Графен и неговото приложение. Откриването на графен. Нанотехнологиите в съвременния свят

Наскоро в науката и технологиите се появи ново поле, което се нарича нанотехнология. Перспективите за тази дисциплина не са просто огромни. Те са грандиозни. Частицата, наречена "нано", е стойност, равна на една милиардна част от всяка стойност. Такива размери могат да бъдат сравнени само с размерите на атомите и молекулите. Например, нанометър се нарича една милиардна част от метър.

Основното направление на новото поле на науката

Нанотехнологията се отнася до онези, които манипулират материята на ниво молекули и атоми. В тази връзка тази област на науката се нарича още молекулярна технология. Какъв беше стимулът за неговото развитие? Нанотехнологиите в съвременния свят се появиха благодарение на лекция Ричард Файнман. В него ученият доказва, че няма пречки за създаване на неща директно от атоми.

Инструментът за ефективно манипулиране на най-малките частици се нарича асемблер. Това е молекулярна наномашина, с която можете да изградите всяка структура. Например, естествен асемблер може да бъде наречен рибозом, който синтезира протеини в живи организми.

Нанотехнологиите в съвременния свят не са само отделни области на знанието. Те представляват огромно изследователско поле, пряко свързано с много фундаментални науки. Сред тях са физика, химия и биология. Според учените тези науки ще получат най-мощния импулс за развитие на фона на предстоящата нанотехнологична революция.

Обхват на приложение

Да се ​​изброят всички сфери на човешката дейност, където се използва нанотехнологията днес, е невъзможно поради много впечатляващ списък. По този начин, с помощта на тази научна област, се произвеждат:

- устройства, проектирани за супер-плътно записване на всяка информация,
- разнообразно видео оборудване -
- сензори, слънчеви клетки, полупроводникови транзистори-
- информационни, изчислителни и информационни технологии -
- nanoimprinting и nanolithography-
- устройства, предназначени за съхраняване на енергия и горивни клетки -
- Отбранителни, космически и авиационни приложения -
- bioinstrumentary.

В такава научна област като нанотехнологиите, в Русия, Съединените щати, Япония и в редица европейски страни, всяка година се отпускат все повече средства. Това се дължи на обширните перспективи за развитие на тази област на научните изследвания.

Нанотехнологиите в Русия се развиват в съответствие с целевата Федерална програма, която осигурява не само големи финансови разходи, но и голям обем проектиране и изследователска работа. За реализирането на поставените задачи усилията на различни научно-технологични комплекси се съчетават на национално и транснационално ниво.

Нов материал

Нанотехнологиите позволиха на учените да направят въглеродната плоча по-твърда от диаманта, чиято дебелина е само един атом. Състои се от графен. Това е най-тънкият и издръжлив материал в цялата вселена, което позволява на електроенергията да бъде много по-добре от силициевите компютърни чипове.

Откриването на графен се счита за истинско революционно събитие, което ще ни позволи да променим много в живота си. Този материал има толкова уникални физически свойства, че той фундаментално променя идеята на човека за природата на нещата и веществата.

История на откритието

Графенът е двуизмерен кристал. Нейната структура е шестоъгълна решетка, състояща се от въглеродни атоми. Теоретичните изследвания на графен започнаха дълго преди производството на реални проби, тъй като този материал е основа за изграждането на триизмерен графитов кристал.

Дори през 1947 г. от P. Wallace той има някои свойства на графена, доказвайки, че неговата структура е други метали, както и някои характеристики, подобни на тези на ултра-относителни частици, неутрина и безмасови фотони. Но новият материал има някои съществени различия, които го правят уникален по своето естество. Но потвърждението на тези заключения бе получено едва през 2004 г., когато Константин Новоселов и От Андрей Гейм За първи път въглеродът се получава в свободно състояние. Това ново вещество, наречено графен, стана голямо откритие на учените. Намерете този елемент с молив. Графитното й ядро ​​се състои от много слоеве графен. Как моливът оставя марка на хартия? Факт е, че въпреки силата на слоевете, съставящи ядрото, между тях има много слаби връзки. Те са много лесно да се разпаднат, когато влязат в контакт с хартия, оставяйки следи при писане.

Използване на нов материал

Според учените сензорите на базата на графен ще могат да анализират силата и състоянието на самолетите, както и да предскажат земетресения. Но само когато материалът с такива огромни свойства напуска стените на лабораториите, става ясно в каква посока ще се развие практическото приложение на това вещество. За днес дневни химици, физиците, както и инженерите по електроника вече се интересуват от уникалните способности на графен. В края на краищата, само няколко грама от това вещество могат да покрият територия, равна на футболното игрище.

Графенът и неговото приложение могат да бъдат разглеждани в производството на леки сателити и въздухоплавателни средства. В тази област новият материал може да бъде заменен въглеродни влакна в композитни материали. Нано-материята може да бъде използвана вместо силиций в транзисторите и въвеждането й в пластмаса ще й даде електрическа проводимост.

Графен и неговото приложение се разглеждат също в производството на сензори. Тези устройства, базирани на най-новите материали, ще могат да открият най-опасните молекули. Но използването на прах от наносъдържание в производството на електрически батерии понякога ще увеличи тяхната ефективност.

Графен и приложението му се разглеждат в оптоелектрониката. От нов материал ще се окажат много леки и силни пластмасови, контейнери, от които ще позволи да запази продуктите в прясно състояние в рамките на няколко седмици.

Използването на графен и се очаква производството на прозрачно проводящо покритие, необходимо за монитори, слънчеви панели и по-силна и по-устойчиви на механични въздействия на вятърни турбини.

Въз основа на наноматериалите ще бъдат получени най-добрите спортни съоръжения, медицински импланти и суперкапакатори.

Също графенът и неговото приложение са подходящи за:

- високочестотни електронни устройства с висока мощност -
- изкуствени мембрани, които разделят две течности в резервоар-
- Подобряване на проводимостта на различни материали -
- създаване на дисплей на органични светлинно-излъчващи диоди -
- овладяване на новата техника на ускорено секвениране на ДНК-
- подобрен LCD дисплей
- създаване на балистични транзистори.

Използване в автомобилната индустрия

Според изследователите специфичната енергийна интензивност на графена достига 65 kWh / kg. Тази цифра е 47 пъти по-висока от тази, която е толкова често срещана в момента литиево-йонни батерии. Този факт учените създават ново поколение зарядни устройства.

Графен-полимерната батерия е устройство, посредством което електрическата енергия се поддържа колкото е възможно по-ефективно. Понастоящем работата по нея се провежда от изследователи от много страни. Значителен напредък е постигнат по този въпрос от испанските учени. Графино-полимерната батерия, създадена от тях, има енергиен капацитет, който е стотици пъти по-висок от този на съществуващите батерии. Те го използват за оборудване на електрически превозни средства. Машината, в която е инсталирана батерия тип графен, могат да карат хиляди километри без спиране. За да презаредите електрическо превозно средство, когато енергийният ресурс е изтощен, това ще отнеме не повече от 8 минути.

сензорни екрани

Учените продължават да изследват графен, като същевременно създават нови и несравними неща. По този начин въглеродният наноматериал намира приложение в производството на сензорни дисплеи с голям диагонал. В бъдеще може да се появи гъвкаво устройство от този тип.

Учените получиха правоъгълен графен лист и го превърнаха в прозрачен електрод. Той е този, който участва в работата на сензорния екран, като се различава в това с дълготрайност, повишена прозрачност, гъвкавост, екологосъобразност и ниска цена.

Първи графен

От 2004 г., когато е открит най-новият наноматериал, учените са усвоили редица методи за получаването му. Най-основният от тези методи обаче е:

- механична ексфолиация-
- епитаксиален растеж във вакуум-
- химическо фазово-фазово охлаждане (процес на CVD).

Първият от тези три метода е най-простият. Производството на графен при механично ексфолиране е прилагането на специален графит върху адхезивната повърхност на изолационна лента. След това основата, подобно на лист хартия, започва да се огъва и да се разгъва, като се отделя желания материал. Когато се използва този метод, графенът е с най-високо качество. Такива действия обаче не са подходящи за масово производство на този наноматериал.

Когато се използва методът на епитаксиален растеж, се използват тънки силиконови плочи, чийто повърхностен слой е силициев карбид. Освен това този материал се нагрява при много висока температура (до 1000 К). В резултат на химическата реакция, силициевите атоми се отделят от въглеродните атоми, първият от които се изпарява. В резултат на това на плочата остава чист графен. Недостатъкът на този метод е необходимостта да се използват много високи температури, при които може да възникне изгаряне на въглеродни атоми.

Най-надеждният и прост метод, използван за масово производство на графен, е процесът на CVD. Това е метод, при който протича химична реакция между катализатор за метално покритие и въглеводородни газове.

Къде се произвежда графенът?

Към днешна дата най-голямата компания, която произвежда нови наноматериали, е в Китай. Името на този производител е технологията Ningbo Morsh. Производството на графен е започнало от него през 2012 година.

Основният потребител на наноматериали е компанията Chongqing Morsh Technology. Графенът се използва от него за производство на проводими прозрачни филми, които се поставят в сензорни екрани.

Съвсем наскоро добре известната Nokia издаде патент за фоточувствителна матрица. В състава на този елемент, толкова необходимо за оптичните устройства, има няколко слоя графен. Такъв материал, използван в сензорите за камера, значително увеличава тяхната фоточувствителност (до 1000 пъти). Същевременно се наблюдава намаляване на потреблението на електроенергия. Добра камера за смартфон ще съдържа и графен.

Влизане в дома

Мога ли да направя графен у дома? Оказва се, че! Трябва просто да вземете кухненски миксер с капацитет най-малко 400 W и да следвате техниката, разработена от ирландските физици.

Как да си направим графен у дома? За да се постигне това, 500 ml вода се изсипва в смесителната купа, добавяйки към течността 10-25 ml от всеки детергент и 20-50 g натрошен шисти. След това устройството трябва да работи от 10 минути до половин час до появата на суспензия от графенни люспи. Полученият материал ще има висока проводимост, която ще позволи да се използва в фотоклетки. Също така произведени в ежедневни условия графенът е в състояние да подобри свойствата на пластмасата.

Оксиди на наноматериал

Учените активно изследват и такава структура на графена, която във вътрешността или по краищата на въглеродната решетка е свързана с кислородсъдържащи функционални групи или (и) молекули. Това е оксидът на най-твърдото наносъдържание, което е първият двуизмерен материал, който е достигнал етапа на търговското производство. От наночастици и микрочастици от тази структура, учените направиха проби от сантиметър.

По този начин, графен оксид в комбинация с диофилизиран въглерод е наскоро получени от китайски учени. Това е много лек материал, чийто куб сантиметър се държи върху венчелистчетата на малко цвете. Но новото вещество, в което се намира графиновия оксид, е един от най-солидните в света.

Биомедицински приложения

Графеновият оксид има уникално свойство на селективност. Това ще позволи на това вещество да намери биомедицинско приложение. Така че благодарение на работата на учените стана възможно да се използва графен оксид за диагностициране на рак. За да се открие злокачествен тумор в ранните стадии на неговото развитие, той дава уникални оптични и електрически свойства на наноматериалите.

Графеновият оксид също така позволява целева доставка на медицински и диагностични продукти. Въз основа на този материал се създават сорбционни биосензори, които сочат към молекулите на ДНК.

Промишлено приложение

Различни сорбенти на основата на графен оксид могат да се използват за дезактивиране на заразени техногенни и природни обекти. Освен това този наноматериал може да обработва подземни и повърхностни води, както и почви, като ги изчиства от радионуклиди.

Филтрите с графен оксид могат да осигурят свръхчисти помещения, в които се произвеждат електронни компоненти със специално предназначение. Уникалните свойства на този материал ще ни позволят да проникнем в фините технологии на химическата сфера. По-специално, това може да бъде екстракцията на радиоактивни, диспергирани и редки метали. По този начин използването на графен оксид ще позволи на златото да бъде извлечено от бедни руди.