Как сделать графен: Ученые придумали, как сделать графен в 200 раз дешевле

Содержание

Ученые придумали, как сделать графен в 200 раз дешевле

26 июня 2019, 16:04

Графен — один из самых важных и многообещающих материалов современности. Эта двумерная углеродная пленка невероятно прочна, обладает массой полезных свойств и может применятся в самых разных сферах — от электроники до медицины и космических технологий. В общем, это настоящая технологическая панацея.

Увы, имеется проблема. Производство графена слишком дорого, токсично и небезопасно для его повсеместного применения. Но, кажется, только что эту проблему решили. Австралийские ученые из Мельбурнского королевского технологического университета (RMIT) придумали, как получать графен из эвкалипта.

Единственный способ быстрого и массового получения графена — химический. Графен восстанавливают из оксида. Этот оксид получается из графита — повсеместно распространенной формы углерода. На графит воздействуют сильными кислотами, в результате чего образуется оксид с примесями различных кислород- и водородсодержащих групп.

Следующим шагом этот оксид помещают в щелочь. В результате вещество распадается на отдельные листы оксида графена. И уже этот обработанный щелочью оксид нужно избавить от связей с кислородом, чтобы он превратился в готовый графен.

Увы, нужной химической реакции можно добиться лишь с применением взрывчатых или токсичных соединений — борогидрида натрия, гидразин-гидрата и диметилгидразина. Из-за этого химическое производство графена невероятно сложно реализовать в крупных масштабах. Ведь большая графеновая фабрика представляла бы собой колоссальную угрозу для людей и окружающей среды.

Решение, предложенное учеными RMIT, изящно и экологично. Для получения графена они использовали раствор полифенолов эвкалипта, полученный из экстракта коры дерева. Полифенольные соединения позволяют восстанавливать расслоенный оксида графена (после обработки щелочью) в нейтральной водной среде.

По словам ученых, их коллеги и раньше пытались использовать растительные вещества, но результат получался некачественным. Экстракт коры эвкалипта был использован впервые. И оказалось, что полученный с его помощью графен даже превосходит по качеству свои аналоги, созданные с применением токсичных веществ. А еще он в сотни раз дешевле.

Как уже говорилось, графен — технологическая панацея нашего времени. Он способен радикально изменить наш мир, сделав буквально каждый его аспект немного лучше. С его помощью можно создавать более мощные компьютеры, более прочные и легкие автомобили. Малый вес и высокая прочность графена делают его основным кандидатом на роль стройматериала для орбитального “лифта в космос”. А недавно ученые сообщали, что графен может найти применение в борьбе с раком.

В общем, применений для графена больше, чем можно себе представить. До сих пор многие инициативы разбивались о труднодоступность этого вещества. Теперь же, когда найден дешевый способ получения графена, мы станем свидетелями настоящего всплеска в связанных с ним исследованиях. А значит, в скором будущем весь мир может стать чуть более высокотехнологичным.

Первые листы графена были получены с помощью скотча, который приклеивали к поверхности графита, чтобы отделить от него тонкие слои. Продолжая традиции «низких технологий» в изготовлении этого «чудо-материала», исследователи из Тринити-колледжа в Дублине придумали способ получения больших количеств графена. Для этого нужен графит, стабилизирующий состав и блендер.

Конечно, графен, полученный таким способом, имеет мало общего с листами графена размерами с полупроводниковую пластину, которые выращиваются для использования в высокопроизводительной электронике Samsung, IBM и других компаний. Когда речь идет о производстве графена, приходится выбирать — качество или количество. Но и мелкие хлопья графита, которые отслаиваются от зерен графита при перемешивании а затем отделяются центрифугированием, тоже найдут себе применение. Коллоидные растворы, содержащие такие хлопья, могут быть использованы при производстве печатной электроники или проводящих покрытий. Сами хлопья могут входить в состав композиционных материалов, улучшая их механические, электрические или термические характеристики.

Существует ряд методов, широко используемых для получения графена в лабораторных условиях. В их числе ультразвуковая обработка, приводящая к тому же результату — отделению хлопьев графена от частиц графита. Однако эти методы сложно масштабировать до промышленных объемов, тогда как перемешивание позволяет получать графен в действительно больших количествах.

В своей работе ученые отмечают, что минимальная скорость, необходимая для «отшелушивания» графена, может быть достигнута даже с помощью кухонного блендера. «Если вы попытаетесь повторить это дома, — пишет руководитель исследовательской группы Джонатан Коулман, — вы можете использовать [в качестве стабилизирующего состава] бытовые ПАВ (например, жидкость для мытья посуды). Впрочем, я не уверен, что стал бы готовить пюре при помощи блендера, которым недавно мешал графит».

Ученые Университета ИТМО, Университета Шеффилда (Великобритания) и Исландского университета доказали, что движение электронов и фотонов в двумерных материалах с гексагональной симметрией таких, как графен, подчиняется одним законам. Теперь свойства электронов в твердых телах можно моделировать с помощью классических оптических систем, где эта задача решается значительно легче. Статья опубликована в Nature Photonics

Самый известный двумерный материал, который обладает высокой прочностью и электропроводностью, — это графен. За его открытие ученые Андрей Гейм и Константин Новоселов в 2010 году получили Нобелевскую премию по физике. Несмотря на свою «легкость», он в 300 раз прочнее стали. Уникальные свойства связаны с его структурой. Поведение электронов в материале во многом определяется «геометрией» кристаллической решетки вещества. В случае с графеном, атомы углерода образуют шестиугольные ячейки. Благодаря этому электроны в материале могут вести себя как частицы с нулевой эффективной массой, хотя в реальности масса у них есть.

«Такое поведение электронов в графене описывается с помощью законов квантовой механики, где электрон рассматривается не как частица, движущаяся вокруг ядра атома, а как волна материи. Определенные свойства волн разной физической природы зависят исключительно от симметрии системы. Это дает возможность сделать “фотонный графен”. Он похож на тонкую прозрачную пластину, которая сверху выглядит как пчелиные соты. Если в классическом графене могут распространяться электроны, то здесь – фотоны, также ведущие себя как безмассовые частицы», – рассказывает научный сотрудник Нового Физтеха Университета ИТМО Алексей Юлин.

Ученые из России, Англии и Исландии поставили перед собой задачу — воспроизвести динамику безмассовых электронов, обладающих спином (т.е. собственным моментом частицы), в графене с помощью безмассового света, распространяющегося в оптической системе. Создав оптический аналог графена, они изучили эффекты, возникающие при воздействии на него фотонами: он возбуждался сфокусированным лазерным излучением, падающим под определенными углами. Изменение угла падения света на фотонный кристалл обеспечивало возникновение в нем волн с требуемыми свойствами.

В работе был подробно изучен случай, когда в фотонном графене происходило селективное возбуждение безмассовых фотонов. Сопоставление теории и эксперимента показало, что предложенная математическая модель хорошо воспроизводит экспериментальные результаты. Для сравнения был исследован случай, когда свет в фотонном графене ведет себя подобно обычным частицам с ненулевой массой.

В ходе экспериментов физики обнаружили, что поляризационные эффекты похожи на спиновые, хорошо известные в физике твердого тела. Также ученые доказали возможность описания этих явлений с помощью уравнений из классической физики. Теперь те свойства, которые трудно измерять или контролируемо изменять в твердом теле, можно исследовать в фотонных системах, где эти задачи решаются значительно легче.

«За счет того, что процессы, происходящие в обычном графене, схожи с процессами в фотонных системах, с помощью оптических систем можно, например, имитировать спиновую динамику электронов. Изучение спин-орбитальных взаимодействий в фотонном графене может привести к более глубокому пониманию аналогичных эффектов, наблюдаемых в твердотельной электронике. Более того, полученные выводы подталкивают нас к поиску таких же аналогий и в других системах, например, таких, как акустический графен», – заключает Алексей Юлин.

Создание и изучение двумерных (2D) материалов — молодое и очень перспективное направление современного материаловедения. Для таких материалов характерна очень малая (часто менее одного нм) толщина, поэтому их можно использовать для создания слоистых гетероструктур, которые используются в современной электронике, от транзисторов до датчиков, солнечных элементов и светодиодов. Сотрудники Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» (НИТУ «МИСиС») активно исследуют технологии получения и свойства множества двумерных наноматериалов.

Основная особенность двумерного материала в том, что все его атомы находятся в поверхностном слое. В химии и кристаллографии это означает, что каждый элемент площади материала имеет множество свободных или нескомпенсированных («висячих») связей. Это обусловливает повышенную химическую активность таких материалов, а также существенную разницу в свойствах по сравнению с массивным состоянием. Свободные связи дают возможность изменения их функций за счет модификации поверхностности.

Самый известный двумерный материал — графен, его открытие в 2010 году было отмечено Нобелевской премией по физике. Графен обладает высокими значениями электро- и теплопроводности и достаточно прочен при растяжении на разрыв. В то же время он образует складки и нестабилен в качестве отдельной свободно висящей пленки.

Эту проблему решают современные методики создания «армированного» графена. Кроме того, разработаны технологии получения бездефектных пленок графена большой площади, применимых в качестве прозрачных электродов для различной техники. Созданы также методы получения отдельных хлопьев оксида графена, которые активно внедряются в качестве функциональных наполнителей для полимерных композитов.

По типу проводимости графен ближе всего к металлам, что затрудняет его применение для создания элементов логических схем. Поэтому для применения в электронике, для создания датчиков и сенсоров активно изучаются другие двумерные материалы — халькогениды переходных металлов. Они характеризуются полупроводниковыми свойствами и различаются типами проводимости.

Исследователи сегодня разрабатывают различные способы получения 2D-материалов. Метод химического осаждения из газовой фазы позволяет создать качественные пленки многих двумерных материалов (хотя его реализация обходится довольно дорого). Методы химической эксфолиации слоистых материалов позволяют получать дисперсии и хлопья толщиной в несколько атомных слоев.

Существуют методы с использованием высокоэнергетического помола в планетарных мельницах и комплексные методы, где получают промежуточные фазы, а затем за счет химического воздействия расслаивают материал на очень тонкие чешуйки. Метод высокоинтенсивной ультразвуковой кавитации помогает получать двумерные структуры из массивного состояния.

Каждый метод существенно влияет на свойства получаемого материала. Так, для создания электронных устройств наиболее перспективны методы химического осаждения из газовой фазы или атомно-слоевого осаждения, позволяющие точно контролировать толщину и размер структурных элементов, чистоту и морфологию материала.

Несмотря на то, что сейчас самые качественные пленки получают методом химического осаждения из газовой фазы, в первых работах Гейм и Новоселов сделали измерения на графене, полученном с помощью скотча, на очень маленьких по площади чешуйках. Сегодня дисперсии сверхтонких чешуек, готовых к применению, уже есть в свободной продаже.

Сотрудники кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов НИТУ «МИСиС» разрабатывают халькогениды переходных металлов для солнечных элементов, светодиодов и сенсоров. Они также исследуют оксид графена как покрытие, повышающее коррозионную стойкость различных типов стали, и способы получения «максенов», представляющих собой слоистые карбиды титана и ванадия, для которых уже показаны интересные результаты.

«Активное взаимодействие нашего коллектива с профессором итальянского университета „Тор Вергата“ Альдо Ди Карло по теме двумерных наноматериалов привело к получению мегагранта и созданию новой лаборатории. Значительная часть работ лаборатории направлена на применение нескольких типов двумерных наноматериалов для создания перовскитных солнечных элементов», — рассказал РИА Новости старший научный сотрудник кафедры Дмитрий Муратов.

По его мнению, это пример эффективно налаженного взаимодействия: материаловеды синтезируют и исследуют свойства новых материалов, наиболее подходящих для применения в солнечных элементах, специалисты по полупроводниковым устройствам создают сами устройства и исследуют их рабочие параметры.

«Кроме того, мы активно сотрудничаем по получению и исследованию свойств композитов с Центром композиционных материалов НИТУ „МИСиС“, группой Андрея Степашкина. Я выступал с докладами о нашей работе по композитам с наноструктурным нитридом бора перед зарубежными коллегами, например, в Испании на конференции ISMANAM », — сообщил Дмитрий Муратов.

Он рассказал, что ученые НИТУ «МИСиС» создали композиты, которые проводят тепло гораздо лучше традиционных стеклотекстолитов. Полимерной основой стал полиэтилен высокой плотности, а наполнителем — нитрид бора, обработанный для достижения нужных свойств. С точки зрения вторичной переработки, полученные материалы оказались выгоднее распространенных аналогов, кроме того, они способны решить проблему перегрева печатной платы в электронике.

Сегодня НИТУ «МИСиС» активно развивает сотрудничество в области синтеза двумерных материалов и изучения их свойств с Университетом Небраска-Линкольн (США). Оно началось после объявления в НИТУ «МИСиС» в рамках федеральной программы «Проект 5-100» конкурсов, направленных на развитие инфраструктуры. Эти конкурсы предусматривают приглашение ведущего ученого для руководства научным коллективом и проведения исследований на одну из перспективных тем.

«К нам был приглашен профессор Александр Сергеевич Синицкий, который в основное время работает в Университете Небраска-Линкольн. В 2016 году мы подали совместную заявку по двумерным наноматериалам на один из конкурсов и выиграли его. После этого началось наше активное сотрудничество, в рамках которого я стажировался в США в лаборатории Александра, чтобы применить полученный опыт для создания экспериментальной базы и у нас на кафедре», — рассказал Дмитрий Муратов.

По его словам, это привело к международному обмену опытом магистров, аспирантов и сотрудников кафедры. В результате сотрудничества опубликован ряд совместных работ по двумерным наноматериалам в ведущих международных журналах и налажена установка по их синтезу методом химического осаждения из газовой фазы.

Так, ученые представили в научном журнале Nanotechnology результаты своей работы с оксидом молибдена (MoO2). Они получили методом химического осаждения из газовой фазы двумерный материал, который затем всесторонне исследовали с помощью аналитических методов. Например, в научном журнале ACS Nano недавно была опубликована статья о сульфиде титана.

«Уже показаны очень хорошие результаты по проводимости полученного материала и возможности получения очень тонких и проводящих слоев MoO2 (в данном случае кристаллов), стабильных на воздухе, на различных по своей природе подложках. Полученные результаты мы будем использовать в наших дальнейших исследованиях», — заявил Дмитрий Муратов.

По его словам, новый материал можно будет применять для создания гетероструктур и наноустройств — транзисторов, сенсоров, фотодетекторов и так далее. Сейчас создаваемые НИТУ «МИСиС» вместе с Университетом Небраска-Линкольн материалы внедряются в качестве транспортных слоев для тонкопленочных солнечных элементов, светодиодов и сенсоров. Развивается и направление создания полимерматричных композитов, наполненных двумерными наноматериалами.

ТАСС, 2 октября. Физики придумали, как графен можно использовать в качестве высокочувствительного приемника терагерцовых волн, который может определять степень поляризации этой формы излучения. Описание их работы опубликовал научный журнал ACS Nano Letters, кратко об этом пишет пресс-служба МФТИ.

«Наш эксперимент показал, что графен, полученный путем осаждения паров углерода, можно использовать для создания различных активных плазмонных устройств. В частности, мы показали, что из этого материала можно создать электрический детектор поляризации терагерцового излучения», – отмечают ученые.

Графен – это одиночный слой атомов углерода, которые соединены между собой химическими связями, напоминающими структуру пчелиных сот. За получение и изучение первых образцов графена Константин Новоселов и Андрей Гейм получили в 2010 году Нобелевскую премию по физике.

Эксперименты показали, что у графен есть не только полезные свойства. Некоторые его характеристики, как оказалось, мешают использовать его на практике. Из-за этого Гейм и его коллеги из МФТИ лишь два года назад смогли сделать из графена датчик терагерцовых волн.

Эти волны можно использовать для того, чтобы очень быстро передавать информацию, а также для создания различных медицинских и научных приборов, которые используют терагерцовое излучение для получения изображений внутренних органов и различных объектов неживой природы. Проблема заключается в том, что создание компактных источников и приемников подобных волн оказалось очень сложной задачей.

Авторы новой работы решили эту проблему. Они обратили внимание на то, что прохождение терагерцовых лучей через листы графена будет порождать в нем так называемые плазмонные волны – коллективные колебания электронов и «дырок», отрицательно и положительно заряженных носителей заряда. Эти колебания можно уловить, соединив пленку из графена с транзистором и набором из золотых электродов, которые по форме похожи на галстук-бабочку.

Добившись подобных успехов, ученые под руководством заместителя заведующего лабораторией МФТИ Георгия Федорова задумались о решении более сложной задачи – создании компактного датчика поляризации терагерцовых волн. С помощью подобного прибора можно передавать значительно больше информации через такое излучение, а также значительно расширить применимость его источников в других областях науки и техники.

Дальнейшие эксперименты показали, что если несколько изменить форму золотой «бабочки», то графеновый детектор можно приспособить и для оценки того, в какую сторону «закручены» невидимые нам волны. Как отмечают ученые, для его изготовления можно применять самые дешевые формы графена, которые получают путем химического осаждения паров углерода. Благодаря этому подобные детекторы терагерцового излучения могут быть максимально доступными и производить их можно в промышленных масштабах.

Оксид графита это новая разработка в создании сверхпрочных зубных пломб. По данным лаборатории и молекулярных технологий, графит вполне может заменить другие материалы и стать революцией в сфере стоматологии.

Обычно человек, принимая пищу, производит около 800 жевательных движений за трапезу. Если сложить их, то получится что в год, эта цифра составляет приблизительно 1 миллион жеваний. На сегодняшний день пломбы делаются из смеси металлов или керамики. Тем не менее, они не совсем универсальны. Одни плохо приживаются и за короткое время разрушаются, другие довольно хрупкие. Графен – это соединение веществ, которое не подвержено коррозии, очень крепкое и прочное, и не разрушается со временем.

В процессе исследования ученые рассматривали различные соединения графена, с целью выявить наиболее безопасные варианты для здоровья человека. Для эксперимента были предоставлены несколько форм графита. Каждый экземпляр был подвержен испытанию на стволовых клетках зуба. В результате, оскид графена стал единственным веществом, которое абсолютно безопасно для человека, и может использоваться в стоматологии. Следующий этап – это создание пломбы. Команде из румынского института медицины предстоит сделать графеновую пломбу, которая по всем параметрам будет совместима с зубами и клетками человека.

Наша клиника «Витадент Плюс» предлагает Вам услугу лечение кариеса!
Пациенты нам доверяют почти 20 лет и рекомендуют клинику «Витадент Плюс» своим друзьям и знакомым!
Запишитесь на прием к стоматологу, просто заполнив форму!
А так же для всех, кто запишется на прием через сайт, мы сделаем 10% скидку на лечение и подарим дисконтную карту!

Графен жидких ячейки электронной микроскопии могут обеспечить механистическая информация о Нанокристаллические роста и травления с высоким пространственным разрешением, но, поскольку создание графена жидкость клетки может быть сложной и деликатной, техника требует внимания к деталям в извлечь пригодные для использования данные. Даже после обширной практике делает графена жидкость клетки, только около половины до четверти сделал жидкой клеток успешно инкапсулировать жидкий раствор. Важным шагом в формировании жидкой клеток является размещение второй сетке на вершине капли жидкости. Распространенные ошибки включают в себя получение пинцет, застрял между двумя сетками, снижается второй сетке слишком далеко от центра и начиная с дроплета, который является слишком большим. Поскольку Ассамблея графена жидкой клеток является деликатной и требует тонкой моторики, обычно это занимает практике успешно сделать жидкого карманы. Из-за счет графена покрытием сетки ТЕА настоятельно рекомендуется новая жидкость графена мобильных пользователей первой практике жидкости клеток, делая процесс на традиционные медные, аморфного углерода ТЕА сетки, чтобы сэкономить деньги.

Определение причин отказа для жидких клетки может быть сложным, потому что исследователь не может знать, если каждый шаг был успешным до визуализации образца в конце, и ошибки, как царапины графена, может остаться незамеченным. Простой ошибки для идентификации является неправильная сборка потому, что исследователь будет сразу увидеть жидких утечка из графена жидкость клетки. Проблемы с созданием графена на медной сетки, как растрескивание графена, может быть труднее определить. Качество графена может проверяться как до, так и после покрытия ТЕА сеток с использованием Рамановская спектроскопия, но графена обычно является непригодным для использования после этого тестирования. Кроме того важно использовать прямой передачи графена, потому что два лица графена, вместе взятые должны быть чистой правильно сформировать печать через ван-дер-Ваальса. Создание графена покрытием сетки через методы передачи полимера может оставить остатков полимера на стороне графена, которая, как ожидается, соединяются. Если правильный процедура выполняется с помощью правильной сетки ТЕА, отсутствие успеха с графена жидкого ячейки обычно из-за неправильного графена и сетки во время Ассамблеи и изготовление.

Графен жидкости клеток, ТЕА достижения существующих методов ТЕА жидкого ячейки, используя намного тоньше инкапсуляции материал, который могут используется в любой традиционной держатель ТЕА, делая аспект траектории и высоким разрешением отслеживания эксперименты намного проще. С разрешением коммерческих кремния нитрид мембраны жидкий клеток большая часть аспекта и кинетические информацию, которая может быть достигнута путем травления нанокристаллов в ячейке жидкого графена будет потеряна. Графен, что жидкость клетки ТЕА может также быть эксперименты на существующих сингл наклона Держатели ТЕА, что устраняет необходимость для дорогих новых специальных держателей. Кроме того, графена жидкого ячейку можно положить в любой держатель, который принимает стандартные образцы сетки ТЕА, позволяя для жидких клеток экспериментов в расширенный держатели (Отопление, двойной наклон, охлаждение, крио, Катодолюминесценция) где жидкость из нитрида кремния клетки не были разработаны. Кроме того графена жидкость клетки не представляют риск сбоев вакуум столбце ТЕА если карманы разрыв как другие методы ТЕА жидкости клеток. Хотя графена жидкости клеток еще не повсеместно технику в Нанокристаллические поля, его простота использования и пространственным разрешением сделает его гораздо более широко использовать в будущем.

Даже с его много преимуществ графена жидкость клетки ТЕА имеют ограничения на типы экспериментов, которые могут быть выполнены. Некоторые жидкости испаряются как карманы форме, поэтому трудно точно определить концентрацию видов в растворе, даже без учета эффектов пучка электронов. Графен жидкость клетки также имеют случайных размеров, высот и распределения малых карманов, поэтому кремния нитрид потока клетки имеют преимущество более поддающихся количественному измерению концентрации предварительной балка и большие, форма жидкого слои. Как описано в этой работе, только предварительно образцы можно просмотреть с помощью жидкого ячейки графена в ТЕА, так что это не возможно поступать в другие решения, чтобы вызвать химические реакции. Радиолиз видов, порожденных взаимодействия электронного пучка с жидким раствором являются единственным триггера, который может быть использован для начала реакции. Хотя пока еще не продемонстрировали, термически начатые процессы может запускаться в жидкой клеток графена с использованием стандартных Отопление Держатели. Электронный луч индуцированной Радиолиз эффекты понимаются еще не полностью и может быть трудно контролировать. Исследователи разработали кинетической модели, чтобы определить содержимое карманов жидкости клеток после луч взаимодействия³¹^,³², но их точность ограничивается количество реакций, включенных в модель и любые неизвестные концентрации изменения, обусловленные сушки. Содержимое комплекс первоначальных карман с многих видов реагируя как FeCl₃, буфер Tris и даже графена³⁰, может быть трудно полностью понять использование кинетической модели. Еще один недостаток жидкости ячейки электронной микроскопии, что это трудно характеризовать состав кристаллов, образующихся при динамических процессов. Например в экспериментах роста многокомпонентных систем, может быть невозможно отличить, какие этапы или видов растут, если новый нанокристаллов аморфный или не на оси зоны. Это еще одна причина, почему травления предварительно сформированных нанокристаллов известные композиции, сидя на оси известной зоны является желательным. Наконец есть еще некоторые аргументы, что луч индуцированной реакции в ячейке жидкого графен не представляют условия реакции ex situ в колбе.

Будущих графена жидкого клеток экспериментов поможет облегчить некоторые из этих проблем, а также с помощью новых ТЕА авансы дальнейших зонд основные тайны нанокристаллов. Корреляционные ex situ синтез Нанокристаллические и травления эксперименты будет иметь решающее значение в подкрепляющих механизмов, видели в жидкости клеток ТЕА экспериментов. Кроме того исследователи начали работать на добавление возможности потока графена жидкость клетки ТЕА³⁵ и сделать более управляемой карманы³⁶ включая массивы графена жидкой клеток с помощью lithographically подготовленные отверстия³⁷. Достижения в резолюции и камеры скорость электронной микроскопии сделают графена жидкого ячейки далее возможность изучать атомной динамика во время преобразования Нанокристаллические. Упаковка небольшие очаги жидкости в атомарным образом тонкого материала как графена для использования в электронной микроскопии имеет множество потенциальных приложений и несомненно станет главным продуктом Нанонауке исследований в будущем.

Что, если бы вы обнаружили бесконечно тонкий материал, способный проводить электричество, способный удерживать вес в миллионы раз больше собственного веса, но при этом достаточно пористый, чтобы фильтровать самую мутную воду? А что, если эта субстанция была создана из того же элемента, что и заполнение обычного карандаша?

Растущее число ученых стремится сделать этот необычный материал, графен, основным технологическим материалом ко второй половине 21 века.Неудовлетворенные этим графиком, некоторые предприниматели хотели бы увидеть широкое распространение графена в течение следующего десятилетия.

Графен элегантен. Он создан из одного элемента, углерода, образованного только одним типом связи. Несмотря на кажущуюся простоту графена, изолировать материал было труднодостижимым как для химиков, так и для физиков. Графен отлично скрывает на виду, и усовершенствованные за последние два десятилетия методы и инструменты сыграли решающую роль в его открытии.

Углерод, единственная составляющая графена, повсюду вокруг нас. Этот элемент является четвертым по распространенности во всей вселенной. Большинство людей думают о материалах как об атомах и молекулах, где молекулы состоят из определенных типов и количества атомов. В случае графена подсчет атомов углерода несущественен. Решающее значение имеет только способ, которым составляющие атомы углерода связаны друг с другом, поскольку эта особенность отделяет графен от других полностью углеродных материалов, таких как алмазы и графит.На атомном уровне исключительно углеродный графен напоминает шестиугольный забор из проволочной сетки, в котором каждый атом углерода составляет вершину шестиугольника. Гексагональное распределение делает возможными свойства графена, потому что распределение позволяет отдельным атомам углерода графена лежать плоско.

Это свойство графена нельзя не заметить. Графен — идеальная аномалия в мире химии: плоская двумерная молекула с одним листом графена толщиной всего в один атом.Вы можете сразу усомниться в структурной целостности графена из-за его восхитительно упрощенной конструкции, но переплетение углеродных шестиугольников по всей структуре делает атомно тонкий материал неожиданно прочным.

Вы испытали синтез графена, может быть, даже раньше, в очень малых масштабах. Давление, оказываемое вашей рукой и кончиками пальцев, вероятно, привело к образованию нескольких слоев графена, когда вы в последний раз проводили карандашом по блокноту, превращая скромный графит в графен, как вы составляли список покупок на этой неделе.

После того, как два исследователя из Великобритании, Константин Новоселов и Андре Гейм, были удостоены Нобелевской премии по физике в 2010 году, технологические журналы повсюду провозгласили новую эру «чудесных материалов», основанных на этой атомарно тонкой мозаике атомов углерода. Обладая невероятно высокой прочностью и почти невероятно низким электрическим сопротивлением, графен отдернул скрытую завесу, позволяя ученым мельком увидеть чудеса, которые лежали за его пределами.

Тем не менее, первые инвесторы были обожжены предпринимателями, которые обещали слишком много и недостаточно обеспечивали производительность продуктов (особенно композитов, таких как пластмассы), в которых был графен, но которые не использовали графен таким образом, чтобы его включение стоило дополнительных расход.В некоторых случаях это была просто добавка змеиного масла. Поскольку общий объем новых методов производства и качество получаемого графена со временем увеличиваются, мы, наконец, начинаем видеть истинные преимущества графена.

Графеновые хлопья на кремниевых пластинах на самом деле являются лишь первыми каплями на дне химического стакана по сравнению с революцией, которая произойдет, когда кто-то решит загадку того, как сделать нетронутые графеновые листы большой площади.

Последнее десятилетие или около того, аддитивное производство (AM) было в моде. Возможно, вы знаете AM по более распространенному названию — 3D-печать. Многие устройства AM раннего поколения использовали только пластик, чтобы создавать интересные трехмерные изображения различных объектов, но технология стала значительно более функциональной.

Структурные материалы аддитивного производства — очевидное место для начала добавления хлопьев графена. Исследователи из Массачусетского технологического института, используя специальную машину AM, напечатали различные трехмерные объекты из графена и протестировали их, чтобы измерить их физические свойства по сравнению с деталями, производимыми более традиционным способом. Результаты были ошеломляющими. Некоторые из образцов, напечатанных на 3D-принтере, имели в 10 раз большую прочность стали при 1/20 массы. Теперь они могут печатать детали и узлы, которые в некоторых случаях могут заменить изготовленные на заказ стальные детали для повышения механической прочности.

Для того, чтобы графен совершил все предсказанные революционные изменения (а в некоторых случаях и фактически протестировал), должен существовать автоматизированный производственный процесс, позволяющий производить килограммы графена в день или тонны материала в год, а не просто несколько граммов тут и там. Графит — это в основном графен, наложенный на себя, ожидающий, пока кто-нибудь его отделит. Однако здесь все усложняется.

Прежде всего, вероятно, следует исключить массовое производство графена тем методом, которым он был первоначально выделен.Хотя забавно представить себе огромную комнату, заполненную людьми, использующими клейкую ленту для отделения листов графена от стопки грифеля карандаша, это просто непрактично. Возможно, кто-то сможет придумать, как автоматизировать этот конкретный процесс, но даже в этом случае маловероятно, что он будет хорошо масштабироваться для необходимого массового производства. Другими словами, не вкладывайте свои пенсионные сбережения в фьючерсы на клейкую ленту!

Исследователи из Университета Рутгерса делают листы графена из обычных хлопьев графита и небольшого количества серной или азотной кислоты.Добавление кислоты окисляет графеновые листы, из которых состоит графит, и заставляет атомы кислорода между листами графена расщепляться, образуя листы оксида графена, взвешенные в кислоте и воде. Затем жидкость фильтруется, оставляя хлопья оксида графена, забивающие фильтр. Сумма всех засоров на фильтре в конечном итоге образует лист оксида графена, похожий на бумагу. Затем этот похожий на бумагу лист можно удалить с фильтра, растворив фильтр с помощью растворителя, который не вступает в реакцию с оксидом графена.Последний шаг — удалить кислород с помощью гидразина, оставив только покрытие из чистого графена.

Полученный материал называется восстановленным оксидом графена , сокращенно или RGO. В этом случае «восстановленный» относится к химическому использованию этого слова, когда степень окисления каждого графенового углерода была уменьшена за счет удаления кислорода гидразином. В этом случае гидразин является восстановителем, который окисляется в результате реакции с оксидом графена.

Метан, богатое углеродом газообразное соединение, с которым мы, люди, очень хорошо знакомы, может реагировать с медью при высоких температурах с образованием графена. Просто нагрейте медь примерно до 1000 градусов по Цельсию и подвергните ее воздействию метана. Слои графена образуются на поверхности меди из многочисленных атомов углерода в газообразном метане. Этот процесс называется химическим осаждением из паровой фазы (CVD). У этого метода есть две большие проблемы: требуется много времени, чтобы сделать даже небольшой графен, и качество получаемого графена не очень хорошее.

Дэвид Бойд из Калифорнийского технологического института вместе со своими сотрудниками-исследователями нашел способ улучшить метод CVD, чтобы он работал при более низких температурах и производил графен более высокого качества. Они тоже используют медь и метан, но добавляют немного азота, чтобы улучшить наслоение графена на меди. В этом методе еще нужно добавить энергии, но не так много. Реакция идет вперед при «простых» 420 градусах. Мировая промышленность имеет значительный опыт работы с сердечно-сосудистыми заболеваниями, поэтому в конечном итоге должна появиться возможность крупномасштабной автоматизации процесса; цель состоит в том, чтобы производить сантиметры или даже метры высококачественного графена за один раз.

Опасные химические вещества, сложные механизмы и многоступенчатые химические реакции и процессы слишком сложны на ваш вкус? Затем рассмотрим этот подход, открытый в Государственном университете Канзаса, где они получили графен путем взрыва. Вы когда-нибудь строили лопаточный пистолет? Как правило, если вы возьмете трубу из ПВХ длиной от одного до двух метров, создайте камеру сгорания на одном конце с помощью свечи зажигания и быстро закрывающейся торцевой крышки, набейте картофель на другом конце и заполните теперь герметичную камеру сгорания с легковоспламеняющимся паром (подойдет лак для волос), тогда у вас есть распылитель.После того, как картофель окажется на месте, камера заправлена лаком для волос, а затем запечатана, вы можете направить дальний конец ПВХ-трубы на цель и разрядить аккумулятор, чтобы свеча зажигания зажгла искру. В результате небольшой взрыв создает волну давления, которая выталкивает картофель из конца камеры сгорания, перемещая его вверх по соплу ПВХ-трубы в воздух, часто отбрасывая его на десятки метров вдаль. Физика того, что происходит в камере сгорания, очень похожа на метод, который ученые из Университета штата Канзас использовали для создания графена, который может стать масштабируемым процессом, который может стать шагом к массовому производству.

Интересно, что графен был не тем, что пытались создать ученые. Вместо этого они пытались создать нечто, называемое аэрозольным гелем угольной сажи, для использования в системах изоляции и очистки воды. Об этих гелях внезапно забыли, когда они поняли, что их сажа была не тем, что они искали, а графеном. И не только немного графена. Они утверждают, что их процесс является наименее дорогостоящим для потенциально массового производства графена и не требует больших затрат энергии.Конечно, нет ничего проще, но этот подход кажется хорошим для использования в сочетании с другими методами.

Вместо трубы из ПВХ ученые использовали более прочную камеру для горения. Они заменили лак для волос ацетиленом или этиленом, смешанным с кислородом. Они использовали свечу зажигания, чтобы создать горение, так же, как мы сделали с нашим пистолетом-распылителем. Топливо, ацетилен или газообразный этилен, было превращено в графен и некоторые другие углеродные детриты.

Еще есть метод соевого масла — то же самое, что вы можете использовать дома, когда готовите.Исследовательская группа в Австралии нашла способ использовать повседневные соевые бобы для производства однослойных листов графена поверх никелевой подложки, потенциально создавая листы с большими площадями одновременно. Этот процесс представляет собой разновидность процесса CVD, описанного ранее, но с существенным отличием: он выполняется в окружающем воздухе (без специальных вакуумных камер и т. Д.), И требуемая энергия не так велика, как для других процессов CVD.

Секрет кроется в используемом катализаторе из никелевой фольги и в тщательном контроле температуры процесса для предотвращения, насколько это возможно, образования диоксида углерода.Вуаля: идет соевое масло — выходит графен. Стоит отметить, что команда исследовала другие металлические фольги, включая медь, и никакие другие не способствовали образованию графена. Только никель.

Когда ничего не помогает, почему бы просто не пойти домой и не использовать свой блендер, чтобы приготовить чудо-материал 21 века? По сути, именно это сделал Джонатан Коулман из Тринити-колледжа в Дублине, когда он и его команда поместили немного графита в блендер, добавили жидкость для мытья посуды, продаваемую без рецепта, и нажали кнопку запуска.Поскольку для разделения вновь сформированных листов графена требуется лишь немного больше обработки, Коулман и его коллеги обнаружили, что они могут производить несколько сотен граммов в час, используя довольно скромный набор смесительного оборудования в чане емкостью 10 000 литров. Однако пока неясно, может ли этот метод обеспечить высококачественный графен.

Поиск в научной литературе обнаруживает множество методов, с помощью которых можно производить графен различного качества. Их объединяет сложность, энергия и тот факт, что они могут производить только небольшое количество графена, который затем необходимо отделить от других продуктов реакции.На сегодняшний день не существует простой технологии производства, позволяющей получать большие количества высококачественного графена. Чтобы воплотить в жизнь поистине замечательные чудеса графена, его необходимо производить в огромных количествах — дешево.

Хотите купить монослой графеновых хлопьев размером 10 х 10 мм на кремниевой подложке? 146 долларов. Как насчет монослоя графена на меди размером 60 х 40 мм? 172 доллара. Есть компании, специализирующиеся на графене, которые будут продавать образцы отдельным пользователям по очень разумным ценам.Фактически, они продадут вам немного графена на вашей собственной подложке за 124 доллара и выше.

Однако сделать графен нетривиально. Лучший графен для массового рынка получается из химически расслоенного природного, добытого графита, и компании, которым принадлежит доля в графитовых рудниках, уже зарекомендовали себя в качестве участников этой графеновой революции, используя свой предпочтительный доступ к сырью для повышения цен на акции.

Центр современных 2D-материалов (CA2DM) Национального университета Сингапура установил семь различных тестов, с помощью которых он измеряет графитовые материалы для определения качества и идентичности.К сожалению, только некоторые из этих тестов доступны в типичной лаборатории компании; другие требуют дорогостоящего оборудования, которое должно эксплуатироваться и обслуживаться специально обученными специалистами.

Три самых дешевых теста для определения размера конкретной чешуйки, степени дефектов в данном образце и элементного состава образца. Размер чешуйки определяют с помощью оптического микроскопа, тогда как образец графена / графита на опорной поверхности измеряют с помощью обычного светового микроскопа.Камера и компьютер могут измерить приблизительные размеры частиц графена / графита и примерно сообщить, насколько велики получающиеся хлопья.

Поскольку электронные свойства графена очень чувствительны к дефектам в чешуях, степень этих дефектов является важным параметром для измерения. Это измерение производится с помощью так называемой рамановской спектроскопии, которая измеряет колебательные структуры в образце. Окисление углерод-углеродных связей в графене кислородом открывает графен для разрушения окружающей среды, а введение других атомов на поверхность графена приводит к резкому изменению различных свойств.Например, добавление даже одного атома водорода к структуре графена приводит к тому, что графен становится магнитным.

Измерения дефектов будут подтверждены элементным анализом, в частности анализом углерод-азот-водород-сера (CNHS). Добытый графит будет содержать остатки ранее живого вещества, из которого он был создан, и эти элементы в конечном итоге ухудшат качество графена через тот или иной механизм. К сожалению, анализ CNHS — деструктивный метод.Часть образца должна быть сожжена для анализа компонентов. Хотя это было бы полезно для контроля от партии к партии относительно дешевого промышленно расслоенного графита, это неприемлемо для образцов графена, полученных другими методами.

Есть много способов определить количество слоев в данной пластинке графита. В одном из таких тестов, называемом атомно-силовой микроскопией (АСМ), используется игла толщиной с волос, установленная на небольшом рычаге, похожем на трамплин, для измерения атомных сил между иглой и образцом.Лазер отражается от верхней части рычага, который может измерять величину отклонения вверх или вниз, которое испытывает игла при взаимодействии с поверхностью. Показания показывают измеренную толщину, и, поскольку чешуйки графита укладываются на постоянное расстояние друг от друга, вы можете выполнить математические вычисления, чтобы определить количество слоев. AFM может создавать изображение из множества сканированных изображений, поскольку он складывает последовательные одномерные линии вместе для отображения топографии образца. По сути, он создает карту высот поверхности.

Сканирующая электронная микроскопия и просвечивающая электронная микроскопия — это методы изучения того, как выглядит чешуйка графена, но на гораздо более тонком уровне, чем это возможно в оптической микроскопии. Эти два анализа имеют гораздо более высокое разрешение при увеличении и, следовательно, позволяют обнаруживать разрывы, разрывы и другие проколы на отщепе; такие проколы могут существовать естественным образом или образоваться во время выделения графена или обращения с ним.Эти два анализа в сочетании с АСМ дадут наиболее полную трехмерную картину графена / графитового образца в целом.

Последним крупным анализом, выполненным CA2DM, является рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS). XPS определяет химический состав образца неразрушающим образом и, таким образом, предоставит вам всю информацию, которую предоставляет CNHS, но при этом позволит вам восстановить образец. В этом методе рентгеновские лучи направляются на поверхность графена, и часть рентгеновских лучей поглощается электронами в образце.Электроны выбрасываются из образца с энергетической характеристикой элемента в образце, которая сообщает вам, какие элементы присутствуют и в каком количестве.

Помимо метода скотча и химического отшелушивания, какие у нас могут быть варианты для производства графена в больших количествах? Есть ли способ распечатать или вырастить что-нибудь в графен? Для отделения кусков графита от поверхности более крупных кусков графита можно использовать механическое расслоение, с последовательным отслаиванием, проводимым для изоляции нескольких однослойных листов.За прошедшие годы этот процесс был значительно улучшен, и теперь действительно используются специальные ленты, которые легче растворяются в воде или других растворителях, чем офисная лента. Это делает нанесение хлопьев графена еще проще, чем раньше.

Второй метод, химическое отшелушивание, восходит к концу 1800-х годов. Как и в случае с процессом механического отшелушивания, исследователи расширили эту область, разработав новые параметры отшелушивания. Как правило, они менее агрессивны к графиту и, таким образом, сводят к минимуму повреждение графеновых поверхностей.Возможно, в этом методе используются перерабатываемые материалы, что чрезвычайно важно для любой компании, которая хочет производить буквально тонны графена в год. Некоторые из улучшений улучшают выход чистых однослойных хлопьев, что является наиболее важной из всех оптимизаций.

Рост графенового слоя в результате разложения карбида кремния в настоящее время является чрезвычайно сложным процессом, в котором кремний сублимируется при высокой температуре, но атмосфера над поверхностным слоем изменчива.Настройка среды над поверхностью позволяет исследователям производить графен с большей эффективностью, чем в атмосфере под открытым небом. В редакционной статье 2009 года Nature Materials Питера Саттера описан прогресс в эпитаксиальном росте, который включал удаление воздуха над поверхностью карбида кремния и замену его атмосферой инертного благородного газа. С тех пор исследования вернулись к реактивной атмосфере.

В результате три группы со всей Германии разработали метод, в котором они приклеили пластик, сделанный из множества ароматических шестиугольников бензола, на поверхность карбида кремния и обнаружили, что этот пластик на самом деле значительно улучшил размер и качество монослоев графена, полученных из кремния. сублимация.Эта работа была вдохновлена более ранней статьей, в которой CVD сочетается с эпитаксиальным ростом для улучшения выхода графена. Кажется, что каким-то образом комбинация этих двух процессов создает продукт, который лиги лучше любого изолированного метода. Если время покажет, что эта комбинация окажется воспроизводимой и экономичной, она может подготовить почву для взлета повседневной важности графена. Более того, он может даже вытеснить природный графит, добытый из высокотехнологичного графена. Это может обернуться катастрофой для компаний, занимающихся добычей графита, которые делают ставку на продажи потребителям графена.Это будет разработка, за которой нужно внимательно следить.

Дорогие, редкие или другие ценные исходные материалы вызовут значительный спрос на эти исходные материалы, что ограничит использование графена в повседневных материалах. Следовательно, абсолютно необходимо найти способ надежного изготовления графена из дешевого (или бесплатного) ресурса. Если бы графен можно было сделать из вещей, которые в противном случае пошли бы впустую, это значительно снизило бы долгосрочную цену графена, чтобы любой мог получить к нему доступ.

Если бы такой процесс был доступен, те, кто его изобрел, были бы оценены так же высоко, как Фриц Габер, получивший Нобелевскую премию по химии в 1918 году «за синтез аммиака из его элементов». Габер взял азот из воздуха и водород из газообразного метана, объединил их под высоким давлением и температурой над металлическим катализатором, чтобы ускорить реакцию, и бум! Аммиак вышел из реакции, готовый к внесению в удобрение. Изобретение Габера буквально кормит мир.

Какой исходный материал мы могли бы использовать для получения углерода в качестве сырья, которое не будет чрезмерно облагать налогом типичные источники углерода, такие как ископаемое топливо или природный газ? Конечно, один из вариантов — собрать углекислый газ из воздуха и вернуть его обратно до C.Однако это чрезвычайно энергоемкий процесс, и никакие технологические достижения в рамках известных законов физики не уменьшат эту потребность в энергии.

Это возвращает нас к размышлениям о том, что в изобилии повсюду вокруг нас, эффективно использует улавливание углерода и может улавливать этот углерод без прямого поступления энергии от человека: растения.Растения поглощают пассивный солнечный свет и углекислый газ из атмосферы и в большинстве мест растут сами по себе. Огромные деревья — поглотители углерода, ставшие возможными благодаря фотосинтезу. За год образуется много растительных отходов, которые могли бы пойти на создание графена, если бы в противном случае он занимал бы место на свалке. Инвазивные виды растений, такие как кудзу и бамбук на юго-востоке США, могут служить в качестве сырья.

Джеймс Тур довел это до логического предела в 2011 году, сделав ставку.Тур думал о способах использования уже свободного углерода в окружающей среде. Ему удалось преобразовать оргстекло (полиметилметакрилат) в графен, и его следующей целью был столовый сахар. После того, как столовый сахар превратился в хлопья графена пиролиз-CVD на куске медной фольги, один из его коллег оживился и осмелился Тур сделать графен из шести различных углеродных материалов: печенья, шоколада, травы, полистирола (пенополистирола). , тараканы и собачьи фекалии.Этот результат интересен, поскольку упомянутая выше австралийская лаборатория потерпела неудачу при использовании подложки из медной фольги для процесса переработки соевого масла. Однако эти противоречивые истории означают, что есть огромные возможности для улучшения нашего понимания того, как графен образуется из газообразных молекул.

Используя тот же метод, что и для столового сахара, все предложенные необычные источники углерода производили небольшие хлопья высококачественного графена. Тур и его коллеги подчеркнули, что никакой подготовки или очистки этих странных материалов не требуется.Другими словами, ногу таракана можно было уронить на фольгу, нагреть и получить графен. С такой легкостью не получится даже испечь торт. Открытие Тура в 2011 году в сочетании с результатами CVD-эпитаксии, сделанными немецкой командой в 2016 году, может предоставить четкий путь к созданию больших, дешевых бездефектных образцов графена.

В настоящее время НАСА изучает способы переработки углекислого газа, выделяемого дыханием астронавтов на Международной космической станции, в графен. Это улучшение системы жизнеобеспечения будет иметь двойной бонус.Во-первых, отходы, такие как углекислый газ, в противном случае требуют улавливания с помощью специальных химикатов, которые необходимо отправлять специальными грузами с Земли. Обработка углекислого газа в графен будет означать, что потребуется меньше миссий по пополнению запасов.

Превращение углекислого газа в графен дает еще одно преимущество: полученный графен может быть включен в новые солнечные элементы, или может быть использован в системах очистки воды, или тысяча других возможностей, вместо того, чтобы пытаться выбросить его наружу. воздушный шлюз.Эта возможность помогает удлинить пуповину между станцией и Землей. В конце концов, нам нужно полностью отрезать эту пуповину, если мы хотим когда-нибудь отправить людей в расширенные миссии на другие планеты и за их пределы.

К счастью, для нас, земляков, есть и побочная выгода. Подобный процесс также сможет забрать углекислый газ из атмосферы и превратить наше собственное дыхание в органическую электронику или миллион других вещей, в которых можно найти применение графену. Хотя превращение углекислого газа в графен не было бы рентабельным или энергоэффективным на Земле (прямо сейчас), обильная энергия солнечных элементов на борту Международной космической станции может дать толчок, необходимый для удаления кислорода из углекислого газа.Компании могут «добывать» атмосферу, чтобы получить углекислый газ из процессов, которые не могут не производить его, и превращать отработанный газ в сырье для дальнейшей продукции. Принцип «не тратьте, не хочу», который хорошо знает каждый путешественник и исследователь, означает, что система, предназначенная для повторного использования, в конечном итоге увеличит шансы на успех миссии (будь то на Земле или в космосе), а также сведет к минимуму воздействие на окружающую среду. Избыточность на Земле может быть только хорошей вещью. В космосе это абсолютное требование.

Графен состоит из чистого углерода в виде одного листа в виде плоского шестиугольника. Любые изменения в этой структуре означают, что образующийся химикат технически больше не является графеном; вместо этого это производное графена. Графен ведет себя совсем не так, как оксид графена, и оба ведут себя иначе, чем графен, легированный литием.

Возьмем, к примеру, разницу между двумя образцами вспененного графита от двух разных компаний. Один образец мог быть расслоен с помощью довольно жесткого процесса, так что расслоение добавляло дефекты атомов кислорода или спиртовых групп к чешуйкам графена.Второй образец можно было расслоить более мягко, чтобы сохранить структуру, состоящую только из углерода, без появления дырок или разрывов на хлопьях. Что лучше другого? Как их отличить? Оба производителя наклеили на бутылку «Графен» и продали его вам по непомерно высокой цене; они должны быть неотличимы в составе продукта, и поэтому вы можете просто выбрать более дешевый вариант, верно? Не так. Источник графена и способ его получения имеют огромное значение для его работы.Устройство может вообще не работать или просто работать хуже, чем ожидалось.

Стандартов для производства графена еще не существует, и не все компании вообще поддерживают их. Эти стандарты могут иметь множество возможных форм и не обязательно означают правовое регулирование. Совершенно очевидно, что это была бы крайняя мера и не имела бы исковой силы в других странах. Учитывая международное игровое поле для графена, это было бы значительным препятствием. Никто этого не хочет.Однако на данный момент большинство продуктов, представленных на рынке с пометкой «графен», на самом деле не являются графеном. Скорее, это тонкие чешуйки графита, толщина которых может достигать нескольких сотен слоев. Некоторые производители могут производить хлопья с высоким выходом монослойного графена, и эти компании с радостью скажут вам, что они производят гарантированный процент монослойного графена, при этом большая часть остальной части образца состоит из агрегатов чешуек толщиной от двух до десяти слоев. . Несколько слов тем из вас, кто заинтересован в использовании настоящего графена для приложения: спросите об этой толщине чешуек у своего поставщика.Крайне важно передать то, что они говорят, в независимую лабораторию для проверки, чтобы установить окончательный уровень доверия.

В идеале изложенные стандарты должны сортировать графен с учетом таких параметров, как выход монослойных чешуек, размер этих чешуек и элементный анализ образца (как минимум). Таким образом, продавец может оплатить стоимость производства своего так называемого образца графена, а не завышать стоимость графита, измельченного в кухонном блендере. Caveat emptor. С другой стороны, если поставщик продает эпитаксиально выращенный графен с большой площадью поверхности с повторяемым или поддающимся проверке сертификатом анализа, то у вас может быть оправдание платить больше за этот образец.

Потенциал графена изменить ход бесчисленных отраслей промышленности ограничен только воображением и хитростью бизнес-лидеров, которые разделяют видение со знающим химиком, инженером или физиком. Более смелые и предприимчивые технологии будут развиваться, добавляя к графену различные молекулы, рассматривая его как основу, на которую можно прививать биомолекулы, возможно, как пассивные сенсоры для химического и биологического оружия.

Графен в качестве материала покрытия может даже изменить отрасль в краткосрочной перспективе. Поскольку графен в основном нереактивен и очень гидрофобен, любая поверхность, покрытая слоем графена, будет двигаться через воду с уменьшенным трением из-за поверхностного натяжения вода-металл. Слой графена на танкерах повысит эффективность судоходства по всему миру. Добавление слоя графена на лобовое стекло создаст поверхность, которая будет не только прозрачной (потому что сам графен прозрачен), но и естественным образом отталкивает воду и повышает безопасность водителя во время ливня.Хотите уменьшить сопротивление воздуха высокопроизводительному автомобилю? Убедитесь, что его оболочка совершенно атомарно плоская, заключив ее в графен. Возможно, особенно талантливый инженер в будущем спроектирует автомобиль с идеально плавным и равномерным обтеканием кузова автомобиля, вырабатывая еще несколько лошадиных сил от двигателя и еще несколько миль на галлон от бака.

И все это стало возможным с помощью одного из самых распространенных, наиболее универсальных и наиболее важных из всех элементов, углерода — того же углерода, который составляет основу всех известных форм жизни на Земле и позволяет формировать графен. : графен — сверхпрочный, сверхтонкий и сверхразмерный материал, который произведет революцию в мире.

Графен состоит из чистого углерода.Это материал, в котором атомы углерода расположены в один слой, образуя сотовый узор.
Следует подчеркнуть, что этот слой углерода имеет толщину всего один атом, хотя некоторые авторы считают до десяти слоев углерода графеном.
Если бы мы наложили друг на друга десять или более слоев графена, полученное вещество называлось бы графитом, что мы и используем в грифелях карандашей.

Термин графен был придуман Ханс-Петером Бёмом. Некоторые ученые называют графен термином «полупроводник с нулевой запрещенной зоной».Он также известен под вариантами написания, такими как графен и графен, но они неверны для английского языка, хотя они могут быть действительными на других языках.

Если вы заинтересованы в создании собственного графена, прокрутите вниз до раздела «Как сделать графен в домашних условиях» или
посетите отдельную страницу только с инструкциями по изготовлению графена.
Вы, вероятно, захотите прокрутить вниз, если уже слышали о создании графена с помощью DVD-привода Lightscribe, но вам нужно немного оксида графита в качестве отправной точки.Если вы хотите инвестировать в графен или технологии, связанные с графеном, ознакомьтесь с разделом «Как инвестировать в графен».

Графен был теоретически предсказан Филлипом Р. Уоллесом в его работе под названием «Теория полос графита», опубликованной в Physical Review в 1947 году.
Графен был открыт в 2003 году Андре Геймом и Костей Новоселовым в Манчестерском университете, а результаты были опубликованы в 2004 году.
За эту работу они были удостоены Нобелевской премии 2010 года.Чтобы прояснить это, хотя графен успешно выращивался на различных монокристаллических подложках с 1970-х годов,
Только в 2003 году графен был наконец выделен в свободной форме. Интересно, что использовали обычные липкие
лента для производства небольшого количества графена.
Это очень важно, потому что электрические и физические свойства графена значительно различаются, когда он находится в свободном состоянии.
в отличие от привязки к поддерживающей кристаллической структуре.

Графен обладает рядом очень интересных свойств. Как мы узнали, графен представляет собой сотовую структуру, состоящую исключительно из атомов углерода.
Мы делаем все возможное, чтобы объяснить эти свойства простым языком. Если вы хотите сами увидеть цифры вместе с нашими источниками, пожалуйста,
посетите нашу страницу о свойствах графена. Эта страница может пригодиться
если вы занимаетесь научным исследованием или просто хотите узнать, где найти точную информацию.Если не указано иное,
Основное внимание в этой статье уделяется графену свободной формы.

Очень важным свойством графена является его уникальная электронная транспортная система и, как следствие, высокая подвижность электронов.
Подвижность электронов описывает, насколько быстро электрон может двигаться через материал.
Металлы и полупроводники представляют особый интерес из-за их использования в электронике.

Скорость электронов ограничена взаимодействиями с кристаллической решеткой.С точки зрения непрофессионала, когда электрон движется через материал,
он сталкивается с атомами, составляющими материал, и эти столкновения замедляют электрон, ограничивая его максимальную скорость (тем самым нагревая материал,
создавая кошмары для инженеров, работающих над этим).
В действительности, конечно, немного сложнее, но этого приближения достаточно для нашего обсуждения.

Хотя кремний, который является основой современной микроэлектроники, имеет подвижность электронов 2 / Vs,
графен имеет подвижность электронов 200000 см ² / Вс, что почти в 200 раз выше, чем у кремния.Это означает, что электроны движутся через графен намного быстрее.

Судя только по этому факту, теоретически электронные устройства на основе графена могут работать почти в 200 раз быстрее, чем обычные устройства на основе кремния.
Исследователям IBM удалось достичь частоты отсечки до 280 ГГц в графеновом полевом транзисторе с длиной затвора 40 нм.
Ученые ожидают увидеть в 2013 году частоты отсечки графеновых полевых транзисторов до 600 ГГц.
в то время как теоретический предел составляет примерно до 10 ТГц, если длина затвора сохраняется на уровне нескольких нм.Для сравнения, кремний-германиевые (SiGe) транзисторы достигают максимальной рабочей частоты ниже 100 ГГц.
Будем надеяться, что прорыв в области графена поддержит закон Мура.

Еще одно свойство графена, тесно связанное с высокой подвижностью электронов, — это его низкое удельное сопротивление.
Удельное сопротивление листа графена 10 ^-6 Ом * см. Чтобы увидеть это число в перспективе,
удельное сопротивление графена ниже удельного сопротивления серебра при комнатной температуре.Кстати, при комнатной температуре серебро было материалом с самым низким удельным сопротивлением, известным ученым — то есть до появления графена.

Графен свободной формы действует как волновод для электронов. Это означает, что они могут свободно течь без столкновений,
со скоростью примерно 1/10 скорости света в вакууме. Однако, когда графен выращивается на такой подложке, как SiO2,
подвижность его электронов уменьшается в пять раз.Снижение подвижности электронов является следствием чувствительных электронных орбиталей графена,
которые меняют форму при контакте с другими материалами.
Вот почему ученые исследуют способы более эффективного производства графена в свободной форме и взаимодействия с ним.

Транзисторы в цифровых схемах имеют два различных состояния:
ВКЛ и ВЫКЛ (транзисторы на самом деле имеют несколько разных состояний, кроме ВКЛ и ВЫКЛ, но эти два представляют основной интерес в этом обсуждении).
Чистый графен создает проблемы, проводя значительный ток даже в выключенном состоянии.
Графен проводит ток в выключенном состоянии, потому что это полупроводник с нулевой запрещенной зоной.
Полупроводник с нулевой запрещенной зоной не нуждается во внешнем электрическом поле, чтобы стать проводящим.Результат: графеновые логические вентили обладают высокой рассеиваемой статической мощностью — они потребляют энергию как при включенном, так и при выключенном устройстве.
Есть два подхода к решению этой проблемы: уменьшить длину затвора или использовать легированный графен.

Графен можно легировать так же, как и кристалл кремния. При легировании ионами калия подвижность электронов может быть уменьшена до 20 раз.
В таких случаях желательным эффектом является контролируемое снижение подвижности электронов.
Необходимы дополнительные исследования для определения оптимальных примесей и их концентраций.

Одно интересное свойство графена — самовосстановление. Это означает, что если мы удалим атом углерода из любого места в пределах листа графена,
а затем подвергните лист воздействию атомов углерода или некоторых углеродсодержащих молекул, одна из них идеально встанет на место,
заполнение отверстия, созданного удаленным атомом углерода, и вписывание в шестиугольный узор.
Способность к самовосстановлению имеет большое значение для нанотехнологий, поскольку единственный случайный ион может пробить дыру в наноструктуре, делая ее бесполезной.Если наноструктура может самовосстановиться, она сможет противостоять суровым воздействиям окружающей среды.

Графен — очень хороший проводник тепла. Фактически, он настолько эффективно проводит тепло, что вы можете разрезать кубик льда.
с помощью листа графена. Графен поглощает тепло ваших пальцев, когда вы его держите, и передает и концентрирует тепло в небольшом
область контакта графенового «лезвия» со льдом. Лед мгновенно тает, и по мере его таяния выделяется все больше и больше тепла.
передается из вашей руки через графен и, наконец, на лед, растапливая его дальше.

Этот захватывающий новый материал — один из самых прочных материалов, известных науке. Благодаря одноатомной толщине,
графен может быть упакован в небольшой объем, сохраняя при этом чрезвычайно большую площадь поверхности.
Один квадратный метр (10,7 квадратных футов) графена весит менее 1 миллиграмма. Это делает его материалом с превосходным соотношением веса к площади и площади к объему по сравнению с другими материалами с высокой удельной площадью.Несмотря на то, что углеродный слой очень прочный, его толщина составляет всего один атом, и он легко ломается. Это делает работу с графеном непростой задачей.
сложная задача. Ученые разработали материалы на основе графена, которые используют уникальные свойства графена, делая его достаточно толстым, чтобы
выдерживают гораздо более высокие нагрузки.

Графен доступен у ряда торговых посредников онлайн и офлайн. Цена на графен на данный момент не очень привлекательная: около 300 долларов (ок.250 евро)
на 1 грамм чистого нанопорошка графена, отфильтрованного 3 нм. Конечно, ожидается, что цена на графен будет снижаться по мере увеличения числа производителей. В качестве альтернативы,
если вы хотите зарабатывать деньги, а не тратить их, взгляните на статью «Как инвестировать в графен».

Оказывается, многие читатели хотят сделать графен дома, поэтому вот спойлер: можно создавать небольшие количества.
самодельного графена! Однако, хотя это возможно, сделать значительные суммы непросто.Фактически, на момент написания этой статьи
ученые до сих пор не знают, как эффективно производить графен в больших количествах и с высоким качеством,
потому что технологические процессы еще не разработаны.
Тем не менее, изготовление графеновых листов своими руками в небольших количествах довольно тривиально.

Биты, которые вы сможете изготовить в домашних условиях, будут иметь длину всего несколько нанометров,
так что забудьте о макроскопических листах или полосах графена. Самый большой кусок графена, который вы можете сделать самостоятельно, — это
около 0.25мм ² (но их будет много). Это не намного больше, чем площадь восклицательного знака на этой веб-странице!
В промышленных целях ученые создают транзисторы с длиной затвора менее 25 нм … так что ваш кусок размером с точку
графен, хотя он кажется вам ничтожно маленьким, может быть использован для изготовления сотен транзисторов.
Все еще заинтересованы в создании графена? Отлично, читайте дальше!

Первый способ сделать своими руками — использовать графитовый карандаш, чтобы нанести толстый слой графита.
на бумагу.Затем обычной липкой лентой снимите с бумаги слой графита. Используйте другой кусок липкой
скотч, чтобы удалить слой графита с первой липкой ленты. Затем используйте третий кусок неиспользованной липкой ленты, чтобы удалить слой с
второй кусок липкой ленты и т. д. Со временем слои графита будут становиться все тоньше и тоньше, и вы получите графен,
который является однослойным графитом в строгом смысле слова, двухслойным или многослойным графитом (который в некоторых случаях действует почти как графен).Несмотря на то, что этот способ изготовления графена является лишь подтверждением концепции, метод липкой ленты работает.
Это требует терпения и времени, но это метод «сделай сам», который манчестерская группа использовала в 2004 году.
И помните, они на самом деле получили Нобелевскую премию за свою работу, так что с липкой лентой не стоит связываться!

Группа ученых опубликовала свою статью 20 апреля 2014 года, в которой они описывают, как сделать графен, используя подход.
называется жидким отшелушиванием сдвига.Вы можете найти аннотацию статьи
здесь, но полная статья находится за платным доступом.

Отшелушивание со сдвигом в жидкости начинается с заливки порошкообразных кристаллов в жидкость, а затем с помощью миксера со сдвигом для разделения (расслоения)
слои материала из хрусталя. Жидкость, которая используется в таких процессах, выбирается таким образом, чтобы мелкие частицы графена не
снова слипаются, и в результате получается жидкая суспензия графена. Затем суспензия может быть высушена для получения нанофлексов графена или
его можно было бы напрямую использовать в более поздних технологических процессах, таких как создание графеновых покрытий и другие.

Итак, как сделать графен дома с помощью этого метода? Что ж, вы можете заменить ножницы на кухонный блендер.
(поскольку смешивание со сдвигом — это модное слово для высокотехнологичного смешивания), а вместо специальных жидкостей вы можете использовать воду и средство для мытья посуды.
Моющее средство добавляется так, чтобы частицы не слипались, и действует как поверхностно-активное вещество. Прекрасным источником графитового порошка являются графитовые карандаши.
Просто припудрите несколько грифелей карандашей и добавьте порошок в раствор моющего средства, затем перемешайте некоторое время.Если у вас нет доступа к
специальные микроскопы и другое оборудование, вы, вероятно, не сможете подтвердить наличие графена в вашем растворе моющего средства, но есть
быстрое практическое правило, которое вы можете использовать для оценки размера частиц. Вообще говоря, если частицы графена
слишком большие, они опустятся на дно сосуда, а если они меньше, они будут плавать наверху. Наночастицы настолько малы, что
они будут подвешены в воде, и это то, к чему вы стремитесь, если хотите получить графен.После того, как вы сделаете достаточно графена
частиц, вы можете отфильтровать суспензию и дать ей высохнуть.

При этом, хотя этот метод изготовления графена был описан в упомянутой выше статье и сработал для исследователей,
не слишком увлекайтесь тем, что делаете это дома таким образом. Это беспорядочно и создает очень маленькие нано-чешуйки графена, а не то, что нужно
хвастайтесь перед друзьями, если только у вас в подвале нет лаборатории высоких технологий и вы не собираетесь использовать их для изготовления графеновых транзисторов.С другой стороны,
эта технология вместе с
Отшелушивание жидкой фазы с помощью ультразвуковой обработки может определить, как графен будет производиться в будущем в промышленных условиях, из-за его масштабируемости.

Чтобы сделать графен этим методом, по рецепту требуется компьютерный DVD-привод с технологией LightScribe, а также немного оксида графита.
Вы можете получить оксид графита у производителя, или вы можете сделать немного оксида графита дома для
этот эксперимент.Если вы хотите узнать, как сделать оксид графита в домашних условиях, прокрутите вниз до следующего раздела

Оксид графита водорастворим, поэтому после смешивания с водой осторожно перелейте его на DVD.
диск. Убедитесь, что раствор оксида графита равномерно распределен по пластиковой поверхности диска. После решения
После высыхания и образования пленки оксида графита на диске, поместите диск в привод DVD пленкой вниз.
Используйте программное обеспечение LightScribe, чтобы прожечь слой оксида.Области пленки, контактирующие с
лазерный луч превратится в графен. Лазерный луч вызывает химическое восстановление, которое восстанавливает оксид графита до графена.
Полученный слой графена следует осторожно снять с диска и разрезать на кусочки подходящего размера.
куски. Эти кусочки можно использовать непосредственно для создания графенового суперконденсатора!
Это, пожалуй, самый простой способ сделать графен дома, но он предполагает, что у вас есть доступ к
оксид графита и привод Laserscribe.

Один читатель предположил, что DVD-лазер LightScribe можно заменить простой ксеноновой вспышкой. Если у вас есть фото-вспышка,
вы также можете попробовать этот подход и сообщить нам о результатах в разделе «Контакты в домене нашего сайта». Еще один совет: НЕ делайте этого
если вас не устраивает аннулирование гарантии на записывающее устройство DVD.

Это новейший рецепт графена своими руками, который мы слышали до сих пор.Он включает в себя немного физики жидкости, чтобы сначала объяснить, что здесь происходит.
Если вы нальете в воду нерастворимую в воде жидкость, она либо будет плавать на поверхности воды, либо вода будет плавать на ней,
в зависимости от того, тяжелее (более плотно) или легче (менее плотно) добавленная жидкость, чем вода. Типичный пример — плавающая нефть.
поверх воды (см. изображение).

Одна группа ученых ^[1] обнаружила, что графен можно получить, залив два растворителя, которые
не смешивать вместе, например, гептан и воду, в стакан и добавлять мелко измельченный графитовый порошок и помещать его в ванну для обработки ультразвуком.Вы можете купить гептан в большинстве магазинов химии, вода легко доступна (рекомендуется использовать дистиллированную воду),
и вы можете легко получить графитовые палочки в художественных магазинах. Ультразвуковая ванна необходима, но это не редкость на ebay и т.п.
Полученный графен имеет толщину от одного до четырех слоев и химически стабилен. Его можно извлечь и положить на чистую стеклянную пластину,
или любой другой субстрат.

Идея состоит в том, чтобы смешать тонкоизмельченный графит с водой и гептаном (соотношение воды и гептана 1: 1) и некоторое время обработать ультразвуком.Далее происходит расслоение чешуек графита на границе раздела воды и гептана, и графен фактически начинает «подниматься».
вверх по стеклянным стенкам флакона. Если гидрофильный субстрат, такой как предметное стекло, вводится через границу раздела, тонкая пленка
графена также будет подниматься по стенкам слайда. Затем стеклянное предметное стекло можно извлечь, и после высыхания у вас останется
стекло с графеновым покрытием. Если вы используете полиэтиленовый флакон, полученный графен не будет взбираться по стенкам флакона, но вы можете
по-прежнему извлекайте его с помощью предметного стекла из стекла или другого гидрофильного материала.Результат показан на изображении справа.

Конечный продукт этого процесса создания графена показан на изображении слева.
Графен нанесен в виде тонкой пленки на обе стороны стеклянной пластины.
и его легкие светопоглощающие свойства можно увидеть, посмотрев сквозь него
(Графен поглощает около 2,3% видимого света). Объяснение процесса состоит в том, что
графен самостоятельно собирается из небольших отслоившихся чешуек на границе раздела между водой и гептаном, потому что поверхность
напряжение графена (54.8 мН / м) почти прямо между поверхностным натяжением воды (72,9 мН / м) и гептана (20,1 мН / м).
Толщина графеновой пленки ограничена капиллярными силами на границе раздела, и избыток графена просто упадет до
дно флакона. Формирование толстых агрегатов подавляется за счет диффузии и потребности в энергии, необходимой для
сформировать новый слой. Для получения дополнительной информации см. Исходный документ ^[1]

Это, возможно, самый простой способ сделать дома графен в виде листа произвольно большого размера.Другие методы создают только графен
хлопья, но эти хлопья, возможно, могут быть использованы вместо чешуек графита в этом методе в качестве стадии очистки.
Попробуйте и дайте нам знать, как это происходит!

Чтобы сделать графен дома описанным выше методом DVD, вам понадобится оксид графита. Вы можете купить оксид графита
из различных источников, в том числе в Интернете, или вы можете попробовать сделать оксид графена самостоятельно.В этом тексте мы объясним, как вы можете сделать
оксид графена в домашних условиях. Процедура относительно проста, и большинство ингредиентов можно купить без рецепта.
Однако учтите, что это НЕ безопасная процедура и следование этому руководству может привести к взрывам, пожарам и серьезным травмам.
По понятным причинам, если вы решите сделать это самостоятельно, соблюдайте меры предосторожности при работе с кислотами и взрывчатыми веществами.
Фактически, мы считаем, что, если вы не являетесь лицензированным химиком, вам лучше покупать оксид графена, чем
пытаюсь сделать это дома.Мы предлагаем этот текст только как образовательный ресурс. Переходя к чтению
следующий текст, вы подтверждаете, что понимаете риски работы с химическими веществами, перечисленными в тексте, и имеете полный
понимание всех химических реакций и опасностей, которые они представляют для вашего здоровья и безопасности. Во избежание возникновения дыма и пожара,
Проведите этот эксперимент на открытом воздухе в контролируемой, хорошо вентилируемой среде. Несмотря на то, что позаботились о
убедитесь, что в тексте нет ошибок, мы не несем ответственности за возможные ошибки, оставшиеся в тексте.

Оксид графита известен уже почти 150 лет. Впервые он был подготовлен в 1859 году. В процесс внесены улучшения.
с тех пор, и многие исследователи в этой области прокомментировали потенциальные опасности и риски, связанные с первоначальной процедурой, как
описанный Б.Броуди, который первым открыл этот процесс. Описанный здесь метод занимает около 2 часов при температуре ниже 45 градусов.
по Цельсию, если у вас есть доступ к центрифуге. Если вы этого не сделаете, то лишняя вода испарится из контейнера примерно через день.

Размешайте 100 г порошкового графита с 50 г нитрата натрия в 2,3 л технической серной кислоты. Обязательно смешайте ингредиенты
в герметичном контейнере, намного превышающем необходимый, помещенном в ледяную баню при нулевом градусе Цельсия в качестве меры безопасности.Контейнер должен быть
объемом не менее 15-20 литров.

ОСТОРОЖНОСТЬ! Добавьте в смесь 300 г перманганата калия, постоянно перемешивая ингредиенты. НЕ добавляйте все 300 г за один раз.
Вместо этого осторожно добавляйте перманганат калия грамм за граммом, чтобы смесь не нагревалась выше 20 градусов по Цельсию! ОСТОРОЖНОСТЬ!
Перманганат калия — мощный окислитель, который при контакте окрашивает кожу и другие органические материалы, такие как одежда.
При смешивании с серной кислотой образуется взрывоопасный оксид марганца, поэтому необходимо соблюдать все меры безопасности! Убедитесь, что максимум
температура не превышена.

После добавления перманганата в смесь снимите ледяную баню и доведите температуру до 35 градусов по Цельсию.
Точно и осторожно поддерживайте эту температуру в течение 30 минут. На этом этапе смесь загустеет, и количество выделенного
газ уменьшит. Примерно через 20 минут ожидайте, что смесь будет коричневато-серой и пастообразной консистенции.

ОСТОРОЖНОСТЬ! По прошествии 30 минут медленно и осторожно добавьте в смесь 4,8 л воды, помешивая.Добавление
вода вызовет экзотермическую реакцию, которая увеличит температуру смеси почти до 100 градусов по Цельсию, и
при бурной реакции будет выделено большое количество газа! Поддерживайте температуру 98 градусов по Цельсию еще 15 минут.
ОСТОРОЖНОСТЬ! Теперь смесь станет коричневого цвета.

После поддержания температуры в течение 15 минут разбавьте смесь теплой водой до 14 литров жидкости. Добавить 3%
перекись водорода, чтобы уменьшить количество оставшегося перманганата.После добавления перекиси водорода смесь должна стать яркой.
желтый.

Смесь профильтровать, пока она еще теплая. Фильтр приобретет желто-коричневый цвет. Промыть фильтровальный пирог трижды, всего 14 литров.
теплой воды. Полученный оксид графита диспергируют в 32 литрах воды. Чтобы получить сухой оксид графита, вам понадобится мощный
центрифуга. Поскольку это, вероятно, недоступно, нагрейте воду, содержащую оксид графита, до 40 градусов по Цельсию и подождите, пока вода не испарится.Лучше всего подойдет широкая емкость, так как большая площадь будет способствовать испарению.

Оксид графита более высокого качества, полученный таким образом, будет иметь ярко-желтый цвет, в то время как оксид графита более низкого качества приобретет
от зеленого до черного оттенка. Вы можете использовать этот оксид графита в водном растворе для проведения домашних экспериментов с дисками Lightscribe.

Для вашего удобства мы предоставляем оригинальную бумагу.
где описывался этот процесс.Мы использовали эту бумагу в качестве основы для нашего руководства о том, как сделать оксид графита в домашних условиях.
В случае сомнений следуйте указаниям из этого документа, а не на нашем веб-сайте.
Есть также несколько видеороликов на Youtube, которые показывают весь процесс, и они также могут быть ценным ресурсом.

В настоящее время графен является актуальным предметом в науке.Это сотовый лист углерода толщиной всего в один атом, в 200 раз прочнее стали, более проводящий, чем медь, и может растягиваться до 125% от своей первоначальной длины. Однажды в недалеком будущем это произведет революцию во всем. Считается даже, что важнейший компонент троса в долгожданном проекте космического лифта в конечном итоге будет построен из графена.

Существует несколько различных способов его получения (с использованием так называемой техники «сверху вниз» или «снизу вверх»), но большинство методов в настоящее время включают кропотливый и дорогостоящий химический процесс.Однако считается, что к 2028 году графеновая промышленность будет стоить не менее 350 миллионов долларов.

Итак, когда исследователи из Университета Райса объявили в статье, опубликованной в журнале Nature , что они изобрели метод производства графена из бытовых отходов, казалось, что был открыт современный эквивалент алхимии.

Исследование показывает, что сверхгорячая вспышка электричества за доли секунды, сфокусированная на любом предмете , содержащем углерод, включая пластиковую бутылку с водой, изношенную резиновую шину или даже пищевые отходы, переупорядочивает атомы углерода с образованием графена.Все химические связи разорваны, в результате чего все остальные элементы улетучиваются в виде газов, оставляя после себя сверхпрочную решетку углерода толщиной всего в один атом.

Всплеск энергии, который нагревает предмет до температуры более 5000 ° F, настолько точно сфокусирован, что на изготовление полкилограмма этого «графена вспышки» потребуется только то же количество энергии, что и на обычную посудомоечную машину в течение 30 минут. Никаких растворителей или химикатов не используется.

«Итак, вы кладете какой-то бытовой мусор между двумя электродами, вы ударяете по нему несколькими сотнями вольт и сотней ампер, и он вылетает, все остальные элементы отгоняются или сублимируются. И все, что у вас осталось, это углерод. А углерод принимает самое стабильное возможное образование, которым является графен », — сказал Тур.

Идея превращения отходов в графен не нова, но ученые впервые сделали эту процедуру возможной.Если этот (восходящий) процесс флэш-графена может быть эффективно расширен, прорыв изменит отрасль материалов. Преобразование углерода, содержащегося в пище или мусоре, в графен предотвращает повторное попадание углерода в атмосферу при разложении этих предметов.

Возможности графена уже заметны. По словам Тура, Ford Motor Company покупает столько, сколько может. «По состоянию на февраль 2020 года он есть в каждом автомобиле Ford. Графен находится в пене сиденья. Графен находится в чехлах для сидений.Графен находится в изоляции под капотом. А теперь, когда цена снижается, она будет в большем количестве мест », — сказал он.

Однако наибольшее влияние графен может оказать в ближайшем будущем в строительстве, добавив его в бетон. Производство цемента производит 8 процентов мировых выбросов углерода, что примерно в три раза больше, чем авиационная промышленность.Если бы весь цемент в мире был армирован графеном, последующая экономия на производстве бетона была бы эквивалентна прекращению ежегодных выбросов углерода в Бразилии.

«Если вы добавите крошечное количество графена в бетон, 0,03%, вы увеличите его прочность на сжатие на 25 процентов, что означает, что вы можете использовать на четверть меньше бетона и, просто сделав это, вы можете снизить глобальные уровни CO2 на 2 процента, Адриан Никсон, директор Nixene, химической исследовательской компании, работающей в сотрудничестве с Национальным институтом графена, сообщил изданию Forbes .Базирующаяся в Манчестере, Англия, это крупнейшая в мире организация, занимающаяся разработкой графена.

И, конечно же, исходный материал: мусор.Потенциально можно было бы добыть отходы для получения материала для использования. Горы пластика можно было бы уменьшить до составляющих их молекул и превратить во что-то полезное.

Тур, который также является научным консультантом Universal Matter, компании, пытающейся коммерчески производить флеш-графен, отмечает, что при использовании пищевых отходов выбросы метана, мощного парникового газа, выделяемого при разложении пищевых продуктов на свалках, также могут быть сокращены.

«Мы [Университет Райса] получили грант от Министерства энергетики на производство одного килограмма в день для преобразования угля в графен.Таким образом, Министерство энергетики пытается сохранить рабочие места в угольных шахтах. Что ж, нужно уметь делать что-то в очень большом масштабе и превращать уголь во что-то полезное », — сказал Тур. «Итак, в моей лаборатории нам поставили задачу производить килограмм в день. Звучит немного, но для нас это много. А затем компания [Universal Matter] масштабирует процесс, пытаясь зарабатывать тонну в день в течение пары лет ».

Группа исследователей из Тринити-колледжа Дублина в Ирландии пыталась разработать лучший способ массового производства графена, тех слоев углерода, которые имеют толщину всего один атом. В настоящее время даже самые лучшие лабораторные методы могут производить лишь жалкие полграмма вещества в час.

Команда знала, что можно вырезать тонкий лист графена из более крупных блоков графита — формы соединения в грифеле карандаша — который по существу состоит из множества листов графена, сложенных вместе слоями.Итак, им стало интересно, какой способ надежно срезать эти слои был наиболее эффективным.

Введите лабораторный миксер и немного поверхностно-активного вещества, добавленного для облегчения разделения слоев (и разделения их). Раскручивая графит в настольном смесителе, они получили то, что, по их мнению, было графеном; затем электронная микроскопия подтвердила, что они действительно производили магические вещества. Но что самое лучшее? Они штамповали его со скоростью 5 граммов в час.

Кухонный блендер и немного жидкости для мытья посуды, вот что.Процесс довольно прост: переложите немного графена в блендер, добавьте воды и жидкости для мытья посуды, а затем выполните блиц на высокой скорости. У вас останется черная слегка пенистая жидкость.

Они обнаружили, что техника действительно сработала, хотя и по темпераменту. Как видите, точное количество жидкости для мытья посуды зависит от свойств используемого графена, которые необходимо определять с помощью дорогостоящего оборудования для аналитической химии. Он также не преобразует весь графит в графен, что оставляет вам небольшую проблему разделения.По сути, вы получите черную жидкость, полную графена, но вы не сможете извлечь ее и удалить — по крайней мере, дома.

Тем не менее, несмотря на эти проблемы для любителей, эта технология действительно перспективна. Расчеты показывают, что чан емкостью 10 000 литров с правильным двигателем может производить 100 граммов графена в час, и экспериментальная схема уже реализуется. Учитывая все крутые возможности, на которые способен графен, такие масштабы производства могут помочь суперматериалу, наконец, стать мейнстримом.[Nature Materials через New Scientist]

Андре Гейм и Константин Новоселов, из Манчестерского университета , только что получили Нобелевскую премию по физике за свою работу с графеном. Они нашли способ отделить графен от графита (углерод в грифеле карандаша) и определить его поведение, которое имеет огромный потенциал для будущих технологий.

Графен состоит из слоев атомов углерода в гексагональном массиве, и Гейм и Новоселов выделили графен поразительно простым методом — скотчем. Они сняли слои кристаллов графита с помощью скотча, который затем может создать тонкие листы графена.

Возьмите полоску целлофановой ленты (скотч) и аккуратно положите ее липкой стороной вверх на ровную поверхность.Затем возьмите чистый металлический пинцет и выберите тонкую пластинку графита. Аккуратно поместите пластинку графита на целлофановую ленту. Затем согните ленту по краю чешуйки графита, затем аккуратно отделите ее и повторите этот шаг несколько раз, пока на целлофановой ленте не останется почти прозрачная область. Теперь перенесите целлофановую ленту с графеном на чистую силиконовую пластину. Используйте пластиковый пинцет, чтобы аккуратно протереть ленту там, где потенциально может быть графен. Медленно отклейте ленту, чтобы не повредить потенциальные листы графена.Используйте оптический микроскоп, чтобы найти и рассмотреть графен. Графен появляется на экране в виде пурпурного пятна, либо в виде одиночных, либо в виде многослойных пятен.

Хотите освоить Microsoft Excel и вывести свои перспективы работы на дому на новый уровень? Начните свою карьеру с нашего пакета обучения Microsoft Excel Premium A-to-Z из нового магазина гаджетов и получите пожизненный доступ к более чем 40 часам инструкций от базового до расширенного по функциям, формулам, инструментам и многому другому.

Новый прорыв в MIT позволяет исследователи непрерывно массово производить листов высококачественного графена для мембранных применений. Этот прорыв поможет преодолеть разрыв между НИОКР и коммерциализацией, создавая новые продукты и технологии в ближайшие годы.

Графен — это аллотроп углерода, состоящий из двумерного слоя атомов углерода, расположенных в гексагональной решетчатой структуре. Он имеет полуметаллические характеристики, которые возникают из-за небольшого перекрытия зоны проводимости и валентной зоны. Таким образом, графен обладает множеством уникальных свойств, включая исключительную механическую прочность, электрическую проводимость и настраиваемые поры нанометрового масштаба в гексагональной решетке. Применение графена охватывает широкий спектр отраслей, включая, помимо прочего, топливные элементы, полупроводники и микроэлектронику, диализ, опреснение и многое другое.

Графен в настоящее время производится с использованием технологии, называемой химическим осаждением из паровой фазы (CVD). CVD использует источник углерода, такой как газообразный метан, для производства графена. Другой используемый источник — нефтяной асфальт. Другие материалы («катализаторы») добавляются во время процесса для изменения физических свойств производимого графена. Известные катализаторы включают наночастицы железа, пену никеля и пары галлия.

В полупроводниковой промышленности химическое осаждение из паровой фазы графена на поликристаллической медной фольге является предпочтительным методом получения высококачественного монослойного графена.Однако за пределами этой отрасли оптимизация процесса CVD графена (например, в мембранных приложениях) возможна только в строгих лабораторных условиях и остается коммерчески нежизнеспособной. Это связано с требованиями к качеству графена, используемого в полупроводниковой промышленности, который значительно отличается от качества, используемого в других приложениях. Например, субнанометровые дефекты в графеновом материале могут быть не замечены в электронных устройствах микрометровых размеров. Однако наличие таких дефектов может отрицательно повлиять на проницаемость / барьерные свойства (допуская утечку или гораздо более высокие потоки) в мембранных приложениях, таких как топливные элементы или процессы опреснения.

Чтобы индустриализировать производство графена для мембранных применений, инженеры Массачусетского технологического института установили систему, состоящую из двух катушек, связанных конвейерной лентой, которая проходит через небольшую печь (см. Рисунок и видео). Первая катушка разматывает длинный кусок медной фольги шириной менее 1 см. Когда фольга попадает в печь, фольга сначала прокатывается по одной трубе, а затем по другой, по принципу «разделенных зон».

Когда фольга проходит через первую трубку, она нагревается до идеальной температуры, после чего она готова к подаче через вторую трубку.В этот момент ученые закачивают в указанном соотношении пары метана и водорода, которые осаждаются на нагретой меди, чтобы произвести графен.

Когда графен покидает печь, он наматывается на вторую катушку. Исследователи обнаружили, что они могут непрерывно пропускать фольгу через систему, производя высококачественные графеновые мембраны со скоростью 5 см в минуту.Их самый длинный цикл длился почти 4 часа, в течение которого они произвели около 10 м непрерывного графена. Они также протестировали процесс на разных скоростях, прокачивая разные соотношения метана и водорода, чтобы исследовать разницу в качестве синтезированного графена после каждого запуска.

Исследователи проводят тесты диффузии с произведенными графеновыми мембранами, например пропускают раствор воды, солей и других молекул через каждую мембрану.Предварительные результаты показывают, что мембраны противостоят потоку, отфильтровывая молекулы, и по своим характеристикам сопоставимы с графеновыми мембранами, изготовленными с использованием обычных лабораторных методов небольшими партиями. Команда Массачусетского технологического института предоставляет свои результаты другим дизайнерам в отрасли, которые хотят определить параметры, которые им потребуются для производства качественных графеновых листов для промышленных мембран. Кроме того, они находят способы включить литье полимеров и автоматизировать другие этапы, которые в настоящее время выполняются вручную.По словам команды, обновление этих функций в процессе проложит путь для коммерциализации в будущем.

Три слова: графен. является. классно. Он не только прочнее стали, тверже алмаза, но и невероятно гибок. Буквально на этой неделе японские исследователи выяснили, как превратить его в сверхпроводник, в котором электричество может течь без сопротивления.Он был призван произвести революцию во всем, от сенсорных экранов и аккумуляторов до процессов очистки воды и лампочек. Графен сейчас повсюду, и вы можете принять участие в действии, действительно легко приготовив его дома.

Во-первых, вам нужно отрезать кусок скотча и насыпать один из кристаллов графита на липкую сторону.Сложите ленту на себя и снова снимите ее, чтобы кристалл осторожно разделился. Сделайте это несколько раз, чтобы слой за слоем отшелушивать кристалл.

Затем отрежьте еще один кусок ленты и положите его поверх исходного фрагмента. Снова разделите их и приклейте новый кусок ленты на микрочип. Надавите на микрочип, чтобы убедиться, что все прилипло, и удалите ленту. Как бы то ни было, теперь у вас есть микрочип, покрытый графеном и чешуйками графита!

Если вы предпочитаете делать ужасные вещи со своим блендером во имя науки, на самом деле есть альтернативный метод изготовления графена в домашних условиях.Как пишет Ричард Ван Норден в Nature, , рецепт был обнаружен глубоко в дополнительной информации в исследовательской статье, опубликованной еще в 2014 году, как способ дешево и легко производить большие количества графеновых хлопьев.

«[T] Они взяли мощный (400 Вт) кухонный блендер и добавили пол-литра воды, 10-25 миллилитров моющего средства и 20-50 граммов графитового порошка (содержится в грифелях карандашей). машина работала в течение 10-30 минут. Результат, как сообщает команда: большое количество микрометровых чешуек графена, взвешенных в воде «, — говорит Ван Ноорден.

Мы не говорим, что вы должны открыть свой собственный завод по производству графена на заднем дворе, хотя, если вы можете гарантировать качество и выяснить, как сделать процесс рентабельным, это принесет вам много денег. Просто помни нас, когда ты богат и знаменит, хорошо?

Ученые придумали, как сделать графен в 200 раз дешевле

Как это работало до сих пор

Какой метод предлагают австралийцы

Почему это важно

Как изготовить графен при помощи блендера

Физикам ИТМО удалось «подчинить»движение фотонов и электронов одним законам

«От графена до максена»: ученые НИТУ «МИСиС» создают новые двумерные материалы

Графен превратили в датчик поляризации терагерцового излучения — Наука

Датчик «закрученности» невидимых лучей

Графен – новая разработка для создания суперпрочной пломбы – Витадент плюс

Using Graphene Liquid Cell Transmission Electron Microscopy to Study in Situ Nanocrystal Etching

Графен массового производства | Американский ученый

4 отличных метода изготовления графена в домашних условиях, вместе с основами графена

Что такое графен?

Открытие графена

Свойства графена

Электронная транспортная система и подвижность электронов

Графен превосходит кремний по скорости

Низкое сопротивление

Почему графен в свободной форме лучше?

Графеновые транзисторы и графеновая логика

Самовосстанавливающиеся свойства

Теплопроводность

Относительная прочность материала по отношению к весу

Как купить графен?

Метод 1: липкая лента

Метод 2: кухонный блендер

Метод 3: Устройство записи DVD — подход к технологии LightScribe

Метод 4: Образование пленки на границе раздела гептан-вода

Как сделать оксид графита в домашних условиях?

Заявление об ограничении ответственности

Введение

Порядок

Дополнительная литература

Новаторский метод изготовления графена из мусора — современная алхимия

Как сделать графен дома в своем блендере

Как сделать листы графена из хлопьев графита и целлофановой ленты «Научные эксперименты :: WonderHowTo

Массовое производство листов графена: производственный процесс «рулон на рулон» — PreScouter

Что такое графен?

Текущий производственный процесс:

Новый непрерывный процесс производства графеновой мембраны:

Что дальше?

Об авторе

Вы можете сделать «чудесный материал» графен у себя дома

Добавить комментарий Отменить ответ