Гибкий.ру Что такое графен и чем он так уникален?
Углерод — это материал, состоящий из кристаллической решетки, которую образуют шестиугольники атомов. Графен — это один слой решетки толщиной в 1 атом.
Отсюда — его первое уникальное свойство: самый тонкий.
- Графен в 60 раз тоньше мельчайшего из вирусов.
- В 3 тыс. раз тоньше бактерии.
- В 300 тыс. раз тоньше листа бумаги.
Такую структуру графен приобретает за счет sp2-гибридизации. Дело в том, что на внешней оболочке атома углерода расположены четыре электрона. При sp2-гибридизации три из них вступают в связь с соседними атомами, а четвертый находится в состоянии, которое образовывает энергетические зоны. В результате графен еще и прекрасно проводит электрический ток.
Почему же графен до сих пор не изменил нашу жизнь?
Во-первых, он все еще очень дорогой. При этом пока нельзя однозначно посчитать, сколько его нужно и для каких целей. Для этого материала нет единой шкалы измерения, так как он может иметь разную структуру — в зависимости от способа получения.
- 1 грамм чистого графена, который используют в электронике, стоит около $28 млрд.
- 1 грамм графена, смешанного с пылью — около $1 тыс.
Во-вторых, массовое производство графена пока не налажено, потому что нет технологий, которые бы позволили бы это: например, сложные электронные устройства с графеном делают вручную. Для графена нужна какая-то подложка — например, кварцевая — которая и определяет свойства конечного продукта. При этом пока еще не совсем понятно, какие именно это должны быть свойства.
Что еще почитать и посмотреть о графене
В китае презентовали гибкий смартфон с графеновым дисплеем
Подробностей об устройстве пока немного. Известно, что его дисплей выполнен по большей части из графена. Из какого материала сделана оставшаяся часть, не сообщается. Вес смартфона составляет 200 г, а диагональ экрана — 5,2 дюйма.
Видео было снято китайской службой новостей Xinhua News. Название компании, представившей гибкий смартфон, в репортаже не упоминается.
Где можно применять графен в будущем?
Есть и еще одно свойство графена: он биосовместим, то есть взаимодействует с живыми клетками. Ученые обещают, что материал поможет диагностировать и лечить рак [5]. Это делают с помощью чипа с графеном, который придает повышенную чувствительность. На поверхность чипа высаживают раковые клетки и тестируют на них различные лекарства.
Такие чипы можно использовать и для тестирования других лекарств, а также — определения биомаркеров: иммуноглобулина, ДНК, нейрональных биорецепторов.
Из графена также планируют делать дешевые солнечные батареи, опресняющие устройства для морской воды, гибкие дисплеи, сверхпрочные бронежилеты, сверхчувствительные микропроцессоры, элементы для беспилотников и космических ракет, телефоны с бесконечной зарядкой и умную одежду.
Для России самым перспективным применением графена могут стать нефте- и газодобыча. На основе графена делают жидкости, которые позволят управлять толщиной и свойствами фильтрационной корки буровых растворов. А еще можно делать полимерные трубы и покрытия для нефте- и газопроводов с применением графена.
Где уже используют графен?
Сейчас графен успешно применяют в электронике. Самый массовый продукт — это пауэрбанк [3]: производители обещают, что сам он заряжается за 20 минут, а топовый смартфон заряжает наполовину за полчаса.
Существуют также графеновые куртки и платья. Последние, в частности, оснащены светодиодами [4], которые реагируют на дыхание и температуру тела, меняя цвет.
Теннисные ракетки с графеном весят до 300 грамм меньше, чем обычные, при той же силе удара.
Наконец, машинное масло с графеном призвано снизить износ двигателя.
Графеновый бум
За 7 лет после вручения премии вышло больше 130 тыс. научных работ, посвященных графену и его свойствам. Доля таких исследований среди всех остальных выросла с 0,2% в 2022 году до 1% в 2022-м.
В научном сообществе тестирование свойств графена стало почти мемом. Доходит до того, что в графен добавляют куриный помет, чтобы проверить, как это отразится на его качествах [6].
Всего в мире зарегистрировано более 50 тыс. патентных заявок с упоминанием графена. Больше половины из них принадлежит Китаю, следом идут Южная Корея, США, Япония и Тайвань.
В Китае исследованиями занимаются государственные вузы. В 2022 году здесь создали Инновационный альянс графеновой промышленности, который пророчит Китаю в этой сфере долю в 80% от общемировой.
В остальных странах в графен активно вкладываются коммерческие компании. В Евросоюзе за это отвечает проект Graphene Flagship с инвестициями в €1 млрд [7]. В США — Национальная графеновая ассоциация, в консультативный совет которой входят представители Apple, IBM и Cisco.
В графене заинтересованы гиганты аэрокосмической отрасли: Boeing, Lockheed Martin, Airbus и Thales. Они рассчитывают, что новые материалы позволят им в разы снизить расход топлива — как композиты, которые экономят до 30% горючего в Boeing 787. Электронные корпорации включились в графеновую гонку в надежде, что это принесет им лидерство на рынке смартфонов и аксессуаров к ним.
Среди них — Samsung [8]: компания уже скупила десятки патентов, которых хватит на целую линейку продуктов с графеном. В частности, она представила новый тип аккумуляторов, которые можно будет заряжать за рекордные 12 минут. Такие появятся в новых смартфонах бренда не позднее 2021-го года.
В России тоже занимаются изучением графена и даже патентуют электронные устройства на его основе — на базе в Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ. Двое ученых-выпускников этого вуза — гендиректор ведущего производителя Graphene 3D Lab Inc. Елена Полякова и профессор Свободного университета Берлина Кирилл Болотин — входят в ту самую американскую ассоциацию.
Как графен может изменить нашу жизнь
Графен — биоразлагаемый и водорастворимый материал, состоящий из единственного слоя атомов углерода. По своей структуре он напоминает пчелиные соты. Тончайший, прозрачный, гибкий и почти невесомый графен обладает неимоверной прочностью и упругостью.
За его открытие в 2022 году выпускники МФТИ Андрей Гейм и Константин Новосёлов получили Нобелевскую премию по физике. С тех пор этот уникальный материал вызвал беспрецедентный интерес, переросший в настоящую гонку графеновых исследований по всему миру.
В России есть свой, созданный в 2022 году, Институт Графена. Его финансирование осуществляется за счёт частных инвестиций, а также продаж графена и графеновых продуктов.
По мнению экспертов, применение графена знаменует собой новый эволюционный этап развития человеческой цивилизации, поскольку этот материал позволяет создавать более мощные компьютеры, в частности, графен может стать основой для будущих оптических квантовых компьютеров.
Свойства графена уже нашли своё применение в самых разнообразных сферах, например, примесь графена в машинном масле позволяет снизить износ двигателя, а теннисная ракетка из материала, содержащего графен, будет весить на пару сот грамм меньше обычной. Современное достижение в дизайне одежды — лёгкие и плотные вещи из графена. На основе графена изобрели даже краску для волос, позволяющую изменить их цвет без применения химикатов. Высокая прочность и гибкость графена позволяет его применять для создания небьющихся экранов и гибких мобильных телефонов. Прочность графена используют для повышения противоударных свойств бронежилетов, шлемов и экспериментальных образцов карбидокремниевой брони для ударных вертолетов. А исключительно высокая теплопроводность графена натолкнула исследователей на идею его применения в системах охлаждения космических спутников.
Американская оборонная компания Lockheed Martin запатентовала графеновый фильтр, превращающий солёную воду в пресную. Предполагается, что он сможет на 99% снизить энергетические затраты на опреснение.
Сегодня графен широко изучается на предмет возможности его применения в сфере энергетики. Уже известно, что использование графена вместо селенида индия (InSe) или кремния (Si) позволяет не только удешевить производство солнечных батарей, но и существенно повысить их эффективность. Графеновые солнечные батареиспособны генерировать электроэнергию даже в дождливую погоду.
В Университете Арканзаса учёным удалосьуловить тепловое движение графена и преобразовать его в электрический ток. Физики доказали, что графен способен вырабатывать энергию с помощью окружающей среды. В этом смысле графен открывает невероятные перспективы по созданию источников питания на основе водорода, которое практически исключает образование отходов.
В последнее время графен и материалы, созданные на его основе, привлекают огромное внимание исследователей ввиду их исключительных физико-химических, противовирусных и противомикробных свойств, которые можно использовать, в том числе, для борьбы с распространением Covid-19. Например, в Швейцарии уже создали на основе графена покрытие, реагирующее на частицы коронавируса и других возбудителей болезней изменением своей структуры.
Вместе с тем, графен биосовместим и может взаимодействовать с живыми клетками, что создаёт беспрецедентные возможности для создания внешних и имплантированных устройств, в том числе, для персонализированной диагностики.
Сама идея создания мобильного биосенсора, позволяющего удалённо отслеживать здоровье пациента, не нова — все слышали, например, о компактных глюкометрах, производящих экспресс-анализ содержания глюкозы в крови. Сегодня уникальные электронные свойства графена позволяют исследователям продвигаться всё дальше в направлении миниатюризации электроники. В частности, уже не первый год ведутся разработки так называемых “лабораторий на чипе”, сенсоры которых обладают повышенной чувствительностью к определению биомаркеров. Среди прочего, они позволяют измерять показатели иммуноглобулина, ДНК, а также биомаркеры сердечно-сосудистых заболеваний.
К примеру, в Имперском колледже Лондона разработалимикролабораторию, способную за считанные минуты обрабатывать и предоставлять результаты ПЦР-теста, а сотрудники Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне впервые создалибиосенсорный датчик на основе графена, обнаруживающий ДНК раковых клеток в крови. Причём, прибор способен выявить сверхнизкие концентрации молекул, что позволяет диагностировать заболевание даже на ранних стадиях. В свою очередь, китайским учёным удалось получить многообещающие результаты применения графена в исследованиях не только диагностики, но и лечения раковых заболеваний. Интерес к графеновым беспроводным наносенсорам проявили и корейские учёные, которым удалосьвстроить глюкозный сенсор в контактные линзы.
На сегодняшний день “Лаборатория на чипе” — это инновационное решение, позволяющее оперативно, в режиме реального времени оценивать состояние организма.
Однако, учёные с уверенностью прогнозируют появление в недалёком будущем возможностей и для осуществления дистанционного лечебного воздействия.
Отдельная и, пожалуй, самая любопытная сфера применения графеновой биоэлектроники — это нейронауки. В своё время учёные из Университета Триеста в Италии и Кембриджского университета в Великобритании доказали возможность совместимости графена с нейронами головного мозга. Теперь в лабораториях по всему миру разрабатываются технологии изготовления и вживления нейродевайсов, считывающих активность нейронов, для решения отдельных исследовательских задач. И хотя сами принципы передачи информации между отдельными нейронами и их группами пока остаются до конца неизвестными, исследователи уже достаточно близко подошли к пониманию механизмов влияния на архитектуру нейронной сети с помощью микрофлюидных технологий.
Известно, что разработкой нейрочипов с графеновыми транзисторами, которые можно имплантировать в мозг, активно занимаются в немецком исследовательском Институте Биоэлектроники, а также в Техасском Центре для разработок микроэлектроники. Некоторые из таких устройств уже были успешно протестированы на крысах и мышах. Разработчики полагают, что в перспективе графеновые нейродевайсы смогут облегчать жизнь людям с нейродегенеративными заболеваниями.
Важно отметить, что использование графена в медицинских девайсах также позволит в будущем осуществлять беспроводное взаимодействие между устройствами. По мнению экспертов, встраивание в чип энергосберегающей графеновой схемы сможет обеспечить его чистой, безграничной, низковольтной энергией для бесперебойной работы небольших устройств или датчиков. В свою очередь, в Технологическом институте Джорджии продемонстрировали возможность создания миниатюрных наноантенн из графена, с помощью которых тысячи устройств нано- и микро-уровня смогут обмениваться данными посредством технологий беспроводной связи. При этом, терагерцовый диапазон, в котором функционируют графеновые наноантенны, сможет обеспечивать передачу данных со скоростью, не уступающей существующим беспроводным технологиям.
В контексте вышеупомянутых разработок, касающихся инноваций в биоэлектронике, следует упомянуть о нашумевшем не так давно патенте от Microsoft под номером WO2020060606, в котором описывалась специальная система датчиков для отслеживания данных мониторинга активности человеческого тела и мозга, например, о выделенном тепле, частоте пульса или мозговой активности.
Данная разработка призвана исключить необходимость в специализированном оборудовании для генерации криптовалюты, требующей высоких затрат энергии. В Microsoft прогнозируют, что их разработку также можно будет использовать для контроля рабочего времени или для стимулирования рядовых пользователей соцсетей. Например, за каждый просмотр рекламы пользователь будет получать цифровой актив.
Если до недавнего времени для большинства оставалось загадкой, каким образом всё это станет возможным, ведь конечная реализация идеи предполагает постоянное наличие у пользователя устройства для хранения и передачи данных — и речь здесь идёт отнюдь не о смартфоне или смарт-браслете…То в свете анализа последних разработок по использованию графена в современной биоэлектронике имплементация патента Microsoft выглядит уже вполне правдоподобной.
Миф о токсичности графена
Влияние графена на человеческий организм до конца не изучено, но и токсичность графена никто не доказал. Единственную опасность представляет графен, который получают путем размешивания графита или углерода в воде: попадая в клетку, такие мельчайшие частицы действительно могут ее убить [2].
Однако сейчас в биоэлектронике используют другой способ получения графена — путем химического осаждения из газовой фазы. Частицы получаются достаточно крупными. Потом их закрепляют на подложке, и проникнуть сквозь клеточную мембрану они уже не могут.
Создан гибкий сенсорный экран из графена — графен дисплей экран нанотрубки
Впервые графеновые «хлопья» были получены физиками лишь в 2004 году, тогда их размер составил всего лишь 10 микрометров. Год назад команда Родни Руоффа (Rodney Ruoff) из Техасского университета в Остине рассказала о том, что им удалось создать сантиметровые «обрывки» графена.
Руофф и его коллеги нанесли углеродные атомы на медную фольгу при помощи метода химического осаждения из пара (CVD). Исследователи лаборатории профессора Бюня Хее Хона (Byung Hee Hong) из университета Сункхюнкхвана пошли дальше и увеличили листы до размеров полноценного экрана.
Поверх графеновых листов физики поместили слой адгезивного полимера, растворили медные подложки, затем отделили полимерную плёнку – получился единичный слой графена. Чтобы придать листам большую прочность, учёные тем же способом «нарастили» ещё три слоя графена. В конце полученный «бутерброд» обработали азотной кислотой – для улучшения проводимости.
Образовавшаяся структура пропускала 90% света и обладала электрическим сопротивлением меньшим, чем у стандартного, но по-прежнему очень дорогого прозрачного проводника – оксида индия и олова (ITO). Кстати, использовав листы графена в качестве основы сенсорных дисплеев, исследователи обнаружили, что их структура ещё и менее хрупкая.
Правда, несмотря на все достижения, до коммерциализации технологии ещё очень далеко. Прозрачные плёнки из
углеродных нанотрубок
пытаются вытеснить ITO уже довольно давно, но производители никак не могут справиться с проблемой «мёртвых пикселей», которые появляются на дефектах плёнки.
По материалам: Membrana
Теги: Графен, Дисплей, Экран, Нанотрубки
Новое по теме: Наука
