XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Способность углерода образовывать сложные цепи является фундаментальной для органической химии и основой для всех форм жизни на Земле, что позволяет считать его уникальным элементом Периодической таблицы Менделеева.

До 2004 года были известны трехмерные (3 D, алмаз, графит), одномерные (1 D,нанотрубки) и нульмерные (0 D, фуллерены) аллотропные формы углерода. Двухмерные же формы углерода (или 2 D – графит) долго не удавалось получить экспериментальным путем согласно доводам Ландау и Пайерлса о том, что строго 2 D-кристаллы термодинамически неустойчивы [1].

Ранее предпринимались попытки вырастить графен или же выделить его с помощью метода химического отслоения, и только в 2004 году с помощью усовершенствованной техники микромеханического скалывания графен удалось получить совместными усилиями физиков из Манчестерского университета (Британия) под руководством Андре Гейма и Костантина Новоселова, используя обычную ленту – скотч для последовательного отделения слоев от обычного кристаллического графита.

Ученые основывались на том, что графен становится видимым в оптический микроскоп, если его поместить на поверхности кремниевой подложки с определенной толщиной слоя SiO2, и этот простой, но эффективный способ сканировать подложку в поисках кристаллов графена явился определяющим фактором их успеха [2].

Графен – одна из интереснейших модификаций углерода. Это самый тонкий материал: структура графена представлена кристаллической решеткой (сеткой), толщиной в один атома углерода. Является одним из самых прочных материалов и его устойчивость к механическим воздействиям сравнима с таковой у алмаза, но при этом он хорошо гнется и легко сворачивается в трубочку. Все эти удивительные свойства графена возникают из-за уникальной природы его носителей заряда. Невероятно тонкая кристаллическая сетка атомов графена по своей прочности в 200 раз крепче стали.

Ещё один эффект, обусловленный характером носителей заряда в графене связан с наличием спиральности, что приводит к существованию так называемой киральной симметрии.(в переводе с греческого слова «cheir» – рука). Киральная природа электронных состояний в однослойном и двухслойном графене играет важную роль в прохождении электрона через потенциальный барьер (туннельный эффект).

Графен обладает уникальными свойствами: рекордно большая теплопроводность, большая механическая жесткость, высокая гибкость, большая электропроводимость, температура плавления находится выше 3000 градусов, непроницаемость для большинства газов и жидкостей, прозрачность[3].

В последние годы графен приобретает всё большую популярность среди инженеров и исследователей благодаря своим необычным механическим, термическим, электрическим и оптическим свойствам[4].

Несмотря на то, что механическое отслоение с помощью скотча позволяет получать графеновые слои высокого качества для фундаментальных исследований, а эпитаксиальный способ выращивания графена может указать путь к электронным микросхемам, химики пытаются получить графен из раствора. В добавление к низкой стоимости и высокой производительности, этот метод открывает дорогу ко многим химическим техникам, которые позволили бы внедрять графеновые слои в различные нанострктуры, либо интегрировать их с различными материалами для создания нанокомпозитов. Однако, при получении графена химическими методами есть определенные трудности, которые должны быть преодолены:

1) необходимо достичь полного расслоения графита, помещенного в раствор;

2) следует добиться, чтобы отслоённый в растворе графен не сворачивался, не слипался, а сохранял форму листа.

Большого успеха добились исследователи из Корнеллского университета, которым удалось из листа графена создать мембрану толщиной в один атом углерода, и затем надуть её как воздушный шарик. При этом мембрана выдерживала давление газа в несколько атмосфер. Мембрана использовалась для измерения частоты её вибраций при изменении давления. По мнению исследователей подобные мембраны могут найти разные сферы применения: в частности, использоваться для изучения помещенных в раствор биологических материалов. Вполне достаточно накрыть материал графеном и изучать его под микроскопом сквозь прозрачную мембрану.

Главное достижение ученых из Корнеллского университета состоит в том, что они вплотную приблизились к созданию одноатомных сенсоров, которые, по прогнозам исследователей, смогут обнаруживать отдельные молекулы вещества, вступившего с ними в контакт. Подобные сверхчувствительные приборы будут востребованы не только химиками для очистки веществ от примесей, но также парфюмерами, криминалистами и тестерами пищевых продуктов.

Ученые прогнозируют и другие масштабные перспективы использования графена. Предполагается, что со временем это вещество полностью вытеснит кремний из сферы производства компьютерных процессоров, так как графеновые процессоры смогут в сотни раз быстрее обрабатывать информацию. В настоящее время этот новый материал обгоняет кремний в сверхбыстрых высокочастотных транзисторах для приёмников и передатчиков мобильной связи. Особо преуспели в этом направлении занимающиеся оборонными заказами исследовательские лаборатории IBM и HRL (совместное владение Boeing и General Motors).

Многообещающими представляются и другие направления использования графена. Так, предполагается, что в смеси с пластмассами графен даст возможность создавать композитные проводящие материалы, устойчивые к действию высоких температур. Прочность графена позволяет конструировать новые механически устойчивые материалы, сверхтонкие, легкие и эластичные. В будущем из композитных материалов на основе графена возможно будет делать автомобили, самолеты и спутники. Уже сейчас предполагается использовать графен в устройствах для хранения энергии – аккумуляторах и суперконденсаторах, а также топливных элементах, вырабатывающих электроэнергию от соединения кислорода с водородом.

Такие свойства графена как высокая подвижность электронов, минимальная толщина в один атом, низкое удельное сопротивление открывают перспективы для создания различных биологических и химических датчиков, а также различных вариантов тонких плёнок, которые могут найти применение в фотоэлектрических устройствах для преобразования солнечной энергии или в сенсорных экранах [6].

На основе графена могут быть созданы высокочувствительные фотоплёнки. Плазменные волны в графене открывают перспективы создания источников и приемников терагерцового диапазона. Особое поведение спина в графене может привести к созданию новых приборов спинтроники, а благодаря свойству высокой теплопроводимости графен может служить теплоотводом в современных интегральных схемах, в которых разогрев является серьёзной проблемой.

На основе уникальных свойств графена можно делать нейродевайсы, считывающие активность нейронов. Базовый элемент таких устройств — графеновый (амбиполярный, полевой) транзистор, через который протекает ток, если приложить напряжение. Разработчики биоэлектроники делают чипы, на которых размещают графеновые транзисторы на гибких подложках. Поверх этого чипа выращивают нейрональные клетки. Примерно через три недели, когда клетки достаточно вырастают, они взаимодействуют между собой и спонтанно возбуждаются, производят импульс. На поверхности клетки изменяется заряд — быстро и незначительно, на десятки милливольт. Этот поверхностный заряд влияет на проводимость графена за счет эффекта поля, то есть нейрональный импульс изменяет ток на всем транзисторе. Ученые считывают его и тем самым видят активность нейронов. Нейродевайсами занимаются в Center for Microelectronics Research в Техасском университете в Остине, а также в Institute of Bioelectronics в Юлихском исследовательском центре в Германии. Технология работает в лабораторных условиях, сейчас на ее основе ученые из Техасского университета изготавливают девайсы, которые можно имплантировать в мозг. Несколько таких устройств уже создали другие исследовательские группы, они смогли протестировать их in vivo на мышах и крысах.

В перспективе эту технологию можно применять и для людей. Нейродевайсы могут облегчить жизнь людям с болезнью Паркинсона, которые часто сталкиваются с тремором, непроизвольным сокращением мышц. Чтобы регулировать судороги, пациентам имплантируются мультиэлектродные массивы, которые глубоко стимулируют головной мозг электрическими импульсами [7].

В случае если использование графена пойдет стремительными темпами, человечество ожидает огромный рывок в научно-техническом прогрессе, а его практическое применение сделает Россию ведущей технической державой.

Литература

[Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: http: // ITC. UA /articles/grafen /mnogoobeshchay - зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 01.03.2022)

http:/www.pravda.ru/science – с экрана (дата обращения: 01.03.2022г.)

https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrotehnika/raschjoty/grafen/ - с экрана (дата обращения 02.03.2022г.)

http://elementary.ru/news- с экрана (дата обращения 02.03.2022г.)

http:/www. rsci.ru/ Science news/ 149013-php - с экрана (дата обращения 01.03.2022г.)

http:/www. otsuji.riec.tohoku.ac.jp/ CREST/ ISGD/?- с экрана (дата обращения 01.03.2022г.)

https://www.9111.ru/questions/7777777771605781/- с экрана (дата обращения 02.03.2022г.)

Код для цитирования: Скопировать