Csúcstechnológia otthon. díjazott Nóbel díj Konsztantyin Novoselov elmesélte, hogyan készíthet saját maga grafént hulladékanyagokból. Igazi szenzációt keltett a tudomány világában, és a jövőben minden területen használható lesz – a főzéstől az űrrepülésig.

Egy Nobel-díjasnak színpadot építeni természetesen nem grafén feltalálása. A fotó- és videódiák megjelenítésére szolgáló képernyőt néhány perc alatt összeállították. Keret, rögzítések és íme, a minimalizmus varázsa. Berendezések a leghangosabbak elmondására tudományos felfedezés Nemrég Konstantin Novoselov hozta magával egy közönséges hátizsákban.

Volt benne egy laptop. A fizikai Nobel-díjas hozzászokott a fényben való utazáshoz. Az első kérdés a közönségtől – és azonnal a fantáziát izgató válasz. Kiderült, hogy szinte bárki hozzájuthat olyan anyaghoz, amelynek nagy jövőt jósolnak.

"Csak jó grafitot kell vásárolnia. Elvileg használhat ceruzát, de jobb, ha jó grafitot vesz. Erre 100 dollárt kell költenie. 20 dollárt kell költenie szilícium ostyákra, 1 dollárt szalagra. Ez az. 121 dollár, ígérem, hogy megtanulod, hogyan lehet csodálatos grafént készíteni” – mondta a tudós.

Nem véletlen, hogy a tudomány világa rögtön azt mondta erről a felfedezésről: minden zseniális egyszerű. A grafit alapú anyagok forradalmasíthatják az elektronikát. Azt már megszokhattuk, hogy a modern kütyük a mobiltelefon, a számítógép és a kamera egy készülékben. A grafén segítségével ezek az eszközök sokkal vékonyabbak lesznek, emellett átlátszóak és rugalmasak lesznek. Az anyag egyedi tulajdonságainak köszönhetően egy ilyen eszközt nem veszélyes leejteni.

"Nagyon érdekes elektronikus tulajdonságai vannak. Tranzisztorokhoz használható. És különösen sok cég próbál ebből az anyagból nagysebességű tranzisztorokat készíteni, például mobilkommunikációhoz" - magyarázta. Nobel díjas.

A jövőben a szakértők szerint ez az anyag képes lesz teljesen helyettesíteni a fokozatosan öregedő szilíciumot minden elektronikai eszközben. Eddig ez a technika csodának tűnik. Újabban azonban ugyanezt a meglepetést okozták például az LCD tévék vagy az internet. A grafént használó Worldwide Computer Network egyébként tízszer gyorsabb lesz. A biológiában az új anyagokkal együtt megjelennek a DNS kémiai szerkezetének megfejtésére szolgáló progresszív technológiák. Az ultrakönnyű és nagy szilárdságú grafén alkalmazása a repülésben és az építőiparban is alkalmazható lesz űrhajók.

"Az az anyag, amely a legvékonyabb, a legerősebb, a legjobban vezető. A legáthatolhatatlanabb, a legrugalmasabb. Általában a legjobb, ez a grafén lesz" - hangsúlyozta Novoselov.

A fizikai Nobel-díjat 2010-ben a grafénnel végzett fejlettebb kísérletekért ítélték oda. Ez az első alkalom, hogy egy anyagból termék lett tudományos kutatás, így gyorsan átkerül az akadémiai laboratóriumokból az ipari termelésbe. Oroszországban kivételes az érdeklődés Konstantin Novoselov fejleményei iránt. A Bookmarket fesztivál és a Gorkij Park helyszíne mindenki számára nyitva áll. A hűvös idő és az eső pedig nem akadályozza az igazi tudományt.

Viszonylag a közelmúltban jelent meg a tudományban és a technológiában egy új terület, az úgynevezett nanotechnológia. Ennek a tudományágnak a kilátásai nem csupán hatalmasak. Hatalmasak. A „nano”-nak nevezett részecske egy érték egy milliárdoddal egyenlő mennyiség. Az ilyen méretek csak az atomok és molekulák méretével hasonlíthatók össze. Például egy nanométer a méter egy milliárdod része.

Az új tudományterület fő iránya

A nanotechnológiák azok, amelyek az anyagot molekulák és atomok szintjén manipulálják. Ennek köszönhetően ez a terület a tudományt molekuláris technológiának is nevezik. Mi ösztönözte a fejlődését? Nanotechnológia be modern világ egy előadásnak köszönhetően jelent meg, amelyben a tudós bebizonyította, hogy nincs akadálya annak, hogy közvetlenül atomokból hozzon létre dolgokat.

A legkisebb részecskék hatékony manipulálására szolgáló eszközt assemblernek nevezték. Ez egy molekuláris nanogép, amellyel bármilyen szerkezetet fel lehet építeni. Például egy természetes összeszerelőt riboszómának nevezhetünk, amely élő szervezetekben fehérjét szintetizál.

A nanotechnológia a modern világban nem csupán a tudás külön területe. Számos alapvető tudományhoz közvetlenül kapcsolódó hatalmas kutatási területet képviselnek. Ide tartozik a fizika, a kémia és a biológia. A tudósok szerint ezek a tudományok kapják a legerősebb lendületet a fejlődéshez a közelgő nanotechnológiai forradalom hátterében.

Alkalmazási terület

Lehetetlen felsorolni az emberi tevékenység minden olyan területét, ahol ma nanotechnológiát alkalmaznak, a rendkívül lenyűgöző lista miatt. Tehát e tudományterület segítségével a következők születnek:

Bármilyen információ rendkívül sűrű rögzítésére tervezett eszközök;
- különféle videó berendezések;
- érzékelők, félvezető tranzisztorok;
- információs, számítástechnikai és információs technológiák;
- nanoimprinting és nanolitográfia;
- energiatároló eszközök és üzemanyagcellák;
- védelmi, űr- és légi alkalmazások;
- bioműszerezés.

Évről évre egyre több támogatást fordítanak olyan tudományos területekre, mint a nanotechnológia Oroszországban, az USA-ban, Japánban és számos európai országban. Ez annak köszönhető, hogy e kutatási terület széles körű fejlődési kilátásai vannak.

A nanotechnológiák Oroszországban a célnak megfelelően fejlődnek Szövetségi program, amely nemcsak nagy pénzügyi költségekkel, hanem nagy volumenű tervezési és kutatómunkával is jár. A rábízott feladatok megvalósítása érdekében a különböző tudományos és technológiai komplexumok erőfeszítéseit egyesítik nemzeti és transznacionális vállalatok szintjén.

Új anyag

A nanotechnológia lehetővé tette a tudósok számára, hogy a gyémántnál keményebb szénlemezt készítsenek, amely csak egy atom vastagságú. Grafénből áll. Ez a legvékonyabb és legerősebb anyag az egész Univerzumban, amely sokkal jobban továbbítja az elektromosságot, mint a számítógépes chipekben lévő szilícium.

A grafén felfedezését igazi forradalmi eseménynek tekintik, amely sokat változtat az életünkön. Ez az anyag olyan egyedi fizikai tulajdonságokkal rendelkezik, hogy gyökeresen megváltoztatja az ember megértését a dolgok és anyagok természetéről.

A felfedezés története

A grafén egy kétdimenziós kristály. Szerkezete szénatomokból álló hatszögletű rács. Elméleti kutatás A grafén kutatása jóval a tényleges minták előállítása előtt kezdődött, mivel ez az anyag az alapja a háromdimenziós grafitkristály megalkotásának.

Még 1947-ben P. Wallace rámutatott a grafén néhány tulajdonságára, bizonyítva, hogy szerkezete hasonló a fémekhez, és bizonyos jellemzői hasonlóak az ultrarelativisztikus részecskék, neutrínók és tömeg nélküli fotonok jellemzőihez. Az új anyag azonban bizonyos lényeges különbségekkel is rendelkezik, amelyek egyedivé teszik a természetben. De ezeknek a következtetéseknek a megerősítése csak 2004-ben érkezett meg, amikor Konstantin Novoselov először szabad állapotban szerzett szenet. Ez az új anyag, az úgynevezett grafén, a tudósok nagy felfedezésévé vált. Ezt az elemet ceruzában találja meg. Grafit rúdja sok grafénrétegből áll. Hogyan hagy nyomot a ceruza a papíron? A helyzet az, hogy a rudat alkotó rétegek erőssége ellenére nagyon gyenge kapcsolatok vannak közöttük. A papírral érintkezve nagyon könnyen szétesnek, írás közben nyomot hagyva.

Új anyag felhasználásával

A tudósok szerint a grafén alapú szenzorok képesek lesznek elemezni a repülőgép erősségét és állapotát, valamint előre jelezni a földrengéseket. De csak akkor derül ki, hogy egy ilyen elképesztő tulajdonságokkal rendelkező anyag elhagyja a laboratóriumok falát, akkor derül ki, hogy milyen irányba halad a fejlesztés praktikus alkalmazás ennek az anyagnak. Ma már a fizikusok és az elektronikai mérnökök is érdeklődnek a grafén egyedülálló képességei iránt. Hiszen ebből az anyagból mindössze néhány gramm egy futballpályával megegyező területet lefedhet.

A grafént és alkalmazásait potenciálisan fontolgatják könnyű műholdak és repülőgépek gyártásában. Ezen a területen egy új anyag helyettesítheti a nanoanyagokat, a tranzisztorokban szilícium helyett felhasználható nanoanyag, amelynek műanyagba helyezése elektromos vezetőképességet biztosít.

A szenzorok gyártásánál is fontolóra veszik a grafént és annak használatát. Ezek az eszközök azon alapulnak legújabb anyag, képes lesz kimutatni a legveszélyesebb molekulákat. De a nanoanyag por felhasználása az elektromos akkumulátorok gyártásában jelentősen növeli azok hatékonyságát.

A grafént és alkalmazásait az optoelektronikában vizsgálják. Az új anyagból egy nagyon könnyű és strapabíró műanyag lesz, amiből a tárolóedények több hétig frissen tartják az ételt.

A grafén felhasználását javasolják a monitorokhoz szükséges átlátszó vezető bevonat gyártásához is, napelemek valamint robusztusabb és mechanikailag ellenállóbb szélmotorok.

A legjobb sportfelszerelések, orvosi implantátumok és szuperkondenzátorok nanoanyagok alapján készülnek majd.

A grafén és felhasználása a következőkre is vonatkozik:

Nagyfrekvenciás nagy teljesítményű elektronikus eszközök;
- mesterséges membránok, amelyek egy tartályban két folyadékot választanak el;
- különböző anyagok vezetőképességi tulajdonságainak javítása;
- kijelző készítése szerves fénykibocsátó diódákon;
- fejlesztés új technológia gyorsított DNS-szekvenálás;
- a folyadékkristályos kijelzők fejlesztése;
- ballisztikus tranzisztorok létrehozása.

Autóipari felhasználás

A kutatók szerint a grafén fajlagos energiaintenzitása megközelíti a 65 kWh/kg-ot. Ez a szám 47-szer magasabb, mint a manapság oly gyakori lítium-ion akkumulátoroké. A tudósok ezt a tényt felhasználták a töltők új generációjának létrehozásához.

A grafén-polimer akkumulátor olyan eszköz, amely a lehető leghatékonyabban tárolja az elektromos energiát. Jelenleg számos ország kutatói dolgoznak rajta. A spanyol tudósok jelentős sikereket értek el ebben a kérdésben. Az általuk létrehozott grafén-polimer akkumulátor energiakapacitása több százszor nagyobb, mint a meglévő akkumulátoroké. Elektromos járművek felszerelésére használják. Az autó, amelybe be van szerelve, több ezer kilométert képes megtenni megállás nélkül. Egy elektromos jármű feltöltése legfeljebb 8 percet vesz igénybe, ha az energiaforrás kimerült.

Érintőképernyők

A tudósok folytatják a grafén kutatását, új és egyedi dolgokat hozva létre. Így a szén nanoanyag alkalmazást talált a nagy átlós érintőképernyők gyártásában. A jövőben megjelenhet egy ilyen típusú rugalmas eszköz.

A tudósok egy téglalap alakú grafénlapot kaptak, és átlátszó elektródává alakították át. Ő az, aki részt vesz az érintőkijelző működésében, miközben a tartósság, a fokozott átláthatóság, a rugalmasság, a környezetbarátság és az alacsony költség jellemzi.

Grafén beszerzése

2004 óta, amikor a legújabb nanoanyagot felfedezték, a tudósok számos módszert elsajátítottak az előállítására. A legalapvetőbbek azonban a következő módszerek:

Mechanikus hámlasztás;
- epitaxiális növekedés vákuumban;
- kémiai perifázisos hűtés (CVD eljárás).

A három módszer közül az első a legegyszerűbb. A grafén mechanikus hámlasztással történő előállítása során speciális grafitot visznek fel egy szigetelőszalag ragasztófelületére. Ezt követően az alap, mint egy papírlap, elkezd meghajolni és kihajolni, elválasztva a kívánt anyagot. Ezzel a módszerrel grafént kapunk Jó minőség. Az ilyen műveletek azonban nem alkalmasak ennek a nanoanyagnak a tömeggyártására.

Az epitaxiális növekedési módszer alkalmazásakor vékony szilícium lapkákat használnak, amelyek felületi rétege szilícium-karbid. Ezután ezt az anyagot nagyon magas hőmérsékleten (1000 K-ig) hevítik. Egy kémiai reakció eredményeként a szilícium atomok elkülönülnek a szénatomoktól, amelyek közül az első elpárolog. Ennek eredményeként tiszta grafén marad a lemezen. Ennek a módszernek az a hátránya, hogy nagyon magas hőmérsékletet kell alkalmazni, amelyen szénatomok éghetnek.

A legmegbízhatóbb és egyszerű módon Grafén tömeggyártásához használt CVD-eljárás. Ez egy olyan módszer, amelyben kémiai reakció a fémkatalizátor-bevonat és a szénhidrogéngázok között.

Hol állítják elő a grafént?

Ma az új nanoanyagot gyártó legnagyobb vállalat Kínában található. Ennek a gyártónak a neve Ningbo Morsh Technology. 2012-ben kezdte meg a graféngyártást.

A nanoanyag fő fogyasztója a Chongqing Morsh Technology. Grafént használ vezetőképes átlátszó fóliák előállítására, amelyeket érintőképernyőkbe helyeznek.

Viszonylag nemrégiben a jól ismert Nokia cég szabadalmat nyújtott be egy fényérzékeny mátrixra. Ez az optikai eszközökhöz oly szükséges elem több grafénréteget tartalmaz. Ez a kamera érzékelőin használt anyag jelentősen növeli a fényérzékenységet (akár 1000-szeresére). Ezzel párhuzamosan az áramfogyasztás is csökken. Egy jó okostelefon kamerája grafént is tartalmaz.

Átvétel otthon

Lehetséges házilag grafént készíteni? Kiderül, hogy igen! Csak elő kell vennie egy legalább 400 W-os konyhai turmixgépet, és követnie kell az ír fizikusok által kidolgozott módszert.

Hogyan készítsünk grafént otthon? Ehhez öntsön 500 ml vizet a turmixgép edényébe, a folyadékhoz adjon 10-25 ml bármilyen mosószert és 20-50 gramm zúzott ólmot. Ezután az eszköznek 10 perctől fél óráig kell működnie, amíg meg nem jelenik a grafénpelyhek szuszpenziója. A kapott anyag nagy vezetőképességű lesz, ami lehetővé teszi fotocellás elektródákban való felhasználását. Ezenkívül az otthon előállított grafén javíthatja a műanyag tulajdonságait.

Nanoanyag-oxidok

A tudósok aktívan tanulmányozzák a grafén szerkezetét, amely oxigéntartalmú funkciós csoportokat és/vagy molekulákat kapcsolt a szénhálózaton belül vagy annak szélei mentén. Ez a legkeményebb nanoanyag oxidja, és az első olyan kétdimenziós anyag, amely elérte a kereskedelmi gyártás szakaszát. A tudósok centiméteres mintákat készítettek ilyen szerkezetű nano- és mikrorészecskékből.

Így a grafén-oxidot diofilizált szénnel kombinálva nemrégiben szerezték meg kínai tudósok. Ez egy nagyon könnyű anyag, amelynek egy centiméteres kockáját egy kis virág szirmára tartják. Ugyanakkor a grafén-oxidot tartalmazó új anyag az egyik legkeményebb a világon.

Orvosbiológiai alkalmazás

A grafén-oxid egyedülálló szelektivitási tulajdonsággal rendelkezik. Ez lehetővé teszi, hogy ez az anyag orvosbiológiai felhasználásra találjon. Így a tudósok munkájának köszönhetően lehetővé vált a grafén-oxid alkalmazása a rák diagnosztizálására. Egyedülálló optikai és elektromos tulajdonságok nanoanyag.

A grafén-oxid lehetővé teszi a gyógyszerek és a diagnosztika célzott szállítását is. Alapján ebből az anyagból szorpciós bioszenzorokat hoznak létre, amelyek a DNS-molekulákra mutatnak.

Ipari alkalmazás

Különféle grafén-oxid alapú szorbensek használhatók a szennyezett mesterséges és természetes tárgyak fertőtlenítésére. Ráadásul ez a nanoanyag alkalmas a föld alatti és felszíni víz, valamint a talajok, miután megtisztították őket a radionuklidoktól.

A grafén-oxid szűrők szuper tiszta helyiségeket biztosítanak, ahol elektronikus alkatrészeket gyártanak speciális célú. Egyedi tulajdonságok Ez az anyag lehetővé teszi, hogy behatoljunk a kémiai terület finom technológiáiba. Ez különösen lehet radioaktív, nyomelemek és ritka fémek kinyerése. Így a grafén-oxid használata lehetővé teszi az arany kinyerését gyenge minőségű ércekből.

A grafén a 21. század forradalmi anyaga. Ez a szénvegyület legerősebb, legkönnyebb és leginkább elektromosan vezető változata.

A grafént Konstantin Novoselov és Andrei Geim fedezte fel a Manchesteri Egyetemen, amiért orosz tudósok Nobel-díjat kaptak. A mai napig körülbelül tízmilliárd dollárt különítettek el a grafén tulajdonságainak kutatására tíz év alatt, és a pletykák szerint ez válhat belőle. kiváló csere szilícium, különösen a félvezetőiparban.

A szénalapú anyaghoz hasonló kétdimenziós struktúrákat azonban más elemekre is jósoltak. Periódusos táblázat kémiai elemekés nagyon szokatlan tulajdonságok Ezen anyagok egyikét nemrégiben tanulmányozták. Ezt az anyagot „kékfoszfornak” nevezik.

Az orosz származású, brit székhelyű Konstantin Novoselov és Andrey Geim 2004-ben készítettek grafént, egy atom vastagságú áttetsző szénréteget. Ettől a pillanattól kezdve szinte azonnal és mindenhol hallani kezdtük a dicséret ódái nagyon másról csodálatos tulajdonságok olyan anyag, amely képes megváltoztatni a világunkat, és a legtöbbben megtalálni annak alkalmazását különböző területeken, kezdve a kvantumszámítógépek gyártásától és a tiszta megszerzésére szolgáló szűrők előállításáig vizet inni. 15 év telt el, de a grafén hatása alatt álló világ nem változott. Miért?

Tavalyig a tudomány által ismert egyetlen módszer a grafén előállítására az volt, hogy vékony grafitréteget ragasztottak a ragasztószalagra, majd eltávolították az alapot. Ezt a technikát „Scotch tape technikának” nevezik. A tudósok azonban a közelmúltban felfedezték, hogy van egy hatékonyabb módszer egy új anyag beszerzésére: réz-, nikkel- vagy szilíciumréteget kezdtek használni alapként, amelyet aztán maratással távolítanak el (2. ábra). Ily módon 76 centiméter széles téglalap alakú grafénlapokat hozott létre egy koreai, japán és szingapúri tudóscsoport. A kutatók nemcsak egy szénatomokból álló egyrétegű szerkezet darabjának méretével állítottak fel egyfajta rekordot, hanem rugalmas lapokból érzékeny képernyőket is készítettek.

2. ábra: Grafén előállítása maratással

A fizikusok először csak 2004-ben szereztek grafén „pelyheket”, amikor a méretük mindössze 10 mikrométer volt. Egy évvel ezelőtt Rodney Ruoff csapata az austini Texasi Egyetemről bejelentette, hogy sikerült centiméteres grafén „maradékokat” létrehozniuk.

Ruoff és munkatársai kémiai gőzleválasztással (CVD) szénatomokat raktak le rézfóliára. A Sunghyunkwan Egyetem Byun Hee Hong professzor laboratóriumának kutatói tovább mentek, és a lapokat teljes képernyő méretűre nagyították. Az új „roll-to-roll” technológia (roll-to-roll feldolgozás) lehetővé teszi egy hosszú szalag előállítását grafénből (3. ábra).

3. ábra: Halmozott grafénrétegek nagy felbontású transzmissziós elektronmikroszkópos képe.

A fizikusok egy réteg tapadó polimert helyeztek a grafénlapok tetejére, feloldották a réz szubsztrátumokat, majd elválasztották a polimer filmet - egyetlen réteg grafént kaptak. A lapok erősebbé tétele érdekében a tudósok ugyanazt a módszert alkalmazták további három grafénréteg „növesztésére”. Végül a kapott „szendvicset” salétromsavval kezelték a vezetőképesség javítása érdekében. Egy új grafénlapot helyezünk egy poliészter hordozóra, és fűtött hengerek között vezetjük át (4. ábra).

4. ábra: Hengeres technológia grafén előállításához

Az így kapott szerkezet a fény 90%-át átengedte, elektromos ellenállása kisebb volt, mint a szabványos, de még mindig nagyon drága, átlátszó vezetőé - indium-ón-oxid (ITO). A kutatók egyébként az érintőkijelzők alapjául szolgáló grafénlapokat használva felfedezték, hogy szerkezetük is kevésbé törékeny.

Igaz, minden vívmány ellenére a technológia még nagyon messze van a kereskedelmi forgalomba hozataltól. Átlátszó filmek a szén nanocsövek Már jó ideje próbálják kiszorítani az ITO-t, de a gyártók nem tudnak megbirkózni a filmhibákon megjelenő „halott pixelek” problémájával.

Grafének alkalmazása az elektrotechnikában és az elektronikában

A lapos képernyők képpontjainak fényerejét a két elektróda közötti feszültség határozza meg, amelyek közül az egyik a néző felé néz (5. ábra). Ezeknek az elektródáknak átlátszónak kell lenniük. Jelenleg ónnal adalékolt indium-oxidot (ITO) használnak átlátszó elektródák előállítására, de az ITO drága és nem a legstabilabb anyag. Ráadásul a világ hamarosan kifogy az indiumból. A grafén átlátszóbb és stabilabb, mint az ITO, és a grafén elektródával ellátott LCD kijelzőt már bemutatták.

5. ábra: Grafén képernyők fényereje az alkalmazott feszültség függvényében

Az anyagban nagy lehetőségek rejlenek az elektronika más területein. 2008 áprilisában manchesteri tudósok bemutatták a világ legkisebb graféntranzisztorát. Egy tökéletesen szabályos grafénréteg szabályozza az anyag ellenállását, dielektrikummá alakítva azt. Lehetővé válik egy mikroszkopikus tápkapcsoló létrehozása egy nagy sebességű nano-tranzisztor számára az egyes elektronok mozgásának szabályozására. Minél kisebbek a tranzisztorok a mikroprocesszorokban, annál gyorsabbak, és a tudósok azt remélik, hogy a jövő számítógépeinek graféntranzisztorai molekulaméretűek lesznek, mivel a jelenlegi szilícium-mikrotranzisztor-technológia már majdnem elérte a határát.

A grafén nemcsak kiváló elektromos vezető. A legmagasabb hővezető képességgel rendelkezik: az atomi rezgések könnyen terjednek a sejtszerkezet szénhálójában. A hőleadás az elektronikában komoly probléma, mivel az elektronika által ellenálló magas hőmérsékletnek vannak határai. Az Illinoisi Egyetem tudósai azonban felfedezték, hogy a grafént használó tranzisztorok érdekes tulajdonsággal rendelkeznek. Termoelektromos hatást mutatnak, ami a készülék hőmérsékletének csökkenéséhez vezet. Ez azt jelentheti, hogy a grafén alapú elektronika a múlté teszi a radiátorokat és a ventilátorokat. Így tovább növekszik a grafén vonzereje, mint ígéretes anyag a jövőbeni mikroáramkörök számára (6. ábra).

6. ábra: Atomerőmikroszkópos szonda, amely egy grafén-fém érintkező felületét pásztázza a hőmérséklet mérésére.

A tudósoknak nehéz dolguk volt a grafén hővezető képességének mérésével. Feltaláltak egy teljesen új módszert a hőmérséklet mérésére úgy, hogy egy 3 mikron hosszú grafénfilmet helyeznek el pontosan ugyanazon a szilícium-dioxid kristályon lévő apró lyukon. A fóliát ezután lézersugárral felmelegítették, aminek hatására rezegni kezdett. Ezek a rezgések segítettek kiszámítani a hőmérsékletet és a hővezető képességet.

A tudósok találékonysága nem ismer határokat, amikor egy új anyag fenomenális tulajdonságairól van szó. 2007 augusztusában az összes lehetséges szenzor közül a legérzékenyebbet készítették el. Képes egy gázmolekulára reagálni, ami segít azonnal észlelni a toxinok vagy robbanóanyagok jelenlétét. Az idegen molekulák békésen leszállnak a grafénhálózatba, elektronokat ütve ki belőle, vagy hozzáadva azokat. Ennek eredményeként megváltozik a grafénréteg elektromos ellenállása, amit a tudósok mérnek. Még a legkisebb molekulákat is megfogja a tartós grafénháló. 2008 szeptemberében az egyesült államokbeli Cornell Egyetem tudósai bemutatták, hogy a grafén membrán, mint egy vékony léggömb, hogyan fújódik fel több atmoszférájú nyomáskülönbség miatt mindkét oldalon. A grafén ezen tulajdonsága hasznos lehet különféle kémiai reakciók előfordulásának meghatározásában, és általában az atomok és molekulák viselkedésének tanulmányozásában.

A tiszta grafén nagy lapjainak előállítása még mindig nagyon nehéz, de a feladat egyszerűsíthető, ha egy szénréteget más elemekkel keverünk össze. Az amerikai Northwestern Egyetemen a grafitot oxidálták és vízben oldották. Az eredmény egy papírszerű anyag - grafén-oxid papír (7. ábra). Nagyon kemény és nagyon könnyen elkészíthető. A grafén-oxid erős membránként használható akkumulátorokban és üzemanyagcellákban.

7. ábra: Grafén-oxid papír

A grafén membrán ideális szubsztrát az elektronmikroszkóp alatt vizsgálandó tárgyak számára. A hibátlan sejtek egységes szürke háttérré egyesülnek a képeken, amelyen a többi atom egyértelműen kiemelkedik. Elektronmikroszkópban eddig szinte lehetetlen volt megkülönböztetni a legkönnyebb atomokat, de grafénnel mint szubsztráttal már kis hidrogénatomok is láthatók.

A grafén felhasználási lehetőségeit végtelenül lehet sorolni. A közelmúltban az amerikai Northwestern Egyetem fizikusai felfedezték, hogy a grafén keverhető műanyaggal. Az eredmény egy vékony, szupererős anyag, amely ellenáll a magas hőmérsékletnek, és nem ereszti át a gázokat és a folyadékokat.

Felhasználási területe könnyű benzinkutak, autó- és repülőgép-alkatrészek, valamint tartós szélturbina lapátok gyártása. Az élelmiszereket műanyagba csomagolhatja, így hosszú ideig frissen tartja azokat.

A grafén nemcsak a legvékonyabb, de a legerősebb anyag is a világon. A New York-i Columbia Egyetem tudósai ezt úgy igazolták, hogy grafént helyeztek a szilíciumkristály apró lyukaira. Ezután egy nagyon vékony gyémánttű megnyomásával megpróbálták tönkretenni a grafénréteget, és megmérték a nyomóerőt (8. ábra). Kiderült, hogy a grafén 200-szor erősebb, mint az acél. Ha egy ragasztófólia vastagságú grafénréteget képzelünk el, az kibírná a ceruza hegyének nyomását, aminek a másik végén egy elefánt vagy egy autó egyensúlyozna.

8. ábra: Nyomás a gyémánttű grafénjére

A grafén az egyedülálló szénvegyületek osztályába tartozik, amelyek figyelemre méltó kémiai és fizikai tulajdonságokkal rendelkeznek, mint például a kiváló elektromos vezetőképesség, amely elképesztő könnyedséggel és erősséggel párosul.

Várhatóan idővel képes lesz helyettesíteni a szilíciumot, amely a modern félvezetőgyártás alapja. Jelenleg ez a vegyület szilárdan biztosította a „jövő anyagának” státuszát.

Az anyag jellemzői

A grafén, amelyet leggyakrabban „G” jelöléssel találnak meg, a szén kétdimenziós formája, amelynek szokatlan szerkezete van, hatszögletű rácsban összekapcsolt atomok formájában. Sőt, teljes vastagsága nem haladja meg mindegyik méretét.

A grafén pontosabb megértéséhez tanácsos megismerkedni az olyan egyedi jellemzőkkel, mint:

• Rekord magas hővezető képesség;
• Az anyag nagy mechanikai szilárdsága és rugalmassága, több százszor magasabb, mint az acéltermékek azonos mutatója;
• Összehasonlíthatatlan elektromos vezetőképesség;
• Magas olvadáspont (több mint 3 ezer fok);
• Áthatolhatatlanság és átláthatóság.

A grafén szokatlan szerkezetét ez az egyszerű tény bizonyítja: 3 millió grafénlap egyesítésével a késztermék teljes vastagsága nem haladja meg az 1 mm-t.

Ennek a szokatlan anyagnak az egyedi tulajdonságainak megértéséhez elég megjegyezni, hogy eredete hasonlít a ceruzaólomban használt közönséges réteges grafithoz. A hatszögletű rácsban az atomok speciális elrendezése miatt azonban szerkezete felveszi az olyan kemény anyagok jellemzőit, mint a gyémánt.

Amikor a grafént izolálják a grafitból, a legcsodálatosabb, a modern 2D anyagokra jellemző tulajdonságait a kapott film atomvastagságában figyeljük meg. Ma már nehéz ilyen területet találni nemzetgazdaság, ahol ezt az egyedülálló vegyületet használják, és ahol ígéretesnek tartják. Ez különösen a környéken látható tudományos fejlemények amelynek célja új technológiák kifejlesztése.

Megszerzési módszerek

Ennek az anyagnak a felfedezése 2004-re datálható, majd a tudósok különféle módszereket sajátítottak el az előállításához, amelyeket az alábbiakban mutatunk be:

• Fázistranszformációs módszerrel megvalósított kémiai hűtés (ezt CVD eljárásnak nevezik);
• Az úgynevezett „epitaxiális növekedés”, amelyet vákuum körülmények között hajtanak végre;
• „Mechanikus hámlasztás” módszer.

Nézzük mindegyiket részletesebben.

Mechanikai

Kezdjük az utolsó módszerrel, amelyet a független megvalósítás számára a leginkább hozzáférhetőnek tartanak. A grafén otthoni beszerzéséhez a következő műveletsorokat kell egymás után végrehajtani:

• Először elő kell készítenie egy vékony grafitlemezt, amelyet ezután egy speciális szalag ragasztóoldalához kell rögzíteni;
• Ezt követően félbehajlik, majd visszatér eredeti állapotába (végei eltávolodnak egymástól);
• Az ilyen manipulációk eredményeként lehetőség van kettős grafitréteg kialakítására a szalag ragasztó oldalán;
• Ha ezt a műveletet többször elvégzi, nem lesz nehéz elérni az alkalmazott anyagréteg kis vastagságát;
• Ezt követően a szilícium-oxid hordozóra hasított és nagyon vékony filmrétegű ragasztószalagot kell felhordani;
• Ennek eredményeként a film részben a hordozón marad, és grafénréteget képez.

Ennek a módszernek az a hátránya, hogy nehéz egy adott méretű és alakú kellően vékony filmet előállítani, amely megbízhatóan rögzíthető lenne a hordozó kijelölt részein.

Jelenleg a mindennapi gyakorlatban használt grafén nagy részét így állítják elő. A mechanikus hámlasztás miatt meglehetősen jó minőségű vegyületet lehet kapni, de tömeggyártási körülmények között ez a módszer teljesen alkalmatlan.

Ipari módszerek

A grafén előállításának egyik ipari módszere a vákuumban történő termesztés, melynek jellemzőit az alábbiak szerint lehet bemutatni:

• Ennek elkészítéséhez szilícium-karbid felületi réteget vesznek fel, amely mindig jelen van ennek az anyagnak a felületén;
• Ezután az előre elkészített szilícium ostyát viszonylag magas hőmérsékletre (kb. 1000 K) melegítjük;
• Az ilyenkor lezajló kémiai reakciók miatt a szilícium és a szénatomok szétválása figyelhető meg, amelyben az első azonnal elpárolog;
• A reakció eredményeként tiszta grafén (G) marad a lemezen.

Ennek a módszernek a hátrányai közé tartozik a magas hőmérsékletű fűtés szükségessége, ami gyakran technikai nehézségeket okoz.

A legmegbízhatóbb iparilag A fent leírt nehézségek elkerülésének egyik módja az úgynevezett „CVD-eljárás”. Ennek megvalósítása során kémiai reakció megy végbe a fémkatalizátor felületén, amikor azt szénhidrogéngázokkal kombinálják.

Az összes fent tárgyalt megközelítés eredményeképpen kétdimenziós szénből álló tiszta allotróp vegyületeket lehet előállítani, csak egy atom vastagságú réteg formájában. Ennek a képződésnek az a jellemzője, hogy ezek az atomok hatszögletű rácsmá kapcsolódnak az úgynevezett „σ” és „π” kötések kialakulása miatt.

Hordozók elektromos töltés a grafénrácsban eltérőek magas fokozat mobilitás, jelentősen meghaladva ezt a számot más ismert félvezető anyagok esetében. Ez az oka annak, hogy képes helyettesíteni a klasszikus szilíciumot, amelyet hagyományosan az integrált áramkörök gyártásában használnak.

A grafén alapú anyagok gyakorlati alkalmazási lehetőségei közvetlenül összefüggenek az előállítás sajátosságaival. Jelenleg számos módszert alkalmaznak az egyedi, alakban, minőségben és méretben eltérő töredékek előállítására.

Az összes ismert módszer közül kiemelkedik a következő megközelítés:

1. Különféle grafén-oxid gyártása pelyhek formájában, amelyeket elektromosan vezető festékek, valamint különféle típusú kompozit anyagok előállításához használnak;
2. Lapos grafén G előállítása, amelyből elektronikus eszközök alkatrészei készülnek;
3. Inaktív komponensként használt azonos típusú anyagok termesztése.

Ennek a vegyületnek a fő tulajdonságait és funkcionalitását az aljzat minősége, valamint a termesztéshez használt anyag jellemzői határozzák meg. Mindez végső soron az alkalmazott gyártási módszertől függ.

Ennek az egyedi anyagnak a beszerzési módjától függően többféle célra használható, nevezetesen:

1. A mechanikus hámlasztással nyert grafén elsősorban kutatásra szolgál, ami a szabad töltéshordozók alacsony mobilitásával magyarázható;
2. Amikor a grafént kémiai (termikus) reakcióval állítják elő, leggyakrabban kompozit anyagok, valamint védőbevonatok, tinták és színezékek készítésére használják. Szabad hordozóinak mobilitása valamivel nagyobb, ami lehetővé teszi kondenzátorok és filmszigetelők gyártásához;
3. Ha a CVD módszert alkalmazzák ennek a vegyületnek az előállítására, akkor a nanoelektronikában, valamint érzékelők és átlátszó flexibilis fóliák gyártására is használható;
4. A „szilícium ostya” módszerrel nyert grafént elektronikus eszközök elemeinek, például rádiófrekvenciás tranzisztorok és hasonló alkatrészek gyártására használják. Az ilyen vegyületekben a szabad töltéshordozók mobilitása maximális.

A grafén felsorolt ​​tulajdonságai széles távlatokat nyitnak meg a gyártók előtt, és lehetővé teszik számukra, hogy a következő ígéretes területeken összpontosítsák erőfeszítéseiket a megvalósításra:

• A modern elektronika alternatív területein a szilícium alkatrészek cseréjével kapcsolatban;
• A vezető vegyiparban;
• Egyedi termékek (például kompozit anyagok és grafén membránok) tervezésekor;
• Az elektrotechnikában és az elektronikában (mint „ideális” vezető).

Ezen túlmenően ebből a vegyületből hideg katódok is gyárthatók, ujratölthető elemek, valamint speciális vezető elektródák és átlátszó filmbevonatok. Ennek a nanoanyagnak az egyedülálló tulajdonságai sok lehetőséget kínálnak a felhasználásra ígéretes fejlesztésekben.

Előnyök és hátrányok

A grafén alapú termékek előnyei:

• Magas fokú elektromos vezetőképesség, összehasonlítható a közönséges rézével;
• Szinte tökéletes optikai tisztaság, melynek köszönhetően a látható fény tartományának legfeljebb két százalékát nyeli el. Ezért kívülről szinte színtelennek és láthatatlannak tűnik a szemlélő számára;
• A gyémántnál jobb mechanikai szilárdság;
• Rugalmasság, amiben az egyrétegű grafén felülmúlja az elasztikus gumit. Ez a minőség lehetővé teszi a filmek alakjának könnyű megváltoztatását és szükség esetén nyújtását;
• Ellenállás a külső mechanikai hatásokkal szemben;
• Összehasonlíthatatlan hővezető képesség, amely szerint több tízszerese a réznek.

Ennek az egyedülálló szénvegyületnek a hátrányai a következők:

1. Képtelenség az ipari termeléshez elegendő mennyiség beszerzésére, valamint a magas minőség biztosításához szükséges mennyiség elérésére fizikai és kémiai tulajdonságok. A gyakorlatban csak kis méretű grafénlaptöredékeket lehet előállítani;
2. Az iparilag előállított termékek jellemzőikben leggyakrabban rosszabbak, mint a kutatólaboratóriumokban vett minták. Ezeket nem lehet elérni szokásos ipari technológiákkal;
3. Magas nem munkaköltség, amely jelentősen korlátozza a gyártás és a gyakorlati alkalmazás lehetőségeit.

Mindezen nehézségek ellenére a kutatók nem adják fel a grafén előállítására szolgáló új technológiák kifejlesztésére irányuló kísérleteiket.

Összegzésként le kell szögezni, hogy ennek az anyagnak a kilátásai egyszerűen fantasztikusak, mivel modern ultravékony és rugalmas kütyük gyártásához is felhasználható. Ezen túlmenően, ennek alapján lehetőség nyílik modern orvosi berendezések és gyógyszerek létrehozására, amelyek képesek a rák és más gyakori daganatos betegségek leküzdésére.

Videó