Grafen a jeho aplikace. Objev grafenu. Nanotechnologie v moderním světě

V poslední době se v oblasti vědy a techniky objevila nová oblast, nazývaná nanotechnologie. Vyhlídky na tuto disciplínu nejsou jen obrovské. Jsou grandiózní. Částka nazvaná "nano" je hodnota, která se rovná jedné miliardě libovolné hodnoty. Takové rozměry lze porovnávat pouze s rozměry atomů a molekul. Například nanometr se nazývá jedna miliardtina metru.

Hlavní směr nového oboru vědy

Nanotechnologie se týká těch, kteří manipulují hmotu na úrovni molekul a atomů. V této oblasti se tato oblast vědy také nazývá molekulární technologie. Jaký byl impuls pro jeho rozvoj? Nanotechnologie v moderním světě se objevila díky přednášce Richard Feynman. V tom vědec prokázal, že neexistují žádné překážky pro vytváření věcí přímo z atomů.

Nástroj pro účinnou manipulaci s nejmenšími částicemi byl nazýván assemblerem. Jedná se o molekulární nanomachin, se kterým můžete vytvořit jakoukoli strukturu. Například přirozený assembler může být nazýván ribozomem, který syntetizuje bílkoviny v živých organizmech.

Nanotechnologie v moderním světě není jen samostatnou oblastí znalostí. Představují rozsáhlou oblast výzkumu přímo související s mnoha základními vědami. Mezi ně patří fyzika, chemie a biologie. Podle vědců budou těmto vědám získána nejsilnější impuls pro rozvoj na pozadí nadcházející nanotechnologické revoluce.

Rozsah aplikace

Seznam všech oblastí lidské činnosti, kde se nanotechnologie používá dnes, je nemožné kvůli velmi působivému seznamu. Proto s pomocí této vědní oblasti vzniká:

- zařízení navržená pro super-husté nahrávání všech informací,
- různé video zařízení -
- senzory, solární články, polovodičové tranzistory -
- informace, výpočetní a informační technologie -
- nanoimprinting a nanolithography-
- zařízení určená k ukládání energie a palivové články -
- Aplikace obrany, vesmír a letectví -
- bioinstrumentární.

V takovém vědeckém oboru, jako je nanotechnologie, v Rusku, Spojených státech, Japonsku a řadě evropských zemí, se každý rok přiděluje více a více finančních prostředků. To je způsobeno rozsáhlými vyhlídkami na rozvoj této oblasti výzkumu.

Nanotechnologie v Rusku se vyvíjejí podle cílového federálního programu, který poskytuje nejen velké finanční náklady, ale také velké množství projektové a výzkumné práce. Pro splnění stanovených úkolů se úsilí různých vědeckých a technologických komplexů kombinuje na úrovni národních a nadnárodních korporací.

Nový materiál

Nanotechnologie umožnila vědcům vyrobit uhlíkovou desku tvrdší než diamant, jehož tloušťka je pouze jeden atom. Skládá se z grafenu. Je to ten nejtenčí a trvanlivější materiál v celém vesmíru, který umožňuje elektřinu mnohem lépe než křemíkové počítačové čipy.

Objev grafenu je považován za skutečnou revoluční událost, která nám umožní hodně změnit v našem životě. Tento materiál má tak jedinečné fyzikální vlastnosti, že zásadně mění myšlenku člověka o podstatě věcí a látek.

Historie objevu

Grafen je dvourozměrný krystal. Jeho struktura je hexagonální mřížka složená z atomů uhlíku. Teoretické studie grafenu začaly dlouho před výrobou skutečných vzorků, protože tento materiál je základem pro konstrukci trojrozměrného grafitového krystalu.

Ještě v roce 1947 P. Wallace má některé vlastnosti grafenu, což dokazuje, že jeho struktura je podobná kovy a některé vlastnosti podobné těm z ultra-relativistické částic, neutrin a nehmotných fotonů. Nový materiál má však určité významné rozdíly, které z něj činí jedinečnou povahou. Potvrzení těchto závěrů však bylo přijato teprve v roce 2004, kdy Konstantin Novoselov a Andrey Geim Poprvé byl uhlík získán ve volném stavu. Tato nová látka, nazývaná graphene, se stala hlavním objevem vědců. Vyhledejte tuto položku v tužce. Její grafitové jádro se skládá z mnoha vrstev graphenu. Jak na tužce zanechá značku na papíře? Skutečnost spočívá v tom, že navzdory síle vrstev tvořících jádro jsou mezi nimi velmi slabé vazby. Jsou velmi snadno rozpadnout, když přicházejí do kontaktu s papírem, takže při psaní zanechávají stopu.

Použití nového materiálu

Podle vědců budou senzory založené na grafenu schopny analyzovat sílu a stav letadel, stejně jako předpovědět zemětřesení. Ale jen tehdy, když materiál s tak obrovskými vlastnostmi opouští stěny laboratoří, je zřejmé, do jakého směru dojde vývoj praktické aplikace této látky. Pro dnešek den chemiků, fyzici i inženýři elektroniky se už zajímají o jedinečné schopnosti grafenu. Koneckonců, jen několik gramů této látky může pokrývat území rovno fotbalovému poli.

Grafen a jeho aplikace jsou potenciálně zvažovány při výrobě lehkých satelitů a letadel. V této oblasti může být nový materiál nahrazen uhlíkových vláken v kompozitních materiálů. Nano-látka může být použita místo křemíku v tranzistorech a jeho zavedení do plastu poskytne elektrickou vodivost.

Grafen a jeho aplikace jsou také zvažovány při výrobě snímačů. Tato zařízení, založená na nejnovějším materiálu, budou schopna detekovat nejnebezpečnější molekuly. Použití prášku z nanosubstance při výrobě elektrických baterií však někdy zvýší jejich účinnost.

Graphene a jeho aplikace jsou zvažovány v optoelektronice. Z nového materiálu se ukáže velmi lehký a pevný plast, z něhož nádoby umožňují udržovat produkty v čerstvém stavu během několika týdnů.

Použití grafenu se předpokládá také při výrobě průhledného vodivého povlaku, který je nezbytný pro monitory, solární články a odolnější vůči mechanickým vlivům větrných mlýnů.

Na základě nanomateriálu budou získány nejlepší sportovní vybavení, lékařské implantáty a supercapacitory.

Také graphene a jeho aplikace jsou relevantní pro:

- vysokofrekvenční vysokovýkonné elektronické přístroje -
- umělé membrány, které oddělují dvě kapaliny v zásobníku -
- Zlepšení vodivosti různých materiálů -
- vytvoření displeje na organických světelných diodách -
- zvládnutí nové techniky zrychleného sekvenování DNA-
- zdokonalený LCD displej
- vytvoření balistických tranzistorů.

Použití v automobilovém průmyslu

Podle výzkumníků se specifická energetická náročnost grafenu blíží 65 kWh / kg. Tento údaj je 47krát vyšší než u běžných lithium-iontových baterií. Tato skutečnost vědci používali k vytvoření nové generace nabíječek.

Grapheno-polymerová baterie je zařízení, pomocí něhož je elektrická energie udržována co nejúčinněji. V současné době pracují na něm výzkumníci z mnoha zemí. Významný pokrok v této věci dosáhli španělští vědci. Nabytá grafénová polymerová baterie má energetickou kapacitu, která je stokrát vyšší než kapacita stávajících baterií. Používají je k vybavení elektrických vozidel. Stroj, ve kterém je nainstalován baterie graphene, mohou řídit tisíce kilometrů bez zastavení. Chcete-li dobít elektrický vůz při vyčerpání zdroje energie, to bude trvat ne více než 8 minut.

Dotykové obrazovky

Vědci nadále zkoumají graphene a vytvářejí nové a nesrovnatelné věci. Takže uhlíkový nanomateriál našel své uplatnění při výrobě senzorických displejů s velkou úhlopříčkou. V budoucnu se může objevit flexibilní zařízení tohoto typu.

Vědci získali obdélníkový grafenový list a přeměnili ho na průhlednou elektrodu. To je ten, kdo se podílí na práci dotykové obrazovky, lišící se v tom s trvanlivostí, zvýšenou průhledností, flexibilitou, šetrností k životnímu prostředí a nízkými náklady.

Získat graphene

Od roku 2004, kdy byl objeven nejnovější nanomateriál, vědci zvládli řadu metod pro jejich získání. Nicméně nejzákladnější z těchto metod jsou:

- mechanické odlupování -
- epitaxní růst ve vakuu-
- chemické fázové chlazení (proces CVD).

První z těchto tří metod je nejjednodušší. Výroba grafenu v případě mechanického odlupování je použití speciálního grafitu na lepicí plochu izolační pásky. Poté se základna, podobně jako list papíru, začne ohýbat a odblokovat a oddělovat požadovaný materiál. Při použití této metody má graphene nejvyšší kvalitu. Taková opatření však nejsou vhodná pro hromadnou výrobu tohoto nanomateriálu.

Při použití metody epitaxního růstu se používají tenké křemíkové desky, jejichž povrchovou vrstvou je karbid křemíku. Dále se tento materiál zahřívá při velmi vysoké teplotě (až do 1000 K). Výsledkem chemické reakce jsou atomy křemíku odděleny od atomů uhlíku, z nichž první se odpařuje. Výsledkem je, že na desce zůstává čistý grafén. Nevýhodou tohoto způsobu je potřeba použít velmi vysoké teploty, při kterých může docházet k spalování atomů uhlíku.

Nejspolehlivější a nejjednodušší metodou pro hromadnou výrobu grafenu je proces CVD. Jedná se o způsob, při kterém dochází k chemické reakci mezi kovovým povlakovým katalyzátorem a uhlovodíkovými plyny.

Kde se vyrábí graphene?

K dnešnímu dni je největší společnost, která vyrábí nové nanomateriály, v Číně. Název tohoto výrobce je technologie Ningbo Morsh. Výroba graphenu byla zahájena v roce 2012.

Hlavním spotřebitelem nanomateriálu je společnost Chongqing Morsh Technology. Grafen je používán k výrobě vodivých průhledných fólií, které jsou vloženy do dotykových obrazovek.

V nedávné době známá společnost Nokia vydala patent na fotosensitivní matici. Ve složení tohoto prvku, který je nezbytný pro optické přístroje, existuje několik vrstev grafenu. Takový materiál, používaný na snímačích kamery, významně zvyšuje jejich fotosenzitivitu (až 1000krát). Zároveň dochází ke snížení spotřeby elektrické energie. Dobrá kamera pro smartphone bude také obsahovat graphene.

Příjezd do domu

Mohu doma udělat graphene? Ukázalo se, ano! Stačí si vzít kuchyňský mixér s kapacitou nejméně 400 W a postupovat podle techniky vyvinuté irskými fyziky.

Jak vytvořit graphene doma? Za tímto účelem se mixér pohár se nalije 500 ml vody, přidáním 10-25 ml jakéhokoli kapalného detergentu a 20-50 gramů drceného břidlice. Pak by zařízení mělo pracovat od 10 minut do půl hodiny, dokud se neobjeví suspenze grafenových vloček. Výsledný materiál bude mít vysokou vodivost, která umožní jeho použití v elektrodách fotobuňky. Také vyrobené v každodenních podmínkách graphene dokáže zlepšit vlastnosti plastů.

Oxidy nanomateriálu

Vědci aktivně výzkum a grafenu struktury tak, že uvnitř nebo na okrajích uhlíkové pletiva je připojen, nebo kyslík obsahující funkční skupiny (y) molekuly. Je to oxid nejtvrdší nanosubstance, což je první dvourozměrný materiál, který dosáhl stadia komerční produkce. Z nanočástic a mikročástic této struktury vědci provedli vzorky centimetrů.

Oxid grafenu v kombinaci s diofilizovaným uhlím byl nedávno získán čínskými vědci. Jedná se o velmi lehký materiál, jehož centimetrová kostka se drží na okvětních lístcích malého květu. Ale nová látka, ve které se nachází oxid graphenu, je jedním z nejpevnějších na světě.

Biomedicínské aplikace

Oxid grafenového má jedinečnou vlastnost selektivity. To umožní této látce najít biomedicínskou aplikaci. Takže díky práci vědců bylo možné pro diagnostiku rakoviny použít oxid grafenu. Detekce maligního nádoru v počátečních fázích jeho vývoje umožňuje jedinečné optické a elektrické vlastnosti nanomateriálu.

Oxid graftén také umožňuje cílené dodávání léčivých a diagnostických produktů. Na základě tohoto materiálu se vytvářejí sorpční biosenzory, které ukazují na molekuly DNA.

Průmyslová aplikace

Na deaktivaci infikovaných technogenních a přirozených objektů lze použít různé sorbenty na bázi oxidů graphenů. Navíc tento nanomateriál může zpracovávat podzemní a povrchové vody i půdy tím, že je vylučuje radionuklidy.

Filtry na bázi oxidů graphenu mohou poskytovat vysoce čisté prostory, kde jsou vyrobeny speciální účelové elektronické součástky. Jedinečné vlastnosti tohoto materiálu nám umožní proniknout do jemných technologií chemické sféry. Zejména to může být extrakce radioaktivních, dispergovaných a vzácných kovů. Použití oxidů graphenu umožní, aby bylo zlato získáno z chudých rud.