov-8.
На сторожі нашого здоров’я
Вчені з Університету штату Іллінойс, Чикаго, продемонстрували, як графен легко виявляє ракові клітини. У своїх спробах вони поміщали клітини мозку, взяті у мишей, на графітовий аркуш, і виявили, що вони здатні відрізнити одну клітку нормального клітинного раку. Пов’язаний цей феномен із тим, що графен володіє дивовижною електричну провідність. При контакті з гіперактивною раковою клітиною, електричне поле, що оточує її, відштовхує електрони в частковій хмарі графена. Це змінює енергію коливань атомів вуглецю, а різницю цю можна помітити та виявити ту саму ракову клітину.
Дослідники з Техаського університету в Остіні й зовсім вирішили використовувати графен для діагностики стану здоров’я людини. Ними були розроблені унікальні прозорі татуювання, які дають можливість із високою точністю визначати температуру тіла й гідратацію людської шкіри.
Більш того, вони можуть робити електрокардіограму, електроміографію та зчитувати електроенцефалограми для вимірювання електричної активності серця, м’язів і мозку. Роботи в цьому напрямку ще ведуться, і хто знає, може в майбутньому нас чекають ще й нові відкриття в діагностиці нашого організму за допомогою графена.
Графенові акумулятори
Упевнений, що кожен з нас мріє про те, щоб його смартфон, планшет або ноутбук заряджався за лічені хвилини. Можливо, вже зовсім скоро нашим мріям судилося здійснитися. Так, китайська компанія під назвою Dongxu Optoelectronic створила батарею G-King, яка має потужну ємність – 4800 мА*год, але її можна заряджати від порожнього до повного протягом 15 хвилин.
Також творці акумулятора розраховують, що він може витримати 3 500 циклів розрядки й зарядки. Це приблизно в сім разів перевищує термін служби середньої літій-іонної батареї. А усе завдяки дивовижному “матеріалу майбутнього” – графену. Він володіє величезним технологічним потенціалом. Окрім збільшення ефективності батарей у пристроях, матеріал може стати в нагоді для створення пристроїв із гнучкими екранами, різні версії яких зараз розробляються.
У сухому залишку
Нехай вченим вдалося отримати невелику кількість графена, але те, що він має великий потенціал у майбутньому, вселяє великі надії. Можливо, вже дуже скоро ми будемо користуватися смартфонами з дисплеєм, корпусом і акумулятором із графена, ходити у взутті, зробленому з цього диво-матеріалу, носити прозорі татуювання для діагностики стану здоров’я та їздити на автомобілях, виготовлених з високоміцного й одночасно гнучкого, еластичного графена. Фантастика та реальність завжди десь поруч.
