X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Сравнительно недавно в науке и технике появилась новая область, которую назвали нанотехнологией. Перспективы данной дисциплины не просто обширны. Они грандиозны. Частица, именуемая «нано», представляет собой величину, равную одной миллиардной доле от какого-либо значения.

Подобные размеры можно сравнить только с размерами атомов и молекул.

Например, нанометром называют одну миллиардную долю метра. Основное направление новой области науки Нанотехнологиями называют те, которые манипулируют веществом на уровне молекул и атомов. В связи с этим данную область науки называют еще и молекулярной технологией. Что же явилось толчком к ее развитию? Нанотехнологии в современном мире появились благодаря лекции Ричарда Фейнмана. В ней ученый доказал, что не существует никаких препятствий для создания вещей непосредственно из атомов. Средство для эффективного манипулирования мельчайшими частицами назвали ассемблером. Это молекулярная наномашина, с помощью которой можно выстроить любую структуру.

Например, природным ассемблером можно назвать рибосому, синтезирующую белок в живых организмах. Нанотехнологии в современном мире являются не просто отдельной областью знаний. Они представляют собой обширную сферу исследований, непосредственно связанную со многими фундаментальными науками. В их числе находятся физика, химия и биология. По мнению ученых, именно эти науки получат наиболее мощный толчок к развитию на фоне грядущей нанотехнической революции.

Нанотехнологии позволили ученым изготовить углеродную пластину более твердую, чем алмаз, толщина которой составляет всего один атом. Состоит она из графена. Графен – это кристаллическая двумерная поверхность толщиной в один или два атомных слоя. Это самый тонкий и прочный материал во всей Вселенной, который пропускает электричество намного лучше кремния компьютерных чипов. Открытие графена считается настоящим революционным событием, которое позволит многое изменить в нашей жизни. Этот материал обладает настолько уникальными физическими свойствами, что в корне меняет представление человека о природе вещей и вещества.

Рис. 1. Графеновые слои в графите

Графен представляет собой двухмерный кристалл. Его структура является гексагональной решеткой, состоящей из атомов углерода. Теоретические исследования графена начались задолго до получения его реальных образцов, так как данный материал является базой для построения трехмерного кристалла графита. Еще в 1947 г. П. Воллес указал на некоторые свойства графена, доказав, что его структура аналогична металлам, и некоторые характеристики подобны тем, которыми обладают ультрарелятивистские частицы, нейтрино и безмассовые фотоны. Однако у нового материала есть и определенные существенные отличия, делающие его уникальным по своей природе. Но подтверждение этим выводам было получено только в 2004 г., когда Константином Новоселовым и Андреем Геймом впервые был получен углерод в свободном состоянии. Это новое вещество, которое назвали графеном, и стало крупным открытием ученых.

Рис. 2. Идеальная двумерная поверхность графена (а), реальная имеет волнистость (б)

На сегодняшний день крупнейшая компания, изготавливающая новый наноматериал с 2012 г.– NingboMorshTechnology находится в Китае[1,2]. Графен используется ею для производства проводящих прозрачных пленок, которые вставляют в сенсорные дисплеи. В составе этого элемента находится несколько слоев графена. Такой материал, использованный на датчиках камер увеличивает их светочувствительность на три порядка при одновременном снижении потребления электроэнергии.

Оксиды наноматериала Ученые активно исследуют и такую структуру графена, которая внутри или по краям углеродной сетки имеет присоединенные кислородосодержащие функциональные группы или (и) молекулы. Это оксид самого твердого нановещества, который является первым двумерным материалом, дошедшим до стадии коммерческого производства. Новое вещество, в котором находится оксид графена, является одним из самых твердых в мире. Биомедицинское применение Оксид графена обладает уникальным свойством селективности. Это позволит данному веществу найти биомедицинское применение. Так, благодаря работам ученых стало возможным использование оксида графена для диагностики раковых заболеваний. Обнаружить злокачественную опухоль на ранних стадиях ее развития позволяют уникальные оптические и электрические свойства наноматериала.

Также оксид графена позволяет производить адресную доставку лекарственных и диагностических средств. На основе данного материала создаются сорбционные биодатчики, указывающие на молекулы ДНК. Индустриальное применение Различные сорбенты на основе оксида графена могут быть применены для дезакцивации зараженных техногенных и природных объектов. Крое того, данный наноматериал способен переработать подземные и поверхностные воды, а также почвы, очистив их от радионуклидов. Фильтры из оксидов графена могут обеспечить суперчистотой помещения, где производятся электронные компоненты специального назначения. Уникальные свойства данного материала позволят проникнуть в тонкие технологии химической сферы. В частности, это может быть извлечение радиоактивных, рассеянных и редких металлов. Так, использование оксида графена позволит добыть золото из бедных руд.

Графен – это кристаллическая двумерная поверхность (не пленка!) толщиной в один или два атомных слоя. Теоретически графен был «создан» физиками-теоретиками более 60 лет назад для описания трехмерных структур углерода. Математическая модель двумерной решетки прекрасно описывала теплофизические свойства графита и иных трехмерных модификаций углерода. Только в 2004 году ученым удалось получить, а главное, доказать, что графен – это реальность. Для получения графена использовалась специальная методика химического скалывания графитовых кристаллических плоскостей.

Даже короткий перечень возможностей применения графена впечатляет: микрочипы с плотностью более 10 миллиардов полевых транзисторов на квадратный сантиметр, квантовые компьютеры, датчики размером несколько нанометров – это только в электронике. А еще аккумуляторные батареи фантастической емкости, фильтры для воды, которые задерживают любые примеси и многое другое.

Особые свойства графена позволяют не только эффективно отводить тепло, но и преобразовывать его обратно в электрическую энергию. Учитывая, что графеновая решетка (плоскость) имеет толщину в один атомный слой, несложно предсказать, что плотность элементом на чипе резко возрастет и может достигнуть 10 миллиардов транзистором на квадратный сантиметр. Уже сегодня реализованы графеновые транзисторы и микросхемы, смесители частоты, модуляторы, работающие на частотах выше 10 ГГц.

Не менее оптимистично относятся разработчики и к применению углеродных нанотрубок в микроэлектронике. На их основе уже реализованы транзисторные структуры, а недавно специалисты IBM продемонстрировали микросхему, на которой было сформировано 10 тысяч нанотрубок[3,4,5].

Конечно, сразу углеродные материалы не смогут заменить кремний в микроэлектронике. Но создание гибридных микросхем, в которых используются преимущества обоих материалов, уже выходит на коммерческий уровень. Не за горами тот день, когда в обычном мобильном устройстве появятся микропроцессоры, вычислительная мощь которых будет превышать производительность современных суперкомпьютеров.

К достоинствам графена можно отнести следующее:

Высокая электропроводность. Графен может проводить электричество как обычная медь. На его основе можно создавать различные электрические приборы.

Отличная оптическая чистота[6]. Графен — 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. Графен — по прочности превосходит алмаз.

Гибкость. Графен — является более гибким, чем кремний. По данным параметрам он даже превосходит резину. Благодаря однослойной структуре можно изменять форму и растягивать графен по мере необходимости[7].

Способность противостоять внешним воздействиям.

Рекордная теплопроводность. Графен — по данному показателю превосходит медь в десять раз.

К недостаткам графена можно отнести следующее:

На данный момент трудно получать графен большой площади в промышленных масштабах с заданными высоко-химическими характеристиками. Удается получить лишь небольшие по размерам листы графена.

Промышленный графен 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.

Перспективы. Южнокорейская компания Samsung уже объявила, что намерена производить G в промышленных масштабах. Он будет применяться для создания очень тонких и гибких гаджетов. Производство пока дорогостоящее, но Samsung в будущем обещает удешевить его. Графеновые транзисторы могут стать заменой традиционным кремниевым, обеспечив невероятный прорыв в вычислительных мощностях на десятки лет вперед. Теоретически графеновые транзисторы могут работать на высоких частотах, а их размеры будут существенно меньше обычных.

Графен — способен решить проблему фото- и видеооборудования, она заключается в невысоком качестве съемки при недостаточном освещении. Датчики на основе графена способны увеличить чувствительность сенсоров в сотни раз. Это означает появление новых инфракрасных камер, приборов ночного видения, аппаратов спутников, способных делать детализированные фотографии.

Графен может перевернуть наши представления не только о технике, но и о медицине. Группа исследователей из Германии, Франции и Швейцарии, созданная при Мюнхенском техническом университете, разрабатывает имплантаты для головного мозга, имплантаты сетчатки глаза на основе графена.

Графеновый аккумулятор позволяет автомобилю без подзарядки преодолевать 1000 км, что очень обнадеживает всех ценителей экологического транспорта, зарядка батареи всего 8 минут.

Графеновый поролон может стать самым теплопроводимым материалом в мире, После длительного периода исследований и испытаний в лабораториях, успешно внедрить этот материал. Графеновый поролон имеет высокую теплопроводимость и уменьшает образование клещей и бактерий внутри эластичного пенополиуретана. Он может служить как прекрасный утеплитель в стенах, так и в мягкой мебели и салоне автомобиля.

Исследователи из института медицинских наук Amrita и научно-исследовательского центра в Индии показали, что оксид графена способен восстанавливать костную ткань.Они обнаружили, что графеновые чешуйки оксида ускоряют размножение стволовых клеток и регенерацию клеток костной ткани[8].

Ученые выявили, что при помощи оксида графена можно уничтожить раковые стволовые клетки, в то же время, никак не влияя на здоровые клетки. Если включить лечение оксидом графена в комплексное лечение при раковых опухолях, то разрастание опухоли прекратиться, а также графен поможет предотвратить метастазирование и повторное развитие опухоли в будущем.

Графен впитывает радиоактивные отходы. Оксид графена быстро удаляет радиоактивные вещества из загрязненной воды, утверждают исследователи из МГУ им. Ломоносова и американского Университета Райса. Микроскопические, толщиной в атом хлопья этого материала быстро связываются с естественными и искусственными радиоизотопами и конденсируют их, превращая в твердые вещества. Сами хлопья растворимы в жидкости, и их легко производить в промышленных масштабах.Оксид графена оказался гораздо лучше, чем бентонитоваяглина и гранулированный активированный уголь, который обычно используется при ядерной очистке. Также графеном можно очистить подземные воды, которые загрязняются при добыче нефти, газа и редкоземельных металлов[9]. И что примечательно такой метод очистки значительно дешевле традиционных.

Список литературы

1. Novoselov K. S. et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films.– Science, 2004.2. Freitag M. Nanoelectronics goes flat out.– Nature nanotechnology, Aug. 2008, p.455–457.3. Wang Z.F. et al. Emerging Nanocircuit Paradigm: Graphene-based Electronics for Nanoscale Computing. – IEEE International Symposium on Nanoscale Architecture (NANOARCH 2007), p.93–100.3. Tunable Graphene Bandgap Opens the Way to Nanoelectronics and Nanophotonics.– ScienceDaily, June 15, 2009. http://www.sciencedaily.com/releases/2009/06/090610133453.htm Nature, June 11, 2009.4. Two-Dimensional Graphene Nanoribbons.– J. Am. Chem. Soc., 2008, 130 (13), p.4216–4217.5. Research into Graphene Nanoribbons Provides New Reasons for Using it as Interconnects In Future Computer Chips. – http://www.azonano.com/news.asp?newsID=12873.6. Shemella P., Zhang Y. et al. Energy Gaps in Zero-Dimensional Graphene Nanoribbons.— Appl. Phys. Lett. July 23, 2007.7. Shemella P. and Nayak S. K. Electronic Structure and Band-Gap Modulation of Graphene via Substrate Surface Chmistry.– Appl. Phys. Lett., 2007, Jan.20, 91, 042101; doi:10.1063/1.2761531.8. IBM reports records 26GHz cut-off frequency for graphene FET. –Semiconductor today, Feb. 2009, мol.4, Issue 1.9. Elias D., Nair R. et al. Control of Graphene’s Properties by Reversible Hydrogenation: Evidence for Graphane.–Science, Jan. 30, 2009, v.323, N 5914, p.610–613

DOI: 10.1126/science.1167130.

Код для цитирования: Скопировать