تکنولوژی بالا در خانه. برنده جایزه جایزه نوبلکنستانتین نووسلوف گفت که چگونه می توانید گرافن را خودتان از مواد ضایعاتی بسازید. این یک حس واقعی در دنیای علم ایجاد کرده است و در آینده می توان از آن در همه زمینه ها - از پخت و پز گرفته تا پروازهای فضایی - استفاده کرد.

ساختن صحنه برای یک برنده جایزه نوبل، البته اختراع گرافن نیست. صفحه نمایش اسلایدهای عکس و فیلم تنها در چند دقیقه مونتاژ شد. قاب، بست ها و اینجاست، جادوی مینیمالیسم. تجهیزاتی برای گفتن بلندترین کشف علمیاخیراً کنستانتین نووسلوف آن را در یک کوله پشتی معمولی با خود آورده است.

یک لپ تاپ داخلش بود. برنده جایزه نوبل فیزیک به نور سفر عادت کرده است. اولین سوال از مخاطب - و بلافاصله پاسخی که تخیل را تحریک می کند. به نظر می رسد که تقریباً هر کسی می تواند مطالبی را بدست آورد که پیش بینی می شود آینده خوبی داشته باشد.

تنها چیزی که نیاز دارید این است که گرافیت خوب بخرید. در اصل، می توانید از مداد استفاده کنید، اما بهتر است گرافیت خوب بخرید. 100 دلار برای آن هزینه خواهید کرد. شما باید 20 دلار برای ویفرهای سیلیکونی، 1 دلار برای نوار خرج کنید. این دانشمند گفت: 121 دلار، من به شما قول می دهم که یاد خواهید گرفت چگونه گرافن شگفت انگیز بسازید.

تصادفی نیست که دنیای علم بلافاصله در مورد این کشف گفت: همه چیز مبتکرانه ساده است. مواد مبتنی بر گرافیت می توانند الکترونیک را متحول کنند. ما قبلاً به این واقعیت عادت کرده ایم که ابزارهای مدرن یک تلفن همراه، یک کامپیوتر و یک دوربین در یک دستگاه هستند. با گرافن، این دستگاه ها بسیار نازک تر، و همچنین شفاف و انعطاف پذیر خواهند شد. به لطف خواص منحصر به فرد ماده، رها کردن چنین وسیله ای خطرناک نیست.

او توضیح داد: "خواص الکترونیکی بسیار جالبی دارد. می توان از آن برای ترانزیستورها استفاده کرد. به ویژه، بسیاری از شرکت ها در تلاش هستند تا ترانزیستورهای پرسرعت را از این ماده بسازند تا از آنها برای مثال در ارتباطات سیار استفاده کنند." برنده جایزه نوبل.

به گفته کارشناسان، در آینده این ماده قادر خواهد بود به طور کامل جایگزین سیلیکون کهنه شده تدریجی در تمام دستگاه های الکترونیکی شود. تا اینجا این تکنیک معجزه به نظر می رسد. با این حال، اخیراً، همان شگفتی، به عنوان مثال، توسط تلویزیون های LCD یا اینترنت ایجاد شد. به هر حال، شبکه جهانی کامپیوتری با استفاده از گرافن ده ها برابر سریعتر خواهد شد. در زیست شناسی، همراه با مواد جدید، فناوری های مترقی برای رمزگشایی ساختار شیمیایی DNA ظاهر می شود. استفاده از گرافن فوق سبک و با استحکام بالا در هوانوردی و ساخت و ساز کاربرد پیدا می کند سفینه های فضایی.

نووسلوف تاکید کرد: "نازک ترین، قوی ترین، رساناترین ماده. غیر قابل نفوذ ترین، الاستیک ترین. به طور کلی، بهترین، گرافن خواهد بود."

جایزه نوبل فیزیک برای آزمایشات پیشرفته با گرافن در سال 2010 اهدا شد. این اولین بار است که یک ماده تبدیل به محصول می شود تحقیق علمی، به سرعت از آزمایشگاه های دانشگاهی به سمت تولید صنعتی حرکت می کند. در روسیه، علاقه به تحولات کنستانتین نووسلوف استثنایی است. سایت جشنواره بوک مارکت و پارک گورکی برای همه باز است. و هوای خنک و باران مانعی برای علم واقعی نیست.

الیاف گرافن زیر میکروسکوپ الکترونی روبشی گرافن خالص از اکسید گرافن (GO) به کاهش می یابد اجاق مایکروویو. مقیاس 40 میکرومتر (چپ) و 10 میکرومتر (راست). عکس: Jieun Yang، Damien Voiry، Jacob Kupferberg / Rutgers University

گرافن یک تغییر دوبعدی کربن است که توسط لایه ای به ضخامت یک اتم کربن تشکیل شده است. این ماده دارای استحکام بالا، هدایت حرارتی بالا و منحصر به فرد است خواص فیزیکی و شیمیایی. بالاترین تحرک الکترون را در بین مواد شناخته شده روی زمین نشان می دهد. این عمل گرافن را می سازد مواد ایده آلدر طیف گسترده ای از کاربردها، از جمله الکترونیک، کاتالیزور، باتری، مواد کامپوزیت و غیره. تنها کاری که باید انجام دهید این است که یاد بگیرید چگونه لایه های گرافن با کیفیت بالا در مقیاس صنعتی تولید کنید.

شیمیدانان دانشگاه راتگرز (ایالات متحده آمریکا) یک روش ساده و روش سریعتولید گرافن با کیفیت بالا با پردازش اکسید گرافن در یک اجاق مایکروویو معمولی. این روش به طرز شگفت آوری ابتدایی و موثر است.

اکسید گرافیت ترکیبی از کربن، هیدروژن و اکسیژن به نسبت‌های مختلف است که هنگام پردازش گرافیت با عوامل اکسید کننده قوی تشکیل می‌شود. برای خلاص شدن از اکسیژن باقیمانده در اکسید گرافیت و سپس به دست آوردن گرافن خالص در صفحات دو بعدی نیاز به تلاش قابل توجهی است.

اکسید گرافیت با مواد قلیایی قوی مخلوط می شود و مواد بیشتر کاهش می یابد. نتیجه ورقه های تک مولکولی با باقی مانده های اکسیژن است. این صفحات معمولاً اکسید گرافن (GO) نامیده می شوند. شیمیدانان روش های مختلفی را برای حذف اکسیژن اضافی از GO (،،،،،) امتحان کرده اند، اما GO (rGO) که با این روش ها کاهش می یابد، یک ماده بسیار نامنظم باقی می ماند که از خواص گرافن خالص واقعی به دست آمده توسط رسوب شیمیایی بخار (CVD) فاصله زیادی دارد.

حتی در شکل نامنظم خود، rGO این پتانسیل را دارد که برای حامل های انرژی (،،،،،، ) و کاتالیزورها (،،،،، ) مفید باشد، اما برای به دست آوردن حداکثر سود از خواص منحصر به فرد گرافن در الکترونیک، باید یاد گرفت که خالص و با کیفیت تولید کند. -گرافن با کیفیت از GO.

شیمیدانان دانشگاه راتگرز یک روش ساده و راه سریعکاهش GO به گرافن خالص با استفاده از پالس های مایکروویو 1-2 ثانیه. همانطور که در نمودارها مشاهده می شود، گرافن به دست آمده با "کاهش مایکروویو" (MW-rGO) از نظر خواص بسیار به خالص ترین گرافن به دست آمده با استفاده از CVD نزدیک تر است.

ویژگی‌های فیزیکی MW-rGO در مقایسه با اکسید گرافن بکر GO، اکسید گرافن کاهش‌یافته rGO، و رسوب شیمیایی بخار (CVD) گرافن. نشان داده شده است تکه های معمولی GO که روی یک بستر سیلیکونی (A) قرار گرفته اند. طیف سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس (B); طیف‌سنجی رامان و نسبت اندازه کریستال (La) به L 2D / L نسبت پیک G در طیف رامان برای MW-rGO، GO و CVD (CVD).

خواص الکترونیکی و الکتروکاتالیستی MW-rGO در مقایسه با rGO. تصاویر: دانشگاه راتگرز

فرآیند فن آوری برای به دست آوردن MW-rGO شامل چندین مرحله است.

1. اکسیداسیون گرافیت با استفاده از روش هامرز اصلاح شده و حل کردن آن به تک لایه تک لایه اکسید گرافن در آب.
2. آنیل کردن GO برای مستعدتر کردن مواد در برابر تابش مایکروویو.
3. پوسته های GO را در یک اجاق مایکروویو معمولی 1000 وات به مدت 1-2 ثانیه پرتوتاب کنید. در طی این روش، GO به سرعت تا دمای بالا گرم می شود، گروه های اکسیژن دفع می شود و ساختار عالی شبکه کربنی رخ می دهد.

عکاسی با میکروسکوپ الکترونی عبوری نشان می دهد که پس از درمان با فرستنده مایکروویو، ساختار بسیار منظمی تشکیل می شود که در آن گروه های عاملی اکسیژن تقریباً به طور کامل از بین می روند.

تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری ساختار ورقه های گرافن را با مقیاس 1 نانومتر نشان می دهد. در سمت چپ rGO تک لایه است که دارای عیوب بسیاری از جمله گروه های عملکردی اکسیژن (فلش آبی) و سوراخ هایی در لایه کربن (فلش قرمز) است. در مرکز و سمت راست کاملاً ساختار دو لایه و سه لایه MW-rGO وجود دارد. عکس: دانشگاه راتگرز

باشکوه خواص ساختاری MW-rGO، هنگامی که در ترانزیستورهای اثر میدانی استفاده می شود، می تواند حداکثر تحرک الکترون را به تقریباً 1500 سانتی متر بر ولت بر ثانیه افزایش دهد که با عملکرد فوق العاده ترانزیستورهای مدرن با تحرک الکترون بالا قابل مقایسه است.

علاوه بر الکترونیک، MW-rGO در تولید کاتالیزورها نیز مفید است: استثنایی نشان داد ارزش کوچکضریب تافل هنگامی که به عنوان کاتالیزور در واکنش تکامل اکسیژن استفاده می شود: تقریباً 38 میلی ولت در هر دهه. کاتالیزور MW-rGO همچنین در واکنش تکامل هیدروژن که بیش از 100 ساعت به طول انجامید، پایدار ماند.

همه اینها پتانسیل بسیار خوبی را برای استفاده از گرافن کاهش‌یافته در مایکروویو در صنعت نشان می‌دهد.

مقاله پژوهشی "گرافن با کیفیت بالا از طریق احیای مایکروویو اکسید گرافن لایه برداری شده با محلول"منتشر شده در 1 سپتامبر 2016 در مجله علوم پایه(doi: 10.1126/science.aah3398).

تا سال گذشته، تنها روشی که علم برای تولید گرافن شناخته شده بود، استفاده از یک لایه نازک گرافیت روی نوار چسب و سپس برداشتن پایه بود. این تکنیک "تکنیک نوار اسکاچ" نامیده می شود. با این حال، دانشمندان اخیراً کشف کرده اند که راه کارآمدتری برای به دست آوردن یک ماده جدید وجود دارد: آنها شروع به استفاده از لایه ای از مس، نیکل یا سیلیکون به عنوان پایه کردند که سپس با اچ کردن برداشته می شود (شکل 2). به این ترتیب ورقه های مستطیلی از گرافن به عرض ۷۶ سانتی متر توسط تیمی از دانشمندان کره، ژاپن و سنگاپور ایجاد شد. محققان نه تنها نوعی رکورد برای اندازه یک قطعه از یک ساختار تک لایه ساخته شده از اتم های کربن به ثبت رساندند، بلکه صفحه های حساسی را نیز بر اساس ورقه های انعطاف پذیر ایجاد کردند.

شکل 2: به دست آوردن گرافن با اچینگ

فیزیکدانان اولین بار در سال 2004، زمانی که اندازه آنها تنها 10 میکرومتر بود، "پره های" گرافن را به دست آوردند. یک سال پیش، تیم رادنی روف از دانشگاه تگزاس در آستین اعلام کردند که موفق شده‌اند «تکه‌هایی» به اندازه سانتی‌متر از گرافن بسازند.

روف و همکارانش اتم های کربن را با استفاده از رسوب بخار شیمیایی (CVD) روی فویل مسی رسوب دادند. محققان آزمایشگاه پروفسور بیون هی هونگ از دانشگاه سونگ یونکوان فراتر رفتند و صفحات را به اندازه یک صفحه نمایش کامل بزرگ کردند. فناوری جدید «رول به رول» (پردازش رول به رول) امکان تولید یک روبان بلند از گرافن را فراهم می کند (شکل 3).

شکل 3: تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا از لایه های گرافن انباشته شده.

فیزیکدانان یک لایه پلیمر چسبنده را روی صفحات گرافن قرار دادند، بسترهای مسی را حل کردند، سپس لایه پلیمری را جدا کردند - یک لایه گرافن به دست آمد. برای استحکام بیشتر ورق‌ها، دانشمندان از همین روش برای "رشد" سه لایه دیگر گرافن استفاده کردند. در نهایت، "ساندویچ" به دست آمده با اسید نیتریک برای بهبود رسانایی تیمار شد. ورقه جدیدی از گرافن روی یک بستر پلی استر قرار می گیرد و بین غلتک های گرم شده عبور می کند (شکل 4).

شکل 4: فناوری رول برای تولید گرافن

ساختار حاصل 90 درصد نور را از خود عبور می‌دهد و مقاومت الکتریکی کمتری نسبت به استاندارد، اما همچنان بسیار گران‌قیمت، هادی شفاف - اکسید قلع ایندیم (ITO) دارد. به هر حال، با استفاده از صفحات گرافن به عنوان پایه نمایشگرهای لمسی، محققان دریافتند که ساختار آنها نیز کمتر شکننده است.

درست است، با وجود تمام دستاوردها، این فناوری هنوز تا تجاری سازی بسیار فاصله دارد. فیلم های شفاف از نانولوله های کربنیآنها مدتی است که سعی کرده اند ITO را جایگزین کنند، اما سازندگان نمی توانند با مشکل "پیکسل های مرده" که در نقص های فیلم ظاهر می شوند کنار بیایند.

کاربرد گرافن در مهندسی برق و الکترونیک

روشنایی پیکسل ها در صفحه های صفحه تخت با ولتاژ بین دو الکترود، که یکی از آنها رو به بیننده است، تعیین می شود (شکل 5). این الکترودها باید شفاف باشند. در حال حاضر، اکسید ایندیم دوپ شده با قلع (ITO) برای تولید الکترودهای شفاف استفاده می شود، اما ITO گران است و پایدارترین ماده نیست. علاوه بر این، جهان به زودی از ایندیوم تمام خواهد شد. گرافن شفاف تر و پایدارتر از ITO است و نمایشگر LCD با الکترود گرافن قبلاً نشان داده شده است.

شکل 5: روشنایی صفحات گرافن به عنوان تابعی از ولتاژ اعمال شده

این ماده پتانسیل بالایی در سایر زمینه های الکترونیک دارد. در آوریل 2008، دانشمندان منچستر کوچکترین ترانزیستور گرافنی جهان را به نمایش گذاشتند. یک لایه کاملا منظم از گرافن، مقاومت ماده را کنترل می کند و آن را به دی الکتریک تبدیل می کند. ایجاد یک سوئیچ میکروسکوپی قدرت برای یک نانو ترانزیستور با سرعت بالا برای کنترل حرکت تک تک الکترون ها ممکن می شود. هرچه ترانزیستورها در ریزپردازنده ها کوچکتر باشند، سریعتر هستند و دانشمندان امیدوارند که ترانزیستورهای گرافن در رایانه های آینده به اندازه مولکولی شوند، با توجه به اینکه فناوری میکروترانزیستور سیلیکونی فعلی تقریباً به حد خود رسیده است.

گرافن نه تنها رسانای عالی الکتریسیته است. بالاترین رسانایی حرارتی را دارد: ارتعاشات اتمی به راحتی در سراسر شبکه کربنی ساختار سلولی منتشر می شود. اتلاف گرما در الکترونیک یک مسئله جدی است زیرا محدودیت هایی برای دماهای بالا وجود دارد که الکترونیک می تواند تحمل کند. با این حال، دانشمندان دانشگاه ایلینویز کشف کرده اند که ترانزیستورهایی که از گرافن استفاده می کنند، ویژگی جالبی دارند. آنها یک اثر ترموالکتریک را نشان می دهند که منجر به کاهش دمای دستگاه می شود. این می تواند به این معنی باشد که وسایل الکترونیکی مبتنی بر گرافن رادیاتورها و فن ها را به چیزی از گذشته تبدیل خواهند کرد. بنابراین، جذابیت گرافن به عنوان یک ماده امیدوارکننده برای ریزمدارهای آینده بیشتر افزایش می‌یابد (شکل 6).

شکل 6: یک کاوشگر میکروسکوپ نیروی اتمی که سطح تماس گرافن و فلز را برای اندازه گیری دما اسکن می کند.

دانشمندان برای اندازه گیری رسانایی گرمایی گرافن با مشکل مواجه شده اند. آنها با قرار دادن یک لایه گرافن به طول 3 میکرون بر روی همان سوراخ کوچک در کریستال دی اکسید سیلیکون، روش کاملا جدیدی برای اندازه گیری دمای آن ابداع کردند. سپس فیلم با پرتو لیزر گرم شد و باعث ارتعاش آن شد. این ارتعاشات به محاسبه دما و هدایت حرارتی کمک کرد.

نبوغ دانشمندان در استفاده از خواص خارق العاده یک ماده جدید حد و مرزی نمی شناسد. در آگوست 2007، حساس ترین حسگر ممکن بر اساس آن ساخته شد. این می تواند به یک مولکول گاز واکنش نشان دهد که به تشخیص سریع وجود سموم یا مواد منفجره کمک می کند. مولکول های خارجی به طور مسالمت آمیز به شبکه گرافن فرود می آیند و الکترون ها را از آن خارج می کنند یا آنها را اضافه می کنند. در نتیجه مقاومت الکتریکی لایه گرافن تغییر می کند که توسط دانشمندان اندازه گیری می شود. حتی کوچکترین مولکول ها نیز توسط شبکه گرافن بادوام به دام می افتند. در سپتامبر 2008، دانشمندان دانشگاه کرنل در ایالات متحده نشان دادند که چگونه یک غشای گرافن، مانند یک بالون نازک، به دلیل اختلاف فشار چند اتمسفر در هر دو طرف باد می‌شود. این ویژگی گرافن می تواند در تعیین وقوع واکنش های شیمیایی مختلف و به طور کلی در مطالعه رفتار اتم ها و مولکول ها مفید باشد.

تولید ورقه های بزرگ گرافن خالص هنوز بسیار دشوار است، اما اگر لایه ای از کربن با عناصر دیگر مخلوط شود، می توان کار را ساده کرد. در دانشگاه نورث وسترن در ایالات متحده، گرافیت اکسید شده و در آب حل شد. نتیجه یک ماده کاغذ مانند بود - کاغذ اکسید گرافن (شکل 7). خیلی سخته و درست کردنش خیلی راحته اکسید گرافن به عنوان یک غشای قوی در باتری ها و سلول های سوختی مفید است.

شکل 7: کاغذ اکسید گرافن

غشای گرافن یک بستر ایده آل برای اجسامی است که می توان در زیر میکروسکوپ الکترونی مطالعه کرد. سلول های بی عیب و نقص در تصاویر در یک پس زمینه خاکستری یکنواخت ادغام می شوند، که اتم های دیگر به وضوح خودنمایی می کنند. تا پیش از این، تشخیص سبک‌ترین اتم‌ها در میکروسکوپ الکترونی تقریباً غیرممکن بود، اما با گرافن به‌عنوان بستر، حتی اتم‌های کوچک هیدروژن را می‌توان دید.

امکانات استفاده از گرافن را می توان بی نهایت فهرست کرد. اخیراً فیزیکدانان دانشگاه نورث وسترن در ایالات متحده کشف کردند که گرافن را می توان با پلاستیک مخلوط کرد. نتیجه یک ماده نازک و فوق العاده قوی است که می تواند دمای بالا را تحمل کند و در برابر گازها و مایعات نفوذ ناپذیر است.

دامنه کاربرد آن تولید پمپ بنزین های سبک وزن، قطعات یدکی خودروها و هواپیماها و پره های توربین بادی بادوام است. شما می توانید محصولات غذایی را در پلاستیک بسته بندی کنید و آنها را برای مدت طولانی تازه نگه دارید.

گرافن نه تنها نازک ترین، بلکه قوی ترین ماده در جهان است. دانشمندان دانشگاه کلمبیا در نیویورک این موضوع را با قرار دادن گرافن روی سوراخ‌های کوچک کریستال سیلیکونی تأیید کردند. سپس با فشار دادن یک سوزن الماس بسیار نازک، سعی کردند لایه گرافن را از بین ببرند و نیروی فشار را اندازه گیری کردند (شکل 8). مشخص شد که گرافن 200 برابر قوی تر از فولاد است. اگر لایه گرافن را به ضخامت فیلم چسبناک تصور کنید، فشار نوک یک مداد را تحمل می کند که در انتهای مخالف آن یک فیل یا یک ماشین تعادل برقرار می کند.

شکل 8: فشار روی گرافن سوزن الماس

الیاف گرافن زیر میکروسکوپ الکترونی روبشی گرافن خالص از اکسید گرافن (GO) در اجاق مایکروویو احیا می شود. مقیاس 40 میکرومتر (چپ) و 10 میکرومتر (راست). عکس: Jieun Yang، Damien Voiry، Jacob Kupferberg / Rutgers University

گرافن یک تغییر دوبعدی کربن است که توسط لایه ای به ضخامت یک اتم کربن تشکیل شده است. این ماده دارای استحکام بالا، هدایت حرارتی بالا و خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد است. بالاترین تحرک الکترون را در بین مواد شناخته شده روی زمین نشان می دهد. این امر باعث می شود گرافن یک ماده تقریبا ایده آل برای کاربردهای مختلف از جمله الکترونیک، کاتالیزورها، باتری ها، مواد کامپوزیت و غیره باشد. تنها کاری که باید انجام دهید این است که یاد بگیرید چگونه لایه های گرافن با کیفیت بالا در مقیاس صنعتی تولید کنید.

شیمیدانان دانشگاه راتگرز (ایالات متحده آمریکا) روشی ساده و سریع برای تولید گرافن با کیفیت بالا با پردازش اکسید گرافن در یک اجاق مایکروویو معمولی یافته‌اند. این روش به طرز شگفت آوری ابتدایی و موثر است.

اکسید گرافیت ترکیبی از کربن، هیدروژن و اکسیژن به نسبت‌های مختلف است که هنگام پردازش گرافیت با عوامل اکسید کننده قوی تشکیل می‌شود. برای خلاص شدن از اکسیژن باقیمانده در اکسید گرافیت و سپس به دست آوردن گرافن خالص در صفحات دو بعدی نیاز به تلاش قابل توجهی است.

اکسید گرافیت با مواد قلیایی قوی مخلوط می شود و مواد بیشتر کاهش می یابد. نتیجه ورقه های تک مولکولی با باقی مانده های اکسیژن است. این صفحات معمولاً اکسید گرافن (GO) نامیده می شوند. شیمیدانان روش های مختلفی را برای حذف اکسیژن اضافی از GO (،،،،،) امتحان کرده اند، اما GO (rGO) که با این روش ها کاهش می یابد، یک ماده بسیار نامنظم باقی می ماند که از خواص گرافن خالص واقعی به دست آمده توسط رسوب شیمیایی بخار (CVD) فاصله زیادی دارد.

حتی در شکل نامنظم خود، rGO این پتانسیل را دارد که برای حامل های انرژی (،،،،،، ) و کاتالیزورها (،،،،، ) مفید باشد، اما برای به دست آوردن حداکثر سود از خواص منحصر به فرد گرافن در الکترونیک، باید یاد گرفت که خالص و با کیفیت تولید کند. -گرافن با کیفیت از GO.

شیمیدانان دانشگاه راتگرز روشی ساده و سریع برای کاهش GO به گرافن خالص با استفاده از پالس های 1 تا 2 ثانیه ای تابش مایکروویو پیشنهاد می کنند. همانطور که در نمودارها مشاهده می شود، گرافن به دست آمده با "کاهش مایکروویو" (MW-rGO) از نظر خواص بسیار به خالص ترین گرافن به دست آمده با استفاده از CVD نزدیک تر است.

ویژگی‌های فیزیکی MW-rGO در مقایسه با اکسید گرافن بکر GO، اکسید گرافن کاهش‌یافته rGO، و رسوب شیمیایی بخار (CVD) گرافن. نشان داده شده است تکه های معمولی GO که روی یک بستر سیلیکونی (A) قرار گرفته اند. طیف سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس (B); طیف‌سنجی رامان و نسبت اندازه کریستال (La) به L 2D / L نسبت پیک G در طیف رامان برای MW-rGO، GO و CVD (CVD).

خواص الکترونیکی و الکتروکاتالیستی MW-rGO در مقایسه با rGO. تصاویر: دانشگاه راتگرز

فرآیند فن آوری برای به دست آوردن MW-rGO شامل چندین مرحله است.

1. اکسیداسیون گرافیت با استفاده از روش هامرز اصلاح شده و حل کردن آن به تک لایه تک لایه اکسید گرافن در آب.
2. آنیل کردن GO برای مستعدتر کردن مواد در برابر تابش مایکروویو.
3. پوسته های GO را در یک اجاق مایکروویو معمولی 1000 وات به مدت 1-2 ثانیه پرتوتاب کنید. در طی این روش، GO به سرعت تا دمای بالا گرم می شود، گروه های اکسیژن دفع می شود و ساختار عالی شبکه کربنی رخ می دهد.

عکاسی با میکروسکوپ الکترونی عبوری نشان می دهد که پس از درمان با فرستنده مایکروویو، ساختار بسیار منظمی تشکیل می شود که در آن گروه های عاملی اکسیژن تقریباً به طور کامل از بین می روند.

تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری ساختار ورقه های گرافن را با مقیاس 1 نانومتر نشان می دهد. در سمت چپ rGO تک لایه است که دارای عیوب بسیاری از جمله گروه های عملکردی اکسیژن (فلش آبی) و سوراخ هایی در لایه کربن (فلش قرمز) است. در مرکز و سمت راست کاملاً ساختار دو لایه و سه لایه MW-rGO وجود دارد. عکس: دانشگاه راتگرز

ویژگی‌های ساختاری عالی MW-rGO هنگامی که در ترانزیستورهای اثر میدانی استفاده می‌شود، اجازه می‌دهد حداکثر تحرک الکترون به تقریباً 1500 سانتی‌متر بر ولت بر ثانیه افزایش یابد، که با عملکرد فوق‌العاده ترانزیستورهای مدرن با تحرک الکترون بالا قابل مقایسه است.

علاوه بر الکترونیک، MW-rGO در تولید کاتالیزورها نیز مفید است: ضریب تافل فوق‌العاده پایینی را هنگام استفاده به عنوان کاتالیزور در واکنش تکامل اکسیژن نشان داده است: تقریباً 38 میلی ولت در هر دهه. کاتالیزور MW-rGO همچنین در واکنش تکامل هیدروژن که بیش از 100 ساعت به طول انجامید، پایدار ماند.

همه اینها پتانسیل بسیار خوبی را برای استفاده از گرافن کاهش‌یافته در مایکروویو در صنعت نشان می‌دهد.

مقاله پژوهشی "گرافن با کیفیت بالا از طریق احیای مایکروویو اکسید گرافن لایه برداری شده با محلول"منتشر شده در 1 سپتامبر 2016 در مجله علوم پایه(doi: 10.1126/science.aah3398).

اخیراً رشته جدیدی در علم و فناوری پدیدار شده است که به آن فناوری نانو می گویند. چشم انداز این رشته فقط گسترده نیست. آنها بزرگ هستند. ذره ای به نام "نانو" مقداری برابر با یک میلیاردم مقدار است. چنین اندازه هایی را فقط می توان با اندازه اتم ها و مولکول ها مقایسه کرد. مثلاً یک نانومتر یک میلیاردم متر است.

جهت اصلی حوزه جدید علم

نانوتکنولوژی‌هایی هستند که ماده را در سطح مولکول‌ها و اتم‌ها دستکاری می‌کنند. با توجه به این این منطقهعلم را فناوری مولکولی نیز می نامند. انگیزه توسعه آن چه بود؟ فناوری نانو در دنیای مدرنبه لطف یک سخنرانی که در آن دانشمند ثابت کرد که هیچ مانعی برای ایجاد اشیا به طور مستقیم از اتم وجود ندارد ظاهر شد.

ابزاری برای دستکاری موثر کوچکترین ذرات اسمبلر نام داشت. این یک نانوماشین مولکولی است که با آن می توانید هر ساختاری بسازید. به عنوان مثال، یک مونتاژ کننده طبیعی را می توان ریبوزوم نامید که پروتئین را در موجودات زنده سنتز می کند.

نانوتکنولوژی در دنیای مدرن فقط یک حوزه دانش مجزا نیست. آنها حوزه وسیعی از تحقیقات را نشان می دهند که مستقیماً با بسیاری از علوم پایه مرتبط است. اینها شامل فیزیک، شیمی و زیست شناسی است. به گفته دانشمندان، این علوم هستند که قوی ترین انگیزه را برای توسعه در پس زمینه انقلاب نانوفناوری آینده دریافت خواهند کرد.

منطقه برنامه

به دلیل فهرست بسیار چشمگیر، فهرست کردن تمام حوزه های فعالیت انسانی که امروزه از فناوری نانو استفاده می شود، غیرممکن است. بنابراین با کمک این رشته علمی موارد زیر تولید می شود:

دستگاه های طراحی شده برای ضبط فوق متراکم هر گونه اطلاعات؛
- تجهیزات ویدئویی مختلف؛
- سنسورها، ترانزیستورهای نیمه هادی؛
- فناوری اطلاعات، محاسبات و اطلاعات؛
- چاپ نانو و نانو سنگی؛
- دستگاه های ذخیره انرژی و سلول های سوختی؛
- کاربردهای دفاعی، فضایی و هوانوردی؛
- ابزار زیستی

هر ساله بودجه بیشتری به حوزه علمی مانند فناوری نانو در روسیه، ایالات متحده آمریکا، ژاپن و تعدادی از کشورهای اروپایی اختصاص می یابد. این به دلیل چشم انداز گسترده برای توسعه این حوزه تحقیقاتی است.

فناوری نانو در روسیه مطابق با هدف در حال توسعه است برنامه فدرال، که نه تنها هزینه های مالی زیادی را شامل می شود، بلکه حجم زیادی از کارهای طراحی و تحقیقاتی را نیز در بر می گیرد. برای دستیابی به وظایف محوله، تلاش مجموعه های مختلف علمی و فناوری در سطح شرکت های ملی و فراملی تلفیق می شود.

مواد جدید

فناوری نانو به دانشمندان این امکان را داده است که یک صفحه کربنی سخت‌تر از الماس بسازند که تنها یک اتم ضخامت دارد. از گرافن تشکیل شده است. این نازک ترین و قوی ترین ماده در کل جهان است که الکتریسیته را بسیار بهتر از سیلیکون موجود در تراشه های کامپیوتری منتقل می کند.

کشف گرافن یک رویداد انقلابی واقعی در نظر گرفته می شود که تغییرات زیادی در زندگی ما ایجاد خواهد کرد. این ماده دارای چنان خواص فیزیکی منحصر به فردی است که درک فرد از ماهیت اشیا و مواد را به طور اساسی تغییر می دهد.

تاریخچه کشف

گرافن یک کریستال دو بعدی است. ساختار آن یک شبکه شش ضلعی است که از اتم های کربن تشکیل شده است. تحقیق نظریتحقیقات روی گرافن مدت ها قبل از تولید نمونه های واقعی آن آغاز شد، زیرا این ماده پایه ای برای ساخت یک کریستال گرافیت سه بعدی است.

در سال 1947، پی والاس به برخی از خواص گرافن اشاره کرد و ثابت کرد که ساختار آن شبیه فلزات است، و برخی از خصوصیات مشابه ذرات فوق نسبیتی، نوترینوها و فوتون های بدون جرم است. با این حال، ماده جدید دارای تفاوت‌های قابل توجهی است که ماهیت آن را منحصر به فرد می‌کند. اما تأیید این نتایج تنها در سال 2004 دریافت شد، زمانی که کنستانتین نووسلوف برای اولین بار کربن را در حالت آزاد به دست آورد. این ماده جدید که گرافن نام دارد، به یک کشف بزرگ توسط دانشمندان تبدیل شد. شما می توانید این عنصر را در یک مداد پیدا کنید. میله گرافیتی آن از لایه های زیادی از گرافن تشکیل شده است. چگونه یک مداد اثری بر روی کاغذ می گذارد؟ واقعیت این است که با وجود استحکام لایه های تشکیل دهنده میله، اتصالات بسیار ضعیفی بین آنها وجود دارد. آنها به راحتی در تماس با کاغذ متلاشی می شوند و در هنگام نوشتن اثری از خود به جای می گذارند.

استفاده از مواد جدید

به گفته دانشمندان، حسگرهای مبتنی بر گرافن قادر به تجزیه و تحلیل قدرت و وضعیت هواپیما و همچنین پیش بینی زلزله خواهند بود. اما تنها زمانی که ماده ای با چنین خواص شگفت انگیزی از دیوارهای آزمایشگاه ها خارج شود، مشخص می شود که توسعه به کدام سمت خواهد رفت. کاربرد عملیاز این ماده امروزه فیزیکدانان و همچنین مهندسان الکترونیک به قابلیت های منحصر به فرد گرافن علاقه مند شده اند. به هر حال، تنها چند گرم از این ماده می تواند مساحتی برابر با یک زمین فوتبال را پوشش دهد.

گرافن و کاربردهای آن به طور بالقوه در تولید ماهواره ها و هواپیماهای سبک وزن مورد توجه قرار گرفته است. در این زمینه، یک ماده جدید می تواند جایگزین نانومواد شود.این نانو ماده را می توان به جای سیلیکون در ترانزیستورها استفاده کرد و وارد شدن آن به پلاستیک باعث هدایت الکتریکی آن می شود.

گرافن و استفاده از آن در ساخت حسگرها نیز مورد توجه است. این دستگاه ها بر اساس جدیدترین متریال، قادر به تشخیص خطرناک ترین مولکول ها خواهد بود. اما استفاده از پودر نانومواد در تولید باتری های الکتریکی کارایی آنها را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد.

گرافن و کاربردهای آن در اپتوالکترونیک مورد توجه قرار می گیرد. این ماده جدید یک پلاستیک بسیار سبک و بادوام می‌سازد که ظروف آن مواد غذایی را برای چند هفته تازه نگه می‌دارد.

استفاده از گرافن همچنین برای ساخت یک پوشش رسانا شفاف مورد نیاز برای نمایشگرها پیشنهاد شده است. پنل های خورشیدیو موتورهای بادی قوی تر و از نظر مکانیکی مقاوم تر.

بهترین تجهیزات ورزشی، ایمپلنت های پزشکی و ابرخازن ها بر اساس نانومواد ساخته خواهد شد.

گرافن و استفاده از آن نیز مربوط به موارد زیر است:

فرکانس بالا دستگاه های الکترونیکی با قدرت بالا؛
- غشاهای مصنوعی که دو مایع را در یک مخزن جدا می کند.
- بهبود خواص رسانایی مواد مختلف؛
- ایجاد یک صفحه نمایش بر روی دیودهای ساطع کننده نور آلی؛
- تسلط بر فناوری جدید برای توالی یابی سریع DNA؛
- بهبود نمایشگرهای کریستال مایع؛
- ایجاد ترانزیستورهای بالستیک

استفاده از خودرو

به گفته محققان، شدت انرژی ویژه گرافن نزدیک به 65 کیلووات ساعت بر کیلوگرم است. این رقم 47 برابر بیشتر از باتری های لیتیوم یون رایج است. دانشمندان از این واقعیت برای ایجاد نسل جدیدی از شارژرها استفاده کردند.

باتری گرافن پلیمری وسیله ای است که انرژی الکتریکی را تا حد امکان بهینه ذخیره می کند. در حال حاضر، کار بر روی آن توسط محققان بسیاری از کشورها در حال انجام است. دانشمندان اسپانیایی در این زمینه به موفقیت های چشمگیری دست یافته اند. باتری گرافن پلیمری که آنها ایجاد کردند، ظرفیت انرژی صدها برابر بیشتر از باتری‌های موجود دارد. برای تجهیز خودروهای برقی استفاده می شود. خودرویی که در آن نصب شده می تواند هزاران کیلومتر را بدون توقف طی کند. هنگامی که منبع انرژی تمام شود، شارژ مجدد یک وسیله نقلیه الکتریکی بیش از 8 دقیقه طول نخواهد کشید.

صفحه نمایش های لمسی

دانشمندان به کاوش گرافن ادامه می دهند و چیزهای جدید و منحصر به فردی خلق می کنند. بنابراین، نانومواد کربنی کاربرد خود را در تولید نمایشگرهای لمسی قطری بزرگ پیدا کرده است. در آینده، یک دستگاه انعطاف پذیر از این نوع ممکن است ظاهر شود.

دانشمندان یک ورقه گرافن مستطیلی به دست آوردند و آن را به یک الکترود شفاف تبدیل کردند. این اوست که در عملکرد صفحه نمایش لمسی نقش دارد، در حالی که با دوام، افزایش شفافیت، انعطاف پذیری، سازگاری با محیط زیست و هزینه کم متمایز است.

به دست آوردن گرافن

از سال 2004، زمانی که جدیدترین نانومواد کشف شد، دانشمندان بر تعدادی از روش‌های تولید آن مسلط شدند. با این حال، اساسی ترین آنها روش های زیر است:

لایه برداری مکانیکی؛
- رشد اپیتاکسیال در خلاء؛
- خنک سازی پری فاز شیمیایی (فرایند CVD).

اولین روش از این سه روش ساده ترین است. تولید گرافن با لایه برداری مکانیکی شامل استفاده از گرافیت مخصوص روی سطح چسب نوار عایق است. پس از این، پایه، مانند یک ورق کاغذ، شروع به خم شدن و خم شدن می کند و مواد مورد نظر را جدا می کند. هنگام استفاده از این روش، گرافن به دست می آید کیفیت بالا. با این حال، چنین اقداماتی برای تولید انبوه این نانو ماده مناسب نیست.

هنگام استفاده از روش رشد اپیتاکسیال از ویفرهای نازک سیلیکونی استفاده می شود که لایه سطحی آن کاربید سیلیکون است. در مرحله بعد، این ماده در دمای بسیار بالا (تا 1000 کلوین) گرم می شود. در نتیجه یک واکنش شیمیایی، اتم های سیلیکون از اتم های کربن جدا می شوند که اولین اتم تبخیر می شود. در نتیجه گرافن خالص روی صفحه باقی می ماند. نقطه ضعف این روش نیاز به استفاده از دماهای بسیار بالا است که در آن احتراق اتم های کربن رخ می دهد.

قابل اطمینان ترین و به روشی سادهفرآیند CVD مورد استفاده برای تولید انبوه گرافن. روشی است که در آن واکنش شیمیاییبین پوشش کاتالیزور فلزی و گازهای هیدروکربنی.

گرافن در کجا تولید می شود؟

امروزه بزرگترین شرکت تولید کننده نانومواد جدید در چین واقع شده است. نام این سازنده Ningbo Morsh Technology است. او تولید گرافن را در سال 2012 آغاز کرد.

مصرف کننده اصلی این نانومواد فناوری چونگ کینگ مورش است. از گرافن برای تولید فیلم‌های شفاف رسانا استفاده می‌کند که در نمایشگرهای لمسی قرار می‌گیرند.

اخیراً، شرکت مشهور نوکیا حق اختراع یک ماتریس حساس به نور را ثبت کرده است. این عنصر که برای دستگاه های نوری ضروری است، حاوی چندین لایه گرافن است. این ماده که در سنسورهای دوربین استفاده می شود، حساسیت نوری آنها را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد (تا 1000 برابر). در عین حال مصرف برق نیز کاهش می یابد. یک دوربین خوب گوشی هوشمند حاوی گرافن نیز خواهد بود.

رسید در منزل

آیا می توان گرافن را در خانه ساخت؟ معلوم می شود بله! فقط باید یک مخلوط کن آشپزخانه با قدرت حداقل 400 وات بردارید و از روشی که فیزیکدانان ایرلندی توسعه داده اند پیروی کنید.

چگونه در خانه گرافن درست کنیم؟ برای انجام این کار، 500 میلی لیتر آب در کاسه مخلوط کن بریزید و 10-25 میلی لیتر از مواد شوینده و 20-50 گرم سرب خرد شده را به مایع اضافه کنید. در مرحله بعد، دستگاه باید به مدت 10 دقیقه تا نیم ساعت کار کند تا زمانی که یک سوسپانسیون از تکه های گرافن ظاهر شود. ماده به دست آمده دارای رسانایی بالایی است که به آن امکان می دهد در الکترودهای فتوسل استفاده شود. همچنین، گرافن تولید شده در خانه می تواند خواص پلاستیک را بهبود بخشد.

اکسیدهای نانومواد

دانشمندان به طور فعال در حال مطالعه ساختار گرافن هستند که گروه‌های عاملی و/یا مولکول‌های حاوی اکسیژن را در داخل یا در امتداد لبه‌های شبکه کربنی متصل کرده است. این اکسید سخت ترین نانو ماده است و اولین ماده دو بعدی است که به مرحله تولید تجاری می رسد. دانشمندان نمونه هایی به اندازه سانتی متر از ذرات نانو و میکرو این ساختار ساختند.

بنابراین، اکسید گرافن در ترکیب با کربن دیوفیلیزه به تازگی توسط دانشمندان چینی به دست آمده است. این یک ماده بسیار سبک است که یک مکعب سانتی متر از آن روی گلبرگ های یک گل کوچک نگه داشته می شود. اما در عین حال، این ماده جدید که حاوی اکسید گرافن است، یکی از سخت ترین مواد در جهان است.

کاربرد زیست پزشکی

اکسید گرافن دارای خاصیت گزینش پذیری منحصر به فردی است. این به این ماده اجازه می دهد تا کاربرد زیست پزشکی پیدا کند. بنابراین، به لطف کار دانشمندان، استفاده از اکسید گرافن برای تشخیص سرطان ممکن شده است. نوری منحصر به فرد و خواص الکتریکیمواد نانو

اکسید گرافن همچنین امکان تحویل هدفمند داروها و تشخیص را فراهم می کند. مستقر از این موادحسگرهای زیستی جذب ایجاد می شوند که به مولکول های DNA اشاره می کنند.

کاربرد صنعتی

جاذب های مختلفی بر پایه اکسید گرافن می توانند برای ضد عفونی کردن اشیاء مصنوعی و طبیعی آلوده استفاده شوند. علاوه بر این، این نانو ماده قابلیت پردازش زیرزمینی و آب سطحیو همچنین خاک ها، آنها را از رادیونوکلئیدها پاک کرده اند.

فیلترهای اکسید گرافن می توانند اتاق های فوق العاده تمیزی را فراهم کنند که در آن قطعات الکترونیکی تولید می شوند هدف خاص. خواص بی نظیراین ماده به شخص اجازه می دهد تا به فناوری های ظریف حوزه شیمیایی نفوذ کند. به طور خاص، این می تواند استخراج فلزات رادیواکتیو، کمیاب و کمیاب باشد. بنابراین، استفاده از اکسید گرافن استخراج طلا از سنگ معدنی با عیار پایین را ممکن می سازد.