Назначение графена
Реферат
Назначение графена
Введение
Одно из важнейших
направлений, определяющих развитие всех отраслей промышленности, строительства,
медицины и сферы услуг - это новые материалы. Изменения укладов жизни
человечества связаны с открытием и освоением производства новых материалов.
Материалы - это ступени нашей цивилизации, а новые материалы - это трамплин для
прыжка в будущее, меняющий облик нашего бытия.
Что такое карандаш,
мы знаем с детства. Спросите любого ребенка, и он сразу ответит - это такая
палочка, которой можно рисовать и которая часто ломается. То есть все мы знаем,
что графит - очень хрупкий материал. Отчасти это правда, но не так все просто.
Когда мы слегка нажимаем на грифель карандаша, графит расслаивается, а на
бумаге остается тонкая полоска.
Эта полоска -
графен, вернее несколько слоев графена, соединенных друг с другом. Они легко
отслаиваются, отчего создается иллюзия хрупкости графита. На самом деле каждый
слой графена в двести раз прочнее стали. Это тем более удивительно, что толщина
слоя графена - всего один атом. Материал из графена настолько тонкий, что это
невозможно себе даже представить. А еще он очень гибкий, и его можно
сворачивать в трубочки диаметром несколько нанометров (миллионная доля
миллиметра).
1.
Открытие графена
О свойствах графена
ученые знали давно, но проблема заключалась в том, как его получить. Расслоить
графит на графен - это все равно что расслоить тонкую упаковочную пленку на
слои в один атом толщиной. В 1999 году ученый Родни Руофф из Техасского
университета попробовал сделать это с помощью тончайшей иглы. Не получилось.
Другие ученые пытались с помощью нанокарандаша ставить точки толщиной в один
слой графена. Тоже не получилось. Успеха добились двое российских ученых -
Константин Новоселов и Андрей Гейм. В 2004 году они наложили на слой графита
клейкую ленту. Затем отклеили пленку, потом опять наклеили, и так до тех пор,
пока не остался всего один слой графена толщиной в один атом. Ученые сумели
перенести этот микроскопический слой на силиконовую пластину и объявили о своей
победе над природой. Удачный эксперимент сделал Новоселова и Гейма нобелевскими
лауреатами. После эксперимента они заявили: для того чтобы порвать пленку
графена толщиной в одну сотую миллиметра, понадобится слон, при этом его вес
должен уместиться на площади, равной кончику карандаша.
Рисунок 1 -
Пластина с графеном
графен опреснение
медицина электроника
К сожалению, такой
способ получения графена не подходит для его производства в промышленных
масштабах - он хоть и дешевый, но слишком трудоемкий. Ученые всего мира стали
ломать голову над тем, как же поставить производство графена на поток. Один из
возможных способов - эпитаксиальное выращивание. Метод заключается в том, что
атомы углерода при определенном на них воздействии сами собой группируются на
твердой поверхности, образуя графен. Таким способом, например, уже производят
некоторые полупроводниковые материалы для электронной промышленности. Недавно
профессору Руоффу удалось изготовить несколько кристаллов графена шириной в
полмиллиметра. Теперь он мечтает о производстве рулонов графена шириной в один
метр и неограниченной длины.
В 2011 году ученые
из Национальной радиоастрономической обсерватории объявили, что им, вероятно,
удалось зарегистрировать графен в космическом пространстве (планетарные
туманности в Магеллановых облаках).
На сегодняшний день
на исследование свойств графена выделено около десяти миллиардов долларов на
десять лет, и ходят слухи, что он может стать отличной заменой кремнию,
особенно в полупроводниковой промышленности.
2.
Свойства и характеристики графена
Графен -
революционный материал 21 столетия. Это самый прочный, самый легкий и
электропроводящий вариант углеродного соединения.
Графен обладает
уникальным свойством - его скорость электропроводности сопоставима со скоростью
света. Остановимся на этом подробнее. Электропроводность материалов
обеспечивается подвижностью электронов в атомах. Например, у металлов некоторое
количество свободных электронов находится в так называемой зоне
электропроводности, что позволяет им беспрепятственно перемещаться между
атомами. А у полупроводников есть еще так называемая запрещенная зона, через
которую электронам нужно перепрыгнуть, чтобы материал обрел свойство
электропроводности. Для этого применяют дополнительную энергию, например,
нагревание.
Так вот, у графена,
хотя это и не металл, нет запрещенной зоны, поэтому электроны свободно
перемещаются, что создает серьезную проблему - транзистор из графена невозможно
выключить полностью, а значит, в устройстве, содержащем такой транзистор, будет
постоянная утечка электроэнергии. Но есть в этом и положительная сторона.
Благодаря тому, что на массу электрона графена практически не влияют
электрические поля других заряженных частиц - их просто нет рядом с ним, - он
способен передвигаться с фантастической скоростью. Настолько быстро, что его
скорость можно описать только с помощью теории относительности Эйнштейна, а сам
графен впору сравнивать с ускорителем частиц. Такая умопомрачительная скорость
передвижения электронов позволяет им очень чутко реагировать на высокочастотные
электромагнитные поля, а значит, графеновый транзистор будет включаться и
выключаться очень быстро.
Однако, специалисты
из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, США, выяснили экспериментальным
путем, что если поместить двойной слой графена в электрическое поле, то
возникает та самая запрещенная зона, и ее размер можно регулировать, изменяя
силу поля.
Графен - самый
тонкий материал, который вы можете создать - его толщина всего один атом.
Крошечное количество может покрыть большую площадь, поэтому один грамм может
покрыть целое футбольное поле. Это самый прочный материал из всех, что мы
знаем, поскольку вы не можете снимать его послойно дальше. Конечно, мы знаем,
что атомы можно разделить на элементарные частицы, но вы не сможете получить
материал тоньше, чем в один атом, иначе он не будет считаться материалом
дальше.
Следует отметить
такие важные для приложений свойства графена, как химическую стабильность,
высочайшую подвижность носителей заряда, высокую теплопроводность,
исключительную прочность и упругость, непроницаемость для газов, почти полную
оптическую прозрачность и поглощение около 2% света, причем в широком
оптическом диапазоне - от ультрафиолета до инфракрасного. Коэффициент
поглощения равен π (пи), умноженное на постоянную тонкой структуры. То есть, глядя на
графен, фактически вы видите постоянную тонкой структуры. 2% - это столько
поглощает оконное стекло.
3.
Перспективы развития и применения
Обычно новому
материалу нужно сорок лет, чтобы выйти за пределы академических лабораторий и
стать потребительским продуктом, но не прошло и десяти лет, как графен
переместился из научных лабораторий в промышленные. Пилотные продукты выходят
по всему миру. Правительства и крупные компании тратят миллиарды на изучение
материала. Пожалуй, к свойствам графена можно добавить и то, что он самый бурно
развивающийся.
Техника
и электроника
Графен можно
использовать в жидкокристаллических дисплеях, солнечных батареях или
фотоэлектронных датчиках в качестве хорошо проводящего и прозрачного внешнего
электрода. Довольно ограниченный ряд материалов обладает одновременно и хорошей
проводимостью, и прозрачностью. Сейчас в основном для этих целей применяют ITO
(оксид индия-олова). Причем, если требуется повысить проводимость материала
(скажем, для увеличения быстродействия), вам приходится для этого пожертвовать
степенью его прозрачности. Графен превосходит традиционные сегодня материалы по
соотношению таких параметров, как проводимость, прозрачность, химическая
инертность. Необходимое качество графена для подобных устройств уже фактически
достигнуто, и вопрос состоит только в том, когда будет пробита граница
себестоимости, при которой его использование станет целесообразным.
Технологи
прогнозируют, что это произойдет уже в течение 1-2 лет.
Еще одно важное
свойство графена состоит в том, что его можно растягивать чуть ли не на 20%.
Это позволит делать гибкую или изогнутую электронику и будет актуально для
различных гаджетов. Для примера - представьте себе планшет, экран которого по
команде сворачивается в трубку диаметром в пару сантиметров.
Рисунок 2 - Гибкий
экран
Кроме того, графен
и графено-подобные материалы химически инертны, имеют разветвленную поверхность
и максимальное отношение поверхности к объему, поэтому их перспективно
использовать в газовых датчиках и в аккумуляторных батареях и
суперконденсаторах. Ожидается, что использование графена или графено-подобных
материалов позволит уменьшить вес или увеличить емкость накопителей энергии -
аккумуляторных батарей и суперконденсаторов. По тем же причинам графен
перспективен для газовых датчиков. Было экспериментально показано, что газовые
датчики из графена способны реагировать на единичные акты адсорбции / десорбции
молекул - фактически достигнута предельная чувствительность таких устройств.
Ученые из
Наньянского технологического университета (Китай) нашли способ использования
графена при создании оптических сенсоров для камер. И не просто сенсоров, а
сенсоров с двумя очень вескими преимуществами, по сравнению со стандартными.
Первое из них заключается в том, что оптические сенсоры на основе графена
требуют в десять раз меньше энергии для работы, по сравнению с обычными
сенсорами. Второе преимущество графеновых сенсоров заключается в том, что они в
1000 раз чувствительнее. Настолько чувствительнее, что способны захватить и
удерживать частицы электронов, генерируемых световым потоком намного дольше. В
результате этого получаются более четкие и чистые изображения, даже при съемке
в темноте.
На разработку
прорывной технологии графенового сенсора у ученых ушло 2 года. Стоимость
исследования обошлась университету в 200 тысяч долларов.
Рисунок 3 -
Графеновый сенсор
Специально для тех,
кто стесняется носить цифровые очки Google Glass, исследователи разрабатывают
альтернативу в виде контактных линз. Именно они смогут однажды заменить экраны
смартфонов. Научные работники нескольких институтов, включая две
исследовательские лаборатории Samsung, разработали электронные контактные линзы
на основе наноматериалов. Новые материалы помогут сделать надеваемые на глаза
дисплеи более практичными, уверены ученые.
Группа
исследователей во главе с инженером-химиком Чан-Юн Парком из южнокорейского Национального
научно-технологического института Ульсан, встроила в стандартные мягкие
контактные линзы светоизлучающий диод. Это удалось сделать благодаря
разработанному ими же материалу - прозрачному, высоко проводящему и эластичному
соединению графена и серебряных нитей наноразмера, пишет интернет-издание
Technology Review.
Тестирование линз
проводилось на кроликах, чьи глаза по размеру очень похожи на глаза человека. В
ходе пятичасовых испытаний не удалось выявить никаких побочных эффектов.
Подопытные животные не терли глаза лапами, не было никаких покраснений,
электроника продолжала работать. Исследовательская работа была напечатана в
научном журнале Nano Letters, публикуемым Американским химическим обществом
ежемесячно.
Рисунок 4 -
Графеновые линзы
Стоит отметить, что
в данном направлении уже проводились исследования. Например, швейцарская
компания Sensimed разработала специальные контактные линзы для круглосуточного
мониторинга внутриглазного давления у больных глаукомой. Другие исследователи,
в числе которых профессор Вашингтонского университета и основатель проекта
Google Glass Бабак Парвиз, разработали дисплей в виде контактной линзы. Однако
в основе обоих устройств лежали негибкие или непрозрачные материалы. Хотя
органические проводники, графен и нанонити хорошо пропускают свет и сгибаются,
они не обладают достаточной проводимостью.
Сами авторы исследования
считают, что электронные контактные линзы намного перспективнее тех же
виртуальных очков. Фотографирование и видеосъемка с помощью контактных линз
перестает быть фантастикой.
Рисунок 5 -
Наушники из графена
В таких наушниках
используется мембрана из графена радиусом в 7 мм и толщиной в 30 нм. Даже не
оптимизированный прототип этой модели выдавал звук, сопоставимый по качеству с
наушниками дорогих и известных брендов. Ученые утверждают, что если модифицировать
и оптимизировать данную мембрану, то можно добиться впечатляющих результатов.
Рисунок 6 -
Графеновая флеш-память
Из графена можно
создавать флеш-память, которая будет хранить информацию долгое время. Ученые
показали, что обычная флешка за 10 лет теряет половину записанной информации, в
то время как ее графеновый аналог - лишь 8%. Данная технология может
применяться везде, где есть необходимость в договечной флеш-памяти, например, в
процессорах.
Опреснение
соленой воды
С помощью графена
произойдет удешевление процесса преобразования морской воды в пресную.
Рисунок 7 -
Графеновая станция по очистке воды
Фильтр будет
представлять из себя графеновую мембрану с мельчайшими отверстиями. Эти
отверстия настолько малы, что не пропускают частицы соли. Устройство будет
прочным и долговечным, его можно будет использовать для опреснения воды в
больших объемах.
Графеновые
аккумуляторы
Испанские инженеры
разработали аккумуляторную батарею нового поколения. Она дешевле аналогов на
77% и позволяет заряжать электромобиль всего за 8 минут и проехать до 1000 км.
Рисунок 8 -
Графеновые аккумуляторы для электромобилей
Компания Graphenano
является ведущим в мире производителем графена в промышленных масштабах, так
что они знают, что делают. И правда в том, что графеный аккумулятор может
сделать очередную революцию в автомобильной промышленности и телефонии. Он
весит половину литий-ионного аккумулятора. Компания Graphenano начнет
производство графеновых батарей для электромобилей в первой половине 2015 года
для двух из четырех крупных немецких автомобильных брендов, которые будут
тестировать их на своих автомобилях.
Графен
в медицине
Тобиас Маттеи
(Tobias A. Mattei, MD) из медицинского исследовательского центра Invision
Health/Brain & Spine Center в Баффло, Нью-Йорк и Азим Реман (Azeem A.
Rehman, BS) из медицинского колледжа Университета Иллинойса в Чикаго
(University of Illinois College of Medicine) попытались представить, какое
будущее ждет графен в неврологии. Рассматривая его электрохимические и
оптические свойства, ученые считают, что на основе графена будут разработаны
высокоэффективные, и одновременно миниатюрные биосенсоры для мониторинга
неврологического статуса у пациентов отделений интенсивной терапии после
инсульта или травмы мозга. На основе графена можно будет создавать каркас для
заживления повреждений нервной ткани.
Для нейрохирургов
графен также предлагает значительно более эффективные и оптимизированные
процедуры и приспособления. В первую очередь это касается инструментов для
операций на спинном мозге. Системы электрофизиологического мониторинга сделают
любые операции более точными, менее травматичными, вследствие чего можно
ожидать успеха в оперативном лечении эпилепсии и двигательных расстройств.
Наконец, наночастицы на основе графена смогут сыграть роль в направленной
терапии, в которой, возможно, будут использованы фототермальные и электрические
свойства материала. Разумеется, все эти технологии будут входить в практику
очень постепенно, и немало времени пройдет прежде чем будет показана
безопасность графена и материалов на его основе. Однако рост числа публикаций и
количества экспериментальных данных в поддержку нового материала однозначно
говорит, что применение графена в медицине будет широким.
Заключение
Разнообразные
эксперименты с графеном чрезвычайно популярны у исследователей в последнее
время - ежегодно выходят в свет тысячи научных работ и публикаций, посвященных
этой тематике. Область применения графена чрезвычайно обширна.
В завершение,
справедливости ради, нужно рассказать и о проблемах, препятствующих так
называемой графеновой революции. Основная трудность состоит в том, чтобы
получать графен большой площади с заданными высоко-химическими характеристиками
в промышленных масштабах. Пока с помощью промышленных методов производства
удается получить небольшие по своим размерам листы графена. К тому же,
промышленный графен зачастую проигрывает по своим свойствам тому, что
исследователи получают в своих научных лабораториях. Ведь в лабораториях
образцы графена добывают практически ручными способами. Достичь аналогичных характеристик
при использовании промышленных средств пока не удается, несмотря на постоянное
совершенствование технологий.
Впрочем, эти
трудности, судя по всему, вполне преодолимы. Достаточно сказать о том, что
южнокорейская компания Samsung в этом году уже публично объявила о начале
производства графена в промышленных масштабах. Материал будет применяться для
создания гибких и очень тонких гаджетов. Правда, пока производство графеновых
чипов получается достаточно дорогостоящим, но в будущем Samsung обещает удешевить
его.
Список
использованных источников
1 Гейм А.К. Случайные блуждания:
непредсказуемый путь к графену, 2010
2 Елецкий А.В., Искандарова
И.М., Книжник А.А., Красиков Д.Н. Графен. Методы получения и теплофизические
свойства, Кинтех Лаб, 2011
Перспективы наноэлектроники
на основе графена [Электронный ресурс] - Режим доступа:
http://emulator.miem.edu.ru/12.html
Сорокин П.Б.,
Чернозатонский Л.А. Полупроводниковые наноструктуры на основе графена, 2012
Новосёлов К.С. Графен:
материалы Флатландии, 2010
Новости высоких технологий
- Режим доступа: http://hi-news.ru/