Visoka tehnologija kod kuće. Laureat Nobelova nagrada Konstantin Novoselov je rekao kako možete sami napraviti grafen od otpadnog materijala. Napravio je pravu senzaciju u svijetu znanosti, a u budućnosti se može koristiti u svim područjima – od kuhanja do svemirskih letova.
Izgradnja pozornice za nobelovca, naravno, nije izmišljanje grafena. Ekran za prikazivanje foto i video slajdova sastavljen je u samo nekoliko minuta. Okvir, pričvršćivanje i evo ga, čarolija minimalizma. Oprema za najglasnije govorenje znanstveno otkriće Nedavno ga je Konstantin Novoselov donio sa sobom u običnom ruksaku.
Unutra je bio laptop. Dobitnik Nobelove nagrade za fiziku navikao je putovati svjetlom. Prvo pitanje iz publike – i odmah odgovor koji raspiruje maštu. Ispada da gotovo svatko može dobiti materijal za koji se predviđa da će imati sjajnu budućnost.
"Sve što trebate je kupiti dobar grafit. U principu, možete koristiti olovke, ali bolje je kupiti dobar grafit. Na to ćete potrošiti 100 dolara. Morat ćete potrošiti 20 dolara na silikonske pločice, 1 dolar na traku. To je 121 dolar, obećavam vam da ćete naučiti kako napraviti nevjerojatan grafen”, rekao je znanstvenik.
Nije slučajno što je svijet znanosti o ovom otkriću odmah rekao: sve genijalno je jednostavno. Materijal na bazi grafita mogao bi revolucionirati elektroniku. Već smo navikli na činjenicu da su moderni gadgeti mobilni telefon, računalo i kamera u jednom uređaju. S grafenom će ovi uređaji postati puno tanji, a također prozirni i fleksibilni. Zahvaljujući jedinstvenim svojstvima materije, takav uređaj nije opasno ispustiti.
"Ima vrlo zanimljiva elektronička svojstva. Može se koristiti za tranzistore. A posebno, mnoge tvrtke pokušavaju napraviti tranzistore velike brzine od ovog materijala za korištenje, na primjer, u mobilnim komunikacijama", objasnio je. nobelovac.
U budućnosti će, prema mišljenju stručnjaka, ovaj materijal moći u potpunosti zamijeniti silicij koji postupno stari u svim elektroničkim uređajima. Za sada se ova tehnika čini kao čudo. Međutim, nedavno su isto iznenađenje izazvali, primjerice, LCD televizori ili internet. Usput, svjetska računalna mreža koja koristi grafen postat će desetke puta brža. U biologiji će se uz novi materijal pojaviti progresivne tehnologije za dešifriranje kemijske strukture DNK. Korištenje ultra-lakog grafena visoke čvrstoće naći će primjenu u zrakoplovstvu i građevinarstvu svemirski brodovi.
"Materijal koji je najtanji, najjači, najvodljiviji. Najneprobojniji, najelastičniji. Općenito, najbolji, to će biti grafen", naglasio je Novoselov.
Nobelova nagrada za fiziku dodijeljena je za napredne eksperimente s grafenom 2010. godine. Ovo je prvi put da je materijal pretvoren u proizvod znanstveno istraživanje, pa se brzo seli iz akademskih laboratorija u industrijsku proizvodnju. U Rusiji je interes za razvoj Konstantina Novoselova izniman. Mjesto festivala Bookmarket i parka Gorky otvoreno je svima. A hladno vrijeme i kiša nisu smetnja pravoj znanosti.
Grafenska vlakna pod skenirajućim elektronskim mikroskopom. Čisti grafen se reducira iz grafen oksida (GO) u mikrovalna pećnica. Mjerilo 40 µm (lijevo) i 10 µm (desno). Fotografija: Jieun Yang, Damien Voiry, Jacob Kupferberg / Sveučilište Rutgers
Grafen je 2D modifikacija ugljika koju čini sloj debljine jednog ugljikovog atoma. Materijal ima visoku čvrstoću, visoku toplinsku vodljivost i jedinstven fizička i kemijska svojstva. Pokazuje najveću pokretljivost elektrona od bilo kojeg poznatog materijala na Zemlji. Ovo čini grafen praktički idealan materijal u raznim primjenama, uključujući elektroniku, katalizatore, baterije, kompozitne materijale itd. Sve što je preostalo učiniti jest naučiti kako proizvesti visokokvalitetne slojeve grafena u industrijskim razmjerima.
Kemičari sa Sveučilišta Rutgers (SAD) pronašli su jednostavan i brza metoda proizvodnju visokokvalitetnog grafena preradom grafen oksida u konvencionalnoj mikrovalnoj pećnici. Metoda je iznenađujuće primitivna i učinkovita.
Grafitni oksid je spoj ugljika, vodika i kisika u različitim omjerima, koji nastaje kada se grafit tretira jakim oksidacijskim sredstvima. Riješiti se preostalog kisika u grafitnom oksidu i zatim dobiti čisti grafen u dvodimenzionalnim listovima zahtijeva znatan napor.
Grafit oksid se miješa s jakim alkalijama i materijal se dalje reducira. Rezultat su monomolekularne ploče s ostacima kisika. Ove ploče se obično nazivaju grafen oksid (GO). Kemičari su pokušali na različite načine ukloniti višak kisika iz GO ( , , , ), ali GO (rGO) reduciran ovim metodama ostaje visoko neuređeni materijal koji je daleko od svojstava pravog čistog grafena dobivenog kemijskim taloženjem iz pare (CVD).
Čak i u svom neuređenom obliku, rGO ima potencijal biti koristan za prijenosnike energije ( , , , , ) i katalizatore ( , , , ), ali da bi se izvukla maksimalna korist iz jedinstvenih svojstava grafena u elektronici, mora se naučiti proizvoditi čist, visok -kvalitetni grafen iz GO.
Kemičari sa Sveučilišta Rutgers predlažu jednostavan i brz način reducirajući GO u čisti grafen pomoću mikrovalnih impulsa od 1-2 sekunde. Kao što se može vidjeti na grafovima, grafen dobiven “mikrovalnom redukcijom” (MW-rGO) po svojim je svojstvima mnogo bliži najčišćem grafenu dobivenom pomoću CVD-a.
Fizičke karakteristike MW-rGO u usporedbi s izvornim grafen oksidom GO, reduciranim grafen oksidom rGO i grafenom kemijskim taloženjem iz pare (CVD). Prikazane su tipične GO ljuskice položene na silikonsku podlogu (A); X-zraka fotoelektronska spektroskopija (B); Ramanova spektroskopija i omjer veličine kristala (La) prema l 2D /l G omjeru vrhova u Ramanovom spektru za MW-rGO, GO i CVD (CVD).
Elektronička i elektrokatalitička svojstva MW-rGO u usporedbi s rGO. Ilustracije: Sveučilište Rutgers
Tehnološki proces dobivanja MW-rGO sastoji se od nekoliko faza.
- Oksidacija grafita modificiranom Hummersovom metodom i njegovo otapanje u jednoslojne pahuljice grafen oksida u vodi.
- Žarenje GO kako bi materijal bio osjetljiviji na mikrovalno zračenje.
- Ozračite GO pahuljice u konvencionalnoj mikrovalnoj pećnici od 1000 W 1-2 sekunde. Tijekom ovog postupka GO se brzo zagrijava do visoke temperature, dolazi do desorpcije kisikovih skupina i izvrsnog strukturiranja ugljikove rešetke.
Slike transmisijskog elektronskog mikroskopa prikazuju strukturu grafenskih ploča u mjerilu od 1 nm. S lijeve strane je jednoslojni rGO, koji ima mnogo nedostataka, uključujući funkcionalne skupine kisika (plava strelica) i rupe u sloju ugljika (crvena strelica). U sredini i desno su savršeno strukturirani dvoslojni i troslojni MW-rGO. Fotografija: Sveučilište Rutgers
Veličanstveno strukturna svojstva MW-rGO, kada se koristi u tranzistorima s efektom polja, može povećati maksimalnu pokretljivost elektrona na približno 1500 cm 2 /V s, što je usporedivo s izvanrednim performansama modernih tranzistora visoke pokretljivosti elektrona.
Osim u elektronici, MW-rGO je koristan u proizvodnji katalizatora: pokazao je iznimne mala vrijednost Tafelov koeficijent kada se koristi kao katalizator u reakciji oslobađanja kisika: približno 38 mV po desetljeću. MW-rGO katalizator također je ostao stabilan u reakciji razvijanja vodika, koja je trajala više od 100 sati.
Sve ovo ukazuje na izvrstan potencijal za korištenje mikrovalno reduciranog grafena u industriji.
istraživački članak "Visokokvalitetni grafen putem mikrovalne redukcije grafen oksida oljuštenog otopinom" objavljen 1. rujna 2016. u časopisu Znanost(doi: 10.1126/science.aah3398).
Do prošle godine jedina metoda proizvodnje grafena poznata znanosti bila je nanošenje tankog sloja grafita na ljepljivu traku i potom uklanjanje baze. Ova tehnika se naziva "tehnika selotejpa". Međutim, znanstvenici su nedavno otkrili da postoji učinkovitiji način za dobivanje novog materijala: počeli su koristiti sloj bakra, nikla ili silicija kao bazu, koji se zatim uklanja jetkanjem (slika 2). Na taj su način napravljeni pravokutni listovi grafena širine 76 centimetara od strane tima znanstvenika iz Koreje, Japana i Singapura. Ne samo da su istraživači postavili svojevrsni rekord u veličini komada jednoslojne strukture sačinjene od atoma ugljika, već su također stvorili osjetljive zaslone temeljene na savitljivim listovima.
Slika 2: Dobivanje grafena jetkanjem
Fizičari su prvi put dobili grafenske "pahuljice" tek 2004. godine, kada je njihova veličina bila samo 10 mikrometara. Prije godinu dana, tim Rodneyja Ruoffa sa Sveučilišta Texas u Austinu objavio je da su uspjeli stvoriti "ostatke" grafena veličine centimetra.
Ruoff i njegovi kolege taložili su atome ugljika na bakrenu foliju koristeći kemijsko taloženje iz pare (CVD). Istraživači u laboratoriju profesorice Byun Hee Hong sa Sveučilišta Sunghyunkwan otišli su dalje i povećali listove na veličinu cijelog ekrana. Nova “roll-to-roll” tehnologija (roll-to-roll obrada) omogućuje proizvodnju duge vrpce od grafena (slika 3).
Slika 3: Transmisijska elektronska mikroskopska slika naslaganih slojeva grafena visoke rezolucije.
Fizičari su stavili sloj ljepljivog polimera na grafenske ploče, otopili bakrene podloge, zatim odvojili polimerni film - dobiven je jedan sloj grafena. Kako bi pločama dali veću čvrstoću, znanstvenici su istom metodom "uzgojili" još tri sloja grafena. Konačno, dobiveni "sendvič" tretiran je dušičnom kiselinom kako bi se poboljšala vodljivost. Nova ploča grafena postavlja se na poliestersku podlogu i provlači između zagrijanih valjaka (slika 4).
Slika 4: Roll tehnologija za proizvodnju grafena
Rezultirajuća struktura je propuštala 90% svjetlosti i imala je električni otpor manji od standardnog, ali još uvijek vrlo skupog, prozirnog vodiča - indij kositar oksida (ITO). Usput, korištenjem ploča grafena kao temelja zaslona osjetljivih na dodir, istraživači su otkrili da je njihova struktura također manje krhka.
Istina, unatoč svim dostignućima, tehnologija je još uvijek vrlo daleko od komercijalizacije. Prozirne folije iz ugljikove nanocijevi Već neko vrijeme pokušavaju istisnuti ITO, ali proizvođači se ne mogu nositi s problemom "mrtvih piksela" koji se pojavljuju na oštećenim filmovima.
Primjena grafena u elektrotehnici i elektronici
Svjetlina piksela u ravnim zaslonima određena je naponom između dviju elektroda, od kojih je jedna okrenuta prema gledatelju (slika 5). Ove elektrode moraju biti prozirne. Trenutačno se za proizvodnju prozirnih elektroda koristi indij oksid dopiran kositrom (ITO), ali ITO je skupa i nije najstabilnija tvar. Osim toga, svijet će uskoro ostati bez indija. Grafen je transparentniji i stabilniji od ITO-a, a LCD zaslon s grafenskom elektrodom već je demonstriran.
Slika 5: Svjetlina grafenskih zaslona kao funkcija primijenjenog napona
Materijal ima veliki potencijal u drugim područjima elektronike. U travnju 2008. znanstvenici iz Manchestera demonstrirali su najmanji grafenski tranzistor na svijetu. Savršeno pravilan sloj grafena kontrolira otpor materijala, pretvarajući ga u dielektrik. Postaje moguće stvoriti mikroskopski prekidač napajanja za nano-tranzistor velike brzine za kontrolu kretanja pojedinačnih elektrona. Što su tranzistori u mikroprocesorima manji, to su brži, a znanstvenici se nadaju da će grafenski tranzistori u budućim računalima postati veličine molekule, s obzirom na to da je trenutna tehnologija mikrotranzistora od silicija skoro dosegla svoj limit.
Grafen nije samo izvrstan vodič električne energije. Ima najveću toplinsku vodljivost: atomske vibracije lako se šire ugljičnom mrežom stanične strukture. Rasipanje topline u elektronici je ozbiljan problem jer postoje ograničenja za visoke temperature koje elektronika može izdržati. Međutim, znanstvenici sa Sveučilišta Illinois otkrili su da tranzistori koji koriste grafen imaju zanimljivo svojstvo. Oni pokazuju termoelektrični učinak, što dovodi do smanjenja temperature uređaja. To bi moglo značiti da će elektronika temeljena na grafenu učiniti radijatore i ventilatore prošlošću. Time se dodatno povećava privlačnost grafena kao obećavajućeg materijala za buduće mikrosklopove (slika 6).
Slika 6: Sonda mikroskopa atomske sile skenira površinu kontakta grafen-metal za mjerenje temperature.
Znanstvenici su imali poteškoća u mjerenju toplinske vodljivosti grafena. Izumili su potpuno novi način mjerenja njegove temperature postavljanjem 3 mikrona dugog filma grafena preko iste sićušne rupe u kristalu silicijevog dioksida. Film je zatim zagrijan laserskom zrakom, uzrokujući da vibrira. Te su vibracije pomogle izračunati temperaturu i toplinsku vodljivost.
Genijalnost znanstvenika ne poznaje granice kada je riječ o korištenju fenomenalnih svojstava nove tvari. U kolovozu 2007. stvoren je najosjetljiviji od svih mogućih senzora koji se temelje na njemu. Sposoban je reagirati na jednu molekulu plina, što će pomoći u brzom otkrivanju prisutnosti toksina ili eksploziva. Strane molekule mirno se spuštaju u mrežu grafena, izbacujući iz nje elektrone ili ih dodajući. Zbog toga se mijenja električni otpor sloja grafena, što mjere znanstvenici. Čak su i najmanje molekule zarobljene u izdržljivu grafensku mrežu. U rujnu 2008. znanstvenici sa Sveučilišta Cornell u SAD-u demonstrirali su kako se grafenska membrana, poput tankog balona, napuhuje zbog razlike u tlaku od nekoliko atmosfera s obje strane. Ova značajka grafena može biti korisna u određivanju pojave raznih kemijskih reakcija i, općenito, u proučavanju ponašanja atoma i molekula.
Proizvodnja velikih listova čistog grafena još uvijek je vrlo teška, ali zadatak se može pojednostaviti ako se sloj ugljika pomiješa s drugim elementima. Na Sveučilištu Northwestern u SAD-u grafit je oksidiran i otopljen u vodi. Rezultat je bio materijal sličan papiru - papir od grafen oksida (slika 7). Vrlo je žilav i prilično jednostavan za napraviti. Grafen oksid je koristan kao jaka membrana u baterijama i gorivim ćelijama.
Slika 7: Papir od grafen oksida
Grafenska membrana idealan je supstrat za objekte koji se proučavaju pod elektronskim mikroskopom. Besprijekorne stanice stapaju se na slikama u jednoličnu sivu pozadinu, na kojoj se drugi atomi jasno ističu. Do sada je bilo gotovo nemoguće razlučiti najlakše atome u elektronskom mikroskopu, ali s grafenom kao supstratom mogu se vidjeti i mali atomi vodika.
Mogućnosti korištenja grafena mogu se nabrajati beskonačno. Nedavno su fizičari sa Sveučilišta Northwestern u SAD-u otkrili da se grafen može miješati s plastikom. Rezultat je tanak, super jak materijal koji može izdržati visoke temperature i otporan je na plinove i tekućine.
Područje njegove primjene je proizvodnja lakih benzinskih postaja, rezervnih dijelova za automobile i zrakoplove te izdržljivih lopatica vjetroturbina. Prehrambene proizvode možete pakirati u plastiku i tako dugo ostati svježi.
Grafen je ne samo najtanji, već i najčvršći materijal na svijetu. Znanstvenici sa Sveučilišta Columbia u New Yorku to su potvrdili stavljanjem grafena preko sićušnih rupa u kristalu silicija. Zatim su pritiskom vrlo tanke dijamantne igle pokušali uništiti sloj grafena i izmjerili silu pritiska (slika 8). Ispostavilo se da je grafen 200 puta jači od čelika. Zamislite li sloj grafena debljine poput prozirne folije, izdržao bi pritisak vrha olovke na čijem suprotnom kraju bi balansirao slon ili automobil.
Slika 8: Pritisak na grafen dijamantne igle
Grafenska vlakna pod skenirajućim elektronskim mikroskopom. Čisti grafen se reducira iz grafen oksida (GO) u mikrovalnoj pećnici. Mjerilo 40 µm (lijevo) i 10 µm (desno). Fotografija: Jieun Yang, Damien Voiry, Jacob Kupferberg / Sveučilište Rutgers
Grafen je 2D modifikacija ugljika koju čini sloj debljine jednog ugljikovog atoma. Materijal ima visoku čvrstoću, visoku toplinsku vodljivost i jedinstvena fizikalna i kemijska svojstva. Pokazuje najveću pokretljivost elektrona od bilo kojeg poznatog materijala na Zemlji. To čini grafen gotovo idealnim materijalom za široku paletu primjena, uključujući elektroniku, katalizatore, baterije, kompozitne materijale itd. Sve što je preostalo učiniti jest naučiti kako proizvesti visokokvalitetne slojeve grafena u industrijskim razmjerima.
Kemičari sa Sveučilišta Rutgers (SAD) pronašli su jednostavnu i brzu metodu za proizvodnju visokokvalitetnog grafena tretiranjem grafen oksida u konvencionalnoj mikrovalnoj pećnici. Metoda je iznenađujuće primitivna i učinkovita.
Grafitni oksid je spoj ugljika, vodika i kisika u različitim omjerima, koji nastaje kada se grafit tretira jakim oksidacijskim sredstvima. Riješiti se preostalog kisika u grafitnom oksidu i zatim dobiti čisti grafen u dvodimenzionalnim listovima zahtijeva znatan napor.
Grafit oksid se miješa s jakim alkalijama i materijal se dalje reducira. Rezultat su monomolekularne ploče s ostacima kisika. Ove ploče se obično nazivaju grafen oksid (GO). Kemičari su pokušali na različite načine ukloniti višak kisika iz GO ( , , , ), ali GO (rGO) reduciran ovim metodama ostaje visoko neuređeni materijal koji je daleko od svojstava pravog čistog grafena dobivenog kemijskim taloženjem iz pare (CVD).
Čak i u svom neuređenom obliku, rGO ima potencijal biti koristan za prijenosnike energije ( , , , , ) i katalizatore ( , , , ), ali da bi se izvukla maksimalna korist iz jedinstvenih svojstava grafena u elektronici, mora se naučiti proizvoditi čist, visok -kvalitetni grafen iz GO.
Kemičari sa Sveučilišta Rutgers predlažu jednostavan i brz način redukcije GO u čisti grafen pomoću 1-2 sekundi impulsa mikrovalnog zračenja. Kao što se može vidjeti na grafovima, grafen dobiven “mikrovalnom redukcijom” (MW-rGO) po svojim je svojstvima mnogo bliži najčišćem grafenu dobivenom pomoću CVD-a.
Fizičke karakteristike MW-rGO u usporedbi s izvornim grafen oksidom GO, reduciranim grafen oksidom rGO i grafenom kemijskim taloženjem iz pare (CVD). Prikazane su tipične GO ljuskice položene na silikonsku podlogu (A); X-zraka fotoelektronska spektroskopija (B); Ramanova spektroskopija i omjer veličine kristala (La) prema l 2D /l G omjeru vrhova u Ramanovom spektru za MW-rGO, GO i CVD (CVD).
Elektronička i elektrokatalitička svojstva MW-rGO u usporedbi s rGO. Ilustracije: Sveučilište Rutgers
Tehnološki proces dobivanja MW-rGO sastoji se od nekoliko faza.
- Oksidacija grafita modificiranom Hummersovom metodom i njegovo otapanje u jednoslojne pahuljice grafen oksida u vodi.
- Žarenje GO kako bi materijal bio osjetljiviji na mikrovalno zračenje.
- Ozračite GO pahuljice u konvencionalnoj mikrovalnoj pećnici od 1000 W 1-2 sekunde. Tijekom ovog postupka GO se brzo zagrijava do visoke temperature, dolazi do desorpcije kisikovih skupina i izvrsnog strukturiranja ugljikove rešetke.
Slike transmisijskog elektronskog mikroskopa prikazuju strukturu grafenskih ploča u mjerilu od 1 nm. S lijeve strane je jednoslojni rGO, koji ima mnogo nedostataka, uključujući funkcionalne skupine kisika (plava strelica) i rupe u sloju ugljika (crvena strelica). U sredini i desno su savršeno strukturirani dvoslojni i troslojni MW-rGO. Fotografija: Sveučilište Rutgers
Izvrsna strukturna svojstva MW-rGO kada se koristi u tranzistorima s efektom polja omogućuju povećanje maksimalne pokretljivosti elektrona na približno 1500 cm 2 /V s, što je usporedivo s izvanrednim performansama modernih tranzistora visoke pokretljivosti elektrona.
Osim u elektronici, MW-rGO je koristan u proizvodnji katalizatora: pokazao je iznimno nizak Tafelov koeficijent kada se koristi kao katalizator u reakciji oslobađanja kisika: približno 38 mV po desetljeću. MW-rGO katalizator također je ostao stabilan u reakciji razvijanja vodika, koja je trajala više od 100 sati.
Sve ovo ukazuje na izvrstan potencijal za korištenje mikrovalno reduciranog grafena u industriji.
istraživački članak "Visokokvalitetni grafen putem mikrovalne redukcije grafen oksida oljuštenog otopinom" objavljen 1. rujna 2016. u časopisu Znanost(doi: 10.1126/science.aah3398).
Relativno nedavno u znanosti i tehnologiji pojavilo se novo područje koje se zove nanotehnologija. Izgledi za ovu disciplinu nisu samo golemi. Ogromne su. Čestica koja se naziva "nano" je količina jednaka jednom milijarditom dijelu vrijednosti. Takve se veličine mogu usporediti samo s veličinama atoma i molekula. Na primjer, nanometar je milijardni dio metra.
Glavni smjer novog područja znanosti
Nanotehnologije su one koje manipuliraju materijom na razini molekula i atoma. Zbog ovoga ovo područje znanost se naziva i molekularna tehnologija. Što je bio poticaj za njegov razvoj? Nanotehnologija u moderni svijet pojavio zahvaljujući predavanju u kojem je znanstvenik dokazao da nema prepreka stvaranju stvari izravno iz atoma.
Alat za učinkovito manipuliranje najmanjim česticama nazvan je asembler. Ovo je molekularni nanostroj s kojim možete izgraditi bilo koju strukturu. Na primjer, prirodni asembler može se nazvati ribosomom koji sintetizira proteine u živim organizmima.
Nanotehnologija u suvremenom svijetu nije samo zasebno polje znanja. Oni predstavljaju golemo polje istraživanja izravno povezano s mnogim temeljnim znanostima. Tu spadaju fizika, kemija i biologija. Prema znanstvenicima, upravo će te znanosti dobiti najsnažniji poticaj za razvoj u pozadini nadolazeće nanotehnološke revolucije.
Područje primjene
Nemoguće je nabrojati sva područja ljudske djelatnosti u kojima se danas koristi nanotehnologija zbog vrlo impresivnog popisa. Dakle, uz pomoć ovog područja znanosti proizvedeno je sljedeće:
Uređaji dizajnirani za ultra-gusto snimanje bilo koje informacije;
- razna video oprema;
- senzori, poluvodički tranzistori;
- informacije, računarstvo i informacijske tehnologije;
- nanootisak i nanolitografija;
- uređaji za pohranu energije i gorivne ćelije;
- primjene u obrani, svemiru i zrakoplovstvu;
- bioinstrumentacija.
Svake godine sve više i više sredstava dodjeljuje se takvom znanstvenom području kao što je nanotehnologija u Rusiji, SAD-u, Japanu i nizu europskih zemalja. To je zbog širokih izgleda za razvoj ovog područja istraživanja.
Nanotehnologije u Rusiji razvijaju se prema cilju Savezni program, što podrazumijeva ne samo velike financijske troškove, već i veliki obujam projektiranja i istraživačkog rada. Za postizanje postavljenih zadataka udružuju se napori različitih znanstvenih i tehnoloških kompleksa na razini nacionalnih i transnacionalnih korporacija.
Novi materijal
Nanotehnologija je omogućila znanstvenicima da naprave karbonsku ploču tvrđu od dijamanta debljine samo jednog atoma. Sastoji se od grafena. Ovo je najtanji i najčvršći materijal u cijelom svemiru, koji puno bolje prenosi elektricitet od silicija u računalnim čipovima.
Otkriće grafena smatra se pravim revolucionarnim događajem koji će promijeniti mnogo toga u našim životima. Ovaj materijal ima tako jedinstvena fizička svojstva da radikalno mijenja čovjekovo razumijevanje prirode stvari i tvari.
Povijest otkrića
Grafen je dvodimenzionalni kristal. Njegova struktura je heksagonalna rešetka koja se sastoji od atoma ugljika. Teorijska istraživanja Istraživanje grafena počelo je puno prije proizvodnje njegovih stvarnih uzoraka, budući da je ovaj materijal temelj za konstrukciju trodimenzionalnog kristala grafita.
P. Wallace je još 1947. godine ukazao na neka svojstva grafena, dokazujući da je njegova struktura slična metalima, a neka su svojstva slična onima koje imaju ultrarelativističke čestice, neutrini i fotoni bez mase. Međutim, novi materijal također ima određene značajne razlike koje ga čine jedinstvenim u prirodi. Ali potvrda ovih zaključaka primljena je tek 2004. godine, kada je Konstantin Novoselov prvi put dobio ugljik u slobodnom stanju. Ova nova tvar, nazvana grafen, postala je veliko otkriće znanstvenika. Ovaj element možete pronaći u olovci. Njegova grafitna šipka sastoji se od mnogo slojeva grafena. Kako olovka ostavlja trag na papiru? Činjenica je da, unatoč čvrstoći slojeva koji čine šipku, postoje vrlo slabe veze između njih. Vrlo se lako raspadaju u dodiru s papirom, ostavljajući trag prilikom pisanja.
Korištenje novog materijala
Prema znanstvenicima, senzori temeljeni na grafenu moći će analizirati snagu i stanje letjelice, kao i predvidjeti potrese. Ali tek kada materijal tako nevjerojatnih svojstava napusti zidove laboratorija, postat će jasno u kojem će smjeru ići razvoj praktična aplikacija ove tvari. Danas su se fizičari, kao i inženjeri elektronike, već zainteresirali za jedinstvene mogućnosti grafena. Uostalom, samo nekoliko grama ove tvari može pokriti površinu jednaku nogometnom igralištu.
Grafen i njegove primjene potencijalno se razmatraju u proizvodnji lakih satelita i zrakoplova. Na tom području novi materijal može zamijeniti nanomaterijale, nanosupstanca se može koristiti umjesto silicija u tranzistorima, a uvođenje u plastiku će joj dati električnu vodljivost.
Grafen i njegova upotreba također se razmatraju u proizvodnji senzora. Ovi uređaji se temelje na najnoviji materijal, moći će otkriti najopasnije molekule. Ali korištenje praha nanosupstance u proizvodnji električnih baterija značajno će povećati njihovu učinkovitost.
Grafen i njegove primjene razmatraju se u optoelektronici. Novi materijal izradit će vrlo laganu i izdržljivu plastiku, spremnici iz kojih će hranu čuvati svježom nekoliko tjedana.
Upotreba grafena također se predlaže za proizvodnju prozirne vodljive prevlake potrebne za monitore, solarni paneli te robusniji i mehanički otporniji vjetromotori.
Na temelju nanomaterijala bit će napravljena najbolja sportska oprema, medicinski implantati i superkondenzatori.
Grafen i njegova upotreba također su relevantni za:
Visokofrekventni elektronički uređaji velike snage;
- umjetne membrane koje odvajaju dvije tekućine u spremniku;
- poboljšanje svojstava vodljivosti raznih materijala;
- izrada zaslona na organskim svjetlećim diodama;
- ovladavanje novom tehnologijom za ubrzano sekvenciranje DNA;
- poboljšanja zaslona s tekućim kristalima;
- stvaranje balističkih tranzistora.
Upotreba u automobilskoj industriji
Prema istraživačima, specifični energetski intenzitet grafena je blizu 65 kWh/kg. Ova brojka je 47 puta veća od one kod danas tako uobičajenih litij-ionskih baterija. Znanstvenici su tu činjenicu iskoristili za stvaranje nove generacije punjača.
Grafen-polimer baterija je uređaj koji pohranjuje električnu energiju što učinkovitije. Trenutno na njemu rade istraživači iz mnogih zemalja. Španjolski znanstvenici postigli su značajan uspjeh u ovom pitanju. Baterija od grafena i polimera koju su stvorili ima energetski kapacitet stotinama puta veći od kapaciteta postojećih baterija. Koristi se za opremanje električnih vozila. Automobil u koji je ugrađen može prijeći tisuće kilometara bez zaustavljanja. Neće biti potrebno više od 8 minuta za punjenje električnog vozila kada se energetski resurs iscrpi.
Zasloni osjetljivi na dodir
Znanstvenici nastavljaju istraživati grafen, stvarajući nove i jedinstvene stvari. Tako je ugljikov nanomaterijal našao svoju primjenu u proizvodnji zaslona osjetljivih na dodir velike dijagonale. U budućnosti bi se mogao pojaviti fleksibilni uređaj ove vrste.
Znanstvenici su dobili pravokutni list grafena i pretvorili ga u prozirnu elektrodu. On je taj koji je uključen u rad zaslona osjetljivog na dodir, a odlikuje ga izdržljivost, povećana transparentnost, fleksibilnost, ekološka prihvatljivost i niska cijena.
Dobivanje grafena
Od 2004. godine, kada je otkriven najnoviji nanomaterijal, znanstvenici su ovladali nizom metoda za njegovu proizvodnju. Međutim, najosnovnije od njih su sljedeće metode:
Mehanički piling;
- epitaksijalni rast u vakuumu;
- kemijsko perifazno hlađenje (CVD proces).
Prva od ove tri metode je najjednostavnija. Proizvodnja grafena mehaničkim pilingom uključuje nanošenje posebnog grafita na ljepljivu površinu izolacijske trake. Nakon toga, baza, poput lista papira, počinje se savijati i odvajati, odvajajući željeni materijal. Primjenom ove metode dobiva se grafen Visoka kvaliteta. Međutim, takve radnje nisu prikladne za masovnu proizvodnju ovog nanomaterijala.
Pri korištenju metode epitaksijalnog rasta koriste se tanke silikonske pločice čiji je površinski sloj silicijev karbid. Zatim se ovaj materijal zagrijava na vrlo visokoj temperaturi (do 1000 K). Kao rezultat kemijske reakcije, atomi silicija se odvajaju od atoma ugljika, od kojih prvi isparavaju. Kao rezultat, čisti grafen ostaje na ploči. Nedostatak ove metode je potreba korištenja vrlo visokih temperatura na kojima može doći do izgaranja ugljikovih atoma.
Najpouzdaniji i na jednostavan način CVD proces koji se koristi za masovnu proizvodnju grafena. To je metoda u kojoj kemijska reakcija između metalne prevlake katalizatora i ugljikovodičnih plinova.
Gdje se proizvodi grafen?
Danas se najveća tvrtka koja proizvodi novi nanomaterijal nalazi u Kini. Ime ovog proizvođača je Ningbo Morsh Technology. Pokrenuo je proizvodnju grafena 2012.
Glavni potrošač nanomaterijala je Chongqing Morsh Technology. Koristi grafen za proizvodnju vodljivih prozirnih filmova koji se umeću u zaslone osjetljive na dodir.
Relativno nedavno, poznata tvrtka Nokia podnijela je patent za fotoosjetljivu matricu. Ovaj element, tako neophodan za optičke uređaje, sadrži nekoliko slojeva grafena. Ovaj materijal, korišten na senzorima kamera, značajno povećava njihovu osjetljivost na svjetlo (do 1000 puta). Istodobno se smanjuje potrošnja električne energije. Dobra kamera pametnog telefona također će sadržavati grafen.
Prijem kod kuće
Je li moguće napraviti grafen kod kuće? Ispostavilo se da da! Samo trebate uzeti kuhinjski blender snage najmanje 400 W i slijediti metodu koju su razvili irski fizičari.
Kako napraviti grafen kod kuće? Da biste to učinili, ulijte 500 ml vode u zdjelu miješalice, dodajući 10-25 mililitara bilo kojeg deterdženta i 20-50 grama zdrobljenog olova u tekućinu. Zatim bi uređaj trebao raditi 10 minuta do pola sata, dok se ne pojavi suspenzija grafenskih pahuljica. Rezultirajući materijal će imati visoku vodljivost, što će omogućiti njegovu upotrebu u elektrodama fotoćelija. Također, grafen proizveden kod kuće može poboljšati svojstva plastike.
Oksidi nanomaterijala
Znanstvenici aktivno proučavaju strukturu grafena, koji ima pričvršćene funkcionalne skupine i/ili molekule koje sadrže kisik unutar ili duž rubova ugljikove mreže. To je oksid najtvrđe nanosupstance i prvi je dvodimenzionalni materijal koji je došao do stupnja komercijalne proizvodnje. Znanstvenici su napravili uzorke veličine centimetra od nano- i mikročestica ove strukture.
Tako su kineski znanstvenici nedavno dobili grafen oksid u kombinaciji s diofiliziranim ugljikom. Ovo je vrlo lagan materijal, čija se centimetarska kocka drži na laticama malog cvijeta. Ali u isto vrijeme, nova tvar, koja sadrži grafen oksid, jedna je od najtvrđih na svijetu.
Biomedicinska primjena
Grafen oksid ima jedinstveno svojstvo selektivnosti. To će ovoj tvari omogućiti biomedicinsku upotrebu. Tako je, zahvaljujući radu znanstvenika, postalo moguće koristiti grafen oksid za dijagnosticiranje raka. Jedinstveni optički i električna svojstva nanomaterijala.
Grafen oksid također omogućuje ciljanu dostavu lijekova i dijagnostike. Na temelju ovog materijala stvaraju se sorpcijski biosenzori koji upućuju na molekule DNA.
Industrijska primjena
Različiti sorbenti na bazi grafen oksida mogu se koristiti za dekontaminaciju kontaminiranih umjetnih i prirodnih objekata. Osim toga, ovaj nanomaterijal je sposoban za podzemnu obradu i površinska voda, kao i tla, očistivši ih od radionuklida.
Filtri grafen oksida mogu osigurati super čiste prostorije u kojima se proizvode elektroničke komponente posebne namjene. Jedinstvena svojstva Ovaj materijal će omogućiti prodiranje u suptilne tehnologije kemijskog polja. Konkretno, to može biti ekstrakcija radioaktivnih, tragova i rijetkih metala. Dakle, korištenje grafen oksida omogućit će ekstrakciju zlata iz niskokvalitetnih ruda.
