Що таке графен?

Графен - це матеріал, який має кілька властивостей, здатних змінити технологію

графен

OpenClipart-Vectors зображення в Pixabay

Графен — це матеріал, що складається з двовимірного шару атомів вуглецю, розташованих у вигляді гексагональних структур, висота яких еквівалентна висоті атома. Цей матеріал можна отримати шляхом вилучення поверхневих шарів графіту, багатого мінералу на Землі та одного з найпоширеніших алотропів вуглецю.

Хімічні зв’язки і товщина графену відповідають за кілька важливих властивостей цього елемента, таких як механічний опір, тепло- та електропровідність. Ці особливості привабили вчених і технологічну індустрію завдяки своїм безмежним можливостям використання.

Відкриття графену

Стабільний двовимірний графен був випадково відкритий у 2004 році російськими фізиками Андре Геймом і Костянтином Новосьоловим. Це відкриття принесло дослідникам Нобелівську премію з фізики в 2010 році. Однак про існування цього вуглецевого алотропа відомо з 1930 року.

Властивості графену

Графен має численні властивості, які роблять його матеріалом з кількома технологічними застосуваннями. Знати основні властивості цього алотропа.

Механічні властивості

Графен - найміцніший матеріал, який коли-небудь був відомий. Цей опір виникає через міцні зв’язки, що утворюються між його атомами вуглецю. Матеріали, які широко використовуються в цивільному будівництві, наприклад сталь, витримують лише третину цього тиску.

Ще однією цікавою властивістю графену є його високий модуль Юнга, що вказує на те, що цей матеріал, крім стійкості, є дуже еластичним. Таким чином, він може відносно легко повернутися до свого початкового розміру.

Невеликі площі кожного вуглецевого шестикутника відповідають за високу непроникність графену, який можна використовувати як невелику сітку, здатну утримувати гази, які легко витікають із контейнерів, наприклад, газоподібний водень. Крім того, що графен надзвичайно стійкий, він дуже легкий: його щільність становить 0,77 г/м², тобто приблизно в тисячу разів легший за аркуш паперу.

електричні властивості

Електрони здатні поширюватися крізь графен майже вільно, не зазнаючи відхилень і зіткнень. Через гексагональну структуру вуглецевих зв’язків електрони рухаються всередині цих тонких шарів з релятивістською швидкістю, тобто близькою до швидкості світла.

При кімнатній температурі електричний опір графену є найнижчим. Таким чином, цей елемент можна вважати найкращим металевим провідником.

оптичні властивості

Пропускаючи 97,5% падаючого світла, графен стає невидимим неозброєним оком. Така оптична поведінка виникає через релятивістські властивості електронів у графені. Це означає, що, складаючи кілька листів графену, можна створити ідеально чорне тіло, здатне поглинати майже все випромінювання, що падає на нього.

теплові властивості

Завдяки своїм електричним властивостям графен є чудовим теплопровідником. Цей матеріал здатний розсіювати тепло швидше, ніж будь-який відомий матеріал. Крім того, деякі дослідження показують, що температура його плавлення становить 3851 °C.

Отже, основними властивостями та характеристиками графену є:

  • Він надзвичайно тонкий: це товщина атома;
  • Він має високу стійкість: приблизно в 200 разів міцніший за сталь;
  • Він гнучкий;
  • Він водонепроникний;
  • Він прозорий: пропускає близько 97,5% світлових променів;
  • Має високу тепло- та електропровідність: проводить електричну енергію в 100 разів швидше, ніж мідь. Дослідження також показали, що швидкість, з якою електрони рухаються через графен, становить 1000 км/с (в 60 разів швидше, ніж кремній);
  • Має високу твердість
  • Він має менший ефект Джоуля: він втрачає менше енергії у вигляді тепла при проведенні електронів.

Графенові програми

Завдяки своїм властивостям і характеристикам графен є одним з найбільш перспективних відомих матеріалів. Його технологічні можливості широкі, але обмежені можливостями виробництва цього матеріалу у великих масштабах. Такі пристрої, як складні світлодіодні екрани, фотоелементи, більш ефективні транзистори, суперконденсатори, радіатори та суперстільникові батареї, є деякими прикладами технологій, розроблених з використанням графену.

Крім того, графен можна застосовувати в інших областях дослідження, таких як:

Питна вода

Мембрани, утворені графеном, здатні знесолювати і очищати морську воду

викиди CO2

Графенові фільтри здатні зменшити викиди CO2, відокремлюючи гази, що утворюються в промисловості та підприємствах

виявлення захворювання

Набагато швидші біомедичні датчики засновані на графені і можуть виявляти хвороби, віруси та інші токсини.

Будівництво

Такі будівельні матеріали, як бетон і алюміній, стають легшими і міцнішими з додаванням графену

естетика

Фарбування волосся напиленням графену витримує до 30 миття

Мікропристрої

Менші і міцніші чіпи через заміну кремнію на графен

Енергія

Сонячні батареї мають кращу гнучкість, більшу прозорість і нижчі витрати виробництва завдяки використанню графену

Електроніка

Акумулятори з кращим і швидшим накопиченням енергії

Мобільність

За допомогою графену велосипеди можуть мати більш тверді шини та рами вагою 350 грамів

Серед досліджень, пов’язаних з графеном, виділяються ті, які пов’язані з розробкою нових кабелів передачі даних для Інтернету. Згідно з опитуванням, опублікованим журналом Спілкування природи, ідея полягає в тому, щоб скористатися всією швидкістю, яку досягають електрони в графені – клітини рухаються в ньому в сотні разів швидше, ніж у кабелях, які зараз використовуються.

Значення графену для Бразилії

Бразилія є частиною технологічної гонки в пошуках більш дешевих і ефективних методів виробництва графену. Згідно зі звітом, підготовленим Національним департаментом видобутку корисних копалин (DNPM), ринок графену повинен бути одним з найприбутковіших у світі з потенціалом до 1 трильйона доларів за 10 років. Крім того, Бразилія володіє найбільшими в світі запасами графену.

Ціна на графен

Через складні засоби його отримання ціна на графен все ще висока. Найсучасніші технології, що дозволяють виготовляти чисті та тонкі шари цього матеріалу, працюють з осадженням з пари на металевих підкладках, таких як мідні листи.

Наразі лист графену розміром 2,08 см на 1,54 см може коштувати до 275 доларів: в середньому 21 долар за квадратний дюйм. Однак такі фактори, як домішки та асиметрія, можуть різко знизити цю ціну. Графен можна отримати і з графіту: з 1 кг графіту, який коштує приблизно 1 долар, можна виготовити 150 г графену, вартість якого перевищує 15 тисяч доларів.

Цікаво про графен

  • Проект Graphene Flagship від Європейського Союзу виділив близько 1,3 мільярда євро на дослідження, пов’язані з графеном, застосуванням та розвитком виробництва в промислових масштабах. Загалом у цьому проекті беруть участь 150 установ із 23 країн.
  • Перша валіза, розроблена для космічних подорожей, має в своєму складі графен. Його запуск запланований на 2033 рік, коли NASA планує здійснити експедиції на Марс.
  • Борофен – новий конкурент графену. Цей матеріал, відкритий у 2015 році, вважається покращеною версією графену, він ще більш гнучкий, стійкий і провідний.

Процеси отримання графену, його застосування та його значення для Бразилії