Что такое графен и почему о нем так много говорят
20.11.2024
Материал будущего, чудо-материал — так говорят о графене. Это оценка его уникальных свойств, которые только начали изучать. Об уже известных качествах графена рассказывают профильные сайты.
КЛЮЧЕВЫЕ МОМЕНТЫ
- Графен — первый двумерный кристалл толщиной в один атом углерода, обладающий уникальными свойствами: он прочнее стали в 100-200 раз, но при этом очень гибкий, лёгкий и прозрачный.
- Открытый в 2004 году учёными Андреем Геймом и Константином Новоселовым, графен имеет широкие перспективы применения в электронике, энергетике, медицине и создании новых материалов благодаря своей высокой проводимости, прочности и биосовместимости.
- Несмотря на сложность и дороговизну производства, графен считается революционным материалом будущего, способным значительно улучшить характеристики существующих технологий и открыть новые возможности в различных областях.
Первый двумерный кристалл
Свойства графена оценивают только в превосходной степени, они в основном все самые-самые. Его практическое значение сравнивают с революционным применением металла человеком.
Что такое графен? Это первый известный двумерный кристалл, имеющий листообразную структуру. С физической точки зрения это слой отдельных атомов углерода, расположенных в виде шестиугольников, похожих на соты. Этот кристалл образован атомами углерода в один слой, что тоньше человеческого волоса в тысячи раз. Эти атомы собраны в гексагональную решетку, имеющую идеальные оси.
Каждый из нас держал графен в руках, ведь это обыкновенный графитовый грифель карандаша. Он состоит из миллионов слоев графена, которые удалось отделить совсем недавно.
Одноатомный слой отделили методом липкой ленты
Предполагаемую одноатомную структуру графена и её свойства в 1940-е годы описал канадский физик Филип Рассел Уоллес. Но сам реально ощутимый материал удалось получить лишь через 60 лет. Кто открыл графен? Первые его образцы добыли учёные Манчестерского университета Андрей Гейм и Константин Новоселов. В 2004 году они выделили его из куска графита с помощью клейкой ленты.
Этот метод доступно описывают на сайте пояснения научных явлений HowStuffWorks Science:
- К куску графита приклеили полоску липкой ленты.
- Вместе с лентой сняли слой графита.
- Затем ленту сложили пополам, при этом чешуйки графита на ней разделились на 2 части.
Процедуру складывания липкой ленты повторили 10–20 раз. При этом хлопья графита разделялись на все более тонкие слои, пока не был выделен одноатомный слой. В 2010 году Андрей Гейм и Константин Новоселов получили за это открытие Нобелевскую премию по физике.
Сложный и дорогой в производстве
Многие учёные не верили, что возможно отделить один слой атомов графена. По законам физики силы взаимодействия между атомами так велики, что просто должны смять такой тонкий слой. Но графен оказался редким исключением.
Сейчас доступны такие методы получения графена:
- Метод механического отщепления или отшелушивания слоев графита. При этом получают очень качественные образцы графена, но это требует точной ручной работы в условиях научных лабораторий.
- Другой метод связан с термическими и химическими процессами, которые возможны при промышленном производстве.
Вторым способом уже создают графен для практического использования. Это листы дорогого материала метрового размера.
Чрезвычайно плотный, но гибкий
Где используется графен? Особенности нового материала открывают широкие перспективы его использования в электронике, энергетических сетях и сетях связи, в создании новых композитных материалов, в диагностике и медицине. Эти уникальные свойства графена описывает сайт проекта Кембриджского центра графена Graphene Flagship. Они стали причиной многочисленных обсуждений материала в разных сферах.
Сайт онлайн-обучения Study Mind отмечает чрезвычайную плотность графена. Её обеспечивают множество связей между атомами углерода. Эти связи трудно преодолеть, для этого потребуется значительное количество энергии. Ультратонкий слой атомов оказался прочнее стали в 100 или 200 раз. В то же время графен очень гибкий. Лист из него можно растянуть на 10% и затем восстановить. Его также можно сгибать без повреждений.
Эти качества перспективны в создании гибких или рулонных экранов, сенсорных панелей, различных чипов, более качественных элементов в конструкции автомобилей, самолётов, космических аппаратов. Известно, что 1 г порошка графена, добавленный в 5 кг цемента, увеличивает его прочность на 35%.
Самый тонкий, лёгкий и прозрачный материал
Журнал об управлении рисками Mapfre Global Risks называет графен самым тонким материалом из когда-либо созданных человеком. Лист графена в миллион раз тоньше листа бумаги. Это также самый лёгкий материал. Лист графена размером 1 м² весит всего 0,77 миллиграмма. Такие свойства перспективны для создания новых композитных материалов. Добавляя в них графен, получают материалы с исключительной жесткостью и долговечностью без увеличения их веса.
Графен практически прозрачен: его прозрачность составляет 97%, то есть он задерживает только 2–3% света. Это качество очень важно при создании фотоэлементов, светодиодных ламп, гибких экранов, сенсорных панелей, различных датчиков.
Обладает сверхпроводимостью
На сайте HowStuffWorks Science сообщается, что графен проводит электричество лучше других известных материалов. Открыта также его уникальная сверхпроводимость при определенных условиях. Если два слоя графена повернуть на 1,1° в противоположных направлениях, они будут проводить электрический ток практически без сопротивления.
Это свойство можно применять при создании более быстрых транзисторов, так как значительно увеличивается частота электромагнитных сигналов. Ещё большие перспективы это открывает при производстве батареек. С графеном они могут заряжаться быстрее и служить дольше, что повышает автономность работы электронных устройств.
Свойство высокой проводимости графена повлияет на срок службы аккумуляторов, который может увеличиться на 10 лет. В сочетании с легкостью графена это открывает возможности создания более совершенных аккумуляторов для дронов.
Нетоксичен и безопасен
Графен нетоксичен и не относится к опасным веществам, он состоит из одного из самых распространенных в природе веществ — углерода, то есть экологически чист. Уникальные особенности графена дополняются его антимикробными свойствами. Это поможет решить медицинскую проблему, связанную с привыканием бактерий к антибиотикам.
Графену присуща высокая биосовместимость и растворимость, что необходимо для носителей лекарственных средств. Как биосенсор, он может применяться для чипов в кровотоке и отслеживать состояние здоровья человека. Графен открывает новые возможности в диагностике и терапии, в частности для уничтожения раковых образований.
Графен — один из самых футуристических материалов. Его только начали использовать в реальности, а возможности материала ещё изучаются.
