Графен і яго прымяненне. Адкрыццё графена. Нанатэхналогіі ў сучасным свеце

Параўнальна нядаўна ў навуцы і тэхніцы з'явілася новая вобласць, якую назвалі нанатэхналогіях. Перспектывы дадзенай дысцыпліны не проста шырокія. Яны грандыёзныя. Часціца, названая «нана», уяўляе сабой велічыню, роўную адной мільярднай долі ад якога-небудзь значэння. Падобныя памеры можна параўнаць толькі з памерамі атамаў і малекул. Напрыклад, нанаметраў называюць адну мільярдную долю метра.

Асноўны напрамак новай галіне навукі

Нанатэхналогіямі называюць тыя, якія маніпулююць рэчывам на ўзроўні малекул і атамаў. У сувязі з гэтым дадзеную галіну навукі называюць яшчэ і малекулярнай тэхналогіяй. Што ж з'явілася штуршком да яе развіццю? Нанатэхналогіі ў сучасным свеце з'явіліся дзякуючы лекцыі Рычарда Фейнмана. У ёй вучоны даказаў, што не існуе ніякіх перашкод для стварэння рэчаў непасрэдна з атамаў.

Сродак для эфектыўнага маніпулявання драбнюткімі часціцамі назвалі асэмблера. Гэта малекулярная наномашина, з дапамогай якой можна выбудаваць любую структуру. Напрыклад, прыродным асэмблеры можна назваць рыбасом, сінтэзуе бялок у жывых арганізмах.

Нанатэхналогіі ў сучасным свеце з'яўляюцца не проста асобнай вобласцю ведаў. Яны ўяўляюць сабой шырокую сферу даследаванняў, непасрэдна звязаную з многімі фундаментальнымі навукамі. У іх ліку знаходзяцца фізіка, хімія і біялогія. На думку навукоўцаў, менавіта гэтыя навукі атрымаюць найбольш магутны штуршок да развіцця на фоне будучай нанотехнической рэвалюцыі.

вобласць прымянення

Пералічыць ўсе сферы дзейнасці чалавека, дзе на сённяшні дзень выкарыстоўваюцца нанатэхналогіі, немагчыма з-за вельмі вялікага пераліку. Так, пры дапамозе дадзенай галіне навукі вырабляюцца:

- прылады, прызначаныя для звышшчыльнай запісу любой інфармацыі;
- розная відэатэхніка;
- сэнсары, сонечныя элементы, паўправадніковыя транзістары;
- інфармацыйныя, вылічальныя і інфармацыйныя тэхналогіі;
- наноимпринтинг і нанолитография;
- прылады, прызначаныя для захоўвання энергіі, і паліўныя элементы;
- абаронныя, касмічныя і авіяцыйныя прыкладання;
- биоинструментарий.

На такую навуковую вобласць, як нанатэхналогіі, у Расіі, ЗША, Японіі і шэрагу еўрапейскіх дзяржаў з кожным годам вылучаецца ўсё больш фінансавання. Гэта звязана з шырокімі перспектывамі развіцця гэтай сферы даследаванняў.

Нанатэхналогіі ў Расіі развіваюцца згодна мэтавай Федэральнай праграме, якая прадугледжвае не толькі вялікія фінансавыя выдаткі, але і правядзенне вялікага аб'ёму канструктарскіх і навукова-даследчых работ. Для рэалізацыі пастаўленых задач адбываецца аб'яднанне намаганняў розных навукова-тэхналагічных комплексаў на ўзроўні нацыянальных і транснацыянальных карпарацый.

новы матэрыял

Нанатэхналогіі дазволілі навукоўцам вырабіць вугляродныя пласціну больш цьвёрдую, чым алмаз, таўшчыня якой складае ўсяго адзін атам. Складаецца яна з графена. Гэта самы тонкі і трывалы матэрыял ва ўсёй Сусвету, які прапускае электрычнасць нашмат лепш крэмнія кампутарных чыпаў.

Адкрыццё графена лічыцца сапраўдным рэвалюцыйным падзеяй, якое дазволіць многае змяніць у нашым жыцці. Гэты матэрыял валодае настолькі унікальнымі фізічнымі ўласцівасцямі, што ў корані мяняе ўяўленне чалавека аб прыродзе рэчаў і рэчываў.

Гісторыя адкрыцця

Графен ўяўляе сабой двухмерны крышталь. Яго структура з'яўляецца гексагональные кратамі, якая складаецца з атамаў вугляроду. Тэарэтычныя даследаванні графена пачаліся задоўга да атрымання яго рэальных узораў, так як дадзены матэрыял з'яўляецца базай для пабудовы трохмернага крышталя графіту.

Яшчэ ў 1947 г. П. Воллес звярнуў увагу на некаторыя ўласцівасці графена, давёўшы, што яго структура аналагічная металах, і некаторыя характарыстыкі падобныя тым, якімі валодаюць ультрарелятивистские часціцы, нейтрына і безмассовые фатоны. Аднак у новага матэрыялу ёсць і пэўныя істотныя адрозненні, якія робяць яго унікальным па сваёй прыродзе. Але пацверджанне гэтых высноў было атрымана толькі ў 2004 г., калі Канстанцінам Навасёлава і Андрэем Гейм ўпершыню быў атрыманы вуглярод ў вольным стане. Гэта новае рэчыва, якое назвалі графене, і стала буйным адкрыццём навукоўцаў. Знайсці гэты элемент можна ў алоўку. Яго графітавых стрыжань складаецца з мноства слаёў графена. Якім чынам аловак пакідае след на паперы? Справа ў тым, што, нягледзячы на трываласць складнікаў стрыжань слаёў, паміж імі існуюць вельмі слабыя сувязі. Яны вельмі лёгка распадаюцца пры судотыку з паперай, пакідаючы след пры пісьме.

Выкарыстанне новага матэрыялу

На думку навукоўцаў, сэнсары, створаныя на аснове графена, змогуць аналізаваць трываласць і стан самалёта, а таксама прадказваць землятрусу. Але толькі тады, калі матэрыял з такімі ўзрушаючымі ўласцівасцямі пакіне сцены лабараторый, стане зразумела, у якім кірунку пойдзе развіццё практычнага прымянення дадзенага рэчыва. На сённяшні дзень хімікі, фізікі, а таксама інжынеры-электроншчыкі ўжо зацікавіліся унікальнымі магчымасцямі графена. Бо ўсяго некалькімі грамамі гэтага рэчыва можна пакрыць тэрыторыю, роўную футбольнага поля.

Графен і яго прымяненне патэнцыйна разглядаюцца ў вытворчасці легковесных спадарожнікаў і самалётаў. У гэтай сферы новы матэрыял здольны замяніць вугляродныя валакна ў кампазіцыйных матэрыялах. Нановещество можа быць выкарыстана замест крэмнія ў транзістарах, а яго ўкараненне ў пластмасу надасць ёй электраправоднасць.

Графен і яго прымяненне разглядаюцца і ў пытаннях вырабу датчыкаў. Гэтыя прылады, выкананыя на аснове найноўшага матэрыялу, будуць здольныя выяўляць самыя небяспечныя малекулы. А вось выкарыстанне пудры з нановещества пры вытворчасці электрычных акумулятараў ў разы павялічыць іх эфектыўнасць.

Графен і яго прымяненне разглядаюцца ў оптаэлектронікі. З новага матэрыялу атрымаецца вельмі лёгкі і трывалы пластык, кантэйнеры з якога дазволяць на працягу некалькіх тыдняў захоўваць прадукты ў свежым стане.

Выкарыстанне графена мяркуецца і для вырабу празрыстага токаправоднага пакрыцця, неабходнага для манітораў, сонечных батарэй і больш моцных і ўстойлівых да механічных уздзеянняў ветраных рухавікоў.

На аснове наноматериала атрымаюцца лепшыя спартыўныя снарады, медыцынскія імплантаты і суперконденсаторах.

Таксама графен і яго прымяненне актуальныя для:

- высокачашчынных высокомощных электронных прылад;
- штучных мембран, якія падзяляюць дзве вадкасці ў рэзервуары;
- паляпшэння ўласцівасці праводнасці розных матэрыялаў;
- стварэння дысплея на арганічных святлодыёдах;
- асваення новай тэхнікі паскоранага секвенирования ДНК;
- паляпшэння вадкакрысталічных дысплеяў;
- стварэння балістычных транзістараў.

Выкарыстанне ў аўтамабілебудаванні

Паводле дадзеных даследчыкаў, удзельная энергаёмістасць графена набліжаецца да 65 кВт * г / кг. Гэты паказчык у 47 разоў перавышае той, які маюць гэтак распаўсюджаныя цяпер літый-іённыя акумулятары. Гэты факт навукоўцы выкарыстоўвалі для стварэння зарадных прылад новага пакалення.

Графен-палімерны акумулятар - прыбор, пры дапамозе якога максімальна эфектыўна утрымліваецца электрычная энергія. У цяперашні час праца над ім вядзецца даследнікамі многіх краін. Значных поспехаў дасягнулі ў гэтым пытанні іспанскія навукоўцы. Графен-палімерны акумулятар, створаны імі, мае энергаёмістасць, у сотні разоў перавышае падобны паказчык ва ўжо існуючых батарэй. Выкарыстоўваюць яго для аснашчэння электрамабіляў. Машына, у якой усталяваны Графеновый акумулятар, можа праехаць без прыпынку тысячы кіламетраў. На падзарадку электрамабіля пры вычарпанні энергарэсурсу спатрэбіцца не больш за 8 хвілін.

сэнсарныя экраны

Навукоўцы працягваюць даследаваць графен, ствараючы пры гэтым новыя і якія не маюць аналагаў рэчы. Так, вугляродны наноматериал знайшоў сваё прымяненне ў вытворчасці, які выпускае сэнсарныя дысплеі з вялікай дыяганаллю. У перспектыве можа з'явіцца і гнуткае прылада падобнага тыпу.

Навукоўцы атрымалі Графеновый ліст прамавугольнай формы і ператварылі яго ў празрысты электрод. Ён-то і бярэ ўдзел у працы сэнсарнага дысплея, адрозніваючыся пры гэтым даўгавечнасцю, падвышанай празрыстасцю, гнуткасцю, экалагічнасцю і нізкай коштам.

атрыманне графена

Пачынаючы з 2004 г., калі быў адкрыты найноўшы наноматериал, навукоўцы асвоілі цэлы шэраг метадаў яго атрымання. Аднак самымі асноўнымі з іх лічацца спосабы:

- механічнай эксфолиации;
- эпітаксіяльная росту ў вакууме;
- хімічнага перофазного астуджэння (CVD-працэс).

Першы з гэтых трох метадаў з'яўляецца найбольш простым. Вытворчасць графена пры механічнай эксфолиации ўяўляе сабой нанясенне спецыяльнага графіту на клейкую паверхню ізаляцыйнай стужкі. Пасля гэтага аснову, падобна лісту паперы, пачынаюць згінаць і разгінаць, адлучаючы патрэбны матэрыял. Што датычыцца прымянення дадзенага спосабу графен атрымліваецца самага высокага якасці. Аднак падобныя дзеянні не падыходзяць для масавага вытворчасці дадзенага наноматериала.

Пры выкарыстанні метаду эпітаксіяльная росту ўжываюць тонкія крамянёвыя пласціны, павярхоўны пласт якіх з'яўляецца карбідам крэмнія. Далей гэты матэрыял награваюць пры вельмі высокай тэмпературы (да 1000 Да). У выніку хімічнай рэакцыі адбываецца аддзяленне атамаў крэмнія ад атамаў вугляроду, першыя з якіх выпараюцца. У выніку на плыце застаецца чысты графен. Недахопам падобнага метаду з'яўляецца неабходнасць выкарыстання вельмі высокіх тэмператур, пры якіх можа адбыцца згаранне атамаў вугляроду.

Самым надзейным і простым спосабам, што прымяняюцца для масавага вытворчасці графена, з'яўляецца CVD-працэс. Ён уяўляе сабой метад, пры якім працякае хімічная рэакцыя паміж металічным пакрыццём-каталізатарам і вуглевадароднымі газамі.

Дзе вырабляецца графен?

На сённяшні дзень найбуйнейшая кампанія, выраблялі новы наноматериал, знаходзіцца ў Кітаі. Назва гэтага вытворцы - Ningbo Morsh Technology. Вытворчасць графена пачата ім у 2012 годзе.

Галоўным спажыўцом наноматериала выступае кампанія Chongqing Morsh Technology. Графен выкарыстоўваецца ёю для вытворчасці праводзяць празрыстых плёнак, якія ўстаўляюць у сэнсарныя дысплеі.

Параўнальна нядаўна вядомая кампанія Nokia аформіла патэнт на святлоадчувальную матрыцу. У складзе гэтага гэтак неабходнага для аптычных прыбораў элемента знаходзіцца некалькі слаёў графена. Такі матэрыял, выкарыстаны на датчыках камер, у значнай меры павялічвае іх святлоадчувальнасць (да 1000 раз). Пры гэтым назіраецца і зніжэнне спажывання электраэнергіі. Добрая камера для смартфона таксама будзе ўтрымліваць графен.

Атрыманне ў бытавых умовах

Ці можна вырабіць графен ў хатніх умовах? Аказваецца, да! Неабходна проста ўзяць кухонны блендер магутнасцю не менш за 400 Вт, і прытрымлівацца методыцы, распрацаванай ірландскімі фізікамі.

Як жа вырабіць графен ў хатніх умовах? Для гэтага ў чару блендера выліваюць 500 мл вады, дадаючы ў вадкасць 10-25 мілілітраў любога мыйнага рэчывы і 20-50 грам толченого грыфеля. Далей прыбор павінен папрацаваць ад 10 хвілін да паўгадзіны, аж да з'яўлення завісі з лускавінак графена. Атрыманы матэрыял будзе валодаць высокай праводнасцю, што дасць магчымасць выкарыстоўваць яго ў электродах фотаэлементаў. Таксама выраблены ў бытавых умовах графен здольны палепшыць ўласцівасці пластыка.

аксіды наноматериала

Навукоўцы актыўна даследуюць і такую структуру графена, якая ўнутры або па краях вугляроднай сеткі мае далучаныя кислородосодержащие функцыянальныя групы або (і) малекулы. Гэта аксід самага цвёрдага нановещества, які з'яўляецца першым двухмерных матэрыялам, якія дайшлі да стадыі камерцыйнага вытворчасці. З нана- і мікрачасцін гэтай структуры навукоўцы вырабілі сантыметровыя ўзоры.

Так, аксід графена ў спалучэнні з диофилизированным вугляродам быў нядаўна атрыманы кітайскімі навукоўцамі. Гэта вельмі лёгкі матэрыял, сантыметровы кубік якога ўтрымліваецца на пялёстках невялікага кветкі. Але пры гэтым новае рэчыва, у якім знаходзіцца аксід графена, з'яўляецца адным з самых цвёрдых ў свеце.

біямедыцынскія прымяненне

Аксід графена валодае унікальным уласцівасцю селектыўнасці. Гэта дазволіць дадзеным рэчыву знайсці біямедыцынскія прымяненне. Так, дзякуючы працам навукоўцаў стала магчымым выкарыстанне аксіду графена для дыягностыкі ракавых захворванняў. Выявіць злаякасную пухліну на ранніх стадыях яе развіцця дазваляюць унікальныя аптычныя і электрычныя ўласцівасці наноматериала.

Таксама аксід графена дазваляе вырабляць адрасную дастаўку лекавых і дыягнастычных сродкаў. На аснове дадзенага матэрыялу ствараюцца сорбціонные биодатчики, якія паказваюць на малекулы ДНК.

індустрыяльнае прымяненне

Розныя сарбенты на аснове аксіду графена могуць быць ужытыя для дезакцивации заражаных тэхнагенных і прыродных аб'ектаў. Крое таго, дадзены наноматериал здольны перапрацаваць падземныя і павярхоўныя вады, а таксама глебы, ачысціўшы іх ад радыенуклідаў.

Фільтры з аксідаў графена могуць забяспечыць суперчистотой памяшкання, дзе вырабляюцца электронныя кампаненты спецыяльнага прызначэння. Унікальныя ўласцівасці дадзенага матэрыялу дазволяць пранікнуць у тонкія тэхналогіі хімічнай сферы. У прыватнасці, гэта можа быць выманне радыеактыўных, расьсеяных і рэдкіх металаў. Так, выкарыстанне аксіду графена дазволіць здабыць золата з бедных руд.