XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Эволюцию развития человека сложно представить без использования им различных орудий труда и материалов, из которых они были сделаны. Начиная с эпохи каменного века и его примитивных галечных орудий, процесс совершенствования приспособлений, дающих толчок к повышению качества общественной жизни, не останавливался ни на минуту. Камень, бронзу и железо уже давно сменили металлы, подарившие миру цифровую революцию и интернет. Пришло время новых материалов, за которыми стоит наше будущее. Возможно, что им станет углерод, вернее, одна из его разновидностей – графен. Разобраться в секрете популярности графена, его применении и дальнейших перспектив развития мы и попробуем в данной статье.

Графен — самый тонкий материал из когда-либо обнаруженных. Это пластина, представляющая собой кристаллическую решётку из двухмерных кристаллов углерода.

рис.1.

Первые гипотезы о существовании двумерной формы углерода были выдвинуты еще в XIX веке. В 1947 году ученым П. Уоллесом были замечены необычные свойства графена. Он утверждал, что вещество по своим характеристикам аналогично металлам.

В 1952 году советские ученые Л. В. Радушкевич и В. М. Лукьянович опубликовали в «Журнале физической химии» статью «О структуре углерода, образующегося при термическом разложении окиси углерода на железном контакте». В ней было приведено 12 фотографий, сделанных с помощью просвечивающего электронного микроскопа, на которых видны скопления нитевидных частиц. [1]

Однако, невозможность получения углерода в чистом виде в те времена объяснялась отсутствием должного оборудования.

С появлением нанотехнологии в 2004 году учёные Константин Новосёлов и Андрей Гейм стали первыми, кому удалось получить этот материал, а затем объяснить его выдающиеся электронные свойства. За это открытие выходцам из России, работающим в Манчестерском университете, была присуждена Нобелевская премия по физике.

По химическому составу графен ничем не отличается от алмаза или графита – он состоит из тех же атомов углерода, весь фокус 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. Благодаря такой уникальной атомарной структуре он может «похвастать» целым рядом удивительных свойств:

рис.2.

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 не распадается.

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.

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. 

Графен не только прочный и прозрачный, он еще и отличается прекрасной гибкостью – пластину из этого материала можно растянуть чуть ли не на 20%. 

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. [2]

Уникальные свойства графена позволили применять его практически во всех сферах деятельности человека. Уже сейчас появляются новейшие разработки использования графена в различных устройствах.

Биомедицинское применение

Сверхспособности вещества в оптике и электронике позволят врачам распознавать злокачественные опухоли на ранней стадии развития. Оксид графена способен осуществлять адресную доставку лекарства к определённому органу человека, минуя окружающие ткани. Недавно было сделано заявление о создании сорбентовых датчиков, которые могут распознавать молекулы ДНК, используя свойства нановещества.
Индустриальное применение

Адресные сорбенты оксида графена будут способны деактивировать территории, заражённые в результате техногенных катастроф. Сейчас рассматривается применение продукта для очистки водных ресурсов и воздушного пространства от радионуклидов. Новые технологии на основе оксида графена совершат технологическую революцию в химической промышленности. Они позволят значительно снизить затраты по извлечению драгоценных металлов из бедных руд.
Использование в автомобилестроении

Удельная энергоёмкость графена в 50 раз превышает энергоёмкость литий-ионных аккумуляторов. Заметив это свойство, учёные приступили к разработке аккумуляторных батарей нового поколения. Проблема, связанная с громоздкостью и ограниченностью заряда аккумуляторов для электромобилей, в ближайшее время будет решена. Машина с графеновой батареей сможет за один раз проехать тысячу километров, причём на одну зарядку аккумулятора понадобится около 8 минут.
Сенсорные экраны

Углеродный наноматериал используют при изготовлении сенсорных экранов с диагональю в несколько метров. Это позволяет получить сенсорные дисплеи, которые можно будет скручивать в трубку для переноски.

Физика

Физическая природа графена объясняется электрическими свойствами атомов вещества. Материал имеет общее сходство с графитом и алмазами. [3]

В перспективе дальнейшего развития графен, как самый загадочный и многообещающий материал будущего, способен произвести революцию в энергетике. Графен дает возможность получать энергию совершенно новым способом. Этот материал обладает возможностью пропускать позитивно заряженные  атомы водорода, при том, что он непроницаем для других газов, в том числе и для самого водорода. Это открывает перед учеными невероятные перспективы по созданию топливных элементов на основе водорода. Так, например, можно будет  собирать в таких элементах водород из воздуха, а затем получать с помощью графена электричество и воду, практически не порождая никаких отходов. [4]

В свое время освоение металлов кардинально изменило жизнь людей — ту же судьбу пророчат и графену. Путь от фундаментального открытия до практических результатов преодолевается за несколько десятков лет. В случае с графеном это время сократилось на несколько месяцев. Обыкновенное углеродное чудо открыло новые вехи в мире наноэлектроники. Нет сомнений в том, что через несколько лет, именно с помощью графена человечество увидит революционно новые приборы и технологии.

Литература

1. За кулисами нобелевских открытий: Л.В. Радушкевич – один из первооткрывателей углеродных нанотрубок [Электронный ресурс].- Режим доступа: https://scfh.ru/papers/za-kulisami-nobelevskikh-otkrytiy-l-v-radushkevich/ загл. с экрана (дата обращения 11.03.2022)

2. Углеродное чудо или как графен изменит наш мир [Электронный ресурс].-Режим доступа: https://militaryarms.ru/novye-texnologii/grafen/ загл. с экрана (дата обращения 11.03.2022)

3. Открытие графена и его использование в домашних условиях. [Электронный ресурс].- Режим доступа:https://amperof.ru/bezopasnost/grafen-material.html загл. с экрана (дата обращения 11.03.2022)

4. Графеновая гонка. Как графен может изменить нашу жизнь? [Электронный ресурс].- Режим доступа: https://scientificrussia.ru/articles/grafenovaya-gonka-kak-grafen-mozhet-izmenit-nashu-zhizn загл. с экрана (дата обращения 11.03.2022)

Код для цитирования: Скопировать