Upotreba grafena kod kuće. Jednostavan način za dobivanje visokokvalitetnog grafena: dvije sekunde u mikrovalnoj pećnici

Dom

Relativno nedavno, pojavila se nova oblast u nauci i tehnologiji, koja se zove nanotehnologija. Izgledi za ovu disciplinu nisu samo ogromni. One su ogromne. Čestica koja se zove "nano" je količina jednaka jednom milijardnom dijelu vrijednosti. Takve se veličine mogu usporediti samo s veličinama atoma i molekula. Na primjer, nanometar je milijardni dio metra.

Glavni pravac nove oblasti nauke Nanotehnologije su one koje manipulišu materijom na nivou molekula i atoma. S tim u vezi, ova oblast nauke se naziva i molekularna tehnologija . Šta je bio podsticaj za njen razvoj? Nanotehnologija u savremeni svet

pojavio zahvaljujući predavanju u kojem je naučnik dokazao da ne postoje prepreke za stvaranje stvari direktno od atoma. Sredstva za efikasnu manipulaciju sitne čestice

zove asembler. Ovo je molekularna nanomašina s kojom možete izgraditi bilo koju strukturu. Na primjer, prirodni montažer se može nazvati ribosomom koji sintetizira protein u živim organizmima.

Nanotehnologija u savremenom svijetu nije samo posebna oblast znanja. Oni predstavljaju ogromno polje istraživanja direktno povezano sa mnogim osnovnim naukama. To uključuje fiziku, hemiju i biologiju. Prema naučnicima, upravo će ove nauke dobiti najmoćniji podsticaj za razvoj u pozadini nadolazeće nanotehnološke revolucije.

Opseg primjene

Nemoguće je nabrojati sve oblasti ljudske aktivnosti u kojima se danas koristi nanotehnologija zbog veoma impresivne liste. Dakle, uz pomoć ove oblasti nauke proizvodi se:
Uređaji dizajnirani za ultra gusto snimanje bilo koje informacije;
- razna video oprema;
- senzori, poluvodički tranzistori;
- informacione, računarske i informacione tehnologije;
- nanoimprinting i nanolitografija;
- uređaji za skladištenje energije i gorive ćelije;
- primjene u odbrani, svemiru i avijaciji;

Svake godine se sve više sredstava izdvaja za naučnu oblast kao što je nanotehnologija u Rusiji, SAD, Japanu i nizu evropskih zemalja. To je zbog širokih izgleda za razvoj ove oblasti istraživanja.

Nanotehnologije u Rusiji se razvijaju u skladu sa ciljem Federalni program, koji pruža ne samo velike finansijski troškovi, ali i izvođenje velikog obima projektantskih i istraživačkih radova. Za ostvarivanje postavljenih zadataka udružuju se napori različitih naučnih i tehnoloških kompleksa na nivou nacionalnih i transnacionalnih korporacija.

Novi materijal

Nanotehnologija je omogućila naučnicima da naprave karbonsku ploču tvrđu od dijamanta koja je debela samo jedan atom. Sastoji se od grafena. Ovo je najtanji i najjači materijal u cijelom svemiru, koji prenosi električnu energiju mnogo bolje od silicija u kompjuterskim čipovima.

Otkriće grafena smatra se pravim revolucionarnim događajem koji će mnogo toga promijeniti u našim životima. Ovaj materijal ima tako jedinstvena fizička svojstva da radikalno mijenja čovjekovo razumijevanje prirode stvari i supstanci.

Istorija otkrića

Grafen je dvodimenzionalni kristal. Njegova struktura je heksagonalna rešetka koja se sastoji od atoma ugljika. Teorijske studije grafena započele su mnogo prije proizvodnje pravih uzoraka, budući da je ovaj materijal osnova za konstrukciju trodimenzionalnog kristala grafita.

P. Wallace je još 1947. godine ukazao na neka svojstva grafena, dokazujući da je njegova struktura slična metalima, a neke karakteristike slične onima koje posjeduju ultrarelativističke čestice, neutrini i fotoni bez mase. Međutim, novi materijal ima i određene značajne razlike koje ga čine jedinstvenim u prirodi. Ali potvrda ovih zaključaka dobijena je tek 2004. godine, kada je Konstantin Novoselov prvi put dobio ugljenik u slobodnom stanju. Ova nova supstanca, nazvana grafen, postala je veliko otkriće naučnika. Ovaj element možete pronaći u olovci. Njegov grafitni štap se sastoji od mnogo slojeva grafena. Kako olovka ostavlja trag na papiru? Činjenica je da, unatoč snazi ​​slojeva koji čine štap, među njima postoje vrlo slabe veze. Vrlo lako se raspadaju u dodiru sa papirom, ostavljajući trag prilikom pisanja.

Korištenje novog materijala

Prema naučnicima, senzori zasnovani na grafenu moći će da analiziraju snagu i stanje letelice, kao i da predvide zemljotrese. Ali tek kada materijal sa tako nevjerovatnim svojstvima napusti zidove laboratorija, postaće jasno u kojem smjeru će ići razvoj praktična primjena ove supstance. Danas su se fizičari, kao i inženjeri elektronike, već zainteresirali za jedinstvene mogućnosti grafena. Uostalom, samo nekoliko grama ove supstance može pokriti površinu jednaku fudbalskom terenu.

Grafen i njegove primjene potencijalno se razmatraju u proizvodnji lakih satelita i aviona. U ovoj oblasti, novi materijal može zamijeniti nanomaterijale. Nanosupstanca se može koristiti umjesto silicija u tranzistorima, a njeno uvođenje u plastiku će joj dati električnu provodljivost.

Grafen i njegova upotreba se također razmatraju u proizvodnji senzora. Ovi uređaji su zasnovani na najnoviji materijal, moći će otkriti najopasnije molekule. Ali upotreba nanosupstanci u prahu u proizvodnji električnih baterija značajno će povećati njihovu efikasnost.

Grafen i njegova primjena razmatraju se u optoelektronici. Novi materijal će napraviti vrlo laganu i izdržljivu plastiku, posude iz koje će hranu održavati svježom nekoliko sedmica.

Upotreba grafena se također predlaže za proizvodnju prozirnog provodljivog premaza potrebnog za monitore, solarni paneli i robusnije i mehanički otpornije motore na vjetar.

Od nanomaterijala će se praviti najbolja sportska oprema, medicinski implantati i superkondenzatori.

Grafen i njegova upotreba su također relevantni za:

Elektronički uređaji visoke frekvencije velike snage;
- umjetne membrane koje razdvajaju dvije tekućine u spremniku;
- poboljšanje provodljivosti različitih materijala;
- kreiranje displeja na organskim svetlećim diodama;
- razvoj nova tehnologija ubrzano sekvenciranje DNK;
- poboljšanja displeja sa tečnim kristalima;
- stvaranje balističkih tranzistora.

Automobilska upotreba

Prema istraživačima, specifični energetski intenzitet grafena je blizu 65 kWh/kg. Ovaj indikator 47 puta veća nego kod trenutno tako uobičajenih litijum-jonskih baterija. Naučnici su ovu činjenicu iskoristili za stvaranje nove generacije punjača.

Grafen-polimer baterija je uređaj koji skladišti električnu energiju što je moguće efikasnije. Trenutno na njemu rade istraživači iz mnogih zemalja. Španski naučnici su postigli značajan uspeh u ovom pitanju. Grafen-polimerska baterija koju su stvorili ima energetski kapacitet stotinama puta veći od postojećih baterija. Koristi se za opremanje električnih vozila. Automobil u koji je ugrađen može preći hiljade kilometara bez zaustavljanja. Neće biti potrebno više od 8 minuta za punjenje električnog vozila kada je energetski resurs iscrpljen.

Ekrani na dodir

Naučnici nastavljaju da istražuju grafen, stvarajući nove i jedinstvene stvari. Tako je ugljenični nanomaterijal našao svoju primenu u proizvodnji za proizvodnju ekrana osetljivih na dodir velike dijagonale. U budućnosti bi se mogao pojaviti fleksibilan uređaj ove vrste.

Naučnici su dobili pravougaoni list grafena i pretvorili ga u prozirnu elektrodu. On je taj koji je uključen u rad ekrana na dodir, a odlikuje ga izdržljivost, povećana transparentnost, fleksibilnost, ekološka prihvatljivost i niska cijena.

Dobijanje grafena

Od 2004. godine, kada je otkriven najnoviji nanomaterijal, naučnici su savladali niz metoda za njegovu proizvodnju. Međutim, najosnovnije od njih su sljedeće metode:

Mehanički piling;
- epitaksijalni rast u vakuumu;
- hemijsko perifazno hlađenje (CVD proces).

Prva od ove tri metode je najjednostavnija. Proizvodnja grafena mehaničkim pilingom uključuje nanošenje specijalnog grafita na ljepljivu površinu izolacijske trake. Nakon toga, baza, poput lista papira, počinje se savijati i savijati, odvajajući se potreban materijal. Korištenjem ove metode dobija se grafen visoke kvalitete. Međutim, takve akcije nisu prikladne za masovnu proizvodnju ovog nanomaterijala.

Kada se koristi metoda epitaksijalnog rasta, koriste se tanke silikonske pločice čiji je površinski sloj silicijum karbid. Zatim se ovaj materijal zagrijava na vrlo visokoj temperaturi (do 1000 K). Kao rezultat kemijske reakcije, atomi silicija se odvajaju od atoma ugljika, od kojih prvi isparavaju. Kao rezultat, čisti grafen ostaje na ploči. Nedostatak ove metode je potreba za korištenjem vrlo visoke temperature, u kojem može doći do sagorijevanja atoma ugljika.

Najpouzdaniji i na jednostavan način CVD proces koji se koristi za masovnu proizvodnju grafena. To je metoda u kojoj dolazi do kemijske reakcije između metalne prevlake katalizatora i ugljikovodičnih plinova.

Gdje se proizvodi grafen?

Do danas najveća kompanija, koja proizvodi novi nanomaterijal, nalazi se u Kini. Naziv ovog proizvođača je Ningbo Morsh Technology. Počeo je sa proizvodnjom grafena 2012.

Glavni potrošač nanomaterijala je Chongqing Morsh Technology. Koristi grafen za proizvodnju provodljivih prozirnih filmova koji se ubacuju u ekrane na dodir.

Relativno nedavno, poznata kompanija Nokia prijavila je patent za fotoosjetljivu matricu. Kao dio ovog prijeko potrebnog optički instrumenti Element sadrži nekoliko slojeva grafena. Ovaj materijal, koji se koristi na senzorima kamere, značajno povećava njihovu osjetljivost na svjetlost (do 1000 puta). Istovremeno dolazi do smanjenja potrošnje električne energije. Dobra kamera za pametni telefon će takođe sadržati grafen.

Račun kod kuće

Da li je moguće napraviti grafen kod kuće? Ispostavilo se da da! Samo trebate uzeti kuhinjski blender snage od najmanje 400 W i slijediti metodu koju su razvili irski fizičari.

Kako napraviti grafen kod kuće? Da biste to učinili, u posudu blendera ulijte 500 ml vode, dodajući 10-25 mililitara bilo kojeg deterdženta i 20-50 grama usitnjenog olova u tečnost. Zatim bi uređaj trebao raditi 10 minuta do pola sata, dok se ne pojavi suspenzija grafenskih pahuljica. Dobiveni materijal će imati visoku provodljivost, što će mu omogućiti da se koristi u elektrodama fotoćelija. Također proizveden u životni uslovi grafen može poboljšati svojstva plastike.

Oksidi nanomaterijala

Naučnici aktivno proučavaju strukturu grafena, koji ima pričvršćene funkcionalne grupe i/ili molekule koje sadrže kisik unutar ili duž rubova ugljične mreže. To je oksid najtvrđe nanosupstance i prvi je dvodimenzionalni materijal koji je dostigao fazu komercijalne proizvodnje. Naučnici su od nano- i mikročestica ove strukture napravili uzorke veličine centimetra.

Tako su kineski naučnici nedavno dobili grafen oksid u kombinaciji s diofiliziranim ugljikom. Ovo je vrlo lagan materijal, čija se centimetarska kocka drži na laticama malog cvijeta. Ali u isto vrijeme, nova tvar, koja sadrži grafen oksid, jedna je od najtvrđih na svijetu.

Biomedicinska aplikacija

Grafen oksid ima jedinstveno svojstvo selektivnosti. To će omogućiti ovoj tvari da nađe biomedicinsku upotrebu. Tako je, zahvaljujući radu naučnika, postalo moguće koristiti grafen oksid za dijagnosticiranje raka. Otkrijte maligni tumor na ranim fazama njegov razvoj je omogućen jedinstvenim optičkim i električna svojstva nanomaterijala.

Grafen oksid također omogućava ciljanu isporuku lijekova i dijagnostiku. Na osnovu ovog materijala kreiraju se sorpcijski biosenzori koji ukazuju na molekule DNK.

Industrijska primjena

Različiti sorbenti na bazi grafenskog oksida mogu se koristiti za dekontaminaciju kontaminiranih umjetnih i prirodni objekti. Osim toga, ovaj nanomaterijal je sposoban za obradu pod zemljom i površinske vode, kao i tla, očistivši ih od radionuklida.

Grafen oksidni filteri mogu osigurati super čiste prostorije u kojima se proizvode elektronske komponente posebne namjene. Jedinstvena svojstva ovog materijala omogućit će vam da prodrete u suptilne tehnologije hemijska sfera. Konkretno, to može biti ekstrakcija radioaktivnih, tragova i rijetkih metala. Stoga će korištenje grafenskog oksida omogućiti ekstrakciju zlata iz ruda niskog kvaliteta.

Visoka tehnologija kod kuće. Laureat Nobelova nagrada Konstantin Novoselov je ispričao kako možete sami napraviti grafen od otpadnog materijala. Stvorio je pravu senzaciju u svijetu nauke, a u budućnosti se može koristiti u svim oblastima - od kuhanja do svemirskih letova.

Izgradnja bine za nobelovca nije, naravno, izmišljanje grafena. Ekran za prikaz foto i video slajdova sastavljen je za samo nekoliko minuta. Okvir, kopče i evo ga, magija minimalizma. Oprema za kazivanje najglasnijeg naučno otkriće Nedavno ga je Konstantin Novoselov donio sa sobom u običnom rancu.

Unutra je bio laptop. Dobitnik Nobelove nagrade za fiziku navikao je da putuje svjetlošću. Prvo pitanje iz publike - i odmah odgovor koji uzbuđuje maštu. Ispostavilo se da gotovo svako može dobiti materijal za koji se predviđa sjajna budućnost.

"Sve što trebate je da kupite dobar grafit. U principu možete koristiti olovke, ali bolje je kupiti dobar grafit. Na to ćete potrošiti 100 dolara. Morat ćete potrošiti 20 dolara na silikonske pločice, 1 dolar na traku. To je 121 dolar, obećavam vam da ćete naučiti kako da napravite neverovatan grafen”, rekao je naučnik.

Nije slučajno što je svijet nauke odmah rekao za ovo otkriće: sve genijalno je jednostavno. Materijal na bazi grafita mogao bi revolucionirati elektroniku. Već smo navikli na činjenicu da su moderni gedžeti mobilni telefon, i kompjuter i kamera u jednom uređaju. Sa grafenom, ovi uređaji će postati mnogo tanji, a takođe i transparentni i fleksibilni. Hvala za jedinstvene karakteristike bitno, takav uređaj nije strašno ispustiti.

"Ima veoma interesantna elektronska svojstva. Može se koristiti za tranzistore. A posebno, mnoge kompanije pokušavaju da naprave tranzistore velike brzine od ovog materijala za upotrebu, na primjer, u mobilne komunikacije“, objasnio je Nobelovac.

U budućnosti, prema mišljenju stručnjaka, ovaj materijal će moći u potpunosti zamijeniti postepeno starejući silicij u svim elektroničkim uređajima. Za sada se ova tehnika čini kao čudo. Međutim, nedavno su isto iznenađenje izazvali, na primjer, LCD televizori ili internet. Usput, World računarsku mrežu korištenjem grafena postat će desetine puta brži. U biologiji će se, uz novi materijal, pojaviti i progresivne tehnologije dekodiranja hemijska struktura DNK. Upotreba ultra laganog i grafena visoke čvrstoće naći će primjenu u avijaciji i građevinarstvu svemirski brodovi.

"Materijal koji je najtanji, najjači, najprovodljiviji, najneprobojniji, najelastičniji, to će biti grafen", naglasio je Novoselov.

Nobelova nagrada za fiziku dodijeljena je za napredne eksperimente s grafenom 2010. godine. Ovo je prvi put da se materijal pretvori u proizvod naučna istraživanja, tako brzo prelazi iz akademskih laboratorija u industrijsku proizvodnju. U Rusiji je interesovanje za razvoj Konstantina Novoselova izuzetno. Stranica Bookmarket festivala i parka Gorkog je otvorena za sve. A hladno vrijeme i kiša nisu smetnja pravoj nauci.

Grafen je najjači materijal na Zemlji. 300 puta jači od čelika. List grafena površine jednog kvadratnog metra i debljine od samo jednog atoma sposoban je držati objekt težak 4 kilograma. Grafen se, poput salvete, može savijati, motati i rastezati. Papirna salveta se trga u tvojim rukama. To se neće dogoditi sa grafenom.

Drugi oblici ugljika: grafen, ojačani - ojačani grafen , karabin, dijamant, fuleren, ugljenične nanocevi, „brkovi“.

Opis grafena:

Grafen je dvodimenzionalni alotrop ugljika u kojem su atomi raspoređeni u heksagonalnu kristalnu rešetku kako bi formirali sloj debljine jedan atom. Atomi ugljika u grafenu su međusobno povezani sp 2 vezama. Grafen je bukvalno materija tekstil.

Ugljik ima mnogo alotropa. Neki od njih, npr. dijamant i grafit, poznati su dugo vremena, dok su drugi otkriveni relativno nedavno (prije 10-15 godina) - fulereni I ugljične nanocijevi. Treba napomenuti da je grafit, poznat dugi niz decenija, gomila grafenskih listova, tj. sadrži nekoliko grafenskih ravnina.

Dobijene su nove supstance na bazi grafena: grafen oksid, grafen hidrid (nazvan grafan) i fluorografen (proizvod reakcije grafena sa fluorom).

Grafen ima jedinstvena svojstva koja mu omogućavaju da se koristi u različitim poljima.

Svojstva i prednosti grafena:

— grafen je najjači materijal na Zemlji. 300 puta jači čelika. List grafena površine jednog kvadratnog metra i debljine od samo jednog atoma sposoban je držati objekt težak 4 kilograma. Grafen se, poput salvete, može savijati, motati i rastezati. Papirna salveta se trga u tvojim rukama. Ovo se neće dogoditi sa grafenom.

— Zahvaljujući dvodimenzionalnoj strukturi grafena, vrlo je fleksibilan materijal, što će mu omogućiti da se koristi, na primjer, za tkanje niti i drugih struktura užadi. U ovom slučaju, tanko grafensko "uže" bit će slično čvrstoći debelom i teškom čeličnom užetu,

- pod određenim uslovima, grafen aktivira još jednu sposobnost koja mu omogućava da u slučaju oštećenja "zaliječi" "rupe" u svojoj kristalnoj strukturi,

— grafen ima veću električnu provodljivost. Grafen praktično nema otpor. Grafen ima 70 puta veću pokretljivost elektrona nego silicijum. Brzina elektrona u grafenu je 10.000 km/s, iako je u običnom provodniku brzina elektrona oko 100 m/s.

- ima veliki električni kapacitet. Specifični energetski intenzitet grafena približava se 65 kWh/kg. Ova brojka je 47 puta veća od one kod trenutno rasprostranjenih litijum-jonskih baterija. baterije,

— ima visoku toplotnu provodljivost. 10 puta je toplinski provodljiviji bakar,

- karakterizira potpuna optička transparentnost. Apsorbuje samo 2,3% svetlosti,

— grafenski film propušta molekule vode i istovremeno zadržava sve ostale, što mu omogućava da se koristi kao filter za vodu,

- najlakši materijal. 6 puta lakši od pera

— inercija prema okruženje,

- apsorbuje radioaktivni otpad,

— zahvaljujući Brownovom kretanju (toplinskim vibracijama) atoma ugljika u grafenskom listu, potonji je u stanju da "proizvodi" električna energija,

— je osnova za sklapanje različitih ne samo nezavisnih dvodimenzionalnih materijala, već i višeslojnih dvodimenzionalnih heterostruktura.

Fizička svojstva grafena*:

*na sobnoj temperaturi.

Dobijanje grafena:

Glavni načini za dobijanje grafena su:

— mikromehanička eksfolijacija grafitnih slojeva (metoda Novoselov - metoda škotske trake). Uzorak grafita stavljen je između traka trake i slojevi su sukcesivno skidani sve dok nije ostao posljednji tanki sloj koji se sastoji od grafena.

— disperzija grafit V vodene sredine,

— mehanički piling;

— epitaksijalni rast u vakuumu;

— hemijsko hlađenje u parnoj fazi (CVD proces),

— metoda "znojenja" ugljenika iz rastvora u metalima ili tokom razgradnje karbida.

Dobijanje grafena kod kuće:

Morate uzeti kuhinjski blender snage najmanje 400 W. U posudu blendera sipajte 500 ml vode, u tečnost dodajte 10-25 ml bilo kojeg deterdženta i 20-50 grama smrvljene olovke. Zatim bi blender trebao raditi 10 minuta do pola sata dok se ne pojavi suspenzija grafenskih pahuljica. Dobiveni materijal će imati visoku provodljivost, što će mu omogućiti da se koristi u elektrodama fotoćelija. Također, grafen proizveden kod kuće može poboljšati svojstva plastike.

Primjena grafena:

— solarna energija,

— prečišćavanje vode, filtracija vode, desalinizacija morska voda,

— elektronika (LCD monitori, tranzistori, mikro kola, itd.),

— u baterijama i izvorima energije. Grafenska baterija omogućava automobilu da pređe 1000 km bez ponovnog punjenja, čije vrijeme punjenja nije duže od 16 sekundi,

— lijek. Naučnici su otkrili da pahuljice grafen oksida ubrzavaju proliferaciju matičnih stanica i regeneraciju stanica koštanog tkiva,

— stvaranje superkompozita,

— prečišćavanje vode od radioaktivne kontaminacije. Grafen oksid brzo uklanja radioaktivne tvari iz kontaminirane vode. Grafen oksid pahuljice se brzo vezuju za prirodne i umjetne radioizotope i kondenziraju ih u čvrste tvari. Same pahuljice su rastvorljive u tečnosti i lako se proizvode u industrijskim razmerama.

kako napraviti grafen Wikipedia materijal svojstva baterije aerogel ugljen grafit kupovna cijena video Rusija gustina prezentacije
tehnička primjena otkriće proizvodna tehnologija proizvodna struktura izum grafena u LED uređaji majstorski nož

Faktor potražnje 1 724

Ankete

Da li je našoj zemlji potrebna industrijalizacija?

• Da, treba nam (90%, 2,486 glasova)
• Ne, nije potrebno (6%, 178 glasova)
• Ne znam (4%, 77 glasova)

Tražite tehnologije

Pronađene tehnologije 1

Do prošle godine jedini poznato nauci Metoda za proizvodnju grafena bila je nanošenje tankog sloja grafita na ljepljivu traku, a zatim uklanjanje baze. Ova tehnika se zove "tehnika škotske trake". Međutim, naučnici su nedavno otkrili da postoji efikasniji način za dobijanje novog materijala: počeli su da koriste sloj bakra, nikla ili silicijuma kao podlogu, koji se zatim uklanja jetkanjem (slika 2). Na ovaj način je tim naučnika iz Koreje, Japana i Singapura kreirao pravougaone listove grafena širine 76 centimetara. Ne samo da su istraživači postavili svojevrsni rekord u veličini komada jednoslojne strukture napravljene od atoma ugljika, već su kreirali i osjetljive ekrane zasnovane na fleksibilnim listovima.

Slika 2: Dobivanje grafena jetkanjem

Fizičari su prvi put dobili grafenske "ljuspice" tek 2004. godine, kada je njihova veličina bila samo 10 mikrometara. Prije godinu dana, tim Rodneya Ruoffa sa Univerziteta Teksas u Austinu objavio je da su uspjeli stvoriti "otpadke" grafena veličine centimetra.

Ruoff i njegove kolege taložili su atome ugljika na bakrenu foliju koristeći hemijsko taloženje pare (CVD). Istraživači u laboratoriji profesora Byun Hee Hong sa Univerziteta Sunghyunkwan otišli su dalje i povećali listove do veličine cijelog ekrana. Nova tehnologija “roll” (obrada roll-to-roll) omogućava dobijanje dugačke trake od grafena (slika 3).

Slika 3: Transmisiona elektronska mikroskopska slika visoke rezolucije naslaganih slojeva grafena.

Fizičari su stavili sloj adhezivnog polimera na ploče grafena, rastvorili bakrene podloge, a zatim odvojili polimerni film - dobijen je jedan sloj grafena. Da bi listovima dali veću čvrstoću, naučnici su koristili istu metodu da "uzgajaju" još tri sloja grafena. Konačno, rezultirajući "sendvič" tretiran je dušičnom kiselinom kako bi se poboljšala provodljivost. Potpuno novi list grafena stavlja se na poliestersku podlogu i provlači između zagrijanih valjaka (slika 4).

Slika 4: Roll tehnologija za proizvodnju grafena

Dobivena struktura je propuštala 90% svjetlosti i imala je električni otpor manji od standardnog, ali i dalje vrlo skupog, prozirnog provodnika - indijum kalaj oksida (ITO). Inače, koristeći grafenske ploče kao osnovu za ekrane na dodir, istraživači su otkrili da je i njihova struktura manje krhka.

Istina, uprkos svim dostignućima, tehnologija je još uvijek jako daleko od komercijalizacije. Prozirni filmovi napravljeni od ugljičnih nanocijevi već duže vrijeme pokušavaju istisnuti ITO, ali proizvođači se ne mogu nositi s problemom “mrtvih piksela” koji se pojavljuju na defektima filma.

Primjena grafena u elektrotehnici i elektronici

Svjetlina piksela u ravnim ekranima određena je naponom između dvije elektrode, od kojih je jedna okrenuta prema posmatraču (slika 5). Ove elektrode moraju biti prozirne. Trenutno se indijum oksid dopiran kositrom (ITO) koristi za proizvodnju prozirnih elektroda, ali ITO je skupa i nije najstabilnija supstanca. Osim toga, svijet će uskoro ostati bez indija. Grafen je transparentniji i stabilniji od ITO-a, a već je demonstriran i LCD ekran sa grafenskom elektrodom.

Slika 5: Svjetlina grafenskih ekrana kao funkcija primijenjenog napona

Materijal ima veliki potencijal u drugim oblastima elektronike. U aprilu 2008. naučnici iz Mančestera demonstrirali su najmanji grafenski tranzistor na svijetu. Savršeno pravilan sloj grafena kontrolira otpornost materijala, pretvarajući ga u dielektrik. Postaje moguće stvoriti mikroskopski prekidač napajanja za brzi nanotranzistor za kontrolu kretanja pojedinačnih elektrona. Što su tranzistori u mikroprocesorima manji, to su oni brži, a naučnici se nadaju da će grafenski tranzistori u budućim kompjuterima postati veličine molekula, s obzirom na to da je trenutna tehnologija mikrotranzistora silicijum skoro dostigla svoju granicu.

Grafen nije samo odličan provodnik struje. Ima najveću toplotnu provodljivost: atomske vibracije se lako šire preko ugljenične mreže ćelijske strukture. Rasipanje toplote u elektronici je ozbiljan problem jer postoje ograničenja za visoke temperature koje elektronika može da izdrži. Međutim, naučnici sa Univerziteta Illinois otkrili su da tranzistori koji koriste grafen imaju zanimljivu osobinu. Oni pokazuju termoelektrični efekat, što dovodi do smanjenja temperature uređaja. To bi moglo značiti da će elektronika zasnovana na grafenu učiniti radijatore i ventilatore prošlošću. Tako se dodatno povećava atraktivnost grafena kao obećavajućeg materijala za buduća mikrokola (slika 6).

Slika 6: Sonda mikroskopa atomske sile koja skenira površinu kontakta grafen-metal radi mjerenja temperature.

Naučnici su imali poteškoća u mjerenju toplotne provodljivosti grafena. Izmislili su potpuno novi način mjerenja njegove temperature postavljanjem 3 mikrona dugačkog filma grafena preko iste male rupe u kristalu silicijum dioksida. Film je zatim zagrejan laserskim snopom, uzrokujući da vibrira. Ove vibracije su pomogle u izračunavanju temperature i toplotne provodljivosti.

Genijalnost naučnika ne poznaje granice kada je u pitanju korišćenje fenomenalnih svojstava nove supstance. U avgustu 2007. godine stvoren je najosetljiviji od svih mogućih senzora na osnovu njega. U stanju je reagirati na jedan molekul plina, što će pomoći da se brzo otkrije prisustvo toksina ili eksploziva. Strani molekuli se mirno spuštaju u mrežu grafena, izbacujući elektrone iz nje ili ih dodajući. Kao rezultat toga, električni otpor sloja grafena se mijenja, što mjere naučnici. Čak i najmanji molekuli su zarobljeni izdržljivom grafenskom mrežom. U septembru 2008. godine naučnici sa Univerziteta Cornell u SAD-u demonstrirali su kako se grafenska membrana, poput tankog balona, ​​naduvava zbog razlike u pritisku od nekoliko atmosfera na obje strane. Ova karakteristika grafena može biti korisna u određivanju pojave raznih hemijske reakcije i općenito pri proučavanju ponašanja atoma i molekula.

Proizvodnja velikih listova čistog grafena je još uvijek vrlo teška, ali zadatak se može pojednostaviti ako se sloj ugljika pomiješa s drugim elementima. Na Univerzitetu Northwestern u SAD-u, grafit je oksidiran i otopljen u vodi. Rezultat je bio materijal sličan papiru - papir od grafen oksida (slika 7). Veoma je tvrd i prilično lak za napraviti. Grafen oksid je koristan kao jaka membrana u baterijama i gorivnim ćelijama.

Slika 7: Papir od grafen oksida

Grafenska membrana je idealan supstrat za objekte koji se proučavaju pod elektronskim mikroskopom. Besprijekorne ćelije stapaju se na slikama u jednoličnu sivu pozadinu, na kojoj se jasno ističu drugi atomi. Do sada je bilo gotovo nemoguće razlikovati najlakše atome u elektronskom mikroskopu, ali s grafenom kao supstratom mogu se vidjeti čak i mali atomi vodika.

Mogućnosti upotrebe grafena mogu se nabrajati u nedogled. Nedavno su fizičari sa Univerziteta Northwestern u SAD otkrili da se grafen može pomiješati sa plastikom. Rezultat je tanak, super-jak materijal koji može izdržati visoke temperature i otporan je na plinove i tekućine.

Njegov opseg primjene je proizvodnja lakih benzinskih pumpi, rezervnih dijelova za automobile i avione, te izdržljivih lopatica vjetroturbina. Prehrambene proizvode možete pakirati u plastiku i tako dugo ostati svježi.

Grafen nije samo najtanji, već i najjači materijal na svijetu. Naučnici sa Univerziteta Kolumbija u Njujorku to su potvrdili postavljanjem grafena preko sićušnih rupa u silicijumskom kristalu. Zatim su pritiskom na vrlo tanku dijamantsku iglu pokušali da unište sloj grafena i izmjerili silu pritiska (slika 8). Ispostavilo se da je grafen 200 puta jači od čelika. Ako zamislite sloj grafena debeo kao prozirna folija, on bi izdržao pritisak vrha olovke, na čijem bi suprotnom kraju balansirao slon ili automobil.

Slika 8: Pritisak na grafen dijamantske igle

Grafen je revolucionarni materijal 21. veka. To je najjača, najlakša i najelektričnija verzija ugljične smjese.

Grafen su otkrili Konstantin Novoselov i Andrej Gejm, radeći na Univerzitetu u Mančesteru, za šta su ruski naučnici dobili Nobelovu nagradu. Do danas je oko deset milijardi dolara izdvojeno za istraživanje svojstava grafena tokom deset godina, a šuška se da bi mogao biti odlična zamjena za silicijum, posebno u industriji poluprovodnika.

Međutim, dvodimenzionalne strukture slične ovom materijalu na bazi ugljika su predviđene za druge elemente. Periodni sistem hemijski elementi a vrlo neobična svojstva jedne od ovih supstanci su nedavno proučavana. Ova supstanca se zove "plavi fosfor".

Konstantin Novoselov i Andrej Gejm, rođeni u Rusiji, iz Britanije, stvorili su grafen, prozirni sloj ugljenika debljine jednog atoma, 2004. godine. Od tog trenutka, skoro odmah i svuda, počeli smo da čujemo ode hvale o raznim neverovatnim svojstvima materijala, koji ima potencijal da promeni naš svet i nađe svoju primenu u većini različitim oblastima počevši od proizvodnje kvantne kompjutere i završava sa proizvodnjom filtera za postizanje čistoće vode za piće. Prošlo je 15 godina, ali se svijet pod uticajem grafena nije promijenio. Zašto?