Где применяется графен: Уникальное вещество и его применения – Наука – Коммерсантъ

Графен в электронике: сегодня и завтра

Графен у всех на слуху, однако не все четко представляют себе, что это за материал и как он применяется в настоящее время.

В данном обзоре, не претендующем на всеохватность этой бурно развивающейся сейчас темы, представлена информация об этом материале и областях его применения.  

Общие сведения

Графен был экспериментально обнаружен в 2004 г. двумя английскими учеными российского происхождения — Андреем Геймом и Константином Новосёловым, за что они вскоре получили Нобелевскую премию по физике. Графен представляет собой слой атомов углерода, соединенных в гексагональную двумерную кристаллическую решетку. Это, по сути, пленка углерода толщиной в один атом, имеющая строго упорядоченную кристаллическую структуру. Графен можно считать развернутой в плоскость одностенной нанотрубкой или двумерным фуллереном, или же отдельно взятым атомарным слоем из множества таких слоев, составляющих монокристалл пиролитического графита.  

Структура графена  

Слой графита толщиной в один атом обладает рядом ценных свойств: отличается высокой стабильностью, в т.ч. и при комнатной температуре, а также высокой тепло- и электропроводностью. Подвижность электронов в графене в 10—20 раз выше, чем в арсениде галлия. Из этого материала можно создавать чипы, пригодные для работы на терагерцовых частотах. Хотя монослои графита обладают такой же подвижностью носителей зарядов при комнатной температуре, как и нанотрубки, однако для него, в общем случае, применима обычная, отработанная годами планарная технология. К тому же, благодаря двумерной структуре управляющий ток может быть легко увеличен за счет изменения ширины проводящего канала.

Проводник или полупроводник?

На пути создания графеновой электроники остается еще много препятствий, в т.ч. невозможность выращивания больших графеновых пластин, высокая стоимость материала и трудности с управлением его проводимостью. В частности, еще недостаточно разработаны способы получения полупроводников из графена — до сих пор графен и его производные известны только в виде проводников и изоляторов.

Недавно был получен полупроводниковый материал на основе графена, в котором атомы кислорода заключены в гексагональную структуру графена. По замыслу исследователей, в ходе нагрева оксида графена в вакууме должен был выделиться кислород и получиться многослойный графен. Однако при повышении температуры атомы углерода и кислорода стали выстраиваться в упорядоченную структуру моноокиси графена, не существующего в естественном виде.

Исследователи демонстрируют атомную структуру моноокиси графена

Полученный материал обладает полупроводниковыми свойствами и имеет широкие перспективы применения в производстве электроники. Меняя температуру нагрева, исследователи получили четыре новых материала, которые были отнесены к категории GMO. В настоящее время определяется устойчивость моноокиси графена и возможность масштабировать этот материал для производства.

Ранее было открыто другое интересное свойство графена, которое заключается в том, что определяющую роль в формировании свойств графена играет материал, на котором он выращивается. В частности, если подложку, на которой будет выращена структура, активировать кислородом, то полученный лист графена будет обладать свойствами полупроводника, если водородом – то свойствами металла. «Варьируя химический состав подложки, мы можем управлять природой графена, наделяя его свойствами полупроводника или металла», — сообщил Сарож Наяк (Saroj Nayak), профессор кафедры физики и астрономии Ренсселарского политехнического института.

Управление током в графене: нитрид бора может статью ключом к графеновой микроэлектронике

Графен — самый тонкий в мире материал. Почти единственным на сегодняшний день принципиальным препятствием для его применения является невозможность управления электронным потоком по графену. Например, до сих пор не удалось найти способ остановить ток в графене: на атомарном уровне работают законы квантовой механики, которые сильно отличаются от тех, что действуют на макроуровне. Электроны в слое графена проходят сквозь препятствия (т. н. туннельный эффект, применяемый также в некоторых радиоэлектронных приборах), а не отскакивают от них, как это происходит в макромире. Недавно было обнаружено, что при наложении слоя графена на слой нитрида бора возникает новая гексагональная структура, которая определяет путь прохождения электронов по образцу.

Один из способов создания графенового двоичного триггера. Квадратная графеновая ячейка разбивается на два треугольных участка. Электроны отражаются, когда напряжения имеют разную полярность, и проходят, когда напряжения одинаковы.

Этот факт может стать ключом к созданию нового типа электронных устройств, отличающихся малым размером и низким энергопотреблением. Из-за этой особенности контролировать распространение электронов по слою очень сложно. Недавние исследования показали, что при наложении пленки нитрида бора на слой графена удается задержать некоторые электроны. Это первый шаг на пути решения проблемы.

Нитрид бора имеет сходную с графеном структуру, однако является диэлектриком. Пленки из нитрида бора можно использовать также для улучшения электрических свойств графена. Они предотвращают флуктуации электронного заряда.

Формирование гексагональной структуры при наложении нитрида бора на графен

Если менять угол между кристаллическими решетками, количество электронов, которые не могут проходить сквозь решетку, увеличивается. Коэффициент задержания зависит от размера гексагонального рисунка, который возникает при угловом смещении одного из слоев (аналогичный эффект – возникновение муарового рисунка при наложении линейчатых структур). По сути, этот рисунок является картой электрического потенциала.

Размер рисунка в зависимости от угла наложения: а – слишком мелкий, б – правильный

В настоящее время идет процесс изучения различных графеновых структур с помощью сканирующего туннельного микроскопа, который позволяет получить изображение сверхрешетки и измерить ее размер. Если гексагональный рисунок слишком мелкий, образец отбраковывается. Примерно 10-20% образцов показывают желаемый эффект. Если данный процесс удастся автоматизировать, будет создана графеновая микроэлектроника.

Псевдомагнитные свойства графена

Группа физиков из Университета в Арканзасе ведет разработки в несколько ином ключе. Они предлагают управлять потоком электронов с помощью изменения механического напряжения в материале.

Было замечено, что если приложить к графеновой пленке механическое усилие, ее электрические свойства изменятся так, как будто материал поместили в магнитное поле. Чтобы использовать данное свойство, необходимо научиться контролировать механическое напряжение.

Исследователи из Университета в Арканзасе провели следующий эксперимент. Они натянули графеновые мембраны на тонкие квадратные рамки и просканировали поверхность графена туннельным микроскопом с помощью постоянного тока. В сканирующем туннельном микроскопе для создания карты рельефа поверхности используется электрический ток очень малой величины. Чтобы поддерживать ток на постоянном уровне в процессе сканирования рельефа поверхности, микроскоп данного типа меняет напряжение на кончике туннельного зонда, когда он передвигается вверх-вниз. Было замечено, что при этом форма мембраны также изменялась – мембрана изгибалась и стремилась приблизиться к щупу. Форма мембраны изменялась в зависимости от заряда между щупом и мембраной. Изменяя напряжение на щупе, можно управлять механическим напряжением мембраны.

В свободном состоянии графеновые мембраны имеют бугристую форму. Это является препятствием для их применения в электронных устройствах, поскольку на изломах проводимость мембраны резко падает.

Для более полного понимания этого свойства было проведено исследование теоретической системы, содержащей графеновые мембраны. Ученые сопоставили величину механического напряжения и рассчитали расположение щупа микроскопа относительно мембраны. Оказалось, что взаимодействие между мембраной и щупом зависит от расположения щупа. По этим данным можно рассчитать псевдо-магнитное поле для заданного напряжения и механического усилия.

Из-за того, что мембрана ограничена квадратной рамкой, напряженность поля меняется с положительной на отрицательную. Для создания неосциллирующего поля требуется изготовить треугольную ячейку. Возможно, именно она позволит найти способ управлять псевдомагнитными свойствами графена.

Примеры применения графена

В настоящее время в области применения графена ведутся разработки в следующих направлениях:

Высокочастотные транзисторы. Подвижность электронов в графене гораздо больше, чем в кремнии, поэтому цифровые элементы из графена обеспечивают более высокую частоту работы. Некоторые компании уже заявляли об успехах в этой области. Так, транзисторы IBM работают на частоте 26 ГГц и имеют размер около 240 нм. Поскольку между размерами транзистора и его производительностью существует обратная зависимость, увеличение рабочей частоты достигается с за счет уменьшения его размеров.

Строение графенового транзистора

Микросхемы памяти. Прототип нового типа запоминающего устройства состоит всего из 10 атомов графена. Во время лабораторных тестов группе профессора Джеймса Тура из американского Университета Райс удалось создать кремниевые модули, на которых были размещены 10 атомарных слоев графена. В итоге графеновый слой получил толщину около 5 нм. Исследователи говорят, что в новых экспериментальных модулях базовые ячейки хранения информации примерно в 40 раз меньше ячеек, используемых в самых современных 20-нм модулях NAND-памяти. Данная технология потенциально способна во много раз увеличить емкость модулей памяти. Кроме того, данные запоминающие устройства способны выдерживать сильное радиационное излучение и температуру до 200°C, сохраняя всю информацию.

Ячейка флэш-памяти на основе графена

Еще одно преимущество разработки заключается в беспрецедентной экономичности расхода энергии. Для хранения данных модули памяти используют два исходных состояния — нейтральное (выключенное) и заряженное (включенное). Для того, чтобы закодировать 1 бит информации в графеновых модулях требуется в миллион раз меньше энергии, чем для кодирования того же бита в кремниевых чипах.

Электроды для суперконденсаторов. Проводимость графеновых электродов превышает 1700 См/м, тогда как у электродов на активированном угле она составляет лишь 10–100 См/м. Благодаря высокой механической прочности LSG-электроды могут использоваться в суперконденсаторах без связующих элементов или токоприемников, что упрощает конструкцию и снижает себестоимость изготовления суперконденсаторов.

Графеновый суперконденсатор (ионистор)

Исследователи из Калифорнийского университета Лос-Анджелеса и Калифорнийского института наносистем (California NanoSystems Institute) продемонстрировали высокопроизводительные электрохимические конденсаторы на основе графена, которые сохраняют превосходные электрохимические параметры при больших механических нагрузках. Статья на эту тему в марте была опубликована в журнале Science.

Устройства, изготовленные с использованием гравированных лазером графеновых электродов, характеризуются очень высокой плотностью энергии в разных электролитах, высокой плотностью мощности и поцикловой стабильностью. Более того, эти суперконденсаторы сохраняют отличные электрохимические свойства при больших механических нагрузках, благодаря чему их можно будет применять в мощных и гибких электронных устройствах.

Недорогие дисплеи для портативных устройств. Графен можно использовать вместо ITO (оксида индия-олова) в электродах для OLED-дисплеев. Во-первых, это позволяет снизить стоимость дисплея, а во-вторых, упрощает его утилизацию за счет прекращения использования металлических элементов.

Дисплей, изготовленный с применением графена

Кроме того, было установлено, что графен пропускает до 98% света. Это значительно выше показателя пропускания лучших материалов из ITO (82-85%). Графен обладает высокой электропроводностью, что позволяет использовать его для создания прозрачных электродов, управляющих поляризацией и состоянием жидких кристаллов.

Другая группа исследователей недавно установила, что несколько слоёв графена, нагретые при температуре 300-400°C в присутствии порошкового хлорида железа (FeCl3) приводит к интеркаляции слоёв графена и хлорида железа. Электроны из хлорида железа увеличивают число носителей заряда в слоях графена, а результате чего поверхностное сопротивление слоя падает до 8,8 Ом на квадрат при видимой прозрачности материала 84%. Новый материал имеет хорошую долговременную и температурную стабильность и во много раз лучше по характеристикам, чем сравнимые слои ITO: при том же поверхностном сопротивлении последний имеет прозрачность лишь 75%, а при той же прозрачности — сопротивление в 40 Ом на квадрат.

Гибкое прозрачное устройство отображения (дисплей с печатной платой) станет возможным изготовить на основе графена.

Аккумуляторы для автомобилей на водородном топливе. С помощью графеновых пленок можно увеличить энергию связи атомов углерода. Это позволит увеличить емкость, либо уменьшить вес аккумуляторов.

Датчики для диагностики заболеваний. В основе работы этих датчиков лежит тот факт, что молекулы, чувствительные к некоторым болезням, присоединяются к атомам углерода в графеновом слое. В датчике используется графен, молекулы ДНК и флуоресцентные молекулы. Флуоресцентные молекулы соединяются с одиночной ДНК, которая в свою очередь связывается с графеном. Когда другая одиночная молекула ДНК связывается с ДНК, присоединенной к слою графена, и формируется двойная ДНК, которая свободно передвигается по графену, увеличивая уровень излучения.

Принцип распознавания поврежденных ДНК

Охлаждение электронных схем. Недавно созданный композитный материал на основе графена и меди нашел применение в качестве наиболее эффективного и недорогостоящего средства охлаждения электронных устройств. Теплопроводность композита составляет 460 Вт/(м·K), тогда как у меди она равна 380 Вт/(м·K).

Композит осаждается на охлаждаемую поверхность электрохимическим способом в виде пленки толщиной 200 мкм. Уже разработана схема переоснащения оборудования для изготовления медно-графенового теплоотвода.

Элементы с малым удельным весом и высокой прочностью. Добавление в эпоксидный композит графена обеспечивает более высокую удельную прочность элементов, поскольку графен прочно связывается с молекулами полимеров.

Вместо заключения

Нет сомнений, что когда эти и другие разработки будут доведены до конца, наше представление об электронике коренным образом изменится. Как? Например, так, как показано в следующем видеоролике:

Его создатели, правда, не учли, что к тому времени и одежда будет сделана с применением углеволокна и графена и будет выглядеть совсем по-другому. 🙂

Читайте также:

Химически модифицированный графен для новой электроники
У графена появился соперник — графин
Новые возможности суперконденсаторов с графеновыми электродами
Графеновые микросхемы толщиной в один атом углерода могут создаваться крупносерийно
Графен можно выращивать дешево
Ученые создали первую в мире графеновую память
Найден способ управления свойствами графена
Графеновый транзистор разогнали до 26 ГГц
Исследователи создали моноокись графена для будущей электроники
Для лучшего охлаждения кристаллов придуман композит меди и графена

Графен в медицине

Ксения Рыкова для ПостНауки

Биоэлектроник Дмитрий Киреев о графеновых устройствах для лечения и диагностики заболеваний и их преимуществах перед кремниевыми девайсамиВ проекте «Мир вещей.

Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

В 2010 году Андрей Гейм и Константин Новоселов получили Нобелевскую премию за «новаторские эксперименты, касающиеся двухмерного материала графена». С тех пор физики и химики по всему миру начали исследовать свойства нового материала и находить им все новые практические применения. Графен используется для создания электронных чипов, сенсоров для газов, мембран для очищения воды. С появлением графена начался новый этап развития медицинских технологий и биоэлектроники.

Свойства графена

Графен — это двумерный материал, аллотропная модификация углерода. В случае графена атомы углерода выстроены в шестигранную структуру и формируют слой толщиной в один атом — это и есть графен. Такую структуру он приобретает за счет sp2-гибридизации. На внешней оболочке атома углерода расположены четыре электрона: при sp2-гибридизации три из них вступают в связь с соседними атомами, а четвертый находится в состоянии, которое образовывает энергетические зоны. Поэтому из-за sp2-гибридизации графен обладает уникальными электрическими свойствами и прекрасно проводит электрический ток. Графен также имеет впечатляющие механические свойства: он гибкий, тонкий и на 97% прозрачный.

Теоретические работы доказывают, что графен очень жесткий и стойкий к механическому воздействию. В то же время, если положить его на подложку из мягкого материала, он примет его свойства. Эти характеристики полезны в биоэлектронике, в рамках которой ученые разрабатывают устройства для применения в живых организмах. В этой области приоритет отдается мягким материалам, более совместимым с тканями организма. Кремний и твердые металлы, которые используются в обычной электронике, для этого плохо подходят. С 2008 года появляются работы по графеновым нейродевайсам и биосенсорам: ученые исследуют возможности нового материала и уже достигают ощутимых результатов в этой области [1] [2].

Гексагональная решётка — идеальная кристаллическая структура графена

 // wikipedia. org

Нейродевайсы: считывание активности нейронов

На основе уникальных свойств графена можно делать нейродевайсы, считывающие активность нейронов. Базовый элемент таких устройств — графеновый (амбиполярный, полевой) транзистор, через который протекает ток, если приложить напряжение. Разработчики биоэлектроники делают чипы, на которых размещают графеновые транзисторы на гибких подложках. Поверх этого чипа выращивают нейрональные клетки. Примерно через три недели, когда клетки достаточно вырастают, они взаимодействуют между собой и спонтанно возбуждаются, производят импульс. На поверхности клетки изменяется заряд — быстро и незначительно, на десятки милливольт. Этот поверхностный заряд влияет на проводимость графена за счет эффекта поля, то есть нейрональный импульс изменяет ток на всем транзисторе. Ученые считывают его и тем самым видят активность нейронов. Нейродевайсами занимаются в Center for Microelectronics Research в Техасском университете в Остине, а также в Institute of Bioelectronics в Юлихском исследовательском центре в Германии. Технология работает в лабораторных условиях, сейчас на ее основе ученые из Техасского университета изготавливают девайсы, которые можно имплантировать в мозг. Несколько таких устройств уже создали другие исследовательские группы, они смогли протестировать их in vivo на мышах и крысах [3].

В перспективе эту технологию можно применять и для людей. Нейродевайсы могут облегчить жизнь людям с болезнью Паркинсона, которые часто сталкиваются с тремором, непроизвольным сокращением мышц. Чтобы регулировать судороги, пациентам имплантируются мультиэлектродные массивы, которые глубоко стимулируют головной мозг электрическими импульсами. При наступлении судорог пациент нажимает кнопку на мини-девайсе, и через электрод поступает несколько сигналов в часть мозга, которая отвечает за заболевание.

Проблема стандартных мультиэлектродных массивов в том, что они сделаны из твердого кремния. Имплантировать кремниевое устройство в мозг — все равно что пытаться поместить гвоздь в мягкую конфету. Организм реагирует на кремниевую электронику как на инородное тело. Вокруг таких устройств формируются глиальные клетки, с помощью которых мозг пытается защитить нейроны и вытолкнуть чужеродный предмет. Поэтому стимуляторы меняют каждые 2–5 лет. На основе графена можно разрабатывать совсем другие девайсы — гибкие, тонкие и мягкие. Клетки апробируют такое устройство, защитная реакция не запустится. Тогда девайсы можно будет менять намного реже — раз в несколько десятков лет.

Облегчение болезни Паркинсона — далеко не единственная область применения графеновых нейродевайсов. Они будут полезны исследователям, работающим с любыми нейродегенеративными заболеваниями. Большинство из них до сих пор недостаточно изучены: ученым не хватает данных о том, как работает человеческий мозг. Сейчас для таких наблюдений тоже используют кремниевые устройства, так что более эффективные графеновые девайсы заменят их и в исследовательских задачах. 

Сенсоры: определение биомаркеров

Другая область применения графена — создание сенсоров, которые определяют  биомаркеры. Таким образом можно измерять нейрональные биорецепторы, ДНК, иммуноглобулин, биомаркеры, связанные с раком или сердечно-сосудистыми заболеваниями. Это дает врачам новые возможности для диагностики заболеваний.

Устройства для биосенсоров тоже работают на графеновых транзисторах, но они устроены сложнее. Графен — это углеродная решетка в одной плоскости. Чтобы сделать биосенсор, молекула должна взаимодействовать с графеном. Для этого нужно построить его двух- или трехуровневую функционализацию — присоединить к графену несколько химических групп. Для начала графен функционализируется с пиреном — химическим соединением с формулой C16h20, (циклическим полиароматическим углеводородом). Эту молекулу уже можно функционализировать с другими: например, добавить к ней глюкозооксидазу, и в результате получится биосенсор для глюкозы. Когда глюкоза приблизится к глюкозооксидазе, эти два элемента вступят в химическую реакцию. Она спровоцирует изменение тока в графеновом транзисторе, которое ученые могут наблюдать и делать выводы об уровне биомаркера в организме.  Группа корейских исследователей встроила глюкозный сенсор в мультифункциональные контактные линзы — они определяют уровень глюкозы на основе состава слезы. В 2017 году эту технологию испытали на кроликах. Совсем недавно российская группа создала биосенсоры на основе графена, позволяющие измерять токсины, в частности охратоксин А, считающийся одним из самых опасных. В перспективе все эти технологии позволят точнее диагностировать заболевания и отслеживать их течение.

Миф о токсичности графена

На любых конференциях неминуемо поднимается вопрос потенциальной токсичности графена. Каждый раз ученым приходится объяснять, что это не совсем так. Графен можно производить несколькими способами. Один из них — это простое размешивание графита или углерода в воде, в результате которого получаются маленькие частицы с латеральными размерами графена меньше ста нанометров. Графен такого вида действительно опасен для клеток: в 2010-х годах исследователи Ахаван и Гадери опубликовали работу, которая доказывала, что мелкие частицы проходят через клеточную мембрану и убивают клетку.

В современной биоэлектронике используется высококачественный графен, выращенный методом химического осаждения из газовой фазы. Он представляет собой однородный слой атомов на очень большой площади — до 100 на 100 миллиметров. Потом разработчики уменьшают его до порядка 100 на 100 микрометров и закрепляют на подложке. В этом случае он не может проявить токсичность, потому что не плавает среди клеток. Более того, есть несколько работ, в рамках которых ученые выращивали клетки поверх графена на подложке и на обычном стекле и сравнивали результаты. Выяснилось, что клетки растут гораздо активнее именно на графене. Графен — биосовместимый материал, ведь это обычный углерод.

Предусиление сигнала: проблема передачи данных на расстоянии

Один из недостатков графена для электроники — это отсутствие запрещенной зоны — такой области значений, которыми не могут обладать электроны в веществе. В графене у электронов произвольная энергия. Он слишком хорошо проводит ток, поэтому на его основе нельзя сделать классический транзистор с положениями 1 и 0, наличием и отсутствием тока. Графеновый транзистор никогда не закрывается: он просто проводит ток либо хорошо, либо плохо. Из-за этого он не выполняет логические операции, с которыми справляются классические кремниевые транзисторы. Для современной графеновой электроники это значительная проблема.

Биоэлектрические потенциалы, создаваемые нейрональными клетками вокруг мембраны, довольно слабые: от десяти до двухсот микровольт в зависимости от клетки, ширины щели между ней и графеном и прочих факторов. Передавать их на расстояние нескольких метров без потерь практически невозможно:  электромагнитные волны от других устройств заглушают слабый сигнал. На основе графена нельзя построить транзисторы, которые будут выполнять логические операции для усиления сигнала. Оптимальным решением будет использовать графен для измерения и создавать дополнительные транзисторы из других 2D-материалов. Они позволят предусилить сигнал от 10 микровольт до 10 милливольт, которые можно проводить без потерь на 10 километров. Это важная задача и для обычной электроники, и для медицинских девайсов. Предусиление сигнала позволит сделать все технологии беспроводными и взаимодействовать с устройствами через транзисторные системы.

Перспективы практического применения графена

Сложно сказать, когда графеновую биоэлектронику начнут широко применять на практике. Ученые испытывают нейродевайсы, биосенсоры и другие исследовательские проекты в лабораторных условиях. Чтобы вывести их на уровень медицинского применения, нужно развивать индустрию производства графеновых устройств. Для исследований обычно изготавливают от 10 до 100 аппаратов. Медицинская практика требует гораздо больших масштабов: нужны тысячи и миллионы таких устройств. Сейчас кажется, что перспектива практического применения пока далеко за горизонтом, но через 5–10 лет можно будет сказать нечто более определенное. Исследовательские группы экспериментируют с графеном в разных направлениях, применяют его для решения многих задач. Пока сложно однозначно выделить перспективные подходы, на это нужно время и инвестиции, которые помогут развивать уже имеющиеся исследования.

применений графена: для чего используется графен?

Графен представляет собой слой атомов углерода толщиной в один атом, расположенных в виде сот. Графен считается самым тонким, прочным и наиболее проводящим материалом в мире как для электричества, так и для тепла. Все эти свойства интересны исследователям и предприятиям по всему миру, поскольку графен может революционизировать целые отрасли — в области электричества, электропроводности, производства энергии, аккумуляторов, датчиков и многого другого.

Механическая прочность

Графен — самый прочный материал в мире, и его можно использовать для повышения прочности других материалов. Десятки исследователей продемонстрировали, что добавление даже незначительного количества графена к пластику, металлу или другим материалам может сделать эти материалы намного прочнее или легче (поскольку вы можете использовать меньшее количество материала для достижения той же прочности).

Такие усиленные графеном композитные материалы могут найти применение в аэрокосмической отрасли, строительных материалах, мобильных устройствах и многих других областях.

Термические применения

Графен является наиболее теплопроводным материалом, обнаруженным на сегодняшний день. Поскольку графен также прочен и легок, это означает, что он является отличным материалом для изготовления решений для распределения тепла, таких как радиаторы или пленки для рассеивания тепла. Это может быть полезно как в микроэлектронике (например, чтобы сделать светодиодное освещение более эффективным и долговечным), так и в более крупных приложениях — например, в термопленках для мобильных устройств. Например, в последних смартфонах Huawei используются термопленки на основе графена.

Аккумулирование энергии

Поскольку графен является самым тонким материалом в мире, у него чрезвычайно высокое отношение площади поверхности к объему. Это делает графен очень перспективным материалом для использования в батареях и суперконденсаторах. Графен может использоваться для аккумуляторов и суперконденсаторов (и даже топливных элементов), которые могут хранить больше энергии и заряжаться быстрее.

Преимущества графеновых аккумуляторов

Покрытия, датчики, электроника и многое другое

Графен имеет большие перспективы для дополнительных применений: антикоррозийные покрытия и краски, эффективные и точные датчики, более быстрая и экономичная электроника, гибкие дисплеи, эффективные солнечные батареи, более быстрое секвенирование ДНК, доставка лекарств и многое другое.

Графен является таким прекрасным и основным строительным блоком, что кажется, что любая промышленность может извлечь выгоду из этого нового материала. Время покажет, где графен действительно окажет влияние, или другие новые материалы окажутся более подходящими.

Последние новости о применении графена:

Проект НАСА SABERS (батареи с твердотельной архитектурой для улучшенной перезарядки и безопасности), который осуществляется в течение нескольких лет в рамках исследовательской программы НАСА «высокий риск, высокая награда», направлен на разработку батарей с улучшенной плотностью мощности (предпочтительно таких, которые мог сделать возможным полет на электричестве, для которого требовалось около 480 ватт-часов на килограмм).

Изображение

Работа, проводимая в Исследовательском центре Гленна НАСА в Кливленде, штат Огайо, группой инженеров под руководством доктора Рокко Виджано, направлена ​​на производство мощных, легких, быстро заряжаемых, масштабируемых для любого применения и чрезвычайно безопасных аккумуляторов. Ученые добиваются этого, избавляясь от токсичных и опасных материалов, которые делают современные батареи слишком неэффективными и рискованными, например, для установки в самолет.

Читать полностью Размещено: 13 декабря 2022 г.

Исследователи из Южно-китайского педагогического университета, Университета Сучжоу, Нанкинского технического университета и Университета науки и технологии Макао сообщили о новом бифункциональном сепараторе литий-серных батарей (CC-rGO/AB/PP), полученном с помощью нового метода синтеза под экстремальным давлением для продвигать более эффективные Li-S аккумуляторы простым способом.

Литий-серные (Li-S) батареи теоретически обладают гораздо большей энергетической емкостью, чем литий-ионные батареи, и поэтому привлекли к себе большое внимание. Однако фактический срок службы и эффективность преобразования значительно снижаются из-за эффекта челнока, при котором полисульфиды лития (LiPS) растворяются и проникают к аноду во время разряда, вызывая внутреннее короткое замыкание. Хотя существуют методы подавления эффекта челнока сепаратором, большинству из них все же приходится жертвовать другими показателями производительности, такими как способность транспортировки литий-иона.

Читать полностью Опубликовано: 12 декабря 2022 г.

Исследователи из Технологического университета Хэбэя в Китае и Университета штата Пенсильвания в США объединили MXenes и нанокомпозит из графеновой пены, индуцированной лазером, для улучшения конструкции и производительности трибоэлектрических наногенераторов (TENG) — источников питания, которые можно использовать для различных гибких электронных устройств. и носимые устройства.

Изображение

Популярность носимой электроники вызвала спрос на их детали, в том числе на источники питания, такие как ТЭНы. Такие источники питания должны быть как эластичными, так и высокопроизводительными, выдерживающими различные условия деформации в течение нескольких часов использования. Исследователи создали систему материалов, которая позволяет TENG быть эластичным и работать на динамических поверхностях, таких как кожа человека или лист растения.

Читать полностью Опубликовано: 11 декабря 2022 г.

Исследователи из Ок-Риджской национальной лаборатории и Принстонского университета недавно решили автоматизировать луч электронного микроскопа, чтобы просверлить отверстия в графене, но обнаружили, что просверленные отверстия закрываются. Они ожидали, что тепло облегчит удаление атомов, но увидели противоположный эффект.

Изображение

«Графен оказался непроницаемым для электронного луча», — сказал Ондржей Дайк, который вместе со Стивеном Джесси руководил исследованием в Центре наук о нанофазных материалах ORNL. Джесси добавил: «Он лечит локально, как (вымышленный) жидкометаллический Т-1000 в фильме «Терминатор 2: Судный день».

Читать полностью Опубликовано: 09 декабря 2022 г.

Исследователи из Корейского передового института науки и технологий (KAIST), Пусанского национального университета и CNRS разработали искусственную мышцу, которая в 17 раз мощнее, чем у человека. Мышца, изготовленная из жгутов волокон на основе графена и жидкокристаллического эластомера, как сообщается, будет продаваться через корейскую компанию.

Изображение

 
Основным фактором, препятствующим разработке высокоэффективных искусственных мышц, является то, что ученые не в состоянии механически выбрать определенную часть искусственной мышцы для сокращения и расширения. Большие и громоздкие искусственные мышцы недостаточно точны.

Читать полностью Опубликовано: 08 декабря 2022 г.

Исследователи из Индийского института науки и технологии SRM сообщили о натуральном, экологически чистом и устойчивом поверхностно-активном веществе для отшелушивания графена в воде.

Водные дисперсии графена имеют потенциал для многих применений, таких как печатная и бумажная электроника и полимерные композиты, но поверхностная энергия воды слишком высока, чтобы их стабилизировать. Однако поверхностно-активные вещества обеспечивают достаточный потенциал отталкивания против повторной укладки расслоенных нанолистов в коллоидных дисперсиях для преодоления сил притяжения Ван-дер-Ваальса. Основная проблема с зарегистрированными и коммерческими ресурсами поверхностно-активных веществ заключается в их неспособности производить графен микрометрового размера с небольшим количеством дефектов с высоким выходом с использованием минимального количества экономичных и устойчивых поверхностно-активных веществ.

Читать полностью Опубликовано: 05 декабря 2022 г.

Читать полностью Опубликовано: 04 декабря 2022 г.

Компания

Sparc Technologies (SPN) объявила о начале строительства модульного и масштабируемого производственного предприятия по производству аддитивных продуктов на основе графена в Аделаиде. Компания заявила, что ввод в эксплуатацию ожидается в первом квартале 2023 года.

Этот объект позволит производить коммерческие количества добавок на основе графена и обеспечит крупномасштабное производство для удовлетворения потребностей клиентов.

Читать полностью Опубликовано: 02 декабря 2022 г.

Исследователи из Института передовых материалов Университета Дикина (IFM) стремятся использовать потенциал океана для получения возобновляемой и чистой энергии. В недавнем исследовании они продемонстрировали, как двумерная (2D) мембранная технология наноматериала может улучшить процессы сбора синей энергии. Сбор синей энергии — это возобновляемая энергия, которая использует разницу в содержании соли между речной и морской водой для выработки электроэнергии.

«Энергия океана состоит из пяти форм — приливов, волн воды, океанских течений, температурных градиентов и энергии градиента солености, предлагая потенциальный альтернативный, безграничный энергетический ресурс», — говорит доцент Вэйвэй Лэй, который возглавляет устойчивое производство энергии. проект в ИФМ. «Поэтому сбор энергии океана с помощью искусственных устройств вызвал огромный интерес. В частности, энергия градиента солености, также называемая «осмотической энергией» или «голубой энергией», открывает большие перспективы для развития возобновляемых источников энергии. Она имеет потенциал в 1 ТВт энергии». (8500 ТВтч в год), что превышает сумму гидравлической, ядерной, ветровой и солнечной энергии в 2015 году. С развитием нанотехнологий и 2D-наноматериалов были разработаны мембраны из новых 2D-наноматериалов с нанопорами и наноканалами для сбора синей энергии. Однако эффективность сбора энергии этих мембран все еще слишком низка для удовлетворения требований практического применения из-за их высокого внутреннего сопротивления и низкой селективности ионов.Новые усовершенствованные 2D мембраны из наноматериала с новыми и надежными свойствами решат эту проблему, сейчас большой спрос».

Читать полностью Опубликовано: 30 ноября 2022 г.

Ученые из Аргоннской национальной лаборатории (ANL) Министерства энергетики США (DOE) создали новый испытательный стенд для изучения поведения электронов в особом классе материалов, называемых топологическими изоляторами, которые могут найти применение в квантовых вычислениях.

Изображение

Слева атомная структура реальной графеновой наноленты. В середине молекулы CO нанесены на поверхность меди для создания структуры графена. Справа: изображение полученной искусственной графеновой наноленты с помощью сканирующего туннельного микроскопа. (Изображение Аргоннской национальной лаборатории.)
 

в предыдущей работе было показано, что графеновые наноленты — небольшие полоски графена — демонстрируют многообещающие топологические состояния. Вдохновленная этим, команда из Аргонна построила испытательный стенд искусственного графена с атомарной точностью в надежде на дальнейшее изучение этих топологических эффектов.

Читать полностью Опубликовано: 29 ноября 2022 г.

Графен становится реальностью: познакомьтесь с предпринимателями, выводящими на рынок чудо-вещество

Наша миссия по улучшению бизнеса поддерживается такими читателями, как вы. Чтобы пользоваться неограниченным доступом к нашей журналистике, подпишитесь сегодня.

Возьмите кусок скотча и приклейте его на «грифель» карандаша. Оттяните ленту, и на ней все еще могут быть прикреплены тонкие чешуйки графита. Сложите ленту пополам и разверните ее, чтобы разделить хлопья. Сделайте это 10 или 20 раз и, если ваша техника хороша, поздравляю — вы только что сделали самый тонкий из известных материалов и почти самый прочный.

Трюк с лентой — буквально то, как Андрею Гейму и Константину Новоселову удалось впервые выделить графен — слой углерода толщиной в атом и, следовательно, двумерный — в Манчестерском университете Великобритании в 2004 году. Шесть лет спустя физики выиграли Нобелевскую премию за их усилия, и не зря.

Свойства графена необыкновенны, о чем свидетельствуют новые продукты, в состав которых входит этот материал: наушники с лучшим звучанием, более холодные смартфоны, более жесткие дороги и более экологичная упаковка для шампуня.

Мало того, что графен является самым тонким и вторым по прочности материалом в мире — здесь его обогнала одномерная форма углерода, называемая карбином, — он еще и невероятно легкий и прозрачный. Он также либо очень гибкий, либо очень жесткий, в зависимости от того, как с ним обращаться. Это один из лучших проводников тепла и самых быстрых электрических проводников, а также он отлично пропускает воду, блокируя все остальное, что делает его отличным фильтром и барьером. И, как продемонстрировали Гейм и Новоселов, сделать графен довольно просто.

Эти свойства, а также замечательная история нобелевских лауреатов привели к массе шумихи вокруг графена около десяти лет назад. Но предстояло еще много работы, например, выяснить, как лучше всего производить и обрабатывать графен; поиск приложений, где это имеет экономический смысл; и медленное строительство новых рынков. Так что ажиотаж поутих.

Теперь, однако, может наступить время чудо-вещества.

Послушайте

«Я слышу каждую музыкальную деталь с таким уровнем ясности, который я когда-либо ощущал только на трибуне перед оркестром», — восторженно заявил Густаво Дудамель, музыкальный руководитель Филармонии Лос-Анджелеса. первые в мире наушники на основе графена — набор под названием GQ, сделанный канадским стартапом Ora — в заявлении.

Используя жесткость, легкость и демпфирующие свойства графена — его способность прекращать движение, как только через него перестает проходить электрический ток, — Ora использует оксид графена для изготовления мембран для наушников и громкоговорителей. Сам Новоселов приветствовал фирму за то, что «графен официально вышел из лаборатории и попал в мир аудио».

«Уже почти два десятилетия теоретические свойства графена рассматривались как «святой Грааль» материала диафрагмы для громкоговорителей», — говорит соучредитель Ora Ари Пинкас, объясняя, что разработчикам громкоговорителей обычно приходится идти на компромисс между жесткостью, легкостью или демпфированием.

Пинкас говорит, что его компания работает с крупными брендами ноутбуков и смартфонов над созданием меньших по размеру и более громких динамиков для их устройств, при этом запуск некоторых моделей запланирован на 2022 год. Однако, ссылаясь на соглашения о неразглашении, он не называет никаких имен.

«Когда графен ворвался на сцену, это был удивительный материал, который изменил мир», — говорит Ричард Коллинз, главный аналитик компании IDTechEx, занимающейся исследованиями рынка передовых технологий. «Честно говоря, если вы поговорите со многими людьми, занимающимися графеном, они все еще думают, что это все изменит.

«Случилось так, что за этот 10-летний период многие компании протестировали его. У вас было много конечных пользователей, которые изучили его. На самом деле, только сейчас и в ближайшие пару лет мы достигнем этой точки перегиба».

В путь

От аудио к асфальту: сила графена вызывает интерес в строительной отрасли.

В отрасли существует давняя проблема с выбросами; до 8% мировых выбросов CO2 приходится на производство бетона. Добавление графена в смесь может помочь сократить эти выбросы, потому что это позволит сделать бетон более прочным, что означает возможность использовать меньше бетона.

Но способность графена быстро и эффективно проводить тепло (свойство, которое привело к его использованию в некоторых последних смартфонах Huawei) также оказывается полезной.

Помните смертельно опасное обрушение автомобильного моста, которое произошло пару лет назад в Генуе, Италия? Асфальт на замене моста содержит графеновый порошок, произведенный итальянским стартапом Directa Plus. Это помогает распределять тепло по дорожному полотну, поэтому при отрицательных температурах снижается вероятность того, что холодные участки образуют трещины, которые в конечном итоге превращаются в выбоины.

«Самым впечатляющим свойством является то, что эта добавка способна утроить срок службы дороги с шести-семи лет до 18-21 года», — утверждает Джулио Чезарео, соучредитель и генеральный директор Directa Plus. Но это далеко не единственное применение графеновых нанопластинок компании.

Чезарео и его американские соучредители, которые с тех пор продали свои акции хирургу-миллиардеру, ставшему инвестором Патрику Сун-Шионгу, являются ветеранами Union Carbide. Итальянец присоединился к американскому химическому гиганту (теперь принадлежащему Dow) сразу после 19-го века.84 Катастрофа в Бхопале, когда на заводе по производству пестицидов Union Carbide в Индии произошла утечка газа, отравившая более полумиллиона человек.

Последствия той трагедии разожгли интерес Чезарео к окружающей среде и устойчивому развитию, который теперь проявляется в работе Directa Plus.

Во-первых, метод производства графена Directa Plus основан на физике, а не на химии — вместо использования химикатов для выращивания вещества на металле используется экстремальная температура и давление для отслаивания графена от частиц графита. Это, по словам Чезарео, упрощает и удешевляет производство тканей на основе графена, которые можно безопасно носить на коже, в одежде и масках для лица (и то, и другое есть на рынке, используя графен Directa Plus).0003

Компания также сотрудничает с российской компанией «Лукойл» и австрийской OMV по обеззараживанию почвы и воды, загрязненных разливами нефти в Румынии. Поскольку графен способен блокировать большинство жидкостей, пропуская при этом только воду, порошок Directa Plus используется в барьерах, которые поглощают пролитое масло, очищая окружающую среду. При насыщении их можно эффективно выжать и использовать снова.

«Мы удалили 400 тонн сырой нефти, которая была отправлена ​​обратно на нефтеперерабатывающий завод», — говорит Чезарео о раннем развертывании.

Более экологичная упаковка

Использование графена в качестве гибкого барьера, естественно, очень удобно в мире упаковки — опять же, с учетом экологических преимуществ.

В этом месяце британский стартап Toraphene представил биополимер, который, по его словам, представляет собой первую полностью биоразлагаемую, компостируемую и коммерчески жизнеспособную альтернативу пластиковой упаковке. Одноименный материал, который сочетает графен с природными полимерами растений, сначала используется в сумках для покупок.

instagram.com/p/B9pGpK8AbNp/?utm_source=ig_embed&utm_campaign=loading» data-instgrm-version=»13″>

Посмотреть эту публикацию в Instagram

Пост, опубликованный Toraphene (@toraphene)

Но настоящий прорыв — тот, который положил начало путешествию Toraphene в 2011 году, когда его основателями были исследователи из Норвежского университета науки и технологий — будет в упаковке для жидкостей.

Генеральный директор Гауте Джулиуссен говорит, что гигант потребительских товаров Unilever обратился к Toraphene четыре года назад с просьбой улучшить пакетик шампуня (Unilever подтверждает, что компании обсуждали этот вопрос). В современных пакетиках используется несколько слоев пластика для прочности и один из оксида алюминия для обеспечения барьер против просачивания жидкости. Toraphene говорит, что их материал обеспечивает необходимую прочность и непроницаемость, но в форме, которую можно легко переработать, поскольку это просто органика и углерод.

В любом случае переговоры с Unilever не увенчались успехом: Юлиуссен говорит, что после двух лет переговоров по контракту попытка враждебного поглощения Kraft Heinz привела к масштабным мерам по сокращению расходов с целью увеличения дивидендов, и исследования и разработки сильно пострадали. Теперь, когда контакты Toraphene были уволены, сделки не было, и стартап обратился к только что завершенному (и значительно переподписанному) раунду краудфандинга, чтобы вывести на рынок свою барьерную упаковку.

«Тип графена, который мы рассматриваем для упаковки, в настоящее время будет стоить оптом около 200 долларов за килограмм», — говорит Джулиуссен. Это очень много — Коллинз из IDTechEx говорит, что в наши дни некоторые компании продают графен по цене менее 10 долларов за килограмм. Но графен Toraphene производится из добываемого графита, а не синтезируется по низкой цене, что может привести к созданию низкокачественного продукта.

«Поскольку мы используем его так мало [менее 0,2% упаковки составляет графен], мы можем делать из него экономичную упаковку», — говорит Юлиуссен. «Это увеличивает стоимость на 10% или около того, но зато мы увеличиваем прочность упаковки более чем на 20%. Нет-нет, мы можем дать преимущество.

Следующая остановка: бумажные кофейные стаканчики, которые в настоящее время имеют пластиковую подкладку для непроницаемости, что также затрудняет их переработку. Toraphene подала заявку на патент на использование своего материала в качестве подкладки и в настоящее время работает над получением одобрения от регуляторов пищевых стандартов США и Европы.

По словам Коллинза, именно в этой области графен действительно может добиться успеха. (IDTechEx считает, что к 2031 году рынок различных видов графеновых материалов будет стоить 700 миллионов долларов, по сравнению с менее чем 100 миллионами долларов сегодня.) Да, есть потребительские товары, которые продаются на основе использования графена — наушники, теннисные ракетки, обувь — но «успех — это продажа от сотен до тысяч тонн вашего материала», — говорит он.

«Реальность такова, что если вы поговорите с автомобильной компанией, они не будут тратить деньги на износостойкую футеровку, потому что графен добавляет маркетингу», — говорит Коллинз. «Это экономика на протяжении всего срока службы продукта — есть ли в этом смысл? В этом суть этой точки перегиба».

Забегая вперед

Что, наконец, подводит нас к одной из самых обсуждаемых компаний, работающих в настоящее время в области графена: Skeleton Technologies.

Эстонско-немецкая фирма имеет контракты с некоторыми из крупнейших автомобильных компаний Европы (хотя она пока не хочет обнародовать их) и не на материал футеровки, а на хранение энергии в батареях на основе графена.

Если вы сложите обычные плоские слои графена, они слипнутся, и вы снова получите графит. Поэтому компания Skeleton разработала запатентованный метод изготовления изогнутого графена, который решает эту проблему. Он использует этот изогнутый графен в ультраконденсаторах.

Это означает, что батареи можно заряжать за считанные секунды миллион раз без необходимости использования таких дефицитных материалов, как литий и кобальт. Эти суперконденсаторы уже используются в экскаваторах, медицинском оборудовании и на транспорте: в немецких городах Мангейм, Гейдельберг и Людвигсхафен они рекуперируют энергию торможения трамваев и повторно используют ее для ускорения.

«Это дешевле и меньше по размеру, чем любое решение для аккумуляторов, — говорит генеральный директор Skeleton Таави Мадиберк. Однако, поскольку эти ультраконденсаторы хранят меньше энергии, чем традиционные литий-ионные батареи, вполне вероятно, что графеновые ультраконденсаторы будут сосуществовать с другими технологиями и дополнять их.

По словам Мадиберка, самое большое преимущество изогнутого графена заключается в том, что он выдерживает пиковые нагрузки, которые вызывают перегрев стандартных литий-ионных аккумуляторов и их износ с течением времени; объединение этих двух элементов позволяет создавать аккумуляторные блоки, которые на 30% меньше и в два раза долговечнее. Он также говорит о потенциале ультраконденсаторов Skeleton в поддержании стабильности электрической сети, поскольку относительно непредсказуемые возобновляемые источники энергии становятся все более преобладающими.

Компания Skeleton разрабатывает свою технологию с первых дней появления графена в 2009 году., но она начала коммерциализировать свои ультраконденсаторы только пару лет назад. Имея портфель невыполненных контрактов, который уже превышает 150 миллионов евро (182 миллиона долларов), он привлек 41 миллион евро в ходе октябрьского инвестиционного раунда для расширения и подготовки к запуску «супербатарей», для которых Madiberk видит потенциальный рынок в 60 миллиардов евро.