Графеновая гонка. Как графен может изменить нашу жизнь?
2021 год был объявлен в России Годом науки и
технологий, а месяц июнь, согласно календарному плану Года,
посвящен новым производственным технологиям и материалам. Сегодня
мы поговорим об одном из таких новых перспективных материалов —
графене.
Графен — самый тонкий материал из когда-либо обнаруженных.
Впервые он был выделен в начале нулевых, а в 2010 году
выпускникам МФТИ, сотрудникам Манчестерского
университета Андрею
Гейму и Константину
Новоселову за это открытие присудили
Нобелевскую премию по физике. Есть много идей, как можно
применить этот тонкий и чрезвычайно прочный материал, о котором
так много говорят в последние годы.
Слой углерода толщиной в один атом
Толщина графена составляет всего один атом — это самый
тонкий материал в мире, его можно назвать двумерным объектом.
Представьте обычный грифель карандаша, которым вы пишете —
он состоит из нескольких миллионов слоев графена, и, по
сути, графит в карандаше — это
уложенные друг на друга слои графена.
Поэтому каждый из нас
хотя бы раз в жизни держал графен в руках. Материал был обнаружен
Геймом и Новоселовым, когда они изучали проводимость графита.
Приклеив скотч к куску графита, ученым удалось получить один слой
графена.
Идея отделить слой графена от графита с помощью скотча пришла к
ученым спонтанно. Скотч, с помощью которого образцы графита
готовят для работы на сканирующем туннельном микроскопе, после
процедуры обычно отправляется в мусорное ведро. Однако Новоселов
и Гейм решили найти куску скотча с остатками тонкого
слоя материала другое применение — за это впоследствии
их в шутку окрестили garbage scientists (мусорные ученые).
Фото: https://donschool86.ru
В возможность отделить один слой никто не верил. Семьдесят лет
назад Лев Ландау и Рудольф Пайерлс доказали, что таких материалов
существовать не может: силы взаимодействия между атомами должны
смять их в гармошку или свернуть в трубочку, пишет Forbes.
Однако графен оказался исключением из этого правила.
Практическое применение
Графену приписывают множество самых разнообразных практических
применений. Его возможно использовать для создания имплантов для
мозга, он
может применяться в системе охлаждения для спутников, графен
можно
превратить в сверхпроводник; полезен он и в быту:
например, в качестве
краски для волос. Уже сегодня графен применяется в
электронике, медицине: работы по нейродевайсам и биосенсорам
ведутся с 2008 года — но когда графеновую биоэлектронику
начнут массово применять на практике, пока трудно сказать.
Этот материал особо ценится за его прочность и упругость. А
еще графен очень прозрачный: его прозрачность составляет 97%.
«Сейчас есть много идей о том, как можно применять
графен. Были идеи, что получится его использовать в качестве
транзистора, как замена элементной базы современной электроники.
Но это, насколько я знаю, не пошло, и теперь пытаются
использовать его упругие свойства.
Если сравнить атомарный слой
углерода (чем по своей сути графен и является) и атомарный слой,
скажем, алюминия, то мы увидим, что жесткость графена будет как
минимум в десять раз выше. Так как графен одноатомный, то он
спокойно пропускает свет, то есть вы видите через него всё.
С другой стороны, он достаточно прочный, чтобы обеспечить
необходимую защиту от каких-то механических воздействий. Поэтому
графен можно применять как прозрачный, но прочный экран для
предохранения жидкокристаллических дисплеев, например. Его
прочность может быть полезной для создания гибких небьющихся
экранов, городских строений и др., возможно, он станет будущим
строительным материалом для космических кораблей, общественного
транспорта и т.д.», —
рассказывал в интервью «Научной
России» заместитель директора Института теоретической
физики им. Л.Д. Ландау РАН Игорь
БУРМИСТРОВ.
Нобелевские лауреаты К. Новоселов (слева) и А. Гейм. Источник фото: https://panorama.
pub/
Некоторые эксперты считают, что графен
даже может спровоцировать новый скачок в развитии человеческой
цивилизации. Кремниевая эра скоро закончится,
говорят ученые, ведь кремневая элементная
база, на которой создается современная техника, уже
подходит к своему технологическому и физическому пределу, и
в этом смысле графен может стать отличной
альтернативой. Использование графена в электронике поможет
создать более мощные компьютеры и системы. В мире его
уже используют для создания гибких мобильных
телефонов.
В свое время освоение металлов кардинально изменило жизнь
людей — ту же судьбу пророчат графену, называя его самым
загадочным и многообещающим новым материалом будущего, который
способен произвести революцию в энергетике. Графен дает
возможность получать энергию совершенно
новым способом. Этот материал обладает возможностью
пропускать позитивно заряженные атомы водорода, при том,
что он непроницаем для других газов, в том числе и для самого
водорода.
Это открывает перед учеными невероятные перспективы по
созданию топливных элементов на основе водорода. Так, например,
можно будет собирать в таких элементах водород из воздуха,
а затем получать с помощью графена электричество и воду,
практически не порождая никаких отходов.
Куртка из графена. Фото: https://fainaidea.com/
В прошлом году физики из США показали, что графен можно
использовать для сбора энергии: он способен вырабатывать энергию
с помощью окружающей среды. Учеными из Университета
Арканзаса была разработана схема, способная улавливать тепловое
движение графена и преобразовывать его в электрический ток.
«Энергосберегающая схема, основанная на графене, может быть
встроена в чип для обеспечения чистой, безграничной,
низковольтной энергии для небольших устройств или датчиков», —
отметил Пол Тибадо,
профессор физики, участвовавший в эксперименте.
Графен может быть использован для создания квантовых компьютеров,
благодаря этому материалу такие компьютеры могут стать
компактнее.
У графена могут быть и более общедоступные
применения, например в дизайне одежды. Вещи из графена, легкие и
плотные, уже сегодня можно найти на мировых рынках.
Графеновое будущее
Разработки на основе графена уже близки к массовому внедрению в
экономику, считает член-корреспондент РАН, научный
руководитель Корпоративного энергетического университета Евгений
Аметистов. При этом в графеновой гонке Россия отнюдь не
лидирует, и наши технологии далеки от совершенства.
В рамках программы финансирования науки (2014-2020 гг.) Евросоюз
выделил один миллиард евро на запуск производства графена в
промышленных масштабах. Проект объединяет 23 страны и 142
научно-исследовательских коллективов и промышленных партнёров. Не
так давно, в 2015 году, в Манчестере
открылся Национальный графеновый институт, строительство
которого финансировали Европейский фонд регионального развития и
правительство Великобритании. Однако более половины
мировых публикаций и заявок на патенты в области графена сегодня
принадлежит Китаю, где действует так называемый Инновационный
альянс графеновой промышленности.
А как обстоят дела в России? По числу исследований графена
Россия сегодня находится на 14-м месте в мире, пишет российский деловой еженедельник
«Эксперт». Причем процент российских научных публикаций по
теме графена падает, отмечает издание: в 2000-е годы он
составлял 5,6%, а в 2021 — только 2,3%.
Исследованиями графена в России занимаются свыше 30 организаций,
среди них различные институты Российской академии наук, МГУ им.
М.В. Ломоносова, предприятия ГК «Роскомос», частные фирмы. В
нашей стране есть свой Институт графена, на базе которого впервые
в России была создана установка полупромышленного типа для
производства чистого (почти 100%) графена.
Графеновый чип. Фото: http://www.inmesolgenerator.ru
«Сейчас идет своеобразная графеновая гонка. Наши позиции
изначально были очень хорошими, поскольку традиционно Россия
сильна в плане фундаментальной физики. Конечно, мы немного
упустили тот момент, когда мир рванул вперед», — рассказывал
директор центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Валентин
Волков на Международной конференции по двумерным материалам в г.
Сочи.
Уже сегодня в России графеновые и графеноподобные материалы
применяют для повышения ударной прочности экспериментальных
образцов карбидокремниевой брони для ударных вертолетов и военных
шлемов, при производстве солнечных панелей, используют
в составе литий-ионных аккумуляторов и т.д. Однако
массовое применение графена — вопрос будущего.
Фотографии в материале, включая фото на главной странице
сайта: https://ru.123rf.com
Зачем России графен — Ведомости
Это только один эпизод эпической битвы за патенты между гигантами технологической индустрии Samsung Electronics и Apple за лидерство на мировом рынке смартфонов / Андрей Гордеев / Ведомости
На этой неделе исследовательское подразделение Samsung Electronics представило новый тип литийионных аккумуляторов, которые можно будет заряжать за рекордные 12 минут – секрет в особых наночастицах, покрытых слоем графена, двумерного углерода, за открытие уникальных свойств которого выпускники МФТИ, сотрудники Университета Манчестера Андрей Гейм и Константин Новоселов получили в 2010 г.
Нобелевскую премию по физике. Это только один эпизод эпической битвы за патенты между гигантами технологической индустрии Samsung Electronics и Apple за лидерство на мировом рынке смартфонов – в том числе за патенты на технологии с использованием подобных графену двумерных материалов, новости о применении которых появляются фактически каждую неделю. Apple, например, недавно получила патент на акустические диафрагмы с графеном для использования в устройствах следующих поколений, а патентный портфель Samsung уже настолько широк, что можно говорить о целой линейке будущих продуктов с графеном.
Интерес крупных компаний к графену логичен: его уникальные физико-химические свойства позволяют создавать на его основе самые разные технологии. На наших глазах совершается новая технологическая революция – графеновая, однако Россия в нее пока не включилась.
Масштаб интереса ученых к графену описывается огромным количеством публикаций в мировых научных журналах: менее чем за 14 лет с момента его открытия вышло около 130 000 работ.
Свойства этого материала открывают новые возможности для фундаментальных исследований, однако конкретно в случае графена особенно интересны их коммерческие перспективы. Значительный рост числа патентов, в которых предлагается использовать графен, говорит о том, что мир уже вступает в эру применения новых материалов. Согласно мультидисциплинарной базе данных Scopus, включающей записи пяти ведущих патентных ведомств, на сегодня в мире зарегистрировано более 50 000 заявок и патентов с упоминанием графена. Больше половины принадлежит Китаю – и его доля продолжает расти, следом в группе лидеров находятся Южная Корея, США, Япония и Тайвань. Любопытно, что в Китае по числу заявок лидируют национальные университеты, в Южной Корее – корейские коммерческие компании, а в США – частный бизнес, как американский, так и иностранный.
Лидерство Китая неудивительно. Развитие индустрии новых материалов там поддерживается на государственном уровне – в рамках планов тринадцатой китайской пятилетки (2016−2020 гг.
). Ожидается, что двумерные материалы в целом и графен в частности будут играть решающую роль в модернизации традиционных и создании новых отраслей промышленности Китая. Для координации исследований и разработок и внедрения их в промышленность в далеком по меркам графена 2013 году был создан Инновационный альянс графеновой промышленности Китая, по оценкам которого на Китай в будущем будет приходиться до 80% мировой графеновой индустрии.
Китай не одинок: графен в качестве одного из самых перспективных материалов ближайшего будущего рассматривают практически все ведущие азиатские экономики. Миллиардные вложения в эту область делают и на Западе. В Евросоюзе координация исследований в области графена, взаимодействие научных организаций и индустриальных партнеров идут в рамках десятилетнего пилотного проекта Graphene Flagship стоимостью 1 млрд евро. В США в 2017 г. была создана Национальная графеновая ассоциация, объединившая предпринимателей, исследователей, разработчиков и производителей, инвесторов, венчурных капиталистов и государственные учреждения для стимулирования инноваций, продвижения и коммерциализации продуктов и технологий на основе графена.
В консультативный совет ассоциации входят представители Apple, IBM, Cisco, а также два наших соотечественника – выпускника МФТИ: генеральный директор одного из ведущих производителей графена в мире Graphene 3D Lab Inc. (среди клиентов – Apple и NASA) Елена Полякова и профессор Свободного университета Берлина Кирилл Болотин.
Мир графена вообще славен российскими именами. Помимо Гейма и Новоселова графеном занимаются множество российских ученых с мировыми именами: Александр Баландин (Калифорнийский университет в Риверсайде), Дмитрий Басов (Колумбийский университет), Леонид Левитов (Массачусетский технологический институт), Виктор Рыжий (МФТИ), Владимир Фалько (директор Национального института графена, Университет Манчестера) и др. Но практически все заметные достижения россиян в области двумерных материалов получены за рубежом: в России выстроенная госполитика в отношении таких перспективных исследований отсутствует. За рубежом поддержка проводится не просто за счет создания научных лабораторий и профессорских позиций в ведущих университетах, а посредством открытия национальных исследовательских центров, которые совмещают научные исследования с практическими разработками, – такие центры есть в Китае, США, Великобритании, Японии, Южной Корее, Сингапуре, Малайзии, Бразилии и Южной Африке.
Чтобы оценить, насколько такая модель поддержки оправдывает себя, достаточно сравнить показатели публикационной активности и востребованности научных публикаций России и Сингапура в целом и отдельно Сингапурского центра двумерных материалов: по части графеновых исследований один центр в небольшом городе-государстве оказывается в несколько раз эффективнее всей российской науки.
Россия, несмотря на отсутствие сколько-нибудь выраженного интереса к этой области со стороны государства, по общему числу публикаций о графене находится на 14-м месте мирового рейтинга – в сложившихся условиях весьма достойный результат. В нашей стране исследования с графеном сосредоточены по большей части в стенах Академии наук и в нескольких лабораториях ведущих вузов – участников Проекта 5-100. В МФТИ исследования и разработки в этой области ведутся в Центре фотоники и двумерных материалов.
В России пока не осознали масштаба влияния новых материалов на высокотехнологичную промышленность. Но есть ли у нас в принципе производство, которое было бы заинтересовано в таких исследованиях? Да, в области наноэлектроники, где использование графена открывает очень большие перспективы, наши шансы на лидерство уже минимальны.
Но для сохранения позиций в авиационной, ракетно-космической и оборонной промышленности России необходимо обратить внимание на двумерные материалы. Американские гиганты Boeing и Lockheed Martin уже стали одними из ведущих разработчиков новых технологий на основе графена, а европейские Airbus и Thales называются в числе основных выгодоприобретателей общеевропейской программы Graphene Flagship. Манчестерский институт графена совместно с Институтом аэрокосмических технологий Великобритании разработали долгосрочную программу прикладных исследований графена в аэрокосмической сфере, которая будет запущена в конце 2017 г. Boeing 787 Dreamliner уже сейчас на 50% состоит из композитных материалов, что позволило снизить расход топлива на 30%. И вытеснение традиционных для авиастроения материалов теперь уже за счет использования двумерных материалов будет продолжаться.
Графен также может быть использован в ключевой для России области нефте- и газодобычи: ведущие нефтесервисные компании мира изучают и патентуют графенсодержащие жидкости, которые могут быть использованы в буровых растворах для управления толщиной и свойствами фильтрационной корки.
Ряд компаний предлагают использовать графен для изготовления полимерных труб и функциональных покрытий для нефте- и газопроводов. Двумерные материалы открывают большие перспективы для развития возобновляемой энергетики за счет разработки прозрачных солнечных батарей и сверхъемких аккумуляторов. Это вынуждает нефтедобывающие компании (например, Repsol, Statoil и Petronas) диверсифицировать риски, инвестируя в графеновые технологии. В частности, испанская Repsol c 2013 г. является инвестором ведущего европейского производителя графена Graphenea. Арабские Эмираты на государственном уровне вложились в создание инновационного инжинирингового графенового центра в Манчестере. Центр будет носить имя национальной компании ОАЭ Masdar, инвестирующей в возобновляемые источники энергии и чистые технологии.
Также двумерные материалы имеют большой потенциал применения в автомобилестроении, робототехнике и легкой промышленности. Это строительный материал для различных устройств и датчиков, которые могут обеспечить работу интернета вещей.
И просто фантастическим видится применение двумерных материалов в области биомедицинских приложений: возможности in vivo мониторинга состояния организма, направленной стимуляции и высокоточной регистрации активности нейронов головного мозга. Это позволит создать принципиально новые технологии нейропротезирования и нейроинтерфейсов, которые смогут напрямую передавать информацию из мозга человека в компьютер и наоборот.
В разные периоды развития цивилизации человек учился обрабатывать камень, работать с металлами и полупроводниками. Теперь пришло время работы с двумерными материалами вообще и с графеном в частности – и важно не растратить его попусту. В этом смысле у графена есть важное преимущество. Для работы с ним и, что гораздо важнее, для получения на его основе коммерчески перспективных технологий далеко не всегда требуется дорогостоящее научное оборудование. Экспериментальные образцы Гейм и Новоселов получили, отшелушивая одноатомные слои от кусочка графита при помощи обычного скотча.
Этот метод они используют в своих лабораториях и по сей день: так удается получать и другие двумерные материалы самого высокого качества. Конечно, передовые лаборатории оснащены самыми современными приборами, а исследования проводятся в помещениях с минимальным числом пылинок в воздухе, но при этом значительная часть прикладных разработок может выполняться в условиях, доступных большинству исследователей во всем мире.
Сейчас, когда в России говорят о будущем, мы слышим в основном об искусственном интеллекте, блокчейне, криптовалютах и квантовых технологиях. Графен же у нас подобен Золушке, которая, как мы помним, была самой скромной и недооцененной, но при этом самой талантливой из своих сестер. Безусловно, роль информационных технологий в ближайшем будущем будет только расти, однако одни лишь они не могут решить всех задач, которые стоят перед человечеством. В новом дивном мире, где важную роль будет играть индустрия двумерных материалов, Россия тоже может занять достойное место.
Главное – осознать этот факт сейчас, пока и у нас еще есть шансы на графеновое будущее.
Авторы – директор центра фотоники и двумерных материалов МФТИ; научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ
40 способов, которыми графен изменит вашу жизнь
Кредит изображения: ICFO
(Изображение предоставлено ICFO)
Аудиоплеер загружается…
Он мощный, гибкий и существует уже некоторое время. Он долго совершенствовался и развивался в лабораториях, но графен появился на рынке уже пару лет… и это оказывает влияние.
Первая волна продуктов на основе графена используется в мире смартфонов, носимых устройств, аккумуляторов, виртуальной реальности, спортивного инвентаря, суперконденсаторов и суперкаров… и это только начало.
Графен — это материал, который, по мнению , некоторые из , был извлечен из заброшенных космических кораблей, оставленных на Земле инопланетянами много лет назад. Хотя это немного маловероятно, сила этого сверхтонкого, прочного, проводящего и во всех отношениях удивительного материала заслуживает такого заговора.
Прошло уже более 60 лет, как ученые и производители изо всех сил пытались использовать силу этого удивительного материала, но он приближается к революционным изменениям во многих вещах, которые мы используем изо дня в день.
Недавно мы обновили эту страницу, добавив еще 10 способов, с помощью которых графен может изменить вашу жизнь. Тем не менее, ряд этих новых достижений все еще находится на стадии прототипа, а не поступил в продажу.
Хотите знать, почему? Ознакомьтесь с нашей функцией, почему графен занимает так много времени?
Графеновое охлаждение в Huawei Mate 20 X
Huawei Mate 20 X имеет слой графена в своей «суперхолодной системе». Изображение предоставлено: Huawei (Изображение предоставлено Huawei)
Зарождающаяся индустрия графена давно задавалась вопросом, почему крупные технологические фирмы не регулярно коммерциализируют свой «чудо-материал», поэтому включение его в Huawei Mate 20 X — довольно большая новость.
Однако подробностей о том, как графен используется в «суперкрутой системе» этого 7,2-дюймового телефона, немного.
Все, что мы знаем, это то, что графеновая пленка (которая великолепно рассеивает тепло благодаря своей структуре) используется в сочетании с испарительной камерой, чтобы поддерживать охлаждение Mate 20 X, даже когда процессор и графический процессор работают на пределе своих возможностей. .
Это может случиться очень часто, поскольку его массивный экран, 7-нм чипсет Kirin 980, 6 ГБ ОЗУ и аккумулятор емкостью 5000 мАч делают Huawei Mate 20 X телефоном, который, вероятно, будет использоваться для интенсивных игр.
Графеновая наноэлектроника
Группа исследователей из Дании исследует графеновую наноэлектронику. Изображение предоставлено: Carl Otto Moesgaard (Изображение предоставлено Carl Otto Moesgaard)
Ультратонкий и двумерный графен проводит электрический ток как ничто другое, что теоретически должно означать гораздо более быстрые и энергоэффективные формы электроники. Что сдерживало его, так это проблема ширины запрещенной зоны; как создать графеновый транзистор, который надежно включается и выключается.
Исследователи из DTU Physics в Дании придумали новую технологию «сэндвича» на основе нанолитографии , которая позволяет доводить графен до наноразмерных размеров, не нарушая его электрических свойств.
«Тот факт, что мы можем адаптировать электронные свойства графена, является большим шагом на пути к созданию новой электроники с чрезвычайно малыми размерами», — говорит исследователь Питер Бёггильд.
Графеновый пластырь для фитнеса
Этот фитнес-пластырь измеряет частоту сердечных сокращений, уровень жидкости в организме и частоту дыхания. Изображение предоставлено: ICFO (Изображение предоставлено ICFO)
Поскольку графен является гибким и чрезвычайно чувствительным к изменениям температуры и света, у графена большое будущее в носимых устройствах. Этот «трансдермальный фитнес-пластырь» от ICFO в Барселоне делает все, что может ваш Fitbit, и даже больше, но в виде наклеивающегося пластыря.
Он измеряет частоту сердечных сокращений, гидратацию и частоту дыхания с большей точностью и меньшим энергопотреблением, чем современные фитнес-браслеты, и подходит для любой поверхности.
К сожалению, пока это только прототип, но ICFO считает, что он может легко подключаться к вашему смартфону и давать вам оповещения, когда вы немного обезвожены… потому что мы так заняты просмотром наших телефонов, что мы забыли отметить, когда мы хотим пить.
Антенны NFC из графена могут войти в историю пластиковых карт. Изображение предоставлено: CNR (Изображение предоставлено CNR)
Одноразовый пластик — это не будущее, но в настоящем он повсюду. Ключ-карты отелей (и бесконтактные банковские карты) в настоящее время изготавливаются из пластика с антенной NFC внутри, в которой используются редкие металлы.
Однако, если вы сделаете эту антенну NFC из графена — материала, который представляет собой не что иное, как углерод, которого много на планете Земля — и напечатаете ее на переработанной бумаге с использованием графеновых чернил, это означает гораздо меньше отходов.
Наряду с электронными ключами, предназначенными для отелей, которые демонстрирует CNR Италии , та же технология может также означать экологичное производство посадочных талонов, концертных браслетов, билетов на поезд и многое другое… со встроенным NFC внутри в качестве бонуса.
Графеновый цемент
Графеновый цемент означает отсутствие необходимости в электрических кабелях. Изображение предоставлено: Italcementi (Изображение предоставлено Italcementi)
Как насчет дома без (дорогой) меди и проводов? Один из самых популярных дисплеев на Mobile World Congress 2019Графеновый павильон компании Italcementi был «проводящим цементом».
Графен внутри делает его проводящим, поэтому нет необходимости прокладывать электрические кабели в стенах. Но есть и другое, скрытое применение: охлаждение.
В жарких странах стена, которая легко рассеивает тепло, автоматически сделает дом прохладнее без необходимости в дорогостоящем кондиционере. Пропитанный графеном цемент также может означать встроенные проводящие полосы графена вокруг дома для освещения и обогрева полов.
Наушники MediaDevil Artisanphonics CB-01 Nanene
Графен улучшает басы. Изображение предоставлено: MediaDevil/Versarien (Изображение предоставлено: MediaDevil/Versarien)
Если вам нужен графен, вы можете получить его прямо сейчас по низкой цене.
В продаже у лондонской компании MediaDevil есть наушники Nanene с «улучшенным звуком», произведенные Versarien.
Мембрана диафрагмы в каждом наушнике сделана из графена, поэтому она намного тоньше, но имеет такую же прочность и долговечность, как обычная мембрана.
Однако благодаря своей гибкости им можно лучше управлять, что позволяет улучшить высокие и низкие частоты. Они совместимы с iOS и Android.
Графеновые настольные игры
Графен делает любую поверхность чувствительной к прикосновению и способной светиться. Изображение предоставлено: Novalia / Кембриджский университет (Изображение предоставлено: Novalia / Кембриджский университет)
Как насчет игры в монополию… со светом? Используя электролюминесцентные чернила, излучающие свет благодаря графену, Novalia и Кембриджский университет разработали демонстрационную настольную игру под названием Homeward Bound, в которую интегрированы сенсорные панели, светящиеся игральные кости и карты «шанс».
которые многоязычны.
Он не поступит в продажу, но подчеркивает тот факт, что графеновые чернила можно печатать на картоне, дереве, бумаге (или на чем угодно) для создания умных поверхностей.
Детекторы графеновых газов и «анализаторы воздуха»
Электролюминесцентные чернила могут обнаруживать влагу и газы. Изображение предоставлено: ICN2 (Изображение предоставлено ICN2)
Электролюминесцентные чернила на основе графена были продемонстрированы ICN2 (Каталонский институт нанонауки и нанотехнологий) для работы в качестве детекторов газа.
Прототип ICN2 представляет собой электролюминесцентный дисплей с трафаретной печатью, который может определять все, от уровня влажности до токсичных газов, таких как окись углерода, двуокись углерода или окись азота.
Когда внутренний графеновый датчик реагирует на изменения в составе воздуха, он становится проводящим, и загорается свет, интенсивность которого варьируется в зависимости от количества обнаруженного газа.
Тартуский университет в Эстонии также создал Graphene Air Sniffer (GAS), который имеет миниатюрные датчики на основе графена, которые могут обнаруживать очень низкие уровни загрязняющих веществ в воздухе.
Графеновые «суперколпачки» для телефонов
Суперкапсы могут заряжаться и разряжаться с очень высокой скоростью. Изображение предоставлено: Thales/M-SOLV (Изображение предоставлено Thales/M-SOLV)
Поскольку графен так прекрасно проводит электричество, его можно использовать для создания сверхбыстрых зарядных батарей, которые могут выдерживать токи со скоростью, в десятки раз превышающей ток литиевых батарей. .
Суперконденсаторы или «суперконденсаторы» — это устройства хранения данных, которые могут заряжаться и разряжаться с очень высокой скоростью. Над добавлением графена в течение пяти лет работал аэрокосмический гигант Thales и M-SOLV . новая вкладка).
Новый метод нанесения покрытия распылением позволил исследователям увеличить мощность суперконденсаторов в пять раз.
Ожидайте запуск продуктов в конце 2019 года.
Умная одежда из графена
Ожидайте все больше и больше электронного текстиля на основе графена. Изображение предоставлено: VTT (Изображение предоставлено VTT)
Думаете, эра носимых устройств означает Fitbits и Apple Watch 4? Если эти громоздкие устройства представляют собой первую волну носимых устройств, возможно, второй будет «умная одежда», работающая на графене.
Поскольку графеновые чернила можно печатать на гибких поверхностях, таких как пластиковые листы, бумага и ткани, можно производить электропроводящую одежду на основе графена, такую как эта футболка Touch Interface от Центра технических исследований Финляндии VTT (opens в новой вкладке).
Работая как емкостные сенсорные электроды, печатная графеновая схема находится внутри футболки, а кнопки снаружи. В сочетании с телефоном или телевизором через Bluetooth это означает, что вы можете ответить на звонок, постукивая по одежде.
Это также может позволить солдатам, пожарным, лыжникам и другим спортсменам отвечать на звонки на ходу, а также облегчить пожилым людям вызов экстренных служб.
Графеновая накладка для отслеживания УФ-излучения
Эта графеновая накладка измеряет воздействие УФ-излучения на кожу. Изображение предоставлено: Jamie Carter
Одежда с защитой от УФ-излучения, которая пропускает часть вредных солнечных лучей на вашу кожу, теперь является обычным явлением, но что, если бы ваша одежда могла на самом деле сказать вам, когда ваша кожа получила достаточное количество УФ-излучения? В этом и заключается идея этого ультратонкого и гибкого сенсора.
«Его можно наклеить прямо на кожу, на плавки или на одежду», — говорит профессор Франк Коппенс из ICFO (Институт фотонных наук) в Барселоне. «Он измеряет УФ-индекс и отправляет сигнал на ваш телефон, когда вам нужно уйти с солнца». В настоящее время идет процесс миниатюризации, в будущем этот патч будет еще меньше и будет полностью прозрачным.
Интеллектуальный мониторинг стельки для спортсменов
Графеновая пена в стельке реагирует на изменение давления. Изображение предоставлено: Джейми Картер
Графен также делает большие успехи в умной обуви. Носки и стельки, чувствительные к давлению в режиме реального времени, не новы, но в большинстве таких продуктов в них встроено всего несколько датчиков давления. У этого прототипа их более 100. Способный точно измерить, где ваши ноги касаются подошвы, легкая пена с графеном реагирует на изменения давления — и на точном миллиграммовом уровне.
«Я могу получить качественное число того, насколько каждая точка моей стопы давит на подошву, и представить картографирование давления обуви, и все это в приложении для смартфона», — говорит Ярджан Абдул Самад из Кембриджского графенового центра Университета Кембридж.
Прохладные графеновые туфли
Графеновые туфли изгоняют горячие вонючие ноги. Изображение предоставлено: Jamie Carter
Графен может похвастаться отличной теплопроводностью, так куда его лучше положить, как не в жаркое и вонючее место? В этом прототипе графеновой обуви, разработанном Istituto Italiano di Tecnologia, BeDimensional и тосканским сапожником Fadel, графеновые чешуйки добавляются к полиуретану.
Конечным результатом является обувь, которая рассеивает на 50% больше тепла, чем обувь, изготовленная только из полиуретана.
Это отличный способ понять значение графена в производственном процессе; обычно это дополнение, а не замена существующих материалов. Еще более поразительно то, что эти графеновые туфли состоят всего из 1% графена.
Самый эффективный солнечный элемент в мире
Графен был использован для изготовления самого эффективного солнечного элемента. Изображение предоставлено: Graphene Flagship
Может ли графен помочь нам более эффективно улавливать солнечную энергию? Первые признаки хорошие: Istituto Italiano di Tecnologia использует графен для создания больших солнечных элементов из перовскита (неорганических кристаллов).
«Графен используется для повышения эффективности и стабильности солнечного элемента», — сказала Беатрис Мартин-Гарсия из IIT, которая сказала TechRadar, что, хотя он не прослужит так долго, как солнечный элемент, сделанный из кремний, версия с добавлением графена уже в четыре раза дешевле в производстве.
Это такой же важный фактор потенциального воздействия графена, как и его «магические» качества.
Графеновые интерфейсы мозг-компьютер
Гибкие графеновые цепи могут быть наложены на человеческий мозг. Изображение предоставлено: Валдек Лаур (EU2017EE) / Graphene Flagship
Гибкость графена означает, что его можно использовать в мозговых имплантатах, которые записывают и стимулируют мозговые сигналы на поверхности мозга. «Графен позволяет создавать менее инвазивные нейронные имплантаты нового поколения», — говорит профессор доктор Хосе А. Гарридо, профессор-исследователь ICREA в ICN2.
«Он может быть легко интегрирован в гибкие подложки, имеет очень высокое отношение сигнал/шум, поэтому сохраняет очень высокое качество электрического сигнала, а также сводит к минимуму использование кабелей».
Работа Гарридо в Центре стимуляции речи ICN2 и BrainCom сосредоточена на обеспечении канала связи для пациентов с тяжелыми нарушениями речи (такими как инсульты и заболевания двигательных нейронов) путем картирования области мозга, коррелирующей с произношением речи.
Компрессор графенового криоохладителя для 5G
Слои графена позволяют создать эту компактную базовую станцию для 5G. Изображение предоставлено: Jamie Carter
Мобильные антенны и приемники нуждаются во все большем и большем охлаждении, чем выше пропускная способность данных, иначе они перегреваются. Таким образом, значительное увеличение пропускной способности данных, необходимое для базовых станций 5G , является загадкой для телекоммуникационной отрасли. С помощью этого миниатюрного охлаждающего насоса можно довести электронные системы до криогенных температур.
«Мы разработали небольшой компрессор на основе графена, который примерно в десять раз меньше того, что можно сделать из других материалов», — объясняет Ларс Лундгрен из APR Technologies AB, Швеция. Без движущихся частей и с графеном в каждом втором слое он создает давление, необходимое для охлаждения базовых станций примерно до -150 градусов по Цельсию, при этом сигнал 5G остается стабильным.
Ericsson и Nokia участвуют.
Графеновые детекторы инфекций
Графен используется для анализа образцов крови за 10 минут. Изображение предоставлено: Джейми Картер
Эпидемия лихорадки Эбола в Западной Африке, впервые зарегистрированная в марте 2014 года, унесла жизни более 11 000 человек в Либерии, Гвинее, Сьерра-Леоне, Нигерии, Мали и США. Так как же нам остановить следующий? Графеновые фотодетекторы, вот как.
Проблема во время эпидемии заключается в том, что анализы крови занимают дни, а людей в таких местах, как аэропорты и центры городов, нужно проверять немедленно. Эта сенсорная платформа, созданная Королевским технологическим институтом KTH в Швеции для работы с крошечной каплей крови, основана на кремниевой фотонике и графеновых фотодетекторах, которые находят определенные молекулярные пары в инфракрасном спектре. По сути, он идентифицирует молекулярный отпечаток конкретного заболевания.
Это то, что уже можно делать в лабораториях, но графен делает его мобильным и очень дешевым, поскольку в нем используются те же процессы производства кремниевых чипов, которые уже используются для чипов для смартфонов.
Детектор прикрепляется к смартфону и в течение 10 минут подтверждает, есть ли у кого-то заболевание.
Графеновые наушники
Наушники Xiaomi Mi Pro HD содержат графен. Изображение предоставлено: Xiaomi
Хотя графен был обнаружен в Манчестерском университете, исследования его потенциального использования стали глобальными: научные лаборатории в Китае зарегистрировали больше патентов, чем в любой другой стране. Поэтому неудивительно, что один из ведущих китайских брендов бытовой электроники одним из первых начал использовать графен в своих продуктах. Наушники Xiaomi Mi Pro HD — это последний продукт Xiaomi, в котором используется графен, хотя его точная роль неясна.
Все, что Xiaomi скажет, это то, что он содержит «25-ступенчатый процесс» графеновую двойную диафрагму, «чтобы сохранить богатые детали и сделать низкие ноты мягкими». Графеновая диафрагма «более пластична на высоких частотах, производит насыщенные, резкие и кристально чистые звуки» и «проводит 100% проходящих через них электрических сигналов».
Xiaomi также продает ультратонкий пояс PMA Graphene Smart Therapy Belt A10, в котором используется ткань, пропитанная графеном.
Графеновые плоскости
В авиации вес решает все, а это означает огромные затраты на топливо. Большинство пассажирских авиакомпаний перевозят достаточно топлива не только для того, чтобы выдержать вес самолета и пассажиров, но и для веса самого топлива. Поэтому неудивительно, что такие люди, как сэр Ричард Брэнсон , считают, что все самолеты будут построены из сверхлегкого графена в течение десятилетия.
Гораздо легче и намного прочнее, чем используемые в настоящее время композиты из углеродного волокна, графен привлек внимание компании Airbus, которая является членом исследовательской группы Graphene Flagship и провела в прошлом году симпозиум по инновациям в области графена.
Графеновые чехлы для телефонов
NanoCase использует графен для рассеивания тепла. Изображение предоставлено: NanoCase
Чехлы для смартфонов со встроенными батареями для дополнительного пополнения просто не прижились, но проблема быстрой разрядки батарей телефонов сохраняется, особенно для опытных пользователей.
Cue NanoCase (откроется в новой вкладке) для iPhone X, iPhone 8/8 Plus и iPhone 7/7 Plus, который содержит графеновую панель, которая быстро рассеивает избыточное тепло внутри телефона.
Это продлевает срок службы аккумулятора телефона на 20%, утверждают производители NanoCase. Тем не менее, это поможет вам только в том случае, если вы являетесь добрым пользователем телефона, который так интенсивно использует свой телефон, что он нагревается. Геймеры, обратите внимание.
- 1
Текущая страница:
20 способов, которыми графен изменит вашу жизнь
Следующая страница Еще 20 способов, которыми графен изменит вашу жизнь
Эндрю — независимый журналист, он пишет и редактирует некоторые из ведущих британских изданий о технологиях и образе жизни, включая TrustedReviews, Stuff, T3, TechRadar, Lifehacker и другие.
Графен — что это такое и для чего он используется?
Графен представляется одним из наиболее перспективных материалов для разработки новых технологий в самых разных отраслях.
Его изобретение в 2004 году принесло Андрею Гейму и Константину Новосиолу Нобелевскую премию по физике. Европейский Союз инициировал международный проект «Графеновый флагман» для дальнейшего коммерческого применения этой необычной структуры.
Графен – что это такое и откуда
Прорывной характер графена заключается прежде всего в его двумерности. Физически это слой одиночных атомов углерода, расположенных в виде шестиугольника, который визуально похож на соты. Таким образом, графен является аллотропом углерода.
В 1940-х годах Филип Рассел Уоллес разработал теоретическую концепцию создания одноатомной углеродной структуры. Однако на протяжении многих лет эта идея отвергалась большинством ученых. Только шесть десятилетий спустя его можно было превратить в реальный, осязаемый материал.
Дуэту Гейма и Новосиолова из Манчестерского университета удалось выделить графен из куска графита путем переноса атомов углерода на слой диоксида кремния (SO 2 ) с помощью клейкой ленты.
Силикагель сыграл важную роль в этом процессе, изолируя графеновый слой с нейтральным электрическим зарядом. Этот метод в настоящее время используется только в небольших масштабах для исследовательских целей.
Необычные свойства графена
Что такого особенного в этом сверхтонком слое атомов углерода, что очаровало научный мир? Графен оказался чрезвычайно хорошим проводником тепла и электричества. Он также характеризуется низким активным сопротивлением. В этом отношении он является конкурентом меди и кремния.
При комнатной температуре электроны графена демонстрируют беспрецедентную для других материалов подвижность. Их высокая скорость, достигающая 1/300 скорости света, открывает интересные возможности для использования в диагностике.
Графен тоже почти прозрачен — он поглощает 2,3% белого света. Поэтому его исключительный электрический потенциал идет рука об руку с оптическим. Несмотря на чрезвычайно тонкую структуру , графен до 100 раз прочнее стали.
При этом сохраняет высокий уровень гибкости (растяжимость до 20% в длину или ширину).
Мембрана из оксидированного графена полностью непроницаема для газов, но проницаема для воды, поэтому ее можно использовать для фильтрации. Также следует отметить антимикробные свойства материала.
Перспективы графена – применение в различных отраслях промышленности
Электронные, оптические, термические и механические свойства графена открыли двери для его многочисленных практических коммерческих применений, которые, по мнению экспертов, будут динамично развиваться в ближайшие десятилетия.
Уже сегодня графен считается преемником кремния в области электроники. Этот прозрачный и гибкий проводник можно использовать для производства фотогальванических элементов, сворачивающихся дисплеев и сенсорных панелей, а также светодиодных фонарей. Это также значительно увеличивает частоту электромагнитных сигналов, что позволяет производить более быстрые транзисторы.
Графеновые датчики также вызывают значительный интерес. Благодаря исключительной чувствительности они могут обнаруживать отдельные молекулы опасных веществ, что упрощает мониторинг окружающей среды. Оксид графена, распространяемый в воздухе, также обладает способностью удалять радиоактивные загрязнения.
Перспективы разработки новых продуктов с графеном увеличиваются с каждым годом Существующие приложения с наибольшим потенциалом включают:
- современные электрические сети;
- энергосберегающие источники света;
- полупроводники, используемые в устройствах спинтроники;
- более эффективные антикоррозийные покрытия;
- фильтрация воды для очистки и опреснения;
- Оптоэлектронные системы связи.
Кроме того, есть предположения о перспективах использования графена для производства более легких и прочных конструкционных компонентов автомобилей, самолетов, кораблей и устройств. В сочетании с искусственными материалами (например, резиной) его можно использовать для создания, например, теплопроводной резины.
На основе графена уже разработана чрезвычайно прочная бумага, способная проводить электричество.
Биосовместимый графен – медицинские приложения
Следует отметить также возможность использования графена в области биомедицины, как в диагностических, так и в терапевтических областях. Как носитель лекарств оксид графена характеризуется высокой биосовместимостью и отличной растворимостью. Это позволяет точно дозировать противовоспалительные и противораковые средства, а также ферменты и минеральные вещества.
Поскольку графен является идеальным проводником тепла, он также используется для уничтожения раковых опухолей. Феномен термоповреждения позволяет использовать аккумулированное им тепло для уменьшения боли в тканях. Уже ведутся работы по производству медицинских принадлежностей с подогревом и одежды.
Листы графена также используются в качестве биосенсоров и могут помочь в диагностике рака и неврологических заболеваний (например, эпилепсии или болезни Паркинсона) с помощью портативных устройств.
Ожидается, что графеновый зонд, разработанный поляками, произведет революцию в тестировании ЭКГ, позволяя проводить измерения на уровне сердца.
Антибактериальные свойства графена также дают возможность решить кризис, связанный с растущей нечувствительностью бактерий к антибиотикам. Графен может быть использован в качестве основы для разработки средств, предназначенных для местного инфекционного контроля и дезинфекции ран.
Возможность использования графена в тканевой инженерии выглядит очень многообещающе. Механическая прочность инновационных углеродных лесов чрезвычайно высока. Исследования показывают, что он ускоряет дифференцировку стволовых клеток и способствует более быстрому выздоровлению.
Производство графена
С 2014 года графен производится в больших масштабах для коммерческих целей. Новые микромеханические технологии позволили значительно снизить стоимость материала. В настоящее время его ведущими производителями являются США и Китай, где можно найти значительные объемы дешевого аморфного графита.
Предпочтительный в области электроники высококачественный графен должен производиться из графита достаточного качества, а для этого требуются плоские упорядоченные кристаллы, полученные при специальной обработке. Цена материала соответственно выше.
Корейским исследователям удалось разработать эффективный и экономичный способ производства графена методом химического осаждения из паровой фазы (CVD). Недостатком этого решения является более низкое качество материала и более высокая частота брака. Однако в некоторых приложениях это не представляет проблемы.
Поляки также внесли свой вклад в разработку инновационных методов производства графена. Институт технологии электронных материалов в Варшаве имеет патент на производство материала из карбида кремния. В 2015 году исследователи из Лодзинского университета в Польше разработали революционную технологию HGSM, позволяющую производить высококачественные широкоформатные листы из жидкой фазы.
Безопасен ли графен?
Будучи относительно новым материалом, графен вызывает понятные сомнения в контексте возможного воздействия на здоровье человека.