Что такое графен и как он изменит нашу жизнь?
Фото: BONNINSTUDIO / Shutterstock
Вокруг графена образовалось немало хайпа — и среди ученых, и среди бизнеса. Но графен так и не стал нашей повседневной реальностью. Почему? Разбираемся вместе с автором YouTube-канала «Индустрия 4.0» Николаем Дубининым
Впервые о графене заговорили в 2004 году, когда Андрей Гейм и Константин Новоселов — британские ученые российского происхождения — опубликовали статью в журнале Science [1]. В ней говорилось о новом материале, который получили с помощью обычного карандаша и скотча. Ученые просто снимали клейкой лентой слой за слоем, пока не дошли до самого тонкого — в один атом. В 2010-м за это их наградили Нобелевской премией. С тех прошло уже десять лет.
Как графен меняет нашу жизнь?
- Что такое графен
- Миф о токсичности
- Где используют графен
- Применение в будущем
- Графеновый бум
- Препятствия для развития
- Что почитать о графене
Что такое графен и чем он так уникален?
Углерод — это материал, состоящий из кристаллической решетки, которую образуют шестиугольники атомов.
Графен — это один слой решетки толщиной в 1 атом.
Отсюда — его первое уникальное свойство: самый тонкий.
- Графен в 60 раз тоньше мельчайшего из вирусов.
- В 3 тыс. раз тоньше бактерии.
- В 300 тыс. раз тоньше листа бумаги.
Так выглядит структура углерода. Если отделить один из слоев — получим графен
Такую структуру графен приобретает за счет sp2-гибридизации. Дело в том, что 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. В результате графен еще и прекрасно проводит электрический ток.
Графен обладает хорошей теплопроводностью, гибкостью и упругостью, он на 97% прозрачный. При этом, графен — самый прочный из известных материалов: прочнее стали и алмаза.
Наглядная графика о свойствах графена
Миф о токсичности графена
Влияние графена на человеческий организм до конца не изучено, но и токсичность графена никто не доказал.
Единственную опасность представляет графен, который получают путем размешивания графита или углерода в воде: попадая в клетку, такие мельчайшие частицы действительно могут ее убить [2].
Однако сейчас в биоэлектронике используют другой способ получения графена — путем химического осаждения из газовой фазы. Частицы получаются достаточно крупными. Потом их закрепляют на подложке, и проникнуть сквозь клеточную мембрану они уже не могут.
Где уже используют графен?
Сейчас графен успешно применяют в электронике. Самый массовый продукт — это пауэрбанк [3]: производители обещают, что сам он заряжается за 20 минут, а топовый смартфон заряжает наполовину за полчаса.
Существуют также графеновые куртки и платья. Последние, в частности, оснащены светодиодами [4], которые реагируют на дыхание и температуру тела, меняя цвет.
Теннисные ракетки с графеном весят до 300 грамм меньше, чем обычные, при той же силе удара.
Наконец, машинное масло с графеном призвано снизить износ двигателя.
Где можно применять графен в будущем?
Есть и еще одно свойство графена: он биосовместим, то есть взаимодействует с живыми клетками. Ученые обещают, что материал поможет диагностировать и лечить рак [5]. Это делают с помощью чипа с графеном, который придает повышенную чувствительность. На поверхность чипа высаживают раковые клетки и тестируют на них различные лекарства.
Такие чипы можно использовать и для тестирования других лекарств, а также — определения биомаркеров: иммуноглобулина, ДНК, нейрональных биорецепторов.
Из графена также планируют делать дешевые солнечные батареи, опресняющие устройства для морской воды, гибкие дисплеи, сверхпрочные бронежилеты, сверхчувствительные микропроцессоры, элементы для беспилотников и космических ракет, телефоны с бесконечной зарядкой и умную одежду.
Для России самым перспективным применением графена могут стать нефте- и газодобыча.
На основе графена делают жидкости, которые позволят управлять толщиной и свойствами фильтрационной корки буровых растворов. А еще можно делать полимерные трубы и покрытия для нефте- и газопроводов с применением графена.
Графеновый бум
За 7 лет после вручения премии вышло больше 130 тыс. научных работ, посвященных графену и его свойствам. Доля таких исследований среди всех остальных выросла с 0,2% в 2010 году до 1% в 2016-м.
Профессор Катарина Паукнер в Будапеште, 2016 год
Исследователь Прабхурадж Балакришнан в Лондоне, 2017 год
Доктор Хан Лин в Мельбурне, 2019 год
Всего в мире зарегистрировано более 50 тыс. патентных заявок с упоминанием графена. Больше половины из них принадлежит Китаю, следом идут Южная Корея, США, Япония и Тайвань.
В Китае исследованиями занимаются государственные вузы. В 2013 году здесь создали Инновационный альянс графеновой промышленности, который пророчит Китаю в этой сфере долю в 80% от общемировой.
В остальных странах в графен активно вкладываются коммерческие компании. В Евросоюзе за это отвечает проект Graphene Flagship с инвестициями в €1 млрд [7]. В США — Национальная графеновая ассоциация, в консультативный совет которой входят представители Apple, IBM и Cisco.
В графене заинтересованы гиганты аэрокосмической отрасли: Boeing, Lockheed Martin, Airbus и Thales. Они рассчитывают, что новые материалы позволят им в разы снизить расход топлива — как композиты, которые экономят до 30% горючего в Boeing 787. Электронные корпорации включились в графеновую гонку в надежде, что это принесет им лидерство на рынке смартфонов и аксессуаров к ним.
Среди них — Samsung [8]: компания уже скупила десятки патентов, которых хватит на целую линейку продуктов с графеном. В частности, она представила новый тип аккумуляторов, которые можно будет заряжать за рекордные 12 минут. Такие появятся в новых смартфонах бренда не позднее 2021-го года. Их главный конкурент — Apple — запатентовала акустические диафрагмы с графеном для использования в устройствах следующих поколений.
И это, судя по всему — только начало.
В России тоже занимаются изучением графена и даже патентуют электронные устройства на его основе — на базе в Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ. Двое ученых-выпускников этого вуза — гендиректор ведущего производителя Graphene 3D Lab Inc. Елена Полякова и профессор Свободного университета Берлина Кирилл Болотин — входят в ту самую американскую ассоциацию.
Почему же графен до сих пор не изменил нашу жизнь?
Во-первых, он все еще очень дорогой. При этом пока нельзя однозначно посчитать, сколько его нужно и для каких целей. Для этого материала нет единой шкалы измерения, так как он может иметь разную структуру — в зависимости от способа получения.
- 1 грамм чистого графена, который используют в электронике, стоит около $28 млрд.
- 1 грамм графена, смешанного с пылью — около $1 тыс.
Во-вторых, массовое производство графена пока не налажено, потому что нет технологий, которые бы позволили бы это: например, сложные электронные устройства с графеном делают вручную.
Для графена нужна какая-то подложка — например, кварцевая — которая и определяет свойства конечного продукта. При этом пока еще не совсем понятно, какие именно это должны быть свойства.
Что еще почитать и посмотреть о графене
- Как графен, перовскит и наноботы изменят будущее. Блог Питера Диамандиса
- «Ведомости» — о том, кто занимается графеном в России и в мире и почему это важно
- Forbes — о том, кто участвует в мировой битве за графен
- «Постнаука» — о том, как применяют графен в медицине
- Verge — о том, почему графен еще не изменил мир (ENG)
- ScienceDirect — о прошлом, настоящем и будущем графена (ENG)
- Исследователи Моника Кракуин и Димитар Димов о графене — материале XXI века (ENG)
Наука: Наука и техника: Lenta.ru
Кристаллическая решетка графена и конусы Дирака. Фото: UoM
Международный коллектив физиков, в число которых входят нобелевские лауреаты Андрей Гейм и Константин Новоселов, открыли новые свойства графена и создали на его основе прообраз транзистора.
Результаты своих исследований ученые опубликовали в журналах Nature и Nature Physics. Последняя публикация вышла 11 сентября в авторитетнейшем научном издании Science. Редакция «Ленты.Ру» решила узнать подробности об этих открытиях и поговорила с одним из создателей нового материала, нобелевским лауреатом Андреем Геймом.
Основной особенностью чистого графена — двумерной модификации углерода — является отсутствие в нем запрещенной зоны, ширина которой равна нулю. Ее наличие у полупроводников, используемых в транзисторах, приводит к тому, что в них не существует непрерывного перехода между дырочной и электронной проводимостями, как в графене. Однако для создания полноценного транзистора — управления свойствами проводимости в нем — наличие такой зоны необходимо. Именно последние работы Гейма, Новоселова и их коллег позволили добиться этого.
Управление проводимостью
Андрей Гейм и Константин Новоселов в 2010 году получил Нобелевскую премию по физике с формулировкой «За новаторские эксперименты по исследованию двумерного материала графена».
Лауреаты являются выпускниками Московского физико-технического института и некоторое время проработали в институтах Российской академии наук. В настоящее время они являются сотрудниками Манчестерского университета и проживают в Великобритании.
Ученые научились изменять ширину энергетической щели у графена. Для этого физики нанесли графен на слой «белого графита» — нитрида бора с графитоподобной гексагональной аллотропной модификацией. В такой кристаллической решетке ее узлы заключены в правильный многоугольник и напоминают решетку графена.
Материалы по теме:
Такая комбинация позволяет посредством изменения взаимного положения кристаллических решеток менять ширину энергетической щели у графена. Это связано с тем, что подложка из нитрида бора вызывает деформацию графеновой решетки и в результате меняет ее проводящие свойства.
При угле наклона между направлениями решеток графена и нитрида бора менее одного градуса структура решетки нитрида бора почти идентична графеновой.
При этом угол между атомами углерода в самой графеновой решетке увеличивается на 1,8 градуса, что приводит к возникновению энергетической щели. При углах наклона между направлениями решеток графена и нитрида бора более одного градуса энергетической щели не возникает.
Наложение двух кристаллический решеток позволило ученым в образованной гетероструктуре воспроизвести эффект муарового узора в виде бабочки Хофштадтера. Эта фрактальная структура описана в 1976 году сыном нобелевского лауреата Дугласом Хофштадтером. Она воспроизводит зависимость значений уровней энергии электрона от величины магнитного поля в двумерном кристалле.
Беги и создавай эти свои …транзисторы…
Энергетическая щель (запрещенная зона) — интервал энергий в кристалле, в котором не могут находиться электроны. Такая щель отвечает интервалу между валентной зоной и зоной проводимости в идеальном кристалле. В графене ширина этой щели равна нулю, но введением подложки из нитрида бора физикам удалось деформировать кристаллическую решетку графена и тем самым создать ненулевую энергетическую щель, которая позволяет менять свойства проводимости графена — в том числе и отключать ее.
На основе нового материала, в котором возможно управление направлением движения электронов, физики создали прообраз графеновых транзисторов, которые, вероятно, могут в скором будущем прийти на смену кремниевым. На практике это означает возможность отключения проводимости графена и создания на его основе аналогов современных полупроводниковых устройств. Транзисторы из графеновых сверхрешеток, как ожидается, должны потреблять меньше энергии, чем обычные.
Это происходит благодаря тому, что в новых транзисторах, в отличие от кремниевых, движение зарядов происходит в направлении, перпендикулярном электрическому полю, что приводит к небольшой диссипации (рассеиванию) энергии.
Транзисторы в электрических схемах предназначены для управления входящим электрическим сигналом. В случае с обычными полупроводниковыми транзисторами такое управление осуществляется изменением напряжения и силы тока, тогда как в устройствах с двумерными материалами управление осуществляется при помощи деформации кристаллической решетки графена.
Из Манчестера с любовью
Отвечая на вопрос «Ленты.Ру» о новом материале, Андрей Гейм заявил: «Это уже не совсем графен. Мы создаем новый тип кристаллов, комбинируя материалы толщиной в один атом. В своей публикации в Science мы описываем одну из таких комбинаций графена с нитритом бора («белого графита»)».
Андрей Гейм
Фото: wikipedia.org
Также ученый отметили аналогию между исследованиями в физике конденсированного состояния вещества и физикой элементарных частиц. «Это новая физика, новые материалы, новые типы электронных квазичастиц (по типу массивных нейтрино, но с зарядом, как у электрона)», — сообщил Гейм.
Нобелиат не стал предсказывать будущее такой электроники. Однако он ответил на вопрос о взаимодействии с российскими учеными в своей работе.
Материалы по теме:
«Что касается сотрудничества, то я очень тесно работаю с исследователями из Черноголовки. Совсем недавно я начал работать и со Сколково тоже. И это — несмотря на мою предыдущую критику.
Она появилась после того, как появились глупые призывы привлечь русскоязычных ученых-звезд с Запада», — отметил нобелевский лауреат.
«Россия нуждается в новом поколении собственных исследователей. Я обещал взять пару перспективных молодых ученых, которых выберут в Сколково, на два года стажировки в Манчестер. Они смогут учиться здесь «как ездить на велосипеде». Строгое условие для такой стажировки — возвращение ученых обратно в Сколково, чтобы использовать полученные навыки в России, а не за рубежом. Надеюсь, это поможет Сколково и России», — сообщил Гейм.
кристаллическая структура — Элементарная ячейка для графена
спросил
Изменено
3 года, 5 месяцев назад
Просмотрено
17 тысяч раз
$\begingroup$
В ходе исследования я столкнулся с некоторыми вопросами, требующими » Сколько атомов содержится в элементарной ячейке » для графена .
У меня есть некоторые проблемы с пониманием элементарной ячейки графена, которая всегда изображается как монослой атомов. Что такое элементарная ячейка в монослое?
Самое близкое, что я мог найти, это что-то вроде это изображение:
Верхнее правое изображение показывает что-то, что скоро станет гексагональной структурой.Но когда такая структура на самом деле появляется?
$\endgroup$
91$ Чжоу, Дж.; Хуанг, Р. Релаксация внутренней решетки однослойного графена при деформации в плоскости. Журнал механики и физики твердого тела, 2008, 56 (4), 1609-1623. https://doi.org/10.1016/j.jmps.2007.07.013
$\endgroup$
$\begingroup$
Немного поздновато, но элементарная ячейка графена — это всего лишь «поверхность» двух атомов углерода.
Эта площадь составляет 0,052 нм2, что дает нам плотность 0,77 мг/м2.
Тот же принцип для всех однослойных материалов.
$\endgroup$
Зарегистрируйтесь или войдите в систему
Зарегистрируйтесь с помощью Google
Зарегистрироваться через Facebook
Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль
Опубликовать как гость
Электронная почта
Требуется, но никогда не отображается
Опубликовать как гость
Электронная почта
Требуется, но не отображается
Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie
.
Физики открыли, как изменить кристаллическую структуру графена
Трехслойные графеновые слои могут быть уложены в двух различных конфигурациях, которые могут встречаться естественным образом в одной и той же чешуйке. Они разделены резкой границей. Предоставлено: Пабло Сан-Хосе ICMM-CSI
Группа физиков под руководством Университета Аризоны обнаружила, как изменить кристаллическую структуру графена, более известного как карандашный грифель, с помощью электрического поля, что является важным шагом на пути к возможному использованию графена в микропроцессорах, которые будут меньше и быстрее. чем современная кремниевая технология.
Графен состоит из чрезвычайно тонких листов графита: при письме карандашом листы графена отслаиваются от графитового стержня карандаша и прилипают к странице. Если поместить под мощный электронный микроскоп, графен обнаружит свою листовую структуру из сшитых атомов углерода, напоминающую проволочную сетку.
При воздействии электрического поля части материала трансформируются из металла в полупроводник, обнаружили физики UA.
Графен — самый тонкий материал в мире: для его изготовления требуется 300 000 листов, чтобы он был толщиной с человеческий волос или лист бумаги. Ученые и инженеры интересуются им из-за его возможного применения в микроэлектронных устройствах в надежде на то, что он перенесет нас из эпохи кремния в эпоху графена. Сложная часть состоит в том, чтобы контролировать поток электронов через материал, что является необходимым условием для того, чтобы заставить его работать в любой электронной схеме.
Брайан Лерой, адъюнкт-профессор физики UA, и его сотрудники преодолели препятствие на пути к этой цели, показав, что электрическое поле способно управлять кристаллической структурой трехслойного графена, состоящего из трех слоев графена.
Для изменения кристаллической структуры большинства материалов требуются высокие температуры, давление или и то, и другое, поэтому графит не превращается самопроизвольно в алмаз или наоборот.
«Чрезвычайно редко материал может изменить свою кристаллическую структуру просто под действием электрического поля», — сказал Лерой. «Создание трехслойного графена — это исключительно уникальная система, которую можно использовать для создания новых устройств».
Трехслойный графен можно укладывать двумя уникальными способами. Это аналогично укладке слоев бильярдных шаров в треугольную решетку, где шары представляют собой атомы углерода.
Используя острый металлический наконечник для сканирующей туннельной микроскопии, Лерой и его сотрудники смогли переместить границу домена между двумя конфигурациями графена. Предоставлено: Пабло Сан-Хосе ICMM-CSI
«Когда вы складываете два слоя бильярдных шаров, их «кристаллическая структура» фиксируется, потому что шары верхнего слоя должны сидеть в отверстиях, образованных треугольниками нижнего слоя», — объяснил Мэтью Янковиц, студент третьего курса докторантуры Лероя. лаборатория Он является первым автором опубликованного исследования, опубликованного в журнале 9.
0099 Природные материалы . «Третий слой шаров может быть уложен таким образом, что его шары находятся на одном уровне с шарами в нижнем слое, или он может быть немного смещен, чтобы его шары лежали над отверстиями, образованными треугольниками в нижнем слое».
Эти две конфигурации укладки могут естественным образом существовать в одной и той же чешуйке графена. Два домена разделены резкой границей, где углеродные шестиугольники натянуты, чтобы приспособиться к переходу от одного паттерна укладки к другому.
«Из-за различных конфигураций укладки по обе стороны доменной стенки одна сторона материала ведет себя как металл, а другая — как полупроводник», — объяснил Лерой.
Исследуя доменную стенку с помощью электрического поля, прикладываемого чрезвычайно острым металлическим наконечником для сканирующей туннельной микроскопии, исследователи из группы Лероя обнаружили, что они могут перемещать положение доменной стенки внутри чешуек графена. И по мере того, как они перемещали доменную стенку, кристаллическая структура трехслойного графена менялась вслед за этим.
«У нас была идея, что на границе будут интересные электронные эффекты, и граница продолжала перемещаться вокруг нас», — сказал Лерой. «Сначала это расстраивало, но как только мы поняли, что происходит, это оказалось самым интересным эффектом».
Применяя электрическое поле для перемещения границы, теперь впервые стало возможным контролируемым образом изменить кристаллическую структуру графена.
«Теперь у нас есть ручка, которую мы можем повернуть, чтобы изменить материал с металлического на полупроводниковый и наоборот, чтобы управлять потоком электронов», — сказал Лерой. «По сути, это дает нам выключатель, который еще не был реализован в графене».
Брайан Лерой (справа) и аспирант и первый автор исследования Мэтью Янковиц используют туннельный электронный микроскоп для исследования электронных свойств графена. Фото: Даниэль Столте/UAnews
Хотя необходимы дополнительные исследования, прежде чем графен можно будет применять в технологических приложениях в промышленных масштабах, исследователи видят, как его можно использовать.
«Если бы вы использовали широкий электрод вместо заостренного наконечника, вы могли бы сдвинуть границу между двумя конфигурациями на большее расстояние, что позволило бы создавать транзисторы из графена», — сказал Янковиц.
Транзисторы являются основой электронных схем, поскольку они контролируют поток электронов.
В отличие от кремниевых транзисторов, используемых сейчас, транзисторы на основе графена могут быть чрезвычайно тонкими, что сделает устройство намного меньше, а поскольку электроны движутся через графен намного быстрее, чем через кремний, устройства позволят ускорить вычисления.
Кроме того, кремниевые транзисторы производятся для работы в одном из двух типов — p-типа или n-типа — тогда как графен может работать в обоих типах. Это сделало бы их более дешевыми в производстве и более универсальными в применении.
Дополнительная информация:
Документ: dx.doi.org/10.1038/nmat3965
Предоставлено
Университет Аризоны
Цитата :
Физики открыли, как изменить кристаллическую структуру графена (30 апреля 2014 г.