Графен — «материал будущего»: где его можно применять?

Об удивительном «материале будущего» — графене — говорят, пишут, спорят, пытаются доказать, что он может иметь успех в будущем. А всё потому, что графен за последние десять лет наделал в научном мире столько шума, что постепенно получает применение практически во всех сферах человеческой деятельности.

Уверен, что вы немного слышали об этом чудо-материале, может даже читали о его применении. Сегодня я попробую собрать все известные факты его применения в нашей современной жизни.

Содержание

1. Самая тонкая лампочка в мире
2. Графен действует, как сверхпроводник
3. Лучшая акустическая система
4. Тонкие бронежилеты
5. Фильтрация соли из морской воды
6. Краска будущего
7. Спортивная обувь
8. На страже нашего здоровья
9. Графеновые аккумуляторы

Что собой представляет графен?

Впервые мир услышал о графене в 2004 году, когда в журнале Science британскими исследователями российского происхождения из Манчестерского университета Андреем Геймом и Константином Новосёловым была опубликована статья об этом удивительном материале. Стоит отметить, что в 2010 году ученные получили за своё изобретение Нобелевскую премию. Прежде всего, представьте себе материал в миллион раз тоньше бумаги. Невероятно прочный, сложенный из «пчелиных сот», незаметных невооруженному взгляду. Гибкий, эластичный, стабильный при комнатной температуре. Обладающий высокой тепло- и электропроводностью. Вы скажете, что один материал не может совмещать в себе все эти свойства, но не тут-то было. Это как раз и есть свойства графена. По сути, «материал будущего» представляет собой первый строго двумерный материал. Свойства любого материала определяются не только химическим составом, но и расположением атомов. С углеродом это особенно понятно. Всем известно, насколько разные алмаз и графит, хотя состоят они из одних и тех же атомов углерода. Но эти атомы разным образом упорядочены в пространстве, что приводит к колоссальному различию свойств.

Во всех известных до недавнего времени материалах атомы упорядочены в трех измерениях, поэтому они, соответственно, имеют длину, ширину и высоту. А графен – это один слой углеродных атомов, взятый из графита. У него есть длина и ширина, а высоты, по сути, нет, поэтому мы и называем его двумерным. 

Графен – двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем, толщиной в один атом, организованным в гексагональную кристаллическую решетку. Его можно представить, как плоскость, срез графита, отделенный от объемного кристалла. Графен обладает огромной механической прочностью и рекордно высокой теплопроводностью. Необычайно высокая подвижность электронов в нем делает графен перспективным материалом для использования в самых различных областях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах.

Это один из самых сложных в мире материалов, который в 100 раз превосходит по прочности сталь, обладает огромной гибкостью и множеством других возможностей. На самом деле графен, по-видимому, является одним из самых полезных новых материалов. Где уже применяют графен?

Самая тонкая лампочка в мире

Коллектив ученых из Колумбийского университета и Сеульского национального университета (SNU) сумел создать самую тонкую лампочку в мире благодаря графену. Ученые создают устройство с использованием небольших графитовых нитей, которые прикреплены к металлическим электродам и кремниевой подушке.

Известно, что исследователи создали микролампочку, присоединив к металлическим электродам крошечные нити из графеновой пленки, при этом вся структура лампочки располагалась на одном кремниевом основании. Потом пропустили ток через нити, чтобы заставить их нагреться. Команда смогла показать, что графен достигал температур выше 2500 градусов по Цельсию, достаточно горячий, чтобы ярко светиться. Руководитель проекта профессор Джеймс Хон утверждает, что «они создали то, что является самой тонкой в мире лампой накаливания», которую можно найти в смарт-переносных устройствах.

В настоящее время исследователи заняты доработкой их изобретения, конструкция которого должна стать более технологичной. Кроме этого, сейчас проводятся измерения скоростных параметров графеновых источников света, скорости их включения и выключения, что имеет важное значения для использования таких источников света в оптических коммуникациях. Кроме этого, производятся поиски технологических методов, которые позволят включить такие источники света в состав тонких и гибких электронных устройств.

Графен действует, как сверхпроводник

Графен также может выступать в качестве сверхпроводника, а это означает, что электрический ток может проходить через него с нулевым сопротивлением. Это открытие было сделано исследователями из Кембриджского университета в Великобритании. Эффект активируется путем прикрепления графена к материалу, который называется praseodymium cerium copper oxide (PCCO). Как это качество графена может помочь? В будущем, благодаря этому открытию, ученые могут обеспечить источник неограниченной энергии.

Разработчики признались, что у них есть мечта создать такой источник неограниченной энергии, который бы позволил зарядить однажды ноутбук или смартфон, а потом можешь забыть о том, чтобы снова заряжать. Проще говоря, одной зарядки должно хватить на всё время, пока ваше устройство будет полноценно работать.

В настоящее время проблема заключается лишь в том, что такие сверхпроводники работают только при крайне низких температурах. Хотя материал PCCO, используемый в этом эксперименте, также охлаждался до очень низкой температуры, есть надежда, что в будущем можно будет выбрать альтернативные материалы, которые могут быть ближе к комнатной температуре.

Лучшая акустическая система

Всем нам известно, что для создания звука обычные динамики создают механические вибрации. Тем не менее, графен может предложить совсем иной подход. Исследователи из Университета Эксетера, Великобритания, продемонстрировали, как этот материал может генерировать сложные и управляемые звуковые сигналы при нагревании и охлаждении. Принцип работы нового динамика основывается на перемене температуры графена, изменения которой приводят к возникновению звука. Ранее графен уже применялся при создании динамиков, но в прошлом из него делали диффузоры, что приводило к увеличению эффективности работы устройства. Из нового же динамика исчезли все движущиеся части, что позволило в разы уменьшить его размер и увеличить эффективность. Динамик выполнен в форм-факторе микропроцессора размером с ноготь большого пальца. Внутри корпуса процессора, помимо самого динамика, спрятаны усилитель и даже графический эквалайзер. Новая технология не включает движущиеся части и не использует вибрации. Графен, который почти полностью прозрачен и способен воспроизводить сложные звуки без физического движения, может запустить новое поколение аудиовизуальных технологий. Результатом открытий может стать возможность включения динамиков в ультратонкие технологии сенсорного экрана, в которых экран способен создавать звук самостоятельно. В таком случает потребность в отдельных динамиках отпадёт.

Тонкие бронежилеты

Все мы знаем, что человеческая жизнь бесценна, поэтому всячески стараемся защитить ее, в том числе и с помощью бронежилетов. Но они громоздкие, тяжелые, неудобные, сковывают движение. Но использование графена перевернет в будущем ваше представление о бронежилетах.

Так, ученые из Georgia Tech обнаружили, что пленка из графена, нанесенная в два слоя, может защитить от пули. Этот сверхлегкий и сверхпрочный материал они назвали «диамином» и предлагают использовать в производстве бронежилетов.

Результаты своих разработок ученые успешно продемонстрировали перед почтенной публикой в Городском университете Нью-Йорка. В эксперименте команда показала, что даже алмазный наконечник не способен пробить двухслойную эпитаксиальную пленку графена.

Можно предположить, что как и ультралегкие, пуленепробиваемые пленки, так и износостойкие, гибкие, защитные покрытия могут быть использованы для защиты экрана и корпуса устройств, например, в смартфонах, планшетах и ноутбуках.

Фильтрация соли из морской воды

Запасы пресной воды на Земле с каждым годом уменьшаются. Проблема недостатка питьевой воды сейчас стоит в одном ряду с проблемой голода. А ведь вода занимает 71% земной поверхности, хотя ее постоянно человечеству не хватает. А все потому, что большая ее часть находится в океане, то есть попросту она солёная и не пригодна для питья.

Специалистам из университета Синсю и Государственного университета Пенсильвании удалось частично решить проблему фильтрации соли из морской воды, разработав интересный способ опреснения воды с помощью сита из мембран, произведенных из оксида графена.

Суть в том, что в обычных условиях отфильтровать соль не получается, так как ее ионы меньше молекул воды. Но мембраны из оксида графена с этим справляются, блокируя ионы соли. Тем самым, пропуская при этом саму воду. Правда, есть нюанс — это создать фильтры подобного рода, которые смогли бы протянуть достаточно долго при непрерывной работе. Например, хлор очень быстро разрушает подобные материалы, и потому ученые решили найти способ получше.Они разработали гибридный фильтр, в мембрану которого входит чистый графен, который лучше сопротивляется хлору. К тому же такая мембрана не разрушается при сильном течении, да и в производстве дешевле. В результате она отфильтровывает 85% соли, просто пропуская воду через себя, и никакой дополнительной энергии или электричества для этого процесса не нужно. Но полученная вода недостаточно чиста для питья, но идеально подходит для использования в сельском хозяйстве.

Однако это ничто по сравнению с недавними исследованиями, полученными в Манчестерском университете Великобритании. Там исследователи использовали графен для фильтрации цвета виски — превращая его в прозрачную жидкость. То есть, получили возможность менять цвет жидкости, что весьма интересно.

Краска будущего

Команда ученых из Института полимерных исследований им. Лейбница в Германии разработала графеновое покрытие, которое может сигнализировать специалистам о возможном повреждении конструкций, к примеру, моста, простым изменением цвета. Команда опубликовала свои результаты в журнале Material Horizons , в котором рассказывается о развитии и потенциальных применениях графена в этой сфере. 

Вдохновленные тем, как скалы отражают свет, они создали покрытие, которое позволяет увеличить некоторую длину волны света за счет других. В настоящее время работа по созданию данной краски все еще находится на ранней стадии, так как еще многое предстоит сделать с точки зрения исследований и инвестиций, чтобы решить проблемы, связанные с расширением производства, контролем параметров и т. д. 

Однако, если эти исследования будут эффективно решены, цветные графеновые покрытия потенциально могут стать неоценимым инструментом в арсенале конструкторов, инженеров-конструкторов.

Спортивная обувь

В декабре 2017 года исследователи из частного университета Райса (Хьюстон) сообщили, что им удалось создать удивительные кроссовки из графена. И добавили, что их спортивная обувь отличается невероятной прочностью и износостойкостью, но при этом очень удобная и характеризуется отличными электропроводящими свойствами.

Особенно поражает эластичность спортивных кроссовок из графена: их можно скрутить, согнуть, сложить и растянуть без какого-либо ущерба для своей структуры. При этом ее эластичность, прочность и износостойкость на 50% выше, чем у самой крепкой спортивной обуви, создаваемой сегодня. Так, в ходе эксперимента ученые выяснили, их кроссовки выдержат беспрерывную нагрузку минимум в 500 км. При этом обувь не потеряет своего внешнего вида. 

В продаже кроссовки из графена должны появиться уже в этом году. Стоимость их не будет баснословно высокой, и составит всего лишь $200. Уверен, что каждый захочет иметь прочные кроссовки из графена. Их продажей будет заниматься один из известных брендов спортивной одежды — британская компания inov-8.

На страже нашего здоровья

Ученые из Университета штата Иллинойс, Чикаго, продемонстрировали, как графен легко обнаруживает раковые клетки. В своих попытках они помещали клетки мозга, взятые у мышей, на графитовый лист, и обнаружили, что они способны отличить одну клетку нормального клеточного рака. Связан этот феномен с тем, что графен обладает удивительной электрической проводимостью. При контакте с гиперактивной раковой клеткой, электрическое поле, окружающее её, отталкивает электроны в долевом облаке графена. Это меняет энергию колебаний атомов углерода, а разницу эту можно заметить и выявить ту самую раковую клетку.

Исследователи из Техасского университета в Остине и вовсе решили использовать графен для диагностики состояния здоровья человека. Ими были разработаны уникальные прозрачные татуировки, которые дают возможность с высокой точностью определять температуру тела и гидратацию человеческой кожи.  Более того, они могут делать электрокардиограмму, электромиографию и считывать электроэнцефалограммы для измерения электрической активности сердца, мышц и мозга. Работы в этом направлении еще ведутся, и кто знает, может в будущем нас ждут еще и новые открытия в диагностике нашего организма при помощи графена.

Графеновые аккумуляторы

Уверен, что каждый из нас мечтает о том, чтобы его смартфон, планшет или ноутбук заряжался за считанные минуты. Возможно, уже совсем скоро нашим мечтам суждено осуществиться. Так, китайская компания  под названием Dongxu Optoelectronic создала батарею G-King, которая имеет мощную емкость — 4800 мА*ч, но ее можно заряжать от пустого до полного в течение 15 минут. Также создатели аккумулятора рассчитывают, что он может выдержать 3 500 циклов разрядки и зарядки. Это примерно в семь раз превосходит срок службы средней литий-ионной батареи. А всё благодаря удивительному «материалу будущего» — графену. Он обладает огромным технологическим потенциалом. Помимо увеличения эффективности батарей в устройствах, материал может пригодиться для создания устройств с гибкими экранами, различные версии которых сейчас разрабатываются.

В сухом остатке

Пусть ученым удалось получить небольшое количество графена, но то, что он имеет большой потенциал в будущем, вселяет большие надежды. Возможно, уже очень скоро мы будем пользоваться смартфонами с дисплеем, корпусом и аккумулятором из графена, ходить в обуви, сделанной из этого чудо-материала, носить прозрачные татуировки для диагностики состояния здоровья и ездить на автомобилях, изготовленных из высокопрочного и в то же время гибкого, эластичного графена. Фантастика и реальность всегда где-то рядом.