XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Что такое графен

Графен  обладает многими невероятными свойствами. Это самый тонкий и прочный материал, известный человеку. Это превосходный тепло и электро проводник, даже лучший чем бриллианты, медь и серебро. Он сверхлегкий, но в то же время в 200 раз прочнее стали, и, кроме того, он биологически разлагаем, поэтому не представляет угрозы для окружающей среды.G был открыт Андреем Геймом и Константином Новосёловым , которые работают в Университете Манчестера. Русских учёных за это наградили Нобелевской премией. Когда графен был обнаружен, это был шок для многих учёных, которые не верили, что один слой углерода может быть стабильным, особенно при комнатной температуре.

Можно подумать, что с такими впечатляющими свойствами графен должен быть очень сложным и специфическим материалом. Это отчасти верно; но в то же время как графен достаточно трудно производить в больших масштабах, он уже есть в практически каждом доме

Как не сложно догадаться, материал этот происходит от графита, который можно встретить в обычных чертёжных карандашах.

Графен называют материалом будущего, на его исследования выделено свыше десяти миллиардов долларов. Исследования данного материала позволяют находить всё его свойства, которые могут открыть перед человечеством невероятное окно возможностей.

G – представляет собой двумерную модификацию углерода, в которой атомы объединены в гексагональную кристаллическую решетку, а его толщина составляет всего 1 атом

Чтобы получить лист графена толщиной в 1 мм нужно сложить вместе около 3 миллионов таких листов.

Рис.1 – Графен

При этом данный материал обладает уникальными свойствами:

Рекордно большая теплопроводимостью

Высокая гибкостью

Большая механической жёсткостью, может выдерживать нагрузку 5 тонн и более без разрушения. 

Большой электропроводимостью.

Его температура плавления находится выше 3000 градусов

Непроницаем для большинства газов и жидкостей

Прозрачен.

Производство графена

С 2004 года, когда состоялось открытие графена, учёные смогли освоить множество способов его производства. Основными из них стали:

Химическое перофазное охлаждение (CVD – процесс.

Эпитаксиальный рост в вакууме.

Механическая эксфолиация.

Простейшим из этих методов является последний. Создание графена при помощи механической эксфолиации осуществляют следующим образом:

Рис. 2 - Механическая эксфолиация графита

Наносят специальный графит на специальную клейкую поверхность изоляционной ленты.

Затем основу начинают сгибать и разгибать, отделяя необходимый материал.

Данный способ позволяет получить G высочайшего качества, но для массового производства совсем не годится.

Наиболее простым и надёжным способом для массового производства графена считают CDV-процесс. При использовании процесса химического осаждения из паровой среды (CVD), графен часто выращивают в виде монослоя (слой толщиной в один атом), подвергая воздействию платины, никеля или карбида титана с этиленом или бензолом при высоких температурах. Последние методы производства снизили эти затраты, используя медь в качестве субстрата, но даже этот способ все еще может оказаться дорогостоящим.

Чтобы значительно сократить эти расходы, исследователи пришли к идее нанесения высококачественного графена на поверхность недорогой медной фольги, часто используемой для создания ультратонких катодов (электродов) в литий-ионных батарей. Как оказалось, поверхность меди является превосходной подложкой, на которой может формироваться графен. 

Применение графена

Графену находит всё новые и новые применения в самых различных сферах, в частности его активно начинают использовать производители электроники.

Ниже приведены несколько примеров иcпользования графена:

Умные стельки для атлетов

Производители обуви и спортивных товаров также делают большую ставку на графен. Сегодня уже существуют носки и стельки, распознающие силу давления в той или иной области подошвы. Но подавляющее большинство таких продуктов оснащены всего несколькими датчиками, графен позволяет разместить более 100 датчиков, которые никак не повлияют на вес обуви. Прототипы высокотехнологичных стелек существуют уже сегодня, они изготовлены из специальной пены и измеряют давление с точностью до миллиграмма.

Рис. 3 – Умные стельки

Графеновый крио-кулер для охлаждения базовых станций 5G

Рис.4 - Графеновый крио-кулер

Всем модулям беспроводной связи при увеличении объема передаваемых данных требуется все больше охлаждения, иначе оборудование перегреется. Таким образом, многократное повышение пропускной способности в приближающихся 5G-сетях. Разработанный в Швеции компактный охлаждающий насос способен понижать температуру базовых станций вплоть до -150 градусов, поддерживая стабильный сигнал.

Аудиотехника

Рис.5 - Xiaomi Mi Pro HD наушники с графеновой диафрагмой.

Хотя впервые графен был получен в Университете Манчестера, исследования данного материала ведутся по всему миру, а наибольшее число патентов по использованию графена принадлежит Китаю. Неудивительно, что крупнейший производитель электроники в этой стране стал одним из первых брендов, внедривших графен в свои продукты. Так, Xiaomi Mi Pro HD являются наушниками с графеновой диафрагмой, которая позволяет передавать более громкий, чистый и насыщенный звук. Также у Xiaomi есть терапевтический пояс PMA A10 из ткани, покрытой графеном.

Самые эффективные в мире солнечные батареиэ

В Италии ученые разрабатывают солнечную батарею на основе графена и органических кристаллов. Такая технология позволяет делать солнечные ячейки более крупными, что повышает эффективность сбора энергии и удешевляет производство в 4 раза.

Рис. 6 - солнечная батарея на основе графена.

Сверхбыстрые зарядки

Устройству от Zap & Go, чтобы зарядить смартфон на 100%, требуется всего 5 минут. И хотя тестовый прототип имел емкость всего 750 мАч, этот результат не может не впечатлять. А в следующем году инженеры компании обещают снизить этот показатель до 15-20 секунд. Тем временем, в Huawei разработали обычные литий-ионные батареи, которые благодаря применению графена могут работать на температурах до 60^оС, что на 10 превышает показатель стандартных аккумуляторов на 10 градусов, что продлевает срок эксплуатации батареи почти в 2 раза.

Графен лечит от рака

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. Такие заключения сделали специалисты после изучения свойств углеродного материала. Специалисты предполагают, что их работа все же достигнет стадии клинических испытаний, и оксид графена можно будет применять для лечения раковых опухолей.

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.

Таким образом можно очистить загрязненные участки, пострадавшие от выбросов ядерных отходов, как например на АЭС в Фукусиме. Оксид графена оказался гораздо лучше, чем бентонитовая глина  и гранулированный активированный уголь, который обычно используется при ядерной очистке.  Также графеном можно очистить подземные воды, которые загрязняются при добыче нефти, газа и редкоземельных металов. И что примечательно такой метод очистки значительно дешевле традиционных.

Таков внушительный, но далеко не полный список спектра применения данного материала. Его многогранность поражает умы изобретателей и учёных всего мира. Графен определённо привнёс и ещё способен привнести огромный вклад в развитие человечества.

Литература

Что такое Графен? [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: https://medium.com/@bazanov/что-такое-графен-cee9e3a20d1 – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 27.12.2018)

Графен. Устройство и применение. Особенности и перспективы – Режим доcтупa: https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrotehnika/raschjoty/grafen/ – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 27.12.2018)

Новости высоких технологий [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: https://hi-news.ru – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 27.12.2018)

Журнал о современных технологиях [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: https://www.computerra.ru – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 27.12.2018)

Код для цитирования: Скопировать