Графен - материал будущего, самое значимое открытие 21 века

Графен - материал будущего, самое значимое открытие 21 века

Графен - сверхпрочный износостойкий материал, прекрасно проводящий электрический ток.

Впервые графен был получен учёными Константином Новоселовым и Андреем Геймом, работающими в Университете Манчестера - выходцами из России. За изобретение графена в 2010 году им была вручена Нобелевская премия по физике.

Казалось, что изобретение графена перевернёт мир, появятся тонкие небьющиеся и сгибаемые дисплеи, неснашиваемая одежда и обувь, супер аккумуляторы и т.д. Стала даже появляться реклама с обещанием ближайшего внедрения чудо материала в нашу жизнь...

Почему по прошествии почти 20 лет с момента открытия графена он так и не вошёл в нашу жизнь?

Графен - это двумерная разновидность углерода, имеющая необычную структуру в виде соединённых в гексагональную решетку атомов. При этом общая её толщина не превышает размеров каждого из них.

Основные преимущества графена перед другими материалами:

• Рекордно высокий показатель теплопроводности;
• Высокие механическая прочность и гибкость материала, в сотни раз превосходящие тот же показатель для стальных изделий;
• Ни с чем несравнимая электропроводимость;
• Высокая температура плавления (более 3 тысяч градусов);
• Непроницаемость и прозрачность.

Помимо замечательных физических свойств графена его также можно использовать в медицине. Последние исследования показывают, что графен способен убивать стволовые раковые клетки - те самые, которые вызывают метастазы...

Так почему же мы ещё не носим графеновую одежду, не пользуемся графеновыми аккумуляторами и не научились лечить онкологию?

На самом деле всё из-за сложности получения графена...

Кстати, графен присутствует в графите, так что если у вас есть дома обычный карандаш - вы можете самостоятельно получить немного графена...

Как получить графен в домашних условиях

• Сначала нужно подготовить тонкую графитовую пластину, которая затем крепится на клеящейся стороне специальной ленты;
• После этого она складывается вдвое, а затем снова возвращается в исходное состояние (её концы разводятся);
• В результате таких манипуляций на клеящей стороне ленты удаётся получить двойной слой графита;
• Если проделать эту операцию несколько раз, несложно будет добиться малой толщины нанесённого слоя материала;
• После этого скотч с расщеплёнными и очень тонкими плёнками прикладывается к подложке из окисла кремния;
• Вследствие этого плёнка частично остаётся на подложке, образуя графеновую прослойку.

Недостатком этого метода является сложность получения достаточно тонкой плёнки заданного размера и формы, которая бы надёжно фиксировались на отведённых для этого частях подложки.

В настоящее время большая часть используемого в повседневной практике графена производится именно таким образом. За счёт механической эксфолиации удаётся получить соединение довольно высокого качества, но для условий массового производства данный метод совершенно не годится.

Графеновый прорыв

графен

Однако наука не стоит на месте, и учёные постоянно работают над различными способами получения графена в промышленных масштабах.

На сегодняшний день придумано уже несколько различных видов получения графена в промышленных масштабах. Я не буду их здесь описывать, т.к. эта статья не для физиков, а для того, чтобы вы просто узнали о новом материале, который в ближайшее время станет одним из самых популярных на нашей планете.

Напишу лишь про самые известные способы получения графена:

• Изготовление разновидности оксида графена в виде хлопьев, применяемой при производстве электропроводящих красок, а также различных сортов композитных материалов;
• Получение плоского графена G, из которого делаются компоненты электронных устройств;
• Выращивание материала того же типа, применяемого в качестве неактивных компонентов.

В зависимости от способа получения фрагментов графена, они могут применяться для самых различных целей, а именно:
Графен, полученный путём механического отслаивания, в основном, предназначается для исследований, что объясняется невысокой подвижностью носителей свободного заряда;

• При получении графена методом химической (термической) реакции он чаще всего используется для создания композитных материалов, а также защитных покрытий, чернил, красителей. Подвижность свободных носителей у него несколько больше, что позволяет применять его для изготовления конденсаторов и плёночных изоляторов;
• В случае использования для получения этого соединения метода CVD он может применяться в нано электронике, а также для изготовления сенсоров и прозрачных гибких плёнок;
• Графен, полученный методом «кремниевых пластинок», идёт на изготовление таких элементов электронных устройств, как ВЧ-транзисторы и подобные им комплектующие. Подвижность свободных носителей заряда в таких соединениях максимальна.

Где уже сегодня применяется графен

применение графена

Сегодня уже можно купить обувь, изготовленную с использованием графена. Идея создания износостойкой обуви возникла у британского бренда inov-8.

Samsung Galaxy Note 10 первым в мире получит графеновый аккумулятор, который будет полностью заряжаться примерно за 15 минут.

Американская компания Fisker работает над новым электромобилем, который вместо привычных аккумуляторов будет оборудован суперконденсаторами на основе графена.

Графеновые кости. Исследователи из команды Стефани Сидлик из Университета Карнеги-Меллона протестировали новый состав графена, который биоразлагаемый, имитирует кость, привлекает стволовые клетки и, в конечном итоге, улучшат процесс восстановления скелетов у животных. Планируется использовать графен в ортопедической медицине.

Ученые создали из графена самовосстанавливающееся антикоррозийное покрытие.

Куртка из графена. Совсем недавно фирма Fast Company выпустила первую в мире куртку с применением графена, который ранее для этих целей практически не использовался. Причем инновационный материал в данном случае применяется не только ради того, чтобы выделиться на фоне конкурентов, но и для согревания, охлаждения пользователя и некоторых других полезных свойств в зависимости от ситуации.

Огнеупорные обои на основе графена. В состав таких обоев входят нити гидроксиапатита и особые термодатчики из оксида графена. Именно они и предупреждают о возникшем пожаре. Время отклика таких датчиков составляет всего 2 секунды, и сохраняют работоспособность они более 5 минут, а это очень и очень хороший результат. За разработку отвечают специалисты из Шанхайского института керамики под руководством Чжи-Чао Ксионга.

Гибкий дисплей, включающий графен в электронику пикселей, был успешно продемонстрирован Кэмбриджским центром графена и Plastic Logic. Это первый раз, когда графен используется в гибком устройстве на базе транзисторов.

Предложен способ лечения рака с помощью графена и лазера. 33 мыши получили раковую опухоль на правом плече; после этого 17-ти из них была сделана инъекция графена, а остальные остались для контроля. Через сутки после инъекции опухоли десяти инъецированных и десяти неинъецированных мышей были облучены лазером с длиной волны 808 нм, на которой графен поглощает свет особенно хорошо. Таким образом, ученые работали с одной опытной («графен + облучение») группой и тремя контрольными («только графен», «только облучение» и «ни того, ни другого»).
Опухоли опытных мышей буквально сгорели — температура на поверхности тела в месте облучения подскочила на 50° (у контрольных мышей — всего на 2°). На следующий день рак у этих мышей исчез, оставив после себя только характерный черный шрам, который заметно уменьшился спустя неделю после облучения. За все те 40 дней, что продолжалось исследование, у этих мышей не было обнаружено никаких признаков возвращения опухоли.

Майкл Лизанти (Michael Lisanti) и Аравинд Виджаярагхаван (Aravind Vijayaraghavan) опубликовали в журнале Oncotarget результаты экспериментов с оксидом графена, которые демонстрируют его действие в качестве антиракового агента, селективно нацеленного на раковые стволовые клетки. В комбинации с существующими методами лечения это может привести к сокращению опухолей, а также предупреждению распространения рака и его рецидивов.

Опресняющий и очищающий воду графеновый фильтр. Уникальные свойства графена делают его потенциально идеальной мембраной для фильтрования и опреснения воды.