Как графен изменит мир?

Графен это самый тонкий и прочный материал, известный человеку, он обладает многими невероятными свойствами — это превосходный тепло и электропроводник, даже лучший чем бриллианты, медь и серебро. Графен сверхлегкий, но в то же время в 200 раз прочнее стали, и, кроме того, он биологически разлагаем, поэтому не представляет угрозы для окружающей среды. С такими впечатляющими свойствами графен должен быть очень сложным и специфическим материалом. Это отчасти верно; но в то же время как графен достаточно трудно производить в больших масштабах, он уже есть в вашем доме. Графен это материал, который происходит из графита, того самого, что находится внутри обычных чертежных карандашей. При написании чешуйки графита толщиной в несколько слоев прилипают к бумаге, но истинный графен более тонкий. Самый тонкий в мире материал имеет толщину в один атом. Это настолько тонко, что можно считать этот материал двумерным в виду того, что он практически не имеет толщины, только ширину и длину. Поэтому он производится в аккуратных тончайших листах. Таким образом, графен представляет собой гексагональную решетку атомов углерода толщиной в один атом. Вы можете самостоятельно создать его, удалив лишний слой графита из бумаги с помощью липкой ленты, сложив ленту и снова развернув её, чтобы отделить пласты углерода друг от друга. Открыли графен в 2004 году ученые сэр Андрей Гейм (Andre Geim) и сэр Константин Новосёлов, которые впоследствии получили Нобелевскую премию по физике за свои открытия, а также звания рыцаря-бакалавра указом королевы Елизаветы II. Когда графен был обнаружен, многие учёные были шокированы, они не верили, что один слой углерода может быть стабильным, особенно при комнатной температуре. Тем не менее, графен не только был стабильным, он проводил электроны быстрее, чем любое другое вещество при комнатной температуре, учитывая идеальное, высокое качество его решётки. Отсутствие дефектов в структуре решётки означает отсутствие рассеянных электронов, что приводит к очень сильной, но гибкой связи. Манипулирование этими электронами также означает, что графен может быть преобразован в магнит толщиной в один атом, потенциально увеличивая хранение данных в миллион раз.

Графен может выдерживать нагрузку 5 тонн и более без разрушения. Он прочнее алмаза, хотя алмаз и графен не слишком далеки друг от друга. Оба они состоят из углерода, который может стать только двумя естественными кристаллами — графитом или алмазом. Но алмаз не такой стабильный, как графен. Прочность графена может привести к созданию гибких небьющихся экранов телефонов, лучших пуленепробиваемых жилетов и более прочных городских строений. Предполагается, что графен станет будущим строительным материалом для космических кораблей, автомобилей, поездов, самолетов и даже лифтов, поднимающихся в космос.

Компания Samsung уже работает над внедрением графена в свои батареи с помощью графеновых шариков. В результате чего электрическая емкость увеличилась на 45%, а скорость зарядки — в 5 раз. Полная зарядка такой батареи для телефона занимает 12 минут. Батарея также очень стабильна к перепадам температур, 20 минут зарядки подобного графенового аккумулятора дадут вам 600 км езды на электромобиле. Электронное хранилище из графена обеспечит более эффективные солнечные элементы, которые смогут работать даже когда идет дождь.

Слои графена непроницаемы. Смешивание его с такими материалами, как резина или пластмасса, могут сделать их воздухонепроницаемыми, что обеспечивает более безопасные корабли и пищу, которая может сохраняться намного дольше.

Графеновые оксидные мембраны позволяют получить более дешевую воду для засушливых бедных районов мира. В то время как современные процессы опреснения воды являются дорогостоящими и используют много энергии, применение графена, как показали эксперименты, дало сокращение энергопотребления на 46%, что делает опресненную воду намного более доступной. Есть некоторые препятствия, которые необходимо преодолеть в отношении оксида графена и его проницаемости для соли, но прогресс в этой области является многообещающим.

Другие потенциальные сферы применения графена включают фильтрацию ядерных отходов, использование в суперкомпьютерах, а также создание лучших медицинских сканеров, транзисторов и секвенсоров ДНК. Внедряя графен непосредственно в наши клетки, врачи могли контролировать наше тело изнутри с помощью наноботов. Предполагается, что биоприложения графена станут реальностью к 2030 году.

Недостаток графена состоит в том, что его очень сложно производить. До сих пор учёным удавалось изготавливать его лишь в небольших количествах, самым крупным из которых был лист размером с кредитную карту. До недавнего времени мы даже не могли изготовить его за пределами лаборатории. Для того чтобы произвести лист графена размером с кредитную карточку, масло сои было нагрето до 800 градусов Цельсия на листе фольги никеля, что заставило углерод упорядочиться в тонкую пластину графена. Но это все равно пока остается проблемой масштабирования. При попытке получить большие по размерам листы графена, материал получался низкого качества. Однако, эта проблема баланса чистоты и размера графеновых материалов напоминает аналогичную проблему получения чистого кремния, которая была в прошлые годы. Сферы применения этого материала и получаемая выгода слишком огромны, чтобы не продолжать исследования.

Почему графен до сих пор не изменил мир?

Фрэнк Коппенс, представитель Института фотонных наук (ICFO) в Барселоне, считает, что мы слишком торопимся с ожиданиями. По его словам, изучение графена продвигается очень быстро.

“Если вы посмотрите на свой смартфон, то увидите, что многие технологии, представленные в нем, были созданы 30-40 лет назад. Внутри этого устройства сокрыто около двадцати пяти Нобелевских премий по физике. многие изобретения были сделаны еще в 1960, но лишь в 21 веке нашли свой путь на рынок” - говорит Коппенс.

Графен же был изобретен немногим более десяти лет назад. И на рынке уже встречаются товары, содержащие этот удивительный материал. Таким образом, Коппенс уверен, что графен не опаздывает, а даже опережает свое время.

Ученые теоретизировали и предполагали возможность создания такой углеродной структуры в течение десятилетий, но на практике графен удалось синтезировать только в 2004 году. Сейчас исследования этого материала проводятся в сотнях различных лабораторий, а количество патентов, описывающих устройства с применением графена, перевалило за 50 тыс. Сегодня на рынке уже представлены некоторые товары, содержащие в себе Графеновые элементы. К примеру, наушники Xiaomi Mi Pro HD используют Графеновые мембраны. Разработчики утверждают, что такие мембраны идеально передают мелкие детали звучания. Компания HEAD выпускает теннисные ракетки Youtek Graphene Speed Pr, корпус которых выполнен из графена. Благодаря этому ракетки являются очень прочными и легкими.

Итальянская компания Momodesign выпустила мотоциклетный шлем из графена. А английская компания Briggs Automotive Company выпустила спорткар BAC Mono с графеновым корпусом. Все это здорово, но по-настоящему полезным графен может стать в электронных компонентах.

По мнению Коппенса, на рынок уже сейчас могли бы выйти первые гибкие гаджеты, использующие графеновые дисплеи. На данный момент препятствием является не технология производства графена, а банальная инерционность рынка. Разработчики просто не торопятся экспериментировать, пока у них есть возможность не рисковать.

Впрочем, такое положение дел продлится недолго. Известно, что Еврокомиссия выделила 1 млрд. евро на проект Graphene Flagship. Проект рассчитан на 10 лет и объединяет десятки научных учреждений и промышленных групп. Одно из направлений программы – это непосредственно производство графена. Цель проекта - сделать графен по-настоящему массовым и доступным продуктом.

В общем, если вы задаетесь вопросом, почему графен до сих пор не изменил мир, просто подождите еще немного. Обещанная нам графеновая технологическая революция все-таки состоится. Но, скорее всего, где-то в середине 20-х годов.

Агротрейд Клуб - оперативная отраслевая информация для Вашего бизнеса!