Hochtechnologie zu Hause. Preisträger Nobelpreis Konstantin Novoselov erzählte, wie man aus Abfallmaterialien selbst Graphen herstellen kann. Es hat in der Welt der Wissenschaft für Aufsehen gesorgt und kann künftig in allen Bereichen eingesetzt werden – vom Kochen bis zur Raumfahrt.

Eine Bühne für einen Nobelpreisträger zu bauen bedeutet natürlich nicht, Graphen zu erfinden. Der Bildschirm zur Anzeige von Foto- und Videodias war in wenigen Minuten aufgebaut. Rahmen, Verschlüsse und hier ist sie, die Magie des Minimalismus. Ausrüstung, um am lautesten zu sprechen wissenschaftliche Entdeckung Konstantin Novoselov brachte es kürzlich in einem gewöhnlichen Rucksack mit.

Darin befand sich ein Laptop. Der Nobelpreisträger für Physik ist es gewohnt, mit leichtem Gepäck zu reisen. Die erste Frage des Publikums – und sofort eine Antwort, die die Fantasie anregt. Es stellt sich heraus, dass fast jeder an Material kommen kann, dem eine große Zukunft vorhergesagt wird.

„Alles, was Sie brauchen, ist, guten Graphit zu kaufen. Im Prinzip können Sie Bleistifte verwenden, aber es ist besser, guten Graphit zu kaufen. Dafür müssen Sie 100 US-Dollar ausgeben. Sie müssen 20 US-Dollar für Siliziumwafer und 1 US-Dollar für Klebeband ausgeben. Das heißt 121 Dollar, ich verspreche Ihnen, dass Sie lernen werden, wie man erstaunliches Graphen herstellt“, sagte der Wissenschaftler.

Es ist kein Zufall, dass die Welt der Wissenschaft sofort über diese Entdeckung sagte: Alles Geniale ist einfach. Material auf Graphitbasis könnte die Elektronik revolutionieren. Wir sind bereits daran gewöhnt, dass moderne Gadgets ein Mobiltelefon, einen Computer und eine Kamera in einem Gerät sind. Mit Graphen werden diese Geräte viel dünner, außerdem transparent und flexibel. Dank der einzigartigen Eigenschaften der Materie ist das Fallenlassen eines solchen Geräts ungefährlich.

„Es hat sehr interessante elektronische Eigenschaften. Es kann für Transistoren verwendet werden. Und insbesondere versuchen viele Unternehmen, Hochgeschwindigkeitstransistoren aus diesem Material herzustellen, um sie beispielsweise in der Mobilkommunikation einzusetzen“, erklärte er Nobelpreisträger.

Experten zufolge wird dieses Material in Zukunft in der Lage sein, das allmählich alternde Silizium in allen elektronischen Geräten vollständig zu ersetzen. Bisher scheint diese Technik ein Wunder zu sein. In jüngerer Zeit sorgten jedoch beispielsweise LCD-Fernseher oder das Internet für die gleiche Überraschung. Übrigens wird das weltweite Computernetzwerk, das Graphen verwendet, um das Zehnfache schneller. In der Biologie werden neben neuem Material auch fortschrittliche Technologien zur Entschlüsselung der chemischen Struktur der DNA auftauchen. Der Einsatz von ultraleichtem und hochfestem Graphen wird in der Luftfahrt und im Bauwesen Anwendung finden Raumschiffe.

„Das Material, das am dünnsten, am stärksten und am leitfähigsten ist. Das undurchdringlichste, das elastischste. Im Allgemeinen das Allerbeste, das wird Graphen sein“, betonte Novoselov.

Der Nobelpreis für Physik wurde 2010 für fortgeschrittene Experimente mit Graphen verliehen. Dies ist das erste Mal, dass aus einem Material ein Produkt wird wissenschaftliche Forschung, so schnell von akademischen Laboren zur industriellen Produktion übergeht. In Russland ist das Interesse an den Entwicklungen von Konstantin Novoselov außergewöhnlich. Der Standort des Bookmarket-Festivals und des Gorki-Parks ist für jedermann zugänglich. Und kühles Wetter und Regen sind kein Hindernis für echte Wissenschaft.

Vor relativ kurzer Zeit ist in Wissenschaft und Technologie ein neues Feld entstanden, das als Nanotechnologie bezeichnet wird. Die Aussichten für diese Disziplin sind nicht nur riesig. Sie sind riesig. Ein als „Nano“ bezeichnetes Teilchen ist eine Größe, die einem Milliardstel eines Wertes entspricht. Solche Größen können nur mit den Größen von Atomen und Molekülen verglichen werden. Ein Nanometer ist beispielsweise ein Milliardstel Meter.

Die Hauptrichtung des neuen Wissenschaftsbereichs

Nanotechnologien sind solche, die Materie auf der Ebene von Molekülen und Atomen manipulieren. Deswegen dieser Bereich Wissenschaft wird auch Molekulartechnologie genannt. Was war der Anstoß für seine Entwicklung? Nanotechnologie in moderne Welt erschien dank eines Vortrags, in dem der Wissenschaftler bewies, dass es keine Hindernisse gibt, Dinge direkt aus Atomen zu erschaffen.

Das Werkzeug zur effektiven Manipulation kleinster Partikel wurde Assembler genannt. Dabei handelt es sich um eine molekulare Nanomaschine, mit der man beliebige Strukturen aufbauen kann. Ein natürlicher Assembler kann beispielsweise als Ribosom bezeichnet werden, das Protein in lebenden Organismen synthetisiert.

Nanotechnologie ist in der modernen Welt nicht nur ein separates Wissensgebiet. Sie stellen ein weites Forschungsgebiet dar, das in direktem Zusammenhang mit vielen Grundlagenwissenschaften steht. Dazu gehören Physik, Chemie und Biologie. Laut Wissenschaftlern werden diese Wissenschaften vor dem Hintergrund der kommenden nanotechnologischen Revolution die stärksten Entwicklungsimpulse erhalten.

Anwendungsgebiet

Aufgrund der sehr beeindruckenden Liste ist es unmöglich, alle Bereiche menschlichen Handelns aufzulisten, in denen Nanotechnologie heute eingesetzt wird. Mit Hilfe dieses Wissenschaftsgebiets werden also Folgendes hergestellt:

Geräte zur ultradichten Aufzeichnung beliebiger Informationen;
- verschiedene Videogeräte;
- Sensoren, Halbleitertransistoren;
- Informations-, Computer- und Informationstechnologien;
- Nanoimprinting und Nanolithographie;
- Energiespeicher und Brennstoffzellen;
- Verteidigungs-, Raumfahrt- und Luftfahrtanwendungen;
- Bioinstrumentierung.

Jedes Jahr werden in Russland, den USA, Japan und einer Reihe europäischer Länder immer mehr Mittel für einen wissenschaftlichen Bereich wie die Nanotechnologie bereitgestellt. Dies liegt an den breiten Perspektiven für die Entwicklung dieses Forschungsbereichs.

Die Nanotechnologien in Russland entwickeln sich entsprechend dem Ziel Bundesprogramm, was nicht nur hohe finanzielle Kosten, sondern auch einen großen Aufwand an Design- und Forschungsarbeit mit sich bringt. Um die gestellten Aufgaben zu erfüllen, werden die Anstrengungen verschiedener wissenschaftlicher und technologischer Komplexe auf der Ebene nationaler und transnationaler Konzerne gebündelt.

Neues Material

Die Nanotechnologie hat es Wissenschaftlern ermöglicht, eine Kohlenstoffplatte härter zu machen als Diamant, der nur ein Atom dick ist. Es besteht aus Graphen. Dies ist das dünnste und stärkste Material im gesamten Universum, das Elektrizität viel besser überträgt als Silizium in Computerchips.

Die Entdeckung von Graphen gilt als ein echtes revolutionäres Ereignis, das unser Leben stark verändern wird. Dieses Material verfügt über so einzigartige physikalische Eigenschaften, dass es das Verständnis eines Menschen über die Natur von Dingen und Substanzen radikal verändert.

Geschichte der Entdeckung

Graphen ist ein zweidimensionaler Kristall. Seine Struktur ist ein hexagonales Gitter, das aus Kohlenstoffatomen besteht. Theoretische Forschung Die Forschung an Graphen begann lange vor der Herstellung seiner eigentlichen Proben, da dieses Material die Grundlage für den Aufbau eines dreidimensionalen Graphitkristalls darstellt.

Bereits 1947 wies P. Wallace auf einige Eigenschaften von Graphen hin und bewies, dass seine Struktur der von Metallen ähnelt und einige Eigenschaften denen von ultrarelativistischen Teilchen, Neutrinos und masselosen Photonen ähneln. Allerdings weist das neue Material auch einige wesentliche Unterschiede auf, die es in seiner Natur einzigartig machen. Eine Bestätigung dieser Schlussfolgerungen erfolgte jedoch erst im Jahr 2004, als Konstantin Novoselov erstmals Kohlenstoff in freiem Zustand erhielt. Diese neue Substanz namens Graphen wurde zu einer wichtigen Entdeckung der Wissenschaftler. Sie finden dieses Element in einem Bleistift. Sein Graphitstab besteht aus vielen Schichten Graphen. Wie hinterlässt ein Bleistift Spuren auf Papier? Tatsache ist, dass trotz der Stärke der Schichten, aus denen der Stab besteht, sehr schwache Verbindungen zwischen ihnen bestehen. Sie zerfallen bei Kontakt mit Papier sehr leicht und hinterlassen beim Schreiben Spuren.

Verwendung von neuem Material

Laut Wissenschaftlern werden auf Graphen basierende Sensoren in der Lage sein, die Stärke und den Zustand des Flugzeugs zu analysieren sowie Erdbeben vorherzusagen. Doch erst wenn ein Material mit solch erstaunlichen Eigenschaften die Wände der Labore verlässt, wird klar, in welche Richtung die Entwicklung gehen wird praktische Anwendung dieser Substanz. Sowohl Physiker als auch Elektronikingenieure interessieren sich bereits heute für die einzigartigen Fähigkeiten von Graphen. Denn schon wenige Gramm dieses Stoffes können eine Fläche von der Größe eines Fußballfeldes bedecken.

Graphen und seine Anwendungen werden möglicherweise bei der Herstellung leichter Satelliten und Flugzeuge in Betracht gezogen. In diesem Bereich kann ein neues Material Nanomaterialien ersetzen: Der Nanostoff kann anstelle von Silizium in Transistoren verwendet werden und durch die Einbringung in Kunststoff erhält dieser elektrische Leitfähigkeit.

Auch bei der Herstellung von Sensoren wird über Graphen und dessen Einsatz nachgedacht. Diese Geräte basieren auf neuestes Material, wird in der Lage sein, die gefährlichsten Moleküle zu erkennen. Doch der Einsatz von Nanosubstanzpulver bei der Herstellung von Elektrobatterien wird deren Effizienz deutlich steigern.

Graphen und seine Anwendungen werden in der Optoelektronik betrachtet. Aus dem neuen Material entsteht ein sehr leichter und haltbarer Kunststoff, in dem Lebensmittel mehrere Wochen lang frisch bleiben.

Die Verwendung von Graphen wird auch für die Herstellung einer transparenten leitfähigen Beschichtung vorgeschlagen, die für Monitore erforderlich ist. Solarplatten und robustere und mechanisch widerstandsfähigere Windkraftanlagen.

Die besten Sportgeräte, medizinischen Implantate und Superkondensatoren werden auf Basis von Nanomaterialien hergestellt.

Graphen und seine Verwendung sind auch relevant für:

Elektronische Hochfrequenz-Hochleistungsgeräte;
- künstliche Membranen, die zwei Flüssigkeiten in einem Tank trennen;
- Verbesserung der Leitfähigkeitseigenschaften verschiedener Materialien;
- Erstellen einer Anzeige auf organischen Leuchtdioden;
- Entwicklung neue Technologie beschleunigte DNA-Sequenzierung;
- Verbesserungen an Flüssigkristallanzeigen;
- Entwicklung ballistischer Transistoren.

Verwendung im Automobilbereich

Laut Forschern liegt die spezifische Energieintensität von Graphen bei etwa 65 kWh/kg. Dieser Wert ist 47-mal höher als der der heute weit verbreiteten Lithium-Ionen-Batterien. Wissenschaftler nutzten diese Tatsache, um eine neue Generation von Ladegeräten zu entwickeln.

Eine Graphen-Polymer-Batterie ist ein Gerät, das elektrische Energie möglichst effizient speichert. Derzeit wird daran von Forschern aus vielen Ländern gearbeitet. Spanische Wissenschaftler haben in dieser Angelegenheit bedeutende Erfolge erzielt. Die von ihnen entwickelte Graphen-Polymer-Batterie hat eine hundertmal höhere Energiekapazität als bestehende Batterien. Es dient zur Ausstattung von Elektrofahrzeugen. Das Auto, in dem es eingebaut ist, kann Tausende von Kilometern zurücklegen, ohne anzuhalten. Das Aufladen eines Elektrofahrzeugs dauert nicht länger als 8 Minuten, wenn die Energieressource erschöpft ist.

Touchscreen

Wissenschaftler erforschen weiterhin Graphen und schaffen so neue und einzigartige Dinge. Daher hat Kohlenstoffnanomaterial seine Anwendung bei der Herstellung von Touch-Displays mit großer Diagonale gefunden. In Zukunft könnte ein flexibles Gerät dieser Art erscheinen.

Wissenschaftler erhielten eine rechteckige Graphenschicht und verwandelten sie in eine transparente Elektrode. Er ist an der Bedienung des Touch-Displays beteiligt und zeichnet sich dabei durch Langlebigkeit, erhöhte Transparenz, Flexibilität, Umweltfreundlichkeit und geringe Kosten aus.

Graphen gewinnen

Seit der Entdeckung des neuesten Nanomaterials im Jahr 2004 beherrschen Wissenschaftler eine Reihe von Methoden zu seiner Herstellung. Die grundlegendsten davon sind jedoch die folgenden Methoden:

Mechanisches Peeling;
- epitaktisches Wachstum im Vakuum;
- chemische Periphasenkühlung (CVD-Verfahren).

Die erste dieser drei Methoden ist die einfachste. Bei der Herstellung von Graphen durch mechanisches Peeling wird spezieller Graphit auf die Klebefläche eines Isolierbandes aufgetragen. Danach beginnt sich die Basis wie ein Blatt Papier zu biegen und zu entspannen, wodurch das gewünschte Material getrennt wird. Bei Verwendung dieser Methode wird Graphen gewonnen Gute Qualität. Für eine Massenproduktion dieses Nanomaterials sind solche Maßnahmen jedoch nicht geeignet.

Bei der epitaktischen Wachstumsmethode werden dünne Siliziumwafer verwendet, deren Oberflächenschicht aus Siliziumkarbid besteht. Anschließend wird dieses Material auf eine sehr hohe Temperatur (bis zu 1000 K) erhitzt. Durch eine chemische Reaktion werden Siliziumatome von Kohlenstoffatomen getrennt, wobei die ersten verdampfen. Dadurch verbleibt reines Graphen auf der Platte. Der Nachteil dieser Methode besteht darin, dass sehr hohe Temperaturen verwendet werden müssen, bei denen es zu einer Verbrennung von Kohlenstoffatomen kommen kann.

Das zuverlässigste und auf einfache Weise CVD-Verfahren zur Massenproduktion von Graphen. Es ist eine Methode, bei der chemische Reaktion zwischen der Metallkatalysatorbeschichtung und Kohlenwasserstoffgasen.

Wo wird Graphen hergestellt?

Heute befindet sich das größte Unternehmen, das das neue Nanomaterial herstellt, in China. Der Name dieses Herstellers ist Ningbo Morsh Technology. Er begann 2012 mit der Graphenproduktion.

Der Hauptabnehmer des Nanomaterials ist Chongqing Morsh Technology. Es nutzt Graphen zur Herstellung leitfähiger transparenter Folien, die in Touch-Displays eingesetzt werden.

Vor relativ kurzer Zeit hat das bekannte Unternehmen Nokia ein Patent für eine lichtempfindliche Matrix angemeldet. Dieses für optische Geräte so notwendige Element enthält mehrere Graphenschichten. Dieses in Kamerasensoren verwendete Material erhöht deren Lichtempfindlichkeit deutlich (bis zum 1000-fachen). Gleichzeitig sinkt der Stromverbrauch. Eine gute Smartphone-Kamera wird auch Graphen enthalten.

Empfang zu Hause

Ist es möglich, Graphen zu Hause herzustellen? Es stellt sich heraus, ja! Sie müssen lediglich einen Küchenmixer mit einer Leistung von mindestens 400 W nehmen und der von irischen Physikern entwickelten Methode folgen.

Wie stellt man Graphen zu Hause her? Gießen Sie dazu 500 ml Wasser in die Mixschüssel und fügen Sie der Flüssigkeit 10–25 Milliliter eines beliebigen Reinigungsmittels und 20–50 Gramm zerkleinertes Blei hinzu. Anschließend sollte das Gerät 10 Minuten bis eine halbe Stunde lang betrieben werden, bis eine Suspension aus Graphenflocken entsteht. Das resultierende Material weist eine hohe Leitfähigkeit auf, wodurch es in Fotozellenelektroden verwendet werden kann. Auch selbst hergestelltes Graphen kann die Eigenschaften von Kunststoff verbessern.

Nanomaterialoxide

Wissenschaftler untersuchen aktiv die Struktur von Graphen, das sauerstoffhaltige funktionelle Gruppen und/oder Moleküle innerhalb oder entlang der Ränder des Kohlenstoffnetzwerks angebracht hat. Es ist das Oxid der härtesten Nanosubstanz und das erste zweidimensionale Material, das das Stadium der kommerziellen Produktion erreicht. Wissenschaftler stellten zentimetergroße Proben aus Nano- und Mikropartikeln dieser Struktur her.

So wurde kürzlich von chinesischen Wissenschaftlern Graphenoxid in Kombination mit diophilisiertem Kohlenstoff gewonnen. Dabei handelt es sich um ein sehr leichtes Material, dessen Zentimeterwürfel auf den Blütenblättern einer kleinen Blüte gehalten wird. Doch gleichzeitig ist der neue Stoff, der Graphenoxid enthält, einer der härtesten der Welt.

Biomedizinische Anwendung

Graphenoxid hat eine einzigartige Selektivitätseigenschaft. Dies wird es dieser Substanz ermöglichen, biomedizinische Verwendung zu finden. Dank der Arbeit von Wissenschaftlern ist es somit möglich geworden, Graphenoxid zur Diagnose von Krebs zu verwenden. Einzigartige optische und elektrische Eigenschaften Nanomaterial.

Graphenoxid ermöglicht auch die gezielte Abgabe von Medikamenten und Diagnostika. Aufgrund dieses Materials Es entstehen Sorptionsbiosensoren, die auf DNA-Moleküle hinweisen.

Industrielle Anwendung

Zur Dekontamination kontaminierter künstlicher und natürlicher Gegenstände können verschiedene Sorbentien auf Basis von Graphenoxid eingesetzt werden. Darüber hinaus ist dieses Nanomaterial in der Lage, unterirdisch und verarbeitet zu werden Oberflächenwasser sowie Böden, nachdem sie von Radionukliden befreit wurden.

Graphenoxidfilter können für superreine Räume sorgen, in denen elektronische Komponenten hergestellt werden besonderer Zweck. Einzigartige Eigenschaften Dieses Material wird es einem ermöglichen, in die subtilen Technologien des chemischen Bereichs einzudringen. Dabei kann es sich insbesondere um die Gewinnung radioaktiver, Spuren- und seltener Metalle handeln. Somit wird die Verwendung von Graphenoxid die Gewinnung von Gold aus minderwertigen Erzen ermöglichen.

Graphen ist ein revolutionäres Material des 21. Jahrhunderts. Es ist die stärkste, leichteste und elektrisch leitfähigste Variante der Kohlenstoffverbindung.

Graphen wurde von Konstantin Novoselov und Andrei Geim an der Universität Manchester entdeckt, wofür russische Wissenschaftler den Nobelpreis erhielten. Bisher wurden über einen Zeitraum von zehn Jahren rund zehn Milliarden Dollar für die Erforschung der Eigenschaften von Graphen bereitgestellt, und es gibt Gerüchte, dass dies der Fall sein könnte ein ausgezeichneter Ersatz Silizium, insbesondere in der Halbleiterindustrie.

Für andere Elemente wurden jedoch zweidimensionale Strukturen vorhergesagt, die diesem kohlenstoffbasierten Material ähneln. Periodensystem chemische Elemente und sehr ungewöhnliche Eigenschaften Eine dieser Substanzen wurde kürzlich untersucht. Dieser Stoff wird „blauer Phosphor“ genannt.

Der in Russland geborene und in Großbritannien ansässige Konstantin Novoselov und Andrey Geim stellten 2004 Graphen her, eine durchscheinende Kohlenstoffschicht mit einer Dicke von einem Atom. Von diesem Moment an begannen wir fast sofort und überall zu hören Lobgesänge etwa ganz anders erstaunliche Eigenschaften Material, das das Potenzial hat, unsere Welt zu verändern und in den meisten Fällen seine Anwendung zu finden verschiedene Bereiche, angefangen bei der Herstellung von Quantencomputern bis hin zur Herstellung von Filtern zur Reinhaltung Wasser trinken. 15 Jahre sind vergangen, aber die Welt unter dem Einfluss von Graphen hat sich nicht verändert. Warum?

Bis letztes Jahr war die einzige der Wissenschaft bekannte Methode zur Herstellung von Graphen das Aufbringen einer dünnen Graphitschicht auf ein Klebeband und das anschließende Entfernen der Unterlage. Diese Technik wird „Scotch-Tape-Technik“ genannt. Wissenschaftler haben jedoch kürzlich herausgefunden, dass es einen effizienteren Weg gibt, ein neues Material zu erhalten: Sie begannen, eine Schicht aus Kupfer, Nickel oder Silizium als Basis zu verwenden, die dann durch Ätzen entfernt wurde (Abb. 2). Auf diese Weise schuf ein Team von Wissenschaftlern aus Korea, Japan und Singapur rechteckige Graphenschichten mit einer Breite von 76 Zentimetern. Die Forscher stellten nicht nur eine Art Rekord für die Größe eines Stücks einer einschichtigen Struktur aus Kohlenstoffatomen auf, sondern schufen auch empfindliche Bildschirme auf Basis flexibler Folien.

Abbildung 2: Gewinnung von Graphen durch Ätzen

Erst im Jahr 2004 erhielten Physiker Graphen-„Flocken“, als ihre Größe nur 10 Mikrometer betrug. Vor einem Jahr gab das Team von Rodney Ruoff von der University of Texas in Austin bekannt, dass es ihm gelungen sei, zentimetergroße „Graphenreste“ herzustellen.

Ruoff und seine Kollegen schieden Kohlenstoffatome mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) auf Kupferfolie ab. Forscher im Labor von Professor Byun Hee Hong von der Sunghyunkwan-Universität gingen noch einen Schritt weiter und vergrößerten die Blätter auf die Größe eines Vollbildschirms. Die neue „Rolle-zu-Rolle“-Technologie (Rolle-zu-Rolle-Verarbeitung) ermöglicht die Herstellung eines langen Bandes aus Graphen (Abb. 3).

Abbildung 3: Hochauflösendes Tranvon gestapelten Graphenschichten.

Die Physiker legten eine Schicht aus klebendem Polymer auf die Graphenschichten, lösten die Kupfersubstrate auf und trennten dann den Polymerfilm ab – so entstand eine einzelne Schicht aus Graphen. Um den Platten eine größere Festigkeit zu verleihen, verwendeten Wissenschaftler die gleiche Methode, um drei weitere Schichten Graphen „aufwachsen zu lassen“. Abschließend wurde das resultierende „Sandwich“ mit Salpetersäure behandelt, um die Leitfähigkeit zu verbessern. Eine neue Graphenschicht wird auf ein Polyestersubstrat gelegt und zwischen beheizten Walzen geführt (Abb. 4).

Abbildung 4: Walzentechnologie zur Herstellung von Graphen

Die resultierende Struktur ließ 90 % des Lichts durch und hatte einen elektrischen Widerstand, der geringer war als der des standardmäßigen, aber immer noch sehr teuren transparenten Leiters – Indiumzinnoxid (ITO). Bei der Verwendung von Graphenfolien als Basis für Touch-Displays stellten die Forscher übrigens fest, dass ihre Struktur auch weniger zerbrechlich ist.

Zwar ist die Technologie trotz aller Erfolge noch weit von der Kommerzialisierung entfernt. Transparente Folien von Kohlenstoff-Nanoröhren Sie versuchen schon seit geraumer Zeit, ITO zu verdrängen, aber die Hersteller können das Problem der „toten Pixel“, die bei Filmdefekten auftreten, nicht bewältigen.

Anwendung von Graphenen in der Elektrotechnik und Elektronik

Die Helligkeit von Pixeln in Flachbildschirmen wird durch die Spannung zwischen zwei Elektroden bestimmt, von denen eine dem Betrachter zugewandt ist (Abb. 5). Diese Elektroden müssen transparent sein. Derzeit wird zur Herstellung transparenter Elektroden zinndotiertes Indiumoxid (ITO) verwendet, doch ITO ist teuer und nicht die stabilste Substanz. Darüber hinaus wird der Welt bald das Indium ausgehen. Graphen ist transparenter und stabiler als ITO, und ein LCD-Display mit einer Graphen-Elektrode wurde bereits demonstriert.

Abbildung 5: Helligkeit von Graphenbildschirmen als Funktion der angelegten Spannung

Das Material hat großes Potenzial in anderen Bereichen der Elektronik. Im April 2008 stellten Wissenschaftler aus Manchester den kleinsten Graphen-Transistor der Welt vor. Eine vollkommen regelmäßige Graphenschicht steuert den Widerstand des Materials und verwandelt es in ein Dielektrikum. Es wird möglich, einen mikroskopisch kleinen Leistungsschalter für einen Hochgeschwindigkeits-Nanotransistor zu entwickeln, um die Bewegung einzelner Elektronen zu steuern. Je kleiner die Transistoren in Mikroprozessoren sind, desto schneller sind sie, und Wissenschaftler hoffen, dass Graphentransistoren in zukünftigen Computern die Größe von Molekülen erreichen werden, da die aktuelle Silizium-Mikrotransistortechnologie fast an ihre Grenzen stößt.

Graphen ist nicht nur ein hervorragender Stromleiter. Es hat die höchste Wärmeleitfähigkeit: Atomschwingungen breiten sich leicht im gesamten Kohlenstoffnetz der Zellstruktur aus. Die Wärmeableitung in der Elektronik ist ein ernstes Problem, da die hohen Temperaturen, denen die Elektronik standhalten kann, begrenzt sind. Wissenschaftler der University of Illinois haben jedoch herausgefunden, dass Transistoren, die Graphen verwenden, eine interessante Eigenschaft haben. Sie weisen einen thermoelektrischen Effekt auf, der zu einer Absenkung der Temperatur des Geräts führt. Dies könnte bedeuten, dass dank graphenbasierter Elektronik Heizkörper und Lüfter der Vergangenheit angehören. Damit steigt die Attraktivität von Graphen als vielversprechendes Material für zukünftige Mikroschaltkreise weiter (Abb. 6).

Abbildung 6: Eine Rasterkraftmikroskopsonde tastet die Oberfläche eines Graphen-Metall-Kontakts ab, um die Temperatur zu messen.

Wissenschaftler hatten Schwierigkeiten, die Wärmeleitfähigkeit von Graphen zu messen. Sie erfanden eine völlig neue Methode zur Temperaturmessung, indem sie einen 3 Mikrometer langen Graphenfilm über genau dasselbe winzige Loch in einem Siliziumdioxidkristall legten. Anschließend wurde die Folie mit einem Laserstrahl erhitzt, wodurch sie in Schwingungen versetzt wurde. Diese Vibrationen halfen bei der Berechnung von Temperatur und Wärmeleitfähigkeit.

Der Einfallsreichtum von Wissenschaftlern kennt keine Grenzen, wenn es darum geht, die phänomenalen Eigenschaften einer neuen Substanz zu nutzen. Im August 2007 entstand auf seiner Basis der empfindlichste aller möglichen Sensoren. Es ist in der Lage, auf ein Gasmolekül zu reagieren, was dabei hilft, das Vorhandensein von Giftstoffen oder Sprengstoffen umgehend zu erkennen. Fremdmoleküle dringen friedlich in das Graphennetzwerk ein und schlagen dort Elektronen heraus oder fügen sie hinzu. Dadurch verändert sich der elektrische Widerstand der Graphenschicht, den Wissenschaftler messen. Selbst kleinste Moleküle werden vom langlebigen Graphennetz eingefangen. Im September 2008 demonstrierten Wissenschaftler der Cornell University in den USA, wie sich eine Graphenmembran aufgrund eines Druckunterschieds von mehreren Atmosphären auf beiden Seiten wie ein dünner Ballon aufbläht. Diese Eigenschaft von Graphen kann bei der Bestimmung des Auftretens verschiedener chemischer Reaktionen und allgemein bei der Untersuchung des Verhaltens von Atomen und Molekülen nützlich sein.

Die Herstellung großer Schichten aus reinem Graphen ist immer noch sehr schwierig, aber die Aufgabe kann vereinfacht werden, wenn eine Schicht Kohlenstoff mit anderen Elementen gemischt wird. An der Northwestern University in den USA wurde Graphit oxidiert und in Wasser gelöst. Das Ergebnis war ein papierähnliches Material – Graphenoxidpapier (Abb. 7). Es ist sehr robust und recht einfach herzustellen. Graphenoxid eignet sich als starke Membran in Batterien und Brennstoffzellen.

Abbildung 7: Graphenoxidpapier

Eine Graphenmembran ist ein ideales Substrat für Objekte, die unter einem Elektronenmikroskop untersucht werden sollen. Makellose Zellen verschmelzen in den Bildern zu einem einheitlichen grauen Hintergrund, von dem sich andere Atome deutlich abheben. Bisher war es nahezu unmöglich, die leichtesten Atome im Elektronenmikroskop zu unterscheiden, doch mit Graphen als Substrat sind sogar kleine Wasserstoffatome zu erkennen.

Die Einsatzmöglichkeiten von Graphen lassen sich endlos aufzählen. Kürzlich haben Physiker der Northwestern University in den USA herausgefunden, dass sich Graphen mit Kunststoff mischen lässt. Das Ergebnis ist ein dünnes, superstarkes Material, das hohen Temperaturen standhält und undurchlässig für Gase und Flüssigkeiten ist.

Sein Anwendungsbereich ist die Herstellung von leichten Tankstellen, Ersatzteilen für Autos und Flugzeuge sowie langlebigen Rotorblättern für Windkraftanlagen. Sie können Lebensmittel in Kunststoff verpacken und so lange frisch halten.

Graphen ist nicht nur das dünnste, sondern auch das stärkste Material der Welt. Wissenschaftler der Columbia University in New York bestätigten dies, indem sie Graphen über winzige Löcher in einem Siliziumkristall platzierten. Anschließend versuchten sie durch Drücken einer sehr dünnen Diamantnadel die Graphenschicht zu zerstören und maßen die Druckkraft (Abb. 8). Es stellte sich heraus, dass Graphen 200-mal stärker ist als Stahl. Stellen Sie sich eine Graphenschicht vor, die so dick ist wie Frischhaltefolie, sie würde dem Druck einer Bleistiftspitze standhalten, auf deren gegenüberliegendem Ende ein Elefant oder ein Auto balancieren würde.

Abbildung 8: Druck auf das Graphen einer Diamantnadel

Graphen gehört zu einer Klasse einzigartiger Kohlenstoffverbindungen, die über bemerkenswerte chemische und physikalische Eigenschaften verfügen, wie beispielsweise eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit, die mit erstaunlicher Leichtigkeit und Festigkeit kombiniert wird.

Es wird erwartet, dass es im Laufe der Zeit Silizium ersetzen kann, das die Grundlage der modernen Halbleiterproduktion bildet. Derzeit hat sich diese Verbindung den Status eines „Materials der Zukunft“ fest gesichert.

Eigenschaften des Materials

Graphen, am häufigsten unter der Bezeichnung „G“ zu finden, ist eine zweidimensionale Form von Kohlenstoff, die eine ungewöhnliche Struktur in Form von Atomen aufweist, die in einem hexagonalen Gitter verbunden sind. Darüber hinaus überschreitet seine Gesamtdicke nicht die Größe jedes einzelnen von ihnen.

Für ein klareres Verständnis dessen, was Graphen ist, ist es ratsam, sich mit einzigartigen Eigenschaften wie den folgenden vertraut zu machen:

• Rekordhohe Wärmeleitfähigkeit;
• Hohe mechanische Festigkeit und Flexibilität des Materials, hunderte Male höher als der gleiche Indikator für Stahlprodukte;
• Unvergleichliche elektrische Leitfähigkeit;
• Hoher Schmelzpunkt (mehr als 3.000 Grad);
• Undurchdringlichkeit und Transparenz.

Die ungewöhnliche Struktur von Graphen wird durch diese einfache Tatsache belegt: Bei der Kombination von 3 Millionen Lagen Graphenrohlingen beträgt die Gesamtdicke des fertigen Produkts nicht mehr als 1 mm.

Um die einzigartigen Eigenschaften dieses ungewöhnlichen Materials zu verstehen, reicht es zu beachten, dass es in seinem Ursprung dem gewöhnlichen Schichtgraphit ähnelt, der in Bleistiftminen verwendet wird. Aufgrund der besonderen Anordnung der Atome im hexagonalen Gitter erhält seine Struktur jedoch die Eigenschaften, die einem so harten Material wie Diamant innewohnen.

Wenn Graphen aus Graphit isoliert wird, werden seine „wundersamsten“ Eigenschaften, die für moderne 2D-Materialien charakteristisch sind, in dem resultierenden atomar dicken Film beobachtet. Heutzutage ist es schwierig, ein solches Gebiet zu finden nationale Wirtschaft, überall dort, wo diese einzigartige Verbindung zum Einsatz kommt und wo sie als vielversprechend gilt. Dies zeigt sich besonders deutlich in der Gegend wissenschaftliche Entwicklungen deren Ziel es ist, neue Technologien zu entwickeln.

Methoden zur Beschaffung

Die Entdeckung dieses Materials lässt sich auf das Jahr 2004 zurückdatieren. Danach beherrschten Wissenschaftler verschiedene Methoden zu seiner Herstellung, die im Folgenden vorgestellt werden:

• Chemische Kühlung durch die Phasenumwandlungsmethode (sogenannter CVD-Prozess);
• Das sogenannte „Epitaxiewachstum“, das unter Vakuumbedingungen durchgeführt wird;
• Methode „Mechanisches Peeling“.

Schauen wir uns jeden von ihnen genauer an.

Mechanisch

Beginnen wir mit der letzten dieser Methoden, die als die am besten zugängliche für die unabhängige Implementierung gilt. Um zu Hause Graphen zu erhalten, müssen nacheinander die folgenden Vorgänge ausgeführt werden:

• Zuerst müssen Sie eine dünne Graphitplatte vorbereiten, die dann auf der Klebeseite eines Spezialbandes befestigt wird;
• Danach faltet es sich in zwei Hälften und kehrt dann in seinen ursprünglichen Zustand zurück (seine Enden bewegen sich auseinander).
• Durch solche Manipulationen ist es möglich, auf der Klebeseite des Bandes eine doppelte Graphitschicht zu erhalten;
• Wenn Sie diesen Vorgang mehrmals durchführen, ist es nicht schwierig, eine geringe Dicke der aufgetragenen Materialschicht zu erreichen;
• Anschließend wird ein Klebeband mit gespaltenen und sehr dünnen Filmen auf das Siliziumoxid-Substrat aufgebracht;
• Dadurch verbleibt der Film teilweise auf dem Substrat und bildet eine Graphenschicht.

Der Nachteil dieser Methode besteht darin, dass es schwierig ist, einen ausreichend dünnen Film einer bestimmten Größe und Form zu erhalten, der zuverlässig auf den vorgesehenen Teilen des Substrats befestigt wird.

Derzeit wird der Großteil des in der Praxis verwendeten Graphens auf diese Weise hergestellt. Durch mechanisches Peeling ist es möglich, eine recht hochwertige Verbindung zu erhalten, für Massenproduktionsbedingungen ist diese Methode jedoch völlig ungeeignet.

Industrielle Methoden

Eine der industriellen Methoden zur Herstellung von Graphen ist die Züchtung im Vakuum, deren Merkmale sich wie folgt darstellen lassen:

• Zur Herstellung wird eine Oberflächenschicht aus Siliziumkarbid verwendet, die auf den Oberflächen dieses Materials immer vorhanden ist;
• Anschließend wird der vorbereitete Siliziumwafer auf eine relativ hohe Temperatur (ca. 1000 K) erhitzt;
• Aufgrund der dabei ablaufenden chemischen Reaktionen kommt es zu einer Trennung von Silizium- und Kohlenstoffatomen, bei der die ersten sofort verdampfen;
• Als Ergebnis dieser Reaktion verbleibt reines Graphen (G) auf der Platte.

Zu den Nachteilen dieser Methode gehört die Notwendigkeit einer Hochtemperaturerwärmung, die oft technische Schwierigkeiten mit sich bringt.

Der zuverlässigste industriell Eine Möglichkeit, die oben beschriebenen Schwierigkeiten zu vermeiden, ist das sogenannte „CVD-Verfahren“. Bei der Umsetzung kommt es zu einer chemischen Reaktion auf der Oberfläche des Metallkatalysators, wenn dieser mit Kohlenwasserstoffgasen kombiniert wird.

Durch alle oben diskutierten Ansätze ist es möglich, reine allotrope Verbindungen aus zweidimensionalem Kohlenstoff in Form einer nur ein Atom dicken Schicht zu erhalten. Ein Merkmal dieser Bildung ist die Verbindung dieser Atome zu einem hexagonalen Gitter durch die Bildung sogenannter „σ“- und „π“-Bindungen.

Träger elektrische Ladung im Graphengitter sind unterschiedlich hochgradig Mobilität, die diesen Wert für andere bekannte Halbleitermaterialien deutlich übertrifft. Aus diesem Grund kann es das klassische Silizium ersetzen, das traditionell bei der Herstellung integrierter Schaltkreise verwendet wird.

Die Möglichkeiten der praktischen Anwendung von Materialien auf Graphenbasis stehen in direktem Zusammenhang mit den Merkmalen ihrer Herstellung. Derzeit werden viele Methoden praktiziert, um einzelne Fragmente davon zu erhalten, die sich in Form, Qualität und Größe unterscheiden.

Unter allen bekannten Methoden stechen folgende Ansätze hervor:

1. Herstellung einer Vielzahl von Graphenoxiden in Form von Flocken, die bei der Herstellung elektrisch leitfähiger Farben sowie verschiedener Arten von Verbundmaterialien verwendet werden;
2. Gewinnung von flachem Graphen G, aus dem Komponenten elektronischer Geräte hergestellt werden;
3. Beim Wachsen wird die gleiche Art von Material verwendet wie inaktive Komponenten.

Die Haupteigenschaften dieser Verbindung und ihre Funktionalität werden durch die Qualität des Substrats sowie die Eigenschaften des Materials bestimmt, mit dem sie gewachsen ist. All dies hängt letztlich von der Art seiner Herstellung ab.

Abhängig von der Methode zur Gewinnung dieses einzigartigen Materials kann es für verschiedene Zwecke verwendet werden, nämlich:

1. Durch mechanisches Peeling gewonnenes Graphen ist hauptsächlich für Forschungszwecke bestimmt, was auf die geringe Mobilität freier Ladungsträger zurückzuführen ist;
2. Wenn Graphen durch eine chemische (thermische) Reaktion hergestellt wird, wird es am häufigsten zur Herstellung von Verbundmaterialien sowie für Schutzbeschichtungen, Tinten und Farbstoffe verwendet. Seine Beweglichkeit an freien Ladungsträgern ist etwas höher, was seinen Einsatz zur Herstellung von Kondensatoren und Folienisolatoren ermöglicht;
3. Wird zur Gewinnung dieser Verbindung das CVD-Verfahren eingesetzt, kann sie in der Nanoelektronik sowie zur Herstellung von Sensoren und transparenten flexiblen Folien eingesetzt werden;
4. Mit der „Siliziumwafer“-Methode gewonnenes Graphen wird zur Herstellung von Elementen elektronischer Geräte wie HF-Transistoren und ähnlichen Komponenten verwendet. Die Mobilität freier Ladungsträger in solchen Verbindungen ist maximal.

Die aufgeführten Eigenschaften von Graphen eröffnen den Herstellern weite Horizonte und ermöglichen es ihnen, ihre Bemühungen auf die Umsetzung in den folgenden vielversprechenden Bereichen zu konzentrieren:

• In alternativen Bereichen der modernen Elektronik im Zusammenhang mit dem Austausch von Siliziumkomponenten;
• In führenden Chemieindustrien;
• Bei der Entwicklung einzigartiger Produkte (z. B. Verbundmaterialien und Graphenmembranen);
• In der Elektrotechnik und Elektronik (als „idealer“ Leiter).

Darüber hinaus können auf Basis dieser Verbindung Kaltkathoden hergestellt werden, wiederaufladbare Batterien sowie spezielle leitfähige Elektroden und transparente Filmbeschichtungen. Die einzigartigen Eigenschaften dieses Nanomaterials bieten vielfältige Einsatzmöglichkeiten für vielversprechende Entwicklungen.

Vorteile und Nachteile

Vorteile graphenbasierter Produkte:

• Hohe elektrische Leitfähigkeit, vergleichbar mit der von gewöhnlichem Kupfer;
• Nahezu perfekte optische Reinheit, wodurch es nicht mehr als zwei Prozent des sichtbaren Lichtbereichs absorbiert. Daher erscheint es von außen für den Betrachter nahezu farblos und unsichtbar;
• Mechanische Festigkeit besser als Diamant;
• Flexibilität, bei der einschichtiges Graphen elastischem Gummi überlegen ist. Diese Qualität ermöglicht es Ihnen, die Form der Folien einfach zu ändern und sie bei Bedarf zu dehnen;
• Beständigkeit gegen äußere mechanische Einflüsse;
• Unvergleichliche Wärmeleitfähigkeit, die um ein Vielfaches höher ist als die von Kupfer.

Zu den Nachteilen dieser einzigartigen Kohlenstoffverbindung gehören:

1. Unfähigkeit, ausreichende Mengen für die industrielle Produktion zu beschaffen und die zur Gewährleistung einer hohen Qualität erforderlichen Mengen zu erreichen physikalische und chemische Eigenschaften. In der Praxis ist es möglich, nur kleine Blattfragmente von Graphen zu erhalten;
2. Industriell hergestellte Produkte sind in ihren Eigenschaften den in Forschungslaboren gewonnenen Proben meist unterlegen. Sie sind mit gewöhnlichen Industrietechnologien nicht zu erreichen;
3. Hohe Nebenkosten, die die Möglichkeiten seiner Herstellung und praktischen Anwendung erheblich einschränken.

Trotz all dieser Schwierigkeiten geben Forscher ihre Versuche, neue Technologien zur Herstellung von Graphen zu entwickeln, nicht auf.

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die Aussichten für dieses Material einfach fantastisch sind, da es auch zur Herstellung moderner ultradünner und flexibler Gadgets eingesetzt werden kann. Darüber hinaus ist es auf dieser Grundlage möglich, moderne medizinische Geräte und Medikamente zu entwickeln, die Krebs und andere häufige Tumorerkrankungen bekämpfen können.

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