Графеновая краска: свойства, особенности и уникальные характеристики

Углеродное чудо или как графен изменит наш мир

Разные периоды человеческой истории тесно связаны с теми или иными материалами. За каменным веком наступила эпоха бронзы, которую потом вытеснило железо. Последние десятилетия стали «звездным часом» кремния, который подарил нам цифровую революцию и интернет. Мы стремительно входим в следующий технологический уклад и судорожно ищем новый материал, достойный служить его символом. Возможно, что им станет углерод, вернее, одна из его разновидностей – графен.

В последние годы этот материал постоянно на слуху. Графен называют – ни много, ни мало – самым важным открытием XXI века и не жалеют в его описаниях превосходных степеней. Адепты технического прогресса обещают нам новый дивный «графеновый» мир, в котором мы окажемся буквально завтра. В нем железо не будет ржаветь, люди смогут делать топливо из воздуха и пить воду прямо из океана. Ну и по мелочи: мы получим новое поколение электроники, сверхпрочную броню, колоссальной емкости аккумуляторы и прочая, и прочая, и прочая. Скептики, слушая восторженные спичи такого рода, лишь привычно и гадко ухмыляются. Действительно, «графеновую революцию» нам обещают уже лет пятнадцать лет, а пока нет даже приемлемого способа получения материала.

Так что же такое графен: реальный прорыв или очередной научно-технический фейл? Почему его открытие вызвало такую истерию, и какие «пряники» сулит нам использование этого материала? И почему оно до сих пор не началось?

  1. Химические и физические свойства
  2. Как был открыт «материал столетия»?
  3. Новая эра в электронике?
  4. Тверже алмаза и легче перышка
  5. Графен и проблема дефицита воды
  6. На страже здоровья или перспективы в медицине
  7. Уникальные динамики, краска будущего и презервативы
  8. Долгий путь между пробиркой и прилавком

Химические и физические свойства

По химическому составу графен ничем не отличается от алмаза или графита – он состоит из тех же атомов углерода, вся «фишка» в их особом пространственном расположении. Именно оно приводит к колоссальному различию физических свойств. В традиционных материалах атомы упорядочены в трех измерениях, поэтому окружающие нас предметы имеют высоту, длину и ширину. Графен – это аллотропная модификация углерода, в которой атомы образуют двумерную гексагональную кристаллическую решетку толщиной всего лишь один атом. По сути, это просто единственный слой, «вытащенный» из объемного кристалла вещества – третьего измерения у него нет.

Графен – самый прочный из известных нам материалов

Графен – первый двумерный материал, полученный учеными. Благодаря такой уникальной атомарной структуре он может «похвастать» целым рядом удивительных свойств:

  • огромной теплопроводностью;
  • просто запредельной механической прочностью;
  • гибкостью;
  • высокой электропроводностью;
  • непроницаемостью для большинства жидкостей и газов;
  • прозрачностью.

Но самое поразительное другое: при своей атомарной тонкости графен абсолютно стабилен, он не распадается, хотя многие ученые не верили в это. Еще в 30-е годы выдающиеся физики Рудольф Пайерлс и Лев Ландау утверждали, что двумерные материалы будут неустойчивы и быстро разрушатся под действием внешних факторов. Оказалось, что атомы удерживаются вместе благодаря особым вибрациям.

Изучение этого чудо-материала продолжается, и он не устает удивлять исследователей. Так, например, недавно выяснилось, что двухслойный графен в определенном положении ведет себя как сверхпроводник, хотя раньше этого и не предполагали.

Открытие графена настолько воодушевило ученых, что буквально в течение десяти лет были получены еще три двумерных материала со схожими свойствами: силицен – на основе кремния, фосфорен – фосфора и германен – германия.

Как был открыт «материал столетия»?

Гипотеза о существовании двумерной формы углерода была выдвинута еще в XIX веке, но подтвердить ее фактически долгое время не получалось. В 1859 году Бенджамин Броуди впервые синтезировал оксид графена, но только в 1948 году с помощью электронного микроскопа удалось доказать чрезвычайно малую толщину этого материала. Позже ученые обнаружили, что среди кристаллов оксида графена попадаются частицы толщиной в один атом. В 70-е годы монослойный углерод пытались выращивать на различных металлических подложках.

«Крестным отцом» этого материала стал Ханс-Питер Бём, который в 1986 году предложил называть однослойный углерод графеном. В конце 90-х Йошико Охаши изучал электрические свойства тонких графитовых пленок толщиной в несколько десятков атомарных слоев.

Первооткрыватели графена – Гейм и Новоселов. В 2010 году за эту работу они получили Нобелевскую премию

Впервые получить графен удалось двум британским ученым российского происхождения – Андрею Гейму и Константину Новоселову. Для этого они использовали самые подручные материалы – кусок графита, обычный скотч ну и, конечно же, знаменитую русскую смекалку. Ученые наносили на липкую ленту небольшое количество графита, после чего ее много раз склеивали и расклеивали, каждый раз разделяя вещество пополам. Когда пятно становилось совсем прозрачным, полученный графен переносился на подложку. Позже этот способ назвали «методом отшелушивания».

В 2010 году Гейм и Новоселов получили Нобелевскую премию и весьма обидную кличку от журналистов – «мусорные физики». Ученые всего мира наконец-то смогли исследовать графен, ибо липкой ленты хватало в любой лаборатории. Это стало настоящим прорывом: по словам людей, которые занимаются данным вопросом, за последние годы мы узнали о двумерных материалах куда больше, чем за все предыдущее столетие. В сети вы легко найдете подробное описание метода Гейма и Новоселова и при желании сможете повторить его в домашних условиях.

Читайте также:
Как сделать патину своими руками: выбор материалов и методики

Новая эра в электронике?

Графен – уникальный по своей электропроводности материал: его сопротивление на 35% меньше, чем у меди, а по подвижности носителей заряда он превосходит и кремний, и антимонид индия.

Существующие сегодня чипы памяти и микропроцессоры уже преодолевают технологические границы в 10 нанометров. Процесс дальнейшей миниатюризации представляет значительные сложности. Все громче раздаются голоса, что мы практически достигли пределов кремниевых чипов. Сегодня разработчики топчутся на тактовой частоте около 4 ГГц, не в силах обеспечить дальнейшее увеличение быстродействия.

На основе графена можно делать гибкие экраны электронных устройств. Скорее всего, это станет первой областью применения этого материала

Кремний всем хорош для микроэлектроники, но есть у него и существенный недостаток – низкая теплопроводность. С увеличением плотности элементов и ростом тактовой частоты это становится серьезным барьером для дальнейшего развития отрасли.

Правда, для изготовления полевого транзистора из графена нужно как-то создать в нем запрещенную зону, чтобы задавать два состояния, пригодных для двоичной логики: непроводящее и проводящее. Однако уже сегодня предложены несколько способов решения данной проблемы, и это позволяет надеятся на скорое появление подобных транзисторов. Инженеры полагают, что быстродействие графеновых микропроцессоров может быть на порядок выше существующих – на основе этого материала уже построены транзисторы, модуляторы, микросхемы, работающие на частотах выше 10 ГГц.

Помимо высокой электропроводности, графен отличается практически полной прозрачностью. Он поглощает всего лишь 2% света, причем в самом широком оптическом диапазоне. Список материалов, одновременно обладающих этими качествами, очень ограничен, и графен лучше их всех. Поэтому это идеальный материал для жидкокристаллических дисплеев. Кроме того, он отличается высокой механической прочностью, так что скоро вы сможете забыть о разбитых экранах смартфонов и ноутбуков. Мы уже можем получать материал подходящего качества, и сейчас вопрос стоит только в снижении его себестоимости.

Графен не только прочный и прозрачный, он еще и отличается прекрасной гибкостью – пластину из этого материала можно растянуть чуть ли не на 20%. Поэтому уже в ближайшем будущем нас точно ожидает эра гибкой электроники. Подобные девайсы уже не раз демонстрировались на выставках, но до коммерческого использования дело пока не дошло. Весьма активен в этом направлении корейский гигант Samsung.

Еще одной ожидаемой областью применения графена является производство различных измерительных устройств, датчиков, сенсорных систем. Например, газовые датчики из этого материала могут реагировать буквально на единичные акты адсорбции/реабсорбции молекул — то есть работать на пределе чувствительности для таких устройств. Еще в 2015 году специалисты из Американского химического общества (ACS) на основе графена разработали прототип тепловизора с высокочувствительной матрицей, не требующей охлаждения. В будущем это позволит создавать качественные и, главное, недорогие тепловизионные приборы и обычные телекамеры, способные вести съемку в полной темноте.

Графен – один из главных претендентов на смену кремния в микропроцессорах

Кто из нас не мечтал о новом смартфоне или ноутбуке с батареей, запаса которой хватало хотя бы на несколько дней? Очень может быть, что уже в ближайшем будущем это станет реальностью. Графен имеют максимальное отношение поверхности к объему, благодаря чему прекрасно подходит для аккумуляторов и суперконденсаторов.

Разработки в этом направлении ведутся самым активным образом. Несколько лет назад испанские инженеры сообщили о создании графенового аккумулятора для электромобилей, который может заряжаться всего за восемь минут, на 77% дешевле литиевых аналогов и в два раза легче их по весу. Разработчики утверждают, что заряда достаточно для 1000 километров пробега.

В 2017 году Институт передовых технологий Samsung (SAIT) заявил о создании революционной батареи на основе «графеновых шариков». Она, якобы, в несколько раз превосходит существующие аналоги по скорости зарядки и имеет на 45% большую емкость.

Тверже алмаза и легче перышка

Графен – самый прочный из известных нам материалов. По этому параметру он в двести раз превосходит сталь. Лист графена толщиной в один атом, выдержит давление острия карандаша, на другой стороне которого балансирует слон. А ученые из Georgia Tech пришли к выводу, что двухслойной пленке из этого материала не страшна даже пуля.

Понятно, что мимо таких способностей не могли пройти компании, занимающиеся военными разработками и защитным снаряжением. Уже появилось множество проектов графеновой брони, скафандров и легких бронежилетов. Правда, пока не совсем понятно, как из идеального двумерного материала сделать трехмерный, сохранив при этом его уникальные свойства.

На основе этого материал уже пробуют создать суперпрочные пластмассы и резину. Однако эти разработки пока находятся на начальном этапе.

Графен и проблема дефицита воды

Население планеты неуклонно растет, а количество водных ресурсов, наоборот, стремительно сокращается. Сегодня проблема нехватки питьевой воды не менее актуальна, чем проблема голода. И это при том, что ею покрыта большая часть поверхности земного шара. При чем тут графен, спросите вы?

Читайте также:
Как сделать матовую краску из глянцевой?

Дело в том, что этот материал практически непрозрачен для большинства химических веществ, но воду он пропускает. Грубо говоря, фильтр с графеновой мембраной будет задерживать морскую соль, опресняя тем самым воду. Правда, неизвестно, насколько долговечным будет подобное устройство, ведь хлориды – очень агрессивные вещества. Ученым придется решить еще множество проблем на этом пути, но работы не прекращаются, ибо слишком уж заманчивы перспективы.

На основе графена можно делать уникальные фильтры, которые будут способны не только очищать воду, но и опреснять ее

Точно так же можно очищать воду от любых токсинов, ядов и радиоактивных загрязнений. С помощью графена предлагают даже фильтровать ядерные отходы.

На страже здоровья или перспективы в медицине

Графен поможет человечеству победить рак. Он способен находить клетки опухоли в организме. Это удивительное свойство обнаружили ученые из Университета штата Иллинойс. Феномен связан с разницей электрических потенциалов здоровых и раковых клеток, которую легко определяют частицы материала.

Однако графен способен не только находить опухоли, но и эффективно уничтожать их. Биологи из Университета Манчестера выяснили, что частицы оксида графена могут поражать стволовые раковые клетки, никак не влияя на здоровые.

Уверенно можно сказать, что одной из главных сфер применения графена станут различные биодатчики, кардиостимуляторы, протезы, элементы нейроинтерфейса. Например, на основе этого материала уже разработаны специальные полупрозрачные татуировки, способные показывать температуру тела и состояние кожи. Медики надеются, что в будущем подобные рисунки смогут измерять активность сердца, мозга, снимать другие важные показатели.

Возможно, что графен поможет залечивать переломы костей. Ученые из Университета Карнеги-Меллона создали на его основе биоразлагаемый материал, который привлекает стволовые клетки к месту перелома. Это значительно ускоряет процесс восстановления. Пока этот метод опробован только на мышах, так что до практического использования еще далеко.

Уникальные динамики, краска будущего и презервативы

Возможности применения графена фантастически широки – кажется, что он пригодится человечеству буквально везде. Достаточно добавить его и любой материал станет прочнее, долговечнее, устойчивее. Мария Шарапова играет ракеткой, выполненной из графена, строители хотят домешивать его в бетон, Билл Гейтс прилично вложился в создание сверхпрочных графеновых презервативов. Автопроизводители хотят делать из него кузова машин, а авиастроители – детали ракет и самолетов. Вот еще несколько примеров возможного использования материала:

  • Сейчас немецкие исследователи работают над специальной краской на основе графена, которая будет сигнализировать о возможных дефектах изменением цвета. Пока этот проект находится в начальной стадии, о его коммерческом использовании говорить рано;
  • Китайские ученые из Северо-Западного университета разработали покрытие на основе графена, которое защищает металлы от ржавчины. Причем, этот состав способен самовосстанавливаться после небольших повреждений;
  • В конце 2017 года исследователи из частного университета Райса представили общественности кроссовки с добавлением графена. Материал был использован при изготовлении подошвенной резины. Разработчики утверждали, что их обувь отличается повышенной износостойкостью и невероятно прочна. Кроме того, кроссовки поразили присутствующих своей эластичностью: их можно было легко гнуть, крутить и складывать;
  • На основе графена планируют создать новое поколение акустических систем. Современные динамики работают за счет генерации механических вибраций. Британские ученые показали, что графен способен издавать сложные и управляемые звуковые колебания при нагревании и охлаждении. Таким образом можно изготовить колонки, которые вообще не содержат движущихся деталей, при этом заметно уменьшив их размеры. В идеале такой динамик будет частью графенового экрана вашего телефона или другого устройства. Опытный образец имеет размер меньше ногтя, причем в него еще встроен эквалайзер.

Долгий путь между пробиркой и прилавком

Открытие графена нередко сравнивают с изобретением колеса, паровой машины, бумаги или транзистора. О росте интереса к графеновой теме можно судить по увеличению количества заявок на патенты: в 2010 году их было около 6 тыс. штук, а в 2016 – это число увеличилось до 50 тыс.

Больше всего заявок подали китайские компании и научные центры. В Поднебесной все, что связано с графеном пользуется огромной государственной поддержкой. Китай особо и не скрывает, что планирует забрать себе до 80% графенового рынка. Аналогичные программы поддержки отрасли существуют и в других странах. Почему же до сих не видно массовых графеновых технологий, несмотря на очень серьезные финансовые вливания в эту отрасль? Тому есть серьезные причины.

Читайте также:
Медная краска по металлу - подготовка и покраска

В настоящее время используется несколько способов получения графена, которые, в принципе, уже обеспечивают промышленные объемы этого вещества. Довольно серьезной проблемой является качество полученных образцов, а именно от него во многом зависят свойства и функционал материала. И если для красок или композитов вполне сгодится дешевый хлопьевидный графен, полученный химическим путем, то для высокочастотной электроники необходимо качественное сырье с минимумом дефектов и примесей.

К сожалению, пока не существует установленных стандартов качества графена, из-за чего страдает отрасль в целом. Недавно было проведено исследование продукции 60 компаний, которые, якобы, предлагали графен. Однако вместо него в образцах был обнаружен дешевый графит, к тому же содержащий еще и примеси других веществ.

В принципе, нынешнее положение дел очень напоминает ситуацию на заре компьютерной эры, когда были огромные трудности с получением чистого кремния. Однако они уже давно решены.

Себестоимость графена неуклонно падает. Сегодня пластинка материала площадью 1 кв. см стоит меньше одного евро. Эксперт утверждают, что к 2022 году его цена упадет еще на порядок. Однако проблемы все еще остаются. Наибольшую трудность представляет процесс переноса графеновой пластины на ту или иную подложку – а это едва ли не основное требование для начала массового промышленного производства. Вероятно, что сначала мы получим графеновые экраны, затем дело дойдет до электронных устройств и различных детекторов. Другие, более экзотичные варианты применения материала, скорее всего, – дело ближайших десятилетий.

Внутри любого современного мобильного телефона «содержится» более двадцати Нобелевских премий, часть из которых была присуждена еще в середине 60-х годов. То есть, от идеи до ее воплощения прошло более пятидесяти лет. Графену не исполнилось еще и пятнадцати, а на рынке уже есть товары, содержащие этот материал. Так что графен не опаздывает, он, наоборот, опережает время.

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.

Читайте также:
Покраска фанеры - выбор состава и этапы нанесения

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.

Уникальное вещество и его применения

Индустриализация графена является одной из наиболее востребованных тематик в области наноматериалов

В 2010 году за новаторские эксперименты по исследованию двумерного материала — графена — были удостоены Нобелевской премии Константин Новоселов и Андрей Гейм. Графен — это двумерная структура, в которой атомы углерода выстроены в вершины правильных шестиугольников. Графен является составной единицей графита и используется как теоретическая модель для описания других аллотропных форм углерода, таких как фуллерены и нанотрубки. Хотя первые лабораторные экспериментальные образцы графена были получены относительно недавно, существует уже немало исследований по применению графена в различных областях. «Ъ-Наука» рассказывает о некоторых из них.

Читайте также:
Смывка порошковой краски - способы и средства

Графен имеет уникальные электронные и оптические свойства, связанные с его зонной структурой. В первой зоне Бриллюэна графена существуют особые точки К и К`, вблизи которых энергия электронов линейно зависит от волнового вектора. Таким образом, графен — полупроводник с нулевой запрещенной зоной, а движение электронов в нем описывается не уравнением Шредингера, как в объемных полупроводниках, а уравнением Дирака для безмассовых квазичастиц. Вследствие этого в графене наблюдается полуцелый квантовый эффект Холла и сверхвысокая подвижность электронов. Графен имеет также выдающиеся оптические характеристики. Например, величина оптического поглощения света в нем составляет 2,3% от интенсивности падающего излучения и не зависит от длины волны.

В последние два года совершен прорыв в понимании свойств неупорядоченного графена. Например, в 2018 году было сделано фундаментальное открытие — сверхпроводимость в скрученном графене. Американские физики предложили модель, которая качественно объясняет явление сверхпроводимости.

Интервью Нобелевского лауреата Константина Новоселова

Алексей Арсенин, заместитель директора центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, обратил наше внимание на работы с гибридными структурами, которые сочетают два и более двумерных материалов, в том числе слои двумерных материалов, повернутые друг относительно друга. Если мы сделаем полость в материале толщиной в один слой, то это еще один объект для исследований — 2D nothing. В 2019 году в Черноголовке защищена докторская диссертация по графену Павла Островского из Института теоретической физики им. Л. Д. Ландау. Им, в частности, построена полная симметрийная классификация возможных типов примесей в графене. Профессор Олег Язев из EPFL (Федеральная политехническая школа Лозанны, Швейцария) так охарактеризовал нам работу Островского: «Диссертация объединяет серию теоретических работ, направленных на понимание электронной проводимости в графене с учетом двумерности и уникальной электронной структуры, свойств, которые делают его столь непохожим на известные металлы и проводники. Особое внимание уделено электронной проводимости в присутствии примесей».

Нобелевский лауреат Константин Новоселов (Манчестер) в эксклюзивном интервью для «Ъ-Науки» рассказал, что ему трудно оценить мировое производство графена в тоннах или деньгах. Что касается крупнейших потребителей графена, то он отметил следующие (далеко не все!):

  • Huawei использует графен для терморегуляции смартфонов;
  • BYD (Китай) применяет графен в аккумуляторных батареях;
  • Samsung планирует (или уже использует) графен в кремниевых чипах для контроля контактного сопротивления;
  • в автомобилестроении ряд компаний, например Ford Motor, применяют полимерные композиты с графеновым наполнителем;
  • канадская Ora Graphene Audio Inc. производит композиционный материал для беспроводных акустических наушников GRAPHENEQ TM.

Графен в России

В России собственная графеновая индустрия пока только складывается.

Причастные крупные корпорации, например «Росатом», «Ростех», «Роснефть», «Газпром», пока не афишируют тему графеновых материалов, испытывая готовые продукты, например уплотнители от АО «НП “Унихимтех”» (Подольск) на основе графеносодержащих мультислойных структур, графеновые смазки от ООО «ПКФ Альянс» (Санкт-Петербург), корозионно-стойкие покрытия от ООО «Глобал АКЗ».

Интервью профессора, доктора химических наук Дарьи Андреевой

«Сейчас одно из наиболее востребованных применений графена — это теплоотвод в электронных устройствах. В нашей лаборатории сейчас есть проект, направленный на решение этой задачи. Мы разрабатываем теплопроводную пасту для микроэлектроники на основе наших графеновых нанопластин»,— рассказал нам генеральный директор ООО «Русграфен» (Протвино) Максим Рыбин. Кроме того, в ООО «Русграфен» совместно с ООО «ГрафенОкс» (Черноголовка) научились делать различные виды графеновых красок и чернил для гибкой электроники. «Мы можем наносить тонким слоем чернила в качестве активного элемента сенсора и электропроводящие краски в качестве электродов»,— пояснил Максим Рыбин.

По словам генерального директора ООО «Актив-нано» (Санкт-Петербург) Галины Черник, компания разработала тонкорасщепленный графит (few-layer graphene, малослойный графен). Продукт изготавливают с помощью механических методов, без химических реагентов и высоких температур. Окисления углеродного материала не происходит. Удельная площадь поверхности малослойного графена составляет 250–500 кв. м/г, что соответствует средней толщине в пять-десять слоев атомов углерода. Удельная электропроводность материала достигает 100–200 сименс на сантиметр, что в несколько раз выше, чем у электропроводящих саж. Порошок малослойного графена можно применять в электропроводящих и теплопроводящих материалах и в качестве твердой смазки в порошковой металлургии.

Позиция правительства РФ

В 2019 году сформирована группа проектов Graphene Technology Group, сооснователями которой являются Максим Гудков Максим и Максим Рабчинский. В группу входят проекты Graphene Technology, GraphSensors и GraphApta (ООО «Граф-СК», ООО «ГрафСенсорс»). Группа разработала дешевый и масштабируемый метод синтеза оксида графена, который позволяет получить оксид графена высокой чистоты (доля примесей не превышает 0,1 ат.%) с требуемыми размерами монослойных частиц в диапазоне от 500 нм до 100 мкм. Также разработаны масштабируемые методы получения набора функционализированных графенов с контролируемым составом функциональных групп. По словам руководителя проекта Максима Гудкова, производимые материалы представляют большой интерес для электронной промышленности (сенсорные экраны, суперконденсаторы, различные датчики и микроэлектронные чипы), отрасли композитных материалов (аэрокосмическая промышленность, медицинские имплантаты, инженерные материалы), для каталитической отрасли (носители для водородных энергетических катализаторов) и других. За ближайший год компания планирует нарастить объем производства до 10 кг оксида графена в месяц, что позволит снизить цену с текущих 695 руб. за 1 г до 280 руб.

Читайте также:
Антистатическая краска - требования и виды

Рынок графена в США

Проект GraphSensors направлен на разработку и производство высокоселективных мультисенсорных газовых чипов на основе графена, обладающих рядом уникальных характеристик: большой набор диагностируемых и идентифицируемых газов (сенсор способен распознавать до семи газов в смеси), низкое энергопотребление (5–10 мВт), возможность работы в бескислородной атмосфере и отсутствие необходимости нагрева чипа. Руководитель проекта Максим Рабчинский прокомментировал: «Наши чипы можно использовать как для диагностики содержания компонентов в газовых смесях, так и для более комплексных задач: диагностики заболеваний человека (Breath Biopsy), идентификации различных запахов, например кофе, табака, вин, мяса, список практически не ограничен. Чипы могут быть интегрированы как в системы “Электронный нос” (Electronic nose), так и в классические многоканальные газоанализаторы».

Проект GraphApta направлен на разработку портативных тест-систем персонального использования для регулярной диагностики течения инфекционных заболеваний, таких как ВИЧ, гепатит, заболевания, передаваемые половым путем. Тест-системы представлены одноразовыми тест-полосками на основе графеновых покрытий и компактного измерительного блока, гепатометра, с доступом к облачному сервису для хранения данных о динамике заболевания. Использование системы позволит проводить диагностику в любое время и в любом месте по аналогии с обычным глюкометром при высокой селективности, чувствительности, а также простоте и дешевизне прибора. По словам руководителя проекта Ивана Комарова, планируется создание как персональных устройств, так и коммерческих решений с расширенными эксплуатационными характеристиками для компаний, занимающихся мониторингом здоровья и анализом вирусных заболеваний.

Джеймс Бейкер, директор Graphene Engineering Innovation Centre:

— Господин Бейкер, какие технологии применяются в Евросоюзе для производства графена?

— Существуют две основные методики (но в них много вариаций) получения графена. Методика «сверху вниз» (Top-down) начинается с графита, который через различные способы расщепляют на слои или пластинки графена. Методика «снизу вверх» (Bottom-up) начинается с атомов углерода или углеродсодержащего газа, например CH4 (метан), и с помощью таких процессов, как CVD (химическое осаждение из газовой фазы), образуется пленка графена на листе подложки (например, меди).

В активе АО «НИИграфит» (Москва) разработка гибких пьезодатчиков с графеновыми контактами, графенсодержащие высокоанизотропные теплорассеивающие пластмассы, имеющие коэффициент теплопроводности свыше 200 Вт/мК в одном направлении и 10–20 Вт/мК в другом, с теплостойкостью до 180оС и прочностью более 50 МПа. Реализуемые проекты сосредоточены в области разработки конкурентоспособного технологического процесса получения графена из природного графита методом жидкофазной эксфолиации. Результатом должна стать коммерческая линейка суспензий графеновых препаратов, которые можно использовать для модификации полимеров и композиционных материалов, для получения жидких теплоносителей, смазывающих материалов, проводящих контактов, чернил, оптических покрытий.

Импорт графеновых продуктов

В 2019 году началось продвижение импортных графеновых продуктов на российский рынок. Так, ООО «Альфарок Материалс» (Москва) ввезло из Испании фотокаталитическую краску Graphenstone. Андрей Буслаев, исполнительный директор ООО «ГК Генезис ГНП» (Москва), сообщил «Ъ-Науке» о выводе в августе нынешнего года на рынок России и СНГ швейцарского моторного масла «Genesis GNP Engine Oil» и масла трансмиссионного «Genesis GNP Gear Oil» с присадками графена.

Испытания показали, что коэффициент трения в новом машинном масле снижен с 0,12 до 0,02, коэффициент износа двигателя уменьшается в два-три раза, а расход топлива автомобиля падает на 30% на атмосферных двигателях и на 15% для турбомоторов.

Лю Чжуньфань, Пекинский графеновый институт:

— Укажите, пожалуйста, ведущие компании по производству графена в Китае.

— Согласно Глобальному индексу графена, опубликованному китайской службой экономической информации (CEIS) в 2018 году, Китай и США лидируют в графеновой промышленности. В целом производство графена можно классифицировать как CVD-метод получения графеновой пленки и методы получения графеновых порошков. Некоторые примеры китайских производителей графена: CVD-пленки (Beijing Graphene Institute, Chongqing Graphene Technology Co., Ltd.,2D Carbon (Changzhou) Tech Inc., Ltd., Wuxi Graphene film Co., Ltd., Nanjing Ji Cang Nano Tech Co., Ltd.); графеновых порошков (SuperC (Dongguan) New Materials Technology Co., Ltd., Ningbo Morsh Co., Ltd., Qingdao Haoxin Technology Co., Ltd., Xiamen Knano Graphene Technology Co., Ltd., Baotailong Co. Ltd., The Sixth Elements (Changzhou) Materials Technology Co., Ltd., Shandong Leadernano Technology Co., Ltd.).

Есть и другие применения графена, такие как добавки в бетон, антибактериальные ткани, фильтрующие и адсорбирующие графеновые материалы и прочее. Изучается применение графена в полевых транзисторах, в лазерах в качестве насыщающихся поглотителей для реализации режима пассивной самосинхронизации мод при генерации ультракоротких импульсов. Так как все эти применения были разработаны всего за несколько лет, то можно говорить о необходимости более подробного изучения свойств графена и наблюдаемых в нем эффектов для полного раскрытия потенциала этого углеродного наноматериала, который, по прогнозам, весьма велик.

Читайте также:
Сколько весит 1 литр краски – расчет и вес разных составов

Антонио Кастро Нето, сингапурский Графеновый центр:

— Укажите, пожалуйста, ведущие компании по производству графена.

— Мировой рынок графена сложен, с тысячами компаний, производящих его,— от пленок до порошков, с различными уровнями качества и стандартизации. Мне трудно выделить отдельные компании. В Сингапуре ведущей компанией является 2D Materials с мощностью 12 тонн графена в год. Она получила предварительные инвестиции от CBMM, компании, которая является главным поставщиком ниобиевых продуктов и технологий. «Брак» между графеном и ниобием имеет огромный потенциал применения — в частности, в твердотельных аккумуляторных батареях. Это передний край электроаккумуляторной технологии — в отличие от обычных жидкоэлектролитных, твердотельные батареи не воспламеняются, и они очень дешевы. Эту технологию развивает сингапурская компания Graphene Watts.

Владимир Тесленко, кандидат химических наук

PDF-версия

  • 3
  • 4
  • 5
  • 6
  • 7
  • 8

Графеновый хайп

Едва утихла наноистерия, как поднимается новая волна.

Графеновое масло, графеновые ракетки, графеновая одежда и наконец графеновое защитное покрытие для автомобилей.

Естественно у меня ( да и не только ) возник интерес. Неужто свершилась очередная революция и пока я полировал автомобили треклятым “триэмом”, всё в мире уже перевернулось?

К счастью сегодня можно легко найти ответ практически на любой вопрос.

Как по мне, так всё достаточно доходчиво рассказано. Повторяться не вижу смысла.
Вот кстати сайт упомянутый в видео, где можно ознакомится с наработками — graphene-flagship.eu/innovation/products/

А что-же с графеновым покрытием?

Первое что выдал мне поисковик по запросу “графеновое покрытие”, так это сайт известного в кругу детейлеров магазина, где продаётся то самое покрытие.
Вот его заявленные характеристики:
“Твердость 10H, 7+ лет защиты
Наше самое долговечное покрытие!
Менее склонен к образованию водяных пятен
Более высокая устойчивость к пятнам от насекомых, сока, помета и т. Д.
Повышенная устойчивость к царапинам во время мойки
Легче наносить, чем предыдущие керамические покрытия
Увеличенная глубина и четкость всех поверхностей
Меньший угол скольжения с отводом воды под углами менее 10-15 °
Более высокие краевые углы в среднем 110-118 °
Подана заявка на патент, UV Tracing Technology ™
Допустимо нанесение на все окрашенные поверхности, стекло, фары, хром, отделку, диски!”

10Н — это сильно. Особенно без объяснения что они мерили и как. Но это мелочи. Главное ошарашить потребителя.

Пока читал описание, на сайте, тут же вылезло окошко с предложением задать вопрос.
Естественно вопрос есть и довольно простой.
Отправляю сообщение — “Здравствуйте. Интересуют лабораторные подтверждения заявленных свойств продаваемого вами”

Утром приходит ответ — “Производитель не заявлял подобных документов. Вы можете самостоятельно запросить у производителя данную информацию.”

Продавец перевёл стрелку. Что предсказуемо.

Естественно лезу на сайт производителя, нахожу продукт который предлагает магазин и открываю отзывы клиентов.

Среди восторженных есть и довольно интересные, из которых можно понять что же это за продукт.
Естественно никто так и не написал, проверял ли он его на твёрдость или нет. Но написали о том что гидрофоб пропадает уже через пару недель. Что собственно и не новость. Такое случается и с другими покрытиями. Много жалоб на то что даже при соблюдении технологии, на лаке вылезают пятна, которые невозможно убрать. Что характеризует товар как качественную керамикужидкое стекло . Пишут что нельзя наносить вторым слоем, так как быстро дубеет и превращается практически в камень. Что делает людям нервы.
Ну и сетуют на обратную связь с производителем, сетуя на то что с ними зачастую невозможно связаться и получить компенсацию.
И это на родине производителя.

Вывод из всего этого я могу сделать такой. Графеновое покрытие это очередная попытка заработать на неведомом продукте. Сам состав судя по отзывам мало чем отличается от всего многообразия подобных продуктов не имеющих в названии слова “графен”. Каких-то сверхестественных свойств он не имеет. Предоставить доказательств заявленных характеристик не может ни продавец, ни производитель.

А что у нас ? У нас всё как всегда. Если что-то идёт не так, то вас отошлют в Америку, к производителю.

Графен конечно материал перспективный и судя по всему эту новую волну хайпа, теперь уже на графене, ждёт то же что и волну с “нано”.

Если конечно не случится настоящей научной революции .

Новое в блогах

Сообщество «Наука будущего»

Графеновая краска преобразует энергию солнца в электричество

Графен, сравнительно недавно открытое вещество, может существенно изменить наши представления об источниках энергии. На его основе можно создавать аккумуляторные батареи, а сегодня было объявлено о создании солнечной краски, в состав которой входит графен. Она поглощает энергию солнечного света и трансформирует ее в электричество.

Солнечную краску разработали ученые из Университета Манчестера совместно со специалистами Национального университета Сингапура.

Читайте также:
Огнезащитные краски по дереву - характеристики и применение

По информации веб-ресурса Dvice, ею можно покрывать стены жилых домов и офисных зданий для генерации электрической энергии.

Проекты по превращению наружных стен домов в источники энергии существуют уже несколько лет, но в каждом из них фигурируют солнечные батареи — именно ими предлагается покрывать стены и крыши, но их существенным недостатком является высокая стоимость наряду со значительными габаритами.

Солнечная краска же, наоборот, имеет минимальную толщину, да и стоимость ее не должна быть слишком высокой, поскольку производство графена не требует значительных финансовых вливаний.

Преимуществом графена, помимо низкой себестоимости, является его повышенная проводимость и одновременно минимальная толщина. Производится он из графита путем расщепления его кусочков на тончайшие составные части. Говоря научным языком, графен является двумерной модификацией углерода толщиной всего в один атом.

По состоянию на сегодняшний день солнечная краска на основе графена является своего рода концептом и пока не готова к коммерциализации. Данная технология по-прежнему находится в разработке, но тот факт, что о ней было заявлено во всеуслышание, говорит о том, что работа ученых близится к своему логическому завершению.

По мнению специалистов, данное решение позволит существенно снизить нагрузку на экологию нашей планеты путем сокращения производства электричества при помощи сжигания ископаемого топлива. Так что солнечная краска – это именно то, что называется «зелеными технологиями».

Олег Сазонов # ответил на комментарий Аркадий Хромов 12 мая 2013, 12:20 Как снимать электричество – для меня загадка.

Если бы пленка графена была сплошной и не покрыта связующим, то все было бы просто – полоска токопроводящего клея решила бы задачу.

Но в статье нет ничего про устройство и свойства фотоэлемента на основе графеновой краски. :(((

Олег Сазонов # ответил на комментарий Аркадий Хромов 13 мая 2013, 23:17 Ерунда, а не квалификация.
Такой ток будет сниматься примерно с 10 квадратных метров (вряд ли КПД превысит 1%), значит достаточно через метр приклеить 10 амперные шинки. А можно и чаще. :)

Понятно, что это несколько удорожит покраску, но не радикально.

Олег Сазонов # ответил на комментарий Аркадий Хромов 13 мая 2013, 23:23 Когда наш завкафедрой объяснял высоким гостям принцип электрохимического перфорирования фольги по трафарету, он всегда говорил: “Представьте себе обычный капроновый чулок, который прижат к фольге. Теперь опускаем это в электролит и включаем ток. Под дырочками металл растворяется и мы получаем сетку вместо фольги.”

Естественно чулок совершенно не годится. Зато гости смеются и как бы всё понимают. :)))

Олег Сазонов # ответил на комментарий Аркадий Хромов 14 мая 2013, 08:58 Плат я перетравил множество.

Графен, его производство, свойства и применение

Графен, его производство, свойства и применение в электронике и др.

Графен является самым прочным материалом на Земле. В 300 раз прочнее стали. Лист графена площадью в один квадратный метр и толщиной, всего лишь в один атом, способен удерживать предмет массой 4 килограмма. Графен, как салфетку, можно сгибать, сворачивать, растягивать. Бумажная салфетка рвется в руках. С графеном такого не случится.

Описание графена. Открытие графена:

Графен – это двумерная аллотропная форма углерода, в которой объединённые в гексагональную кристаллическую решётку атомы образуют слой толщиной в один атом. Атомы углерода в графене соединяются между собой sp 2 -связями. Графен в буквальном смысле представляет собой материю, ткань .

Углерод имеет множество аллотропов. Некоторые из них, например, алмаз и графит , известны давно, в то время как другие открыты относительно недавно (10-15 лет назад) – фуллерены и углеродные нанотрубки . Следует отметить, что известный многие десятилетия графит представляет собой стопку листов графена, т.е. содержит несколько графеновых плоскостей.

На основе графена получены новые вещества: оксид графена, гидрид графена (называемый графан) и флюорографен (продукт реакции графена со фтором).

Графен обладает уникальными свойствами, что позволяет его использовать в различных сферах. Предполагается, что графен может стать отличной заменой кремнию, особенно в полупроводниковой промышленности, и другим химическим элементам.

Графен был получен двумя британскими учеными российского происхождения Константином Новоселовым и Андреем Геймом, работающими в Университете Манчестера. За «передовые опыты с двумерным материалом – графеном» Константин Новоселов и Андрей Гейм в 2010 г. были удостоены Нобелевской премии. Для получения графена ученые использовали подручные материалы – кусок графита и обычный скотч. Ученые нанесли на липкую ленту небольшое количество графита, после чего ее много раз склеивали и расклеивали ленту, каждый раз разделяя (отшелушивая) вещество пополам. Эти действия ученые проводили до тех пор, пока от образца графита не остался один, последний – прозрачный слой – графен, который перенесли на подложку. Данный способ получения графена именуется методом “отшелушивания”.

Свойства и преимущества графена:

– графен является самым прочным материалом на Земле. В 300 раз прочнее стали . Лист графена площадью в один квадратный метр и толщиной, всего лишь в один атом, способен удерживать предмет массой 4 килограмма. Графен, как салфетку, можно сгибать, сворачивать, растягивать. Бумажная салфетка рвется в руках. С графеном такого не случится,

Читайте также:
Как отреставрировать старый стул и дать ему вторую жизнь

благодаря двумерной структуре графена, он является очень гибким материалом, что позволит использовать его, например, для плетения нитей и других верёвочных структур. При этом тоненькая графеновая «верёвка» по прочности будет аналогична толстому и тяжёлому стальному канату,

– в определённых условиях у графена активируется ещё одна способность, которая позволяет ему «залечивать» «дырки» в своей кристаллической структуре в случае её повреждений,

графен обладает более высокой электропроводностью. Графен практически не имеет сопротивления. У графена в 70 раз мобильность электронов выше, чем у кремния . Так, подвижность зарядов графена составляет более 1 000 000 см 2 /В∙с. Скорость электронов в графене составляет 10 000 км/с, хотя в обычном проводнике скорость электронов порядка 100 м/с,

– обладает высокой электроемкостью. Удельная энергоемкость графена приближается к 65 кВт*ч/кг. Данный показатель в 47 раз превышает тот, который имеют столь распространенные ныне литий-ионные аккумуляторы ,

обладает высокой теплопроводностью. Он в 10 раз теплопроводнее меди. Его теплопроводность составляет около 5000 Вт/м∙К,

– характерна полная оптическая прозрачность. Он поглощает всего 2,3% света и оптически прозрачен в широком диапазоне от UV до far-IR,

графеновая плёнка пропускает молекулы воды и при этом задерживает все остальные, что позволяет использовать ее как фильтр для воды,

– самый легкий материал. В 6 раз легче пера,

инертность к окружающей среде,

– впитывает радиоактивные отходы,

благодаря Броуновскому движению (тепловым колебаниям) атомов углерода в листе графена последний способен «производить» электрическую энергию,

– является основой для сборки различных не только самостоятельных двумерных материалов, но и многослойных двумерных гетероструктур,

– при протекании соленой воды по листу графена последний способен генерировать электрическую энергию за счет преобразования кинетической энергии движения потока соленой воды в электрическую (т.н. электрокинетический эффект),

– графен является гидрофобным и абсолютно непроницаем (за исключением воды) материалом для жидкостей и газов, в том числе агрессивных соединений,

– химически нейтрален, стабилен и экологичен.

Графен. Устройство и применение. Особенности и перспективы

Графен (G) представляет революционный материал, который открывает широкие перспективы. Это самый электропроводящий, легкий и прочный вариант углеродного соединения. G — был открыт Андреем Геймом и Константином Новоселовым, которые работают в Университете Манчестера. Русских ученых за это открытие наградили Нобелевской премией. На исследование свойств графена только на сегодняшний день выделено свыше десяти миллиардов долларов.

Ученые предполагают, что он может стать превосходной заменой кремнию, в особенности в полупроводниковой промышленности. Неслучайно его называют «материалом будущего». Несмотря на «молодость» графена, исследователи находят все новые свойства графена, которые открывают перед человечеством невероятное окно возможностей.

Что это графен

G — представляет двумерную модификацию углерода, в которой атомы объединены в гексагональную кристаллическую решетку, а его толщина составляет всего один атом.

При этом материал обладает уникальными свойствами:

  • Рекордно большая теплопроводность.
  • Большая механическая жесткость, он прочнее стали в сотни раз.
  • Высокая гибкость.
  • Большая электропроводимость.
  • Его температура плавления находится выше 3000 градусов.
  • Непроницаемость для большинства газов и жидкостей.
  • Прозрачность.

Если сложить 3-и миллиона листов графена, то можно получить толщину порядка 1 мм.

Чтобы объяснить самым простым способом, что такое G, можно сказать: данный материал состоит из мягкого слоистого материала, используемого в грифелях. Однако графен, в отличие от графита, имеет иную структуру. Так же, как графит и алмаз являются формами углерода, они существенно кардинально отличаются по прочности. Так и графен очень твердый в виду того, что его атомы имеют гексагональное расположение.

Чудеса начинаются, когда начинается выделение графена из графита. Благодаря толщине в один атом он представляет первый 2D-материал из когда-либо обнаруженных. К тому же он обладает многочисленными полезными и удивительными свойствами. Сегодня не существует такой области применения, где графен не был бы интересен. Именно поэтому проводятся многочисленные интенсивные исследования, которые направлены на изучение сфер, где потенциально можно было бы внедрить указанный материал. Для ученых открываются невероятные возможности, ведь G особенно широко можно использовать в развитии технологий и науки.

Устройство
Начиная с 2004 года, когда новейший наноматериал был открыт, ученые смогли освоить целый спектр методов его получения. Но основными из них являются следующие способы:
  • Химическое перофазное охлаждение, то есть CVD-процесс.
  • Эпитаксиальный рост в вакууме.
  • Механическая эксфолиация.
Последний метод является наиболее простым. Создание графена при помощи механической эксфолиации осуществляется следующим образом:

  • Выполняется нанесение специального графита на специальную клейкую поверхность изоляционной ленты.
  • Затем основу, словно лист бумаги, начинают разгибать и сгибать, отделяя необходимый материал.
Читайте также:
Покраска фанеры - выбор состава и этапы нанесения

При использовании указанного способа G получается наиболее высокого качества. Но подобные действия не подойдут для массового производства, указанного наноматериала.

При применении метода эпитаксиального роста:
  • Используют тонкие кремниевые пластины, у которых поверхностный слой состоит из карбида кремния.
  • Затем данный материал нагревают при весьма высокой температуре, достигающей 1000 К.
  • Вследствие химической реакции осуществляется отделение атомов кремния от атомов углерода, при этом первые испаряются. На пластинке остается лишь чистый G.

Среди минусов данного метода можно отметить необходимость применения высоких температур, при которых обеспечивается сгорание атомов углерода.

Наиболее простым и надежным способом, который применяется для массового производства графена, считается CVD-процесс. Данный метод представляет способ, при котором протекает химическая реакция между углеводородными газами и металлическим покрытием-катализатором.

В результате указанных методов получается двумерная аллотропная модификация углерода, которая образована слоем атомов углерода толщиной в один атом, которые соединены в гексагональную двумерную кристаллическую решетку посредством σ- и π-связей. Носители заряда графена обладают высокой подвижностью, самой большой среди всех известных материалов. Благодаря этому G является перспективным материалом для возможной замены кремния в интегральных микросхемах и будущей основы нано электроники.

Применения и особенности

Рынок применения графена непосредственно связан с прогрессом в производстве графена со свойствами, которые требуются для конкретного его использования. На текущий момент развиваются и применяются десятки методов по получению графена различного качества, формы и размера.

Среди методов, которые могут быть использованы, можно выделить три класса, получаемого графена:
  1. Хлопьевидный восстановленный оксид графена, который применяется для проводящих красок, композитных материалов и так далее.
  2. Плоский G, применяемый для создания высокопроизводительных электронных устройств.
  3. Плоский G, применяемый для создания неактивных и низкопроизводительных устройств.

Свойства конкретного класса графена, а значит и функционал приложений, где можно его задействовать, очень сильно зависят от качества подложки, материала, типа дефектов и тому подобное. А это в первую очередь определяется методом производства.

Графен в зависимости от метода производства сегодня применяется в следующих направлениях:

  • При механическом отслаивании графен применяется для исследований. Подвижность носителей заряда составляет 2×105 и 106 (при низкой температуре) см²В-1с-1.
  • При химическом отслаивании G применяется для создания композитных материалов, покрытий, красок, чернил, биоприложений, конденсаторов, прозрачных проводящих слоев. Подвижность носителей заряда составляет 100 см²В-1с-1.
  • При химическом отслаивании через оксид графена материал применяется для создания композитных материалов, покрытий, красок, чернил, биоприложений, конденсаторов, прозрачных проводящих слоев. Подвижность носителей заряда составляет 1 см²В-1с-1;
  • При методе CVD G применяется для создания наноэлектроники, фотоники, биоприложений, сенсоров, прозрачных проводящих слоев. Подвижность носителей заряда составляет 1000 см²В-1с-1;
  • При методе SiC G применяется для создания электронных устройств, высокочастотных транзисторов и иных устройств. Подвижность носителей заряда составляет 1000 см²В-1с-1.
На текущий момент изучаются и другие сферы применения графена:
  • В альтернативной электронике;

— наноплазмоника и оптоэлектроника;
— спинтроника;
— баллистическая электроника.

  • В химическом применении;

— газовые сенсоры;
— хранение водорода.

  • G — как конструкционный материал;

— композитные материалы;
— графеновые мембраны.

  • G — как проводник;

— холодные катоды;
— суперконденсаторы и электрические батареи;
— квантовые точки;
— НЭМС (наноэлектромеханические системы);
— прозрачные покрытия и проводящие электроды.

Так или иначе, но уникальные свойства, которыми обладает графен, смогут обеспечить внимание разработчиков и ученых к нему на десятки лет. Возможно, данный материал начнет вытеснять кремний из электронной промышленности.

Достоинства и недостатки
К достоинствам графена можно отнести следующее:
  • Высокая электропроводность . G — может проводить электричество как обычная медь. На его основе можно создавать различные электрические приборы.
  • Отличная оптическая чистота . G — может поглощать только чуть более двух процентов видимого света вне зависимости от характеристик излучения. Вследствие этого данный материал практически бесцветен. Сторонний наблюдатель может назвать его невидимым.
  • Высокая механическая прочность . G — по прочности превосходит алмаз.
  • Гибкость .G — является более гибким, чем кремний. По данным параметрам он даже превосходит резину. Благодаря однослойной структуре можно изменять форму и растягивать графен по мере необходимости.
  • Способность противостоять внешним воздействиям .
  • Рекордная теплопроводность . G — по данному показателю превосходит медь в десять раз.
К недостаткам графена можно отнести следующее:
  • На данный момент трудно получать G большой площади в промышленных масштабах с заданными высоко-химическими характеристиками. Удается получить лишь небольшие по размерам листы графена.
  • Промышленный G по своим свойствам в большинстве случаев проигрывает экземплярам, которые получены в научных лабораториях. Поэтому достичь аналогичных характеристик при применении промышленных средств на данный момент не удается, несмотря на совершенствование технологий.
  • Производство графена требует значительных затрат, что ограничивает его применение.

Тем не менее, эти трудности вполне преодолимы, что открывает широкие перспективы.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: