Grafen a jeho použití. Objev grafenu. Nanotechnologie v moderním světě

Nedávno se ve vědě a technologii objevila nová oblast, nazývaná nanotechnologie. Vyhlídky na tuto disciplínu nejsou jen obrovské. Jsou grandiózní. Částka nazvaná "nano" je hodnota rovnající se jedné miliardě libovolné hodnoty. Takové rozměry lze porovnávat pouze s rozměry atomů a molekul. Například jedna miliardtina metru se nazývá nanometr.

Hlavní směr nového oboru vědy

Nanotechnologie se týká těch, kteří manipulují hmotu na úrovni molekul a atomů. V této oblasti se tato oblast vědy také nazývá molekulární technologie. Jaký byl impuls pro jeho rozvoj? Nanotechnologie v moderním světě se objevila díky přednášce Richarda Feynmana. V tom vědec prokázal, že neexistují žádné překážky pro vytváření věcí přímo z atomů.

Nástroj pro účinnou manipulaci s nejmenšími částicemi byl nazýván assemblerem. Jedná se o molekulární nanomachin, s nímž můžete vytvořit jakoukoli strukturu. Například přirozený assembler může být nazýván ribozomem, který syntetizuje bílkoviny v živých organizmech.

Nanotechnologie v moderním světě není jen samostatnou oblastí znalostí. Představují obrovskou oblast výzkumu přímo související s mnoha základními vědami. Mezi nimi je fyzika, chemie a biologie. Podle vědců budou tyto vědy získávat nejsilnější impuls pro rozvoj na pozadí nadcházející nanotechnologické revoluce.

Rozsah aplikace

Seznam všech oblastí lidské činnosti, kde se nanotechnologie používá dnes, je nemožné kvůli velmi působivému seznamu. Tak s pomocí této vědecké oblasti se vytvoří:

- zařízení určená pro super-husté zaznamenávání jakýchkoli informací;
- různé video zařízení;
- senzory, solární články, polovodičové tranzistory;
- informační, výpočetní a informační technologie;
- nanoimprinting a nanolitografie;
- zařízení určená k ukládání energie a palivových článků;
- aplikace v oblasti obrany, vesmíru a letectví;
- bioinstrumentární.

V takové vědecké oblasti, jako je nanotechnologie, v Rusku, Spojených státech, Japonsku a řadě evropských zemí, se každý rok přiděluje více a více finančních prostředků. To je dáno rozsáhlými vyhlídkami na rozvoj této oblasti výzkumu.

Nanotechnologie v Rusku se vyvíjejí podle cílového federálního programu, který poskytuje nejen velké finanční náklady, ale také velké množství projektové a výzkumné práce. K realizaci stanovených úkolů se úsilí různých vědeckých a technologických komplexů kombinuje na úrovni národních a nadnárodních korporací.

Nový materiál

Nanotechnologie umožnila vědcům vyrábět karbonovou desku tvrdší než diamant, jehož tloušťka je pouze jeden atom. Skládá se z grafenu. Je to ten nejtenčí a nejtrvanlivější materiál v celém vesmíru, který umožňuje elektřinu mnohem lépe než křemíkové počítačové čipy.

Objev grafenu je považován za skutečnou revoluční událost, která nám umožní hodně změnit v našem životě. Tento materiál má tak jedinečné fyzikální vlastnosti, že zásadně mění myšlenku člověka o podstatě věcí a látek.

Historie objevu

Grafen je dvourozměrný krystal. Jeho struktura je hexagonální mřížka sestávající z atomů uhlíku. Teoretické studie grafenu začaly dlouho před produkcí skutečných vzorků, protože tento materiál je základem pro konstrukci trojrozměrného grafitového krystalu.

Již v roce 1947 P. Volles poukázal na některé vlastnosti grafenu, což dokazuje, že jeho struktura je analogická kovům a některé vlastnosti jsou podobné těm, které mají ultrarelativistické částice, neutriny a bezmála fotony. Nový materiál má však určité významné rozdíly, které z něj činí jedinečnou povahu. Potvrzení těchto závěrů však bylo přijato teprve v roce 2004, kdy Konstantin Novoselov a Andrey Geim poprvé získali uhlík ve volném stavu. Tato nová látka, nazývaná graphene, se stala hlavním objevem vědců. Vyhledejte tuto položku v tužce. Jeho grafitové jádro se skládá z mnoha vrstev graphenu. Jak na tužce zanechá značku na papíře? Faktem je, že navzdory síle složených vrstev vrstev jsou mezi nimi velmi slabé vazby. Jsou velmi snadné se rozpadat, když přicházejí do kontaktu s papírem, zanechávajíc stopu při psaní.

Použití nového materiálu

Podle vědců budou senzory založené na grafenu schopny analyzovat sílu a stav letadel, stejně jako předpovědět zemětřesení. Ale jen tehdy, když materiál s tak obrovskými vlastnostmi opouští stěny laboratoří, je zřejmé, do jakého směru dojde vývoj praktické aplikace této látky. K dnešnímu dni se chemici, fyzici a inženýři elektroniky již zajímají o jedinečné schopnosti grafenu. Koneckonců, jen několik gramů této látky může pokrývat území rovno fotbalovému poli.

Grafen a jeho využití jsou potenciálně zvažovány při výrobě lehkých satelitů a letadel. V této oblasti je nový materiál schopen nahradit uhlíková vlákna v kompozitních materiálech. Nanosubstancia může být použita místo křemíku v tranzistorech a jeho zavedení do plastu poskytne elektrickou vodivost.

Graphene a jeho použití jsou také zvažovány při výrobě senzorů. Tato zařízení, založená na nejnovějším materiálu, budou schopna detekovat nejnebezpečnější molekuly. Použití prášku z nanosubstance při výrobě elektrických baterií však někdy zvýší jejich účinnost.

Graphene a jeho aplikace jsou zvažovány v optoelektronice. Z nového materiálu bude velmi lehký a trvanlivý plast, z něhož nádoby umožňují několik týdnů, aby produkty zůstaly čerstvé.

Použití graphenu se předpokládá také při výrobě průhledného vodivého povlaku, který je nezbytný pro monitory, solární články a silnější a odolnější vůči mechanickým vlivům větrných mlýnů.

Na základě nanomateriálu budou získány nejlepší sportovní vybavení, lékařské implantáty a supercapacitory.

Také graphene a jeho aplikace jsou relevantní pro:

- vysokofrekvenční vysokovýkonné elektronické přístroje;
- umělé membrány, které oddělují dvě kapaliny v nádrži;
- zlepšit vodivost různých materiálů;
- vytvoření displeje organických diod emitujících světlo;
- zvládnutí nových technik pro zrychlené sekvenování DNA;
- zlepšení displejů z tekutých krystalů;
- vytvoření balistických tranzistorů.

Použití v automobilovém průmyslu

Podle výzkumníků se specifická energetická náročnost grafenu blíží 65 kWh / kg. Tato hodnota je 47krát vyšší než u běžně používaných lithium-iontových baterií. Tato skutečnost vědci používali k vytvoření nové generace nabíječek.

Grapheno-polymerová baterie je zařízení, pomocí něhož je elektrická energie udržována co nejúčinněji. V současné době pracují na něm výzkumníci z mnoha zemí. Španělští vědci v této věci dosáhli značného úspěchu. Nabytá grafénová polymerová baterie má energetickou kapacitu, která je stokrát vyšší než u stávajících baterií. Používají je k vybavení elektrických vozidel. Stroj, v němž je nainstalován grafénový akumulátor, může bez zastavení stát po tisících kilometrech. Chcete-li nabíjet elektrické vozidlo při vyčerpání zdroje energie, trvá to ne delší než 8 minut.

Dotykové obrazovky

Vědci pokračovali ve zkoumání grafenu při vytváření nových a bezkonkurenčních věcí. Takže uhlíkový nanomateriál našel svou aplikaci ve výrobě, která produkuje senzorické displeje s velkou úhlopříčkou. V budoucnu se může objevit flexibilní zařízení tohoto typu.

Vědci získali obdélníkový graphenový list a přeměnili ho na průhlednou elektrodu. Je to ten, kdo se podílí na provozu dotykové obrazovky, lišící se tím svou trvanlivostí, zvýšenou průhledností, flexibilitou, šetrností k životnímu prostředí a nízkými náklady.

Získat graphene

Od roku 2004, kdy byly objeveny nejnovější nanomateriály, vědci zvládli řadu metod, jak je získat. Nicméně nejzákladnější z těchto metod jsou:

- mechanická exfoliace;
- epitaxní růst ve vakuu;
- chemické fázové chlazení (proces CVD).

První z těchto tří metod je nejjednodušší. Výroba grafenu v případě mechanického odlupování je použití speciálního grafitu na lepicí plochu izolační pásky. Poté se základna, podobně jako list papíru, začne ohýbat a odblokovat a oddělovat požadovaný materiál. Při použití této metody je grafen bohatý na nejvyšší kvalitu. Taková opatření však nejsou vhodná pro hromadnou výrobu tohoto nanomateriálu.

Při použití metody epitaxního růstu se používají tenké křemíkové desky, jejichž povrchovou vrstvou je karbid křemíku. Dále se tento materiál zahřívá při velmi vysoké teplotě (až do 1000 K). V důsledku chemické reakce se atomy křemíku oddělují od atomů uhlíku, z nichž první se odpaří. Výsledkem je, že na desce zůstává čistý grafen. Nevýhodou tohoto způsobu je potřeba použít velmi vysoké teploty, při kterých může dojít ke spalování atomů uhlíku.

Nejspolehlivější a nejjednodušší metodou pro hromadnou výrobu grafenu je proces CVD. Jedná se o způsob, při kterém dochází k chemické reakci mezi kovovým povlakovým katalyzátorem a uhlovodíkovými plyny.

Kde se vyrábí graphene?

K dnešnímu dni je největší společnost, která vyrábí nové nanomateriály, v Číně. Název tohoto výrobce je technologie Ningbo Morsh. Výroba graphenu byla zahájena v roce 2012.

Hlavním spotřebitelem nanomateriálu je společnost Chongqing Morsh Technology. Grafen je používán k výrobě vodivých průhledných fólií, které jsou vloženy do dotykových displejů.

V nedávné době známá společnost Nokia vydala patent na fotosensitivní matrici. Ve složení tohoto prvku, který je tak nezbytný pro optické přístroje, je několik vrstev grafenu. Takový materiál, používaný na snímačích kamery, významně zvyšuje jejich fotosenzitivitu (až 1000krát). Zároveň dochází ke snížení spotřeby elektrické energie. Dobrá kamera pro smartphone bude také obsahovat graphene.

Dostal se domů

Mohu doma udělat graphene? Ukázalo se to, ano! Stačí si vzít kuchyňský mixér s kapacitou alespoň 400 W a postupovat podle techniky vyvinuté irskými fyziky.

Jak vytvořit graphene doma? K tomu se do misky mísí 500 ml vody a do kapaliny se přidá 10 až 25 mililitrů jakéhokoliv detergentu a 20 až 50 gramů drcené břidlice. Pak by zařízení mělo pracovat od 10 minut až do půl hodiny, dokud se neobjeví závěs grafénových stupnic. Výsledný materiál bude mít vysokou vodivost, která umožní jeho použití v elektrodách fotobuňky. Také vyrobené v každodenních podmínkách graphene dokáže zlepšit vlastnosti plastů.

Oxidy nanomateriálu

Vědci aktivně zkoumají a takovou strukturu grafenu, která uvnitř nebo na okrajích uhlíkové mříže přiložila kyslík obsahující funkční skupiny nebo (a) molekuly. Je to oxid nejtvrdší nanosubstance, což je první dvourozměrný materiál, který dosáhl stadia komerční produkce. Z nanočástic a mikročástic této struktury vědci provedli vzorky centimetrů.

Tak, graphene oxid v kombinaci s diofilizirovannym uhlíkem byl nedávno přijat čínskými vědci. Jedná se o velmi lehký materiál, jehož centimetrová kostka se drží na okvětních lístcích malého květu. Ale nová látka, ve které se nachází oxid graphenu, je jedním z nejpevnějších na světě.

Biomedicínské aplikace

Oxid grafenového má jedinečnou vlastnost selektivity. To umožní této látce najít biomedicínskou aplikaci. Takže díky práci vědců bylo možné použít grafenový oxid pro diagnostiku rakoviny. Detekce maligního nádoru v počátečních fázích jeho vývoje umožňuje unikátní optické a elektrické vlastnosti nanomateriálu.

Oxid graftén také umožňuje cílené dodávky léčivých a diagnostických produktů. Na základě tohoto materiálu se vytvářejí sorpční biosenzory, které ukazují na molekuly DNA.

Průmyslová aplikace

Na deaktivaci infikovaných technogenních a přírodních objektů lze použít různé sorbenty na bázi oxidů graphenu. Kromě toho tento nanomateriál může zpracovávat podzemní a povrchové vody a také půdy tím, že je vylučuje radionuklidy.

Filtry na bázi oxidů graphenu mohou poskytovat vysoce čisté prostory, kde jsou vyrobeny speciální účelové elektronické součástky. Jedinečné vlastnosti tohoto materiálu nám umožní proniknout do jemných technologií chemické sféry. Zejména to může být extrakce radioaktivních, dispergovaných a vzácných kovů. Takže použití grafénového oxidu umožní extrahovat zlato z chudých rud.