Графен прозрачный, магнитный и фильтрующий воду

Анатолий Белов

   

 Прозрачный светящийся материал на основе графена

 
Один из примеров материала на основе графена

Один из примеров материала на основе графена

Под руководством нобелевского лауреата Константина Новосёлова (или, как про него пишут в Британии, Sir Kostya Novoselov) команда, работающая в университете Манчестера, выпустила LED на основе графена. Работа велась совместно с командой учёных из Университета Шеффилда. Это – одно из первых практических применений графена.

Именно Новосёлов в паре с Геймом в 2004 году впервые получили графен, а в 2010 – и Нобелевскую премию за это. Теперь же этот материал наконец начинает работать и приносить пользу не только учёным, но и всем остальным. Графен используется в качестве одного из слоёв гетероструктуры – материала из нескольких слоёв различных полупроводников.

Получившийся материал излучает свет, при этом он полупрозрачный и гибкий из-за очень малой толщины (всего 10-40 атомов). Квантовая эффективность излучения (количество испущенных фотонов к количеству полученных электронов) составляет 10%, что сравнимо с современными органическими LED.

«Поскольку наш новый тип LED состоит всего из нескольких слоёв двумерных материалов в атом толщиной, он одновременно гибкий и прозрачный» — рассказывает Фредди Уитерс, член Королевской инженерной академии, под руководством которого шло производство материала.

«Мы уже видим, как из этой работы произрастает новое поколение оптоэлектрических устройств, от простых прозрачных светильников и лазеров до более сложных в применении аппаратов».

Модель гетероструктуры для фотовольтаики (преобразования энергии солнца)

Модель гетероструктуры для фотовольтаики (преобразования энергии солнца)

Профессор Александр Тартаковский из Шеффилда добавляет:

«Новые LED очень выносливы, их характеристики практически не меняются на протяжении многих недель наблюдений. Несмотря на то, что производство таких материалов находится в самом начале пути, их квантовая эффективность уже сравнима с органическими светодиодами».

В совместной работе учёные указывают, что их достижение доказывает применимость новых материалов для изготовления гибкой и полупрозрачной электроники. И чем больше таких двумерных материалов будет успешно создано, тем больше им найдётся применений.
 


Магнитный графен

 Если вам кажется, что это – бельгийская вафля, значит, пора перекусить. А на фото – обогащённый водородом графен, из которого сделана решётка при помощи электронно-лучевой литографии.
Обогащенный водородом графен

Обогащенный водородом графен

 

Учёные из американской исследовательской лаборатории морфлота (NRL) придумали простую технологию для получения магнитного графена. Если вы хотите повторить их опыт в домашних условиях – записывайте рецепт. Вам нужно взять лист графена, поместить его на кремниевую подложку, после чего на минуточку окунуть в жидкий аммиак с щепоткою лития.

В результате к поверхности графена присоединяются атомы водорода, что и придаёт ему магнитные свойства. Но аккуратнее, не передержите! Метод столь эффективен, что графен может перенасытиться водородом, отчего его магнитные свойства исчезнут.

Затем при помощи обычной электронной пушки можно настраивать различные свойства полученного магнитного графена, «выбивая» ненужные атомы водорода. Благодаря этому можно создавать сетки, подобные представленной на фото.

Как говорит доктор Ву-кьён Ли, специалист по материалам и один из авторов работы:

«Поскольку применение электронной литографии в промышленных масштабах вполне возможно, мы думаем, что наша технология пригодна для изготовления сегодняшней микроэлектроники».

Следующей темой для изучения свойств полученного материала станет его стабильность и точность, с которой возможно обрабатывать его при помощи электронов. В перспективе подобный материал сможет хранить один бит информации на одну пару атомов углерода и водорода, что увеличит потенциальную ёмкость накопителей в миллионы раз по сравнению с сегодняшними возможностями.
 


Высокоэффективные фильтры для воды

Графен в качестве фильтра для воды

Графен в качестве фильтра для воды

Учёные из Массачусетского технологического института разработали технологию, позволяющую делать в листах графена отверстия определённого диаметра. Получившееся «решето» в зависимости от размеров отверстий может фильтровать частицы разного размера — от ионов до крупных органических молекул. Мембраны фильтров из традиционных материалов приходится делать довольно толстыми, чтобы они были достаточно прочными (для установок обратного осмоса, опресняющих морскую воду, рабочее давление может достигать 70 атмосфер). Графен в десятки раз прочнее пластика, из которого делают обычные мембраны, а значит мембрана может быть намного тоньше и пропускать воду гораздо быстрее.

Отверстия в листе графена делают в два этапа. Сначала графен бомбардируют ионами галлия с энергией, достаточной, чтобы нарушить его структуру в местах попадания. Затем мембрану погружают в окислитель, который разрушает графен прежде всего в местах дефектов — в листе появляются отверстия примерно одинакового размера. Чем дольше протравливают графен, тем больше диаметр отверстий.

На один квадратный сантиметр графена приходится около пяти триллионов таких микроскопических пор. При диаметре порядка одного нанометра расстояние между порами составляет четыре нанометра. Эксперименты по созданию пор в графене с помощью бомбардировки различными частицами проводились и раньше, однако до сих пор не было способа точно контролировать и варьировать в широких пределах их размер.

Пока что рано говорить о применении графеновых фильтров в промышленном масштабе, так как не существует технологии массового недорогого производства больших листов графена, однако новые мембраны уже сейчас могут найти применение в химических и биологических лабораториях, в установках маленького масштаба. Компьютерное моделирование показывает, что проницаемость графеновых фильтров может быть в 50 раз больше, чем у традиционных.
 


Графен можно получать с помощью кухонного блендера и жидкости для мытья посуды

Несмотря на то, что задача получения графена в промышленных масштабах до сих пор не решена, лабораторные способы его добычи иногда бывают исключительно простыми и доступными. Классический вариант — механическое расщепление крупинок графита с помощью обычного скотча, описанный в работе Константина Новосёлова и коллег в 2004 году. С этой работы фактически началась современная эпоха массового исследования свойств графена, а Новосёлов и его коллега Андрей Гейм за исследования графена получили Нобелевскую премию по физике в 2010 году.

Блендер, процесс «взбивания» графена и одна из графеновых чешуек под микроскопом.

Блендер, процесс «взбивания» графена и одна из графеновых чешуек под микроскопом.

К сожалению, метод механического расщепления практически не масштабируется — после многократного расслаивания приходится искать крошечные, длиной порядка микрона, и практически прозрачные кристаллы с помощью микроскопа. Разработано несколько химико-механических методов расслаивания графена, при помощи ультразвука, растворителей и поверхностно-активных веществ. С помощью этих методов получают суспензию хлопьев графена в воде или растворителе — метод, вполне пригодный в лаборатории, но, как и механическое расщепление, пока не слишком хорошо масштабируемый.

В апрельском номере журнала Nature materials опубликовано исследование команды учёных из Англии и Ирландии, которые разработали весьма простой, и при этом имеющий хорошие перспективы масштабирования метод получения графена. Оказывается, крошечные чешуйки графена можно получать, обрабатывая суспензию графита миксером с достаточно высокими оборотами. В своей работе учёные в основном использовали лабораторный миксер L5M компании Silverson и специально подобранные реактивы, однако они опробовали свой метод и с обычным кухонным блендером Kenwood BL370 и жидкостью для мытья посуды Fairy в качестве поверхностно-активного вещества, не дающего хлопьям графена слипаться. Результаты получились вполне сравнимыми.

Единственное устройство, которое трудно найти на каждой кухне, и которое необходимо для того, чтобы отделить графеновые хлопья от оставшихся нерасщеплёнными крупинок графена — центрифуга. Дело в том, что при любых способах получения графена из суспензии порошка графита, выход графена, пригодного для дальнейшего использования или экспериментов, довольно мал — так, в эксперименте с бытовым блендером при концентрации графита в исходном растворе 100 мг/мл после 30 минут «взбивания» получается концентрация графена порядка 0,15 мг\мл.

Хотя эти цифры не поражают воображение, в сравнении с другими методами производства графена, использование миксеров очень эффективно — на получение одного и того же количества графена тратится намного меньше энергии, чем при использовании ультразвука. Кроме того, это метод очень хорошо масштабируется — в лаборатории получали до 100 литров графеновой суспензии за один заход — ультразвуковые установки как правило работают с объёмами на несколько порядков меньше. Учёные посчитали, что промышленная установка, способная перемешивать 10 кубических метров раствора в час, сможет выдавать до 7,5 кг графена.

Полученная суспензия чешуек графена может быть использована для создания тонких графеновых покрытий с высокой электро- и теплопроводностью, а так же в качестве армирующей добавки, значительно улучшающей механические свойства пластмасс. На основе чешуек графена и покрытий из них можно делать солнечные батареи, сенсоры и суперконденсаторы.

Хотя сама статья на сайте Nature доступна лишь на платной основе, там можно бесплатно скачать очень подробные и информативные дополнительные материалы (PDF, 4,3 Мб) с подробным описанием всех экспериментов и сравнением нового метода получения графена с существующими.
 


Великобритания начинает производство ламп, содержащих графен

Лампы, содержащие графенДолговечные и экономичные светодиодные лампочки, созданные в Манчестерском университете (Великобритания) на основе графена, поступят в продажу уже в этом году. Его открывателями стали физики А. Гейм и К. Новоселов. В 2010 году они получили за это Нобелевскую премию по физике.

Новосёлов объясняет министру финансов Великобритании, как сэкономить на освещении казначейства

Новосёлов объясняет министру финансов Великобритании, как сэкономить на освещении казначейства

Как ожидается, стоить она будет несколько дешевле существующих светодиодных ламп, цена которых в Британии доходит до 15 фунтов стерлингов (22,3 доллара). Кроме этого, сообщается, что такие лампы будут иметь больший срок эксплуатации. Благодаря проводящим свойствам графена она будет расходовать на 10% меньше электроэнергии и служить дольше, сообщает BBC. Как пояснил профессор Колин Бэйли, один из учредителей компании Graphene Lighting и проректор университета Манчестера, в новинке использованы более экологичные составляющие. На открытие института графена британское правительство выделило сумму в 38 млн фунтов.

Материал графен — высокопрочная разновидность углерода, имеющая толщину в один слой атомов, был открыт 11 годами ранее здесь же, в Манчестерском университете. Главными конкурентами Британских островов в этой области являются Южная Корея и Китай. Так же специалисты считают, что применять графен, как более прочный материал, можно для производства зубных протезов, корпусов самолетов и автомобилей. Этот материал уже применяется в производстве таких спортивных изделий, как лыжи и теннисные ракетки. 

Резюмируем — что же такое графен?

Графен на скотче

Графен на скотче

Графен — самый тонкий, самый прочный, самый теплопроводный и самый электропроводный материал при комнатной температуре.

Графен является двумерной конфигурацией графита, который имеется в стержне каждого карандаша. Когда мы пишем или рисуем карандашом, то графит слой за слоем сходит, оставаясь на бумаге. И если мы возьмем один такой слой графита, сошедшего с карандаша, то как раз получим графен.

В 2004 году Андрей Гейм и Константин Новоселов создали графен, используя лишь скотч и карандаш. Они поместили чешуйку графита на скотч, сложили скотч в два раза и разлепили скотч, разделив чешуйку. Проделав эту операцию некоторое количество раз, они получили графит толщиной всего в один атом. Это был совершенно неожиданный результат потому что считалось, что монослой графита будет химически нестабильным при комнатной температуре.

Графен проводит электроны быстрее, чем любой другой материал при комнатной температуре. Всё по причине того, что графен имеет идеальную кристаллическую структуру. Ученые до сих пор ни разу не обнаружили, чтобы какой-либо атом в структуре был не на своем месте. Поскольку в кристаллической решетке нет изъянов, то электроны не замедляются и движутся с такими скоростями, что для описания их движения требуется Специальная Теория Относительности Эйнштейна.

Структура графена

Структура графена

Безупречная структура создана очень прочными и гибкими связями между атомами углерода. Такая структура делает графен одновременно очень гибким и прочным, как бриллиант. Графен настолько прочен, что если взять машину, уравновесить ее на шпильке и поставить на графен, то с графеном ничего не случится.

В 2010 году Гейму и Новоселову была присуждена Нобелевская премия по физике за изучение графена.

На данный момент производство графена в промышленных масштабах вызывает ряд сложностей, однако этому материалу уже пророчат невероятно широкий спектр применения: это и новый материал для производства процессоров, использование графена в качестве сверхчувствительного детектора молекул, создание нового типа светодиодов на основе данного материала, средство борьбы с раком и многое другое.

Графен — материал, который изменит мир.


Сохранить

Сохранить

Сохранить

Сохранить

Сохранить

Сохранить