Использование графена

Графен – это новый материал, который способен изменить способ создания электронных компонентов и повысить производительность вычислений уже в наши дни. Перспективы многообещающие: возможность повысить скорость интернета, использование графена в качестве сенсорного покрытия и продление с помощью данного материала жизни компьютеров. Графен сильнее алмаза, он проводит электричество и тепло лучше, чем любой материал и, вероятнее всего, будет играть немаловажную роль во многих процессах в будущем.

Разберемся, что же такое графен. Графен состоит из одного слоя атомов углерода, которые соединены вместе в повторяющемся узоре шестиугольников. Графен в миллион раз тоньше бумаги, настолько тонкий, что на самом деле считается двумерным.

Углерод - невероятно универсальный элемент. В зависимости от того, как расположены атомы, он может производить твердые алмазы или мягкий графит. Из-за прочности углеродных связей графен является самым сильным материалом с предельной прочностью на растяжение в 130 000 000 000 Паскалей (или 130 гигапаскалей) по сравнению с 400 000 000 Паскалей для стали судостроения А36 (сталь повышенной прочности). Помимо этого, данный материал необычайно легок: один лист графена (толщиной всего в один атом), покрывший футбольное поле, будет весить менее одного грамма.

Углеродные нанотрубки, которые являются еще одним относительно недавно открытым материалом, изготовлены именно из свернутого в трубку графена. Они используются в велосипедах, теннисных ракетках и даже в биомедицинской инженерии.

Практически каждый человек на земле в своей жизни делал графен неоднократно. Достаточно нарисовать карандашом на листе бумаге линию, и мелкие кусочки графена будут отслаиваться. Но никто не обладал необходимыми инструментами для того, чтобы изолировать тончайший слой графена вплоть до начала 2000-х годов.

Теоретически графен впервые был изучен в 1940-х годах. В то время ученые считали физически невозможным существование двумерного материала, поэтому даже не пытались изолировать графен. Спустя несколько десятилетий данный вопрос снова всколыхнул ученых, и исследователи начали придумывать методы отделения тончайшего слоя графита.

В 2002 году советский, нидерландский и британский физик – исследователь Университета Манчестера Андрей Гейм заинтересовался графеном и бросил вызов аспиранту: сможет ли тот отполировать кусок графита до минимально возможного количества слоев. Студент смог достичь 1000 слоев, но не смог поразить цель Гейма – от 10 до 100 слоев. Гейм попробовал другой подход: липкие ленты. С помощью липкой ленты Гейму удалось достичь куска графа толщиной всего 10 слоев.

Команда Гейма работала над совершенствованием этой техники и в конечном итоге произвела один слой атомов углерода. Они опубликовали свои выводы в «Науке» в октябре 2004 года. Гейм и его коллега Константин Новоселов получили Нобелевскую премию по физике в 2010 году за проделанную работу.

С тех первых хлопьев, сделанных с помощью ленты, производство графена очень быстро совершенствовалось. В 2009 году исследователи смогли создать пленку графена размером 30 дюймов (в диаметре).

Работа Гейма и Новоселова была чрезвычайно интересна другим ученым из-за описания странных физических свойств графена. Электроны невероятно быстро перемещались по графену, что было довольно необычно.

Но помимо этих удивительных свойств графен обладал и другими особенностями:

·     химическая стабильность;

·     высочайшая подвижность носителей;

·     высокая теплопроводность;

·     исключительная прочность и упругость;

·     непроницаемость;

·     почти полная прозрачность.

Так где же графен может быть применен? Использование графена в повседневной жизни не за горами, отчасти благодаря существующим исследованиям углеродных нанотрубок – скатанной в трубку цилиндрической версии графена.

Ниже представлены некоторые из крупнейших новых концепций:

· Транзисторы. Компьютерные микросхемы полагаются на миллиарды транзисторов для управления потоком электроэнергии в цепях. Исследования в основном сосредоточены на том, чтобы сделать чипы более мощными, и графен, безусловно, может дать толчок к изобретению тончайших и чрезвычайно маленьких по размеру транзисторов.

· Прозрачные экраны. Такие устройства, как плазменные телевизоры и телефоны, обычно покрываются материалом, называемым оксидом индия-олова (ITO). Производители активно ищут альтернативные материалы, которые могут сократить расходы и обеспечить лучшую проводимость, гибкость и прозрачность. Графен - это новый вариант. Он прозрачный, тонкий и гибкий, а его проводимость идеальна для создания сенсорных экранов.

· Ультрафильтрация. Другим выдающимся свойством графена является то, что хоть он позволяет воде проходить через него, он почти полностью непроницаем для других жидкостей и газов (даже относительно небольших молекул гелия). Это означает, что графен можно использовать в качестве среды ультрафильтрации, действующей как барьер между двумя веществами.

· Композиционные материалы. В настоящее время аэрокосмические инженеры включают углеродное волокно в производство самолетов, поскольку оно очень сильное и легкое. Тем не менее, графен обходит эти показатели в лучшую сторону. В ближайшем будущем ожидается, что графен будет использован в создании материала, который сможет заменить сталь в конструкции летательных аппаратов, улучшая при этом топливную экономичность, дальность и вес конструкции. Эти характеристики также смогут помочь в разработке элементов с высокими требованиями к прочности, таких как бронежилеты для военнослужащих и многое другое.

· Фотоэлементы. Графен имеет очень низкий уровень поглощения света (около 2,7% белого света), а также высокую подвижность электронов. Отсюда следует, что данный материал можно использовать в качестве альтернативы кремнию или ITO при производстве фотогальванических элементов. В настоящее время кремний широко используется в производстве фотоэлементов, но если кремниевые элементы очень дороги для производства, то элементы на основе графена будут дешевой альтернативой.

· Хранилище энергии. Хотя за последние несколько десятилетий все области электроники продвигались очень быстрыми темпами, проблема всегда заключалась в сохранении энергии в батареях и конденсаторах, в момент их бездействия. С годами, литий-ионный аккумулятор, который когда-то питал ваши устройства в течение нескольких часов (и даже дней) постепенно теряет свою способность удерживать заряд. Решение заключается в улучшении возможностей ионно-литиевых батарей (за счет включения графена в анод), предлагая гораздо более высокие емкости с гораздо большей долговечностью и скоростью заряда. Кроме того, графен изучается и развивается для использования в производстве суперконденсаторов, которые могут заряжаться очень быстро, но также могут хранить большое количество электроэнергии.

Графен все еще находится на инфантильной стадии по сравнению с уже известными и повсеместно используемыми материалами, такими как кремний и ITO. Для того чтобы он был широко принят, его необходимо будет производить в больших количествах по ценам, равным или меньшим, чем существующие материалы.

Однако графен не сможет служить транзистором сам по себе. Исследователи тщательно изучают все способы корректировки графена, его сочетание с другими материалами для преодоления ограничения «проблемы транзистора». Другая исследуемая методика включает введение примесей в графен.

Графен также может являться невыгодным в различных областях. Например, электрические аккумуляторные батареи и углеродное волокно могут быть изготовлены из графена, однако они уже используют активированный уголь и графит – два и без того очень недорогих материала. Графен на их фоне является более затратным и никогда не будет достаточно выгодным, чтобы убедить производителей использовать именно его.

Миру необходимо всего лишь десятилетие, чтобы исследовать все возможности, плюсы и минусы применения графена, в то время как кремний известен науке более 200 лет. Опираясь на результаты проводимых учеными исследований, в ближайшем будущем человечество сможет узнать, станет ли графен незаменимым и важным материалом в науке и быту, или же это просто еще один шаг к открытию другого чудо-материала.