В 2004 году двое ученых из Манчестерского университета провели обманчиво простой эксперимент с последствиями, которые могут изменить мир. Исследователи Андрей Гейм и Константин Новоселов играли с графитом, веществом на кончике карандаша . Графит состоит из сверхтонких листов чистого углерода, уложенных друг на друга. Гейм и Новоселов хотели посмотреть, смогут ли они изолировать единый лист графита, невероятно тонкий слой углерода толщиной всего в один атом.
Итак, они схватили рулон липкой ленты. Да, та же самая прозрачная лента в пластиковом аппликаторе, который ты хранишь в ящике для мусора. Вот как Гейм описал свою технику , сообщает BBC.
Метод липкой ленты сработал! Выделив однослойный слой углерода, Гейм и Новоселов открыли совершенно новый материал под названием графен, который в настоящее время считается самым прочным, легким и электропроводным веществом на Земле.
В 2010 году Гейм и Новоселов разделили Нобелевскую премию по физике за открытие графена, и исследователи всего мира начали искать способы использования этого замечательного «сверхматериала» для создания более мощных и долговечных батарей, более быстрых микрочипов, гибких схем, имплантируемых биосенсоров. и больше. Десять лет спустя графен еще не выполнил своих обещаний, но инсайдеры уверены, что в ближайшие несколько лет мы наконец увидим смартфоны, электромобили и датчики, использующие технологию на основе графена.
Почему графен является суперматериалом?
Лист графена толщиной всего в один атом отвечает всем требованиям суперматериала:
- Графен в 200 раз прочнее стали по весу.
- Он в 1000 раз легче бумаги.
- Он на 98 процентов прозрачен.
- Он проводит электричество лучше, чем любой другой известный материал при комнатной температуре.
- Он может преобразовывать свет любой длины волны в ток.
- И последнее, но не менее важное: графен сделан из углерода, четвертого по распространенности элемента во Вселенной, так что мы вряд ли исчерпаем его.
Графен обладает сверхспособностями благодаря своей структуре . Если бы вы могли увеличить масштаб достаточно близко, вы бы увидели, что лист графена выглядит как соты атомного масштаба. Отдельные атомы углерода расположены в виде шестиугольника, напоминающего проволочную сетку. Каждый атом углерода в листе графена ковалентно связан с тремя другими углеродными элементами, что придает материалу невероятную прочность.
Почему графен так хорошо проводит электричество? Опять же, из-за того, как связаны эти атомы углерода. Каждый атом углерода имеет четыре электрона на внешней оболочке, но только три из этих электронов являются общими с тремя соседними атомами углерода. Оставшийся электрон называется пи-электроном и может свободно перемещаться в трехмерном пространстве, что позволяет ему передавать электрические заряды по листу графена практически без сопротивления. Фактически, графен является самым быстрым проводником электричества при комнатной температуре из всех известных веществ.
«Волшебный угол»
Недавнее открытие может добавить еще одну сверхспособность в список хвастовства графена. Команда Массачусетского технологического института (MIT) экспериментировала с двухслойным графеном — двумя слоями одноатомного графена, сложенными вместе, — когда они наткнулись на новое, почти волшебное свойство графена. Когда слои слегка повернуты друг относительно друга — смещение ровно на 1,1 градуса — графен становится сверхпроводником . Сверхпроводники — редчайший класс материалов, проводящих электричество абсолютно без сопротивления и без выделения тепла.
Открытие «магического угла» графена потрясло научное сообщество. Хотя эксперимент проводился при экстремально низких температурах (около 0 градусов Кельвина или минус 459,67 F), он открыл возможность того, что, объединив графен с другими сверхпроводящими элементами, мы как никогда приблизимся к сверхпроводимости при комнатной температуре. Такое достижение радикально повысит энергоэффективность всего, от гаджетов до автомобилей и целых электрических сетей.
Как графен может изменить технологию?
До сверхпроводимости еще далеко, но революционные продукты на основе графена появятся на рынке гораздо раньше, говорит Андреа Феррари, профессор нанотехнологий и директор Кембриджского центра графена .
«К 2024 году на рынке появится множество продуктов из графена, — говорит Феррари, — включая аккумуляторы, фотонику, камеры ночного видения и многое другое».
Потребители годами с нетерпением ждали аккумуляторов на основе графена. Литий - ионные аккумуляторы во всех наших гаджетах относительно медленно заряжаются, быстро разряжаются и перегорают после определенного количества циклов. Это связано с тем, что электрохимический процесс, приводящий в действие литий-ионные батареи, выделяет много тепла.
Но поскольку графен является самым эффективным электрическим проводником в мире, он выделяет гораздо меньше тепла при зарядке или разрядке электричества. Аккумуляторы на основе графена обещают в пять раз более высокую скорость зарядки, чем литий-ионные, в три раза более длительный срок службы батареи и в пять раз большее количество циклов, прежде чем их потребуется заменить.
Компании-производители электроники, такие как Samsung и Huwei, активно разрабатывают батареи на основе графена для смартфонов и других гаджетов, но они появятся на рынке не раньше 2021 года . Что касается графеновых батарей в электромобилях, которые могли бы значительно увеличить радиус их действия, то до этого еще несколько лет. На литий-ионных технологиях построена целая индустрия, и она не изменится в одночасье.
«Индустрия аккумуляторов очень консервативна», — говорит Хесус де ла Фуэнте, генеральный директор Graphanea , компании, которая производит и продает чистый графен и чипы на основе графена академическим исследователям и отделам исследований и разработок. «Состав батарей может меняться несколько раз каждые пять-десять лет, что очень затрудняет внедрение новых продуктов в этой отрасли».
На рынке есть несколько аккумуляторов на основе графена, в том числе несколько проводных и беспроводных зарядных устройств от компании Real Graphene, но это только вершина айсберга, говорит Феррари, который также является научным и техническим директором флагмана Graphene . , сотрудничество Европейского Союза на 1 миллиард евро для ускорения разработки графеновой технологии. Исследовательские партнеры флагмана уже производят графеновые батареи , которые превосходят лучшие современные высокоэнергетические элементы на 20 процентов по емкости и на 15 процентов по энергии. Другие команды создали солнечные элементы на основе графена, которые на 20 процентов эффективнее преобразовывают солнечный свет в электричество.
Другое использование графена
Хотя графеновые батареи могут быть первыми на рынке, исследователи заняты разработкой бесчисленного множества других применений этого чудо-материала.
Биосенсоры — это большое дело. Представьте себе невероятно тонкий и гибкий чип, который можно вводить в кровоток для отслеживания данных о состоянии здоровья в режиме реального времени, таких как уровень инсулина или артериальное давление. Или графеновый интерфейс, который посылает сигналы в мозг, чтобы обнаружить приближающийся эпилептический припадок или даже предотвратить его. Тонкие растягивающиеся датчики также можно носить на коже или вплетать в ткань одежды.
Фотоника — еще одна область, в которой уже используется графен. Интегрируя графен в светочувствительные чипы, камеры и другие датчики могут значительно повысить чувствительность даже к самым слабым световым волнам в видимом и невидимом спектре. Это улучшит не только качество изображения с камер и телескопов, но и медицинские снимки.
Фильтрация — еще одно многообещающее применение графена. Простые фильтры для очистки воды, изготовленные из полимеров графена, могут связывать органические и неорганические загрязнители в питьевой воде. Исследователи из Graphene Flagship также создали технологии опреснения на основе графеновых диодов, которые могут удалять более 60 процентов соли из морской воды для сельскохозяйственных и других целей.
Все эти разработки потребуют времени, но Феррари из Кембриджского графенового центра уверен, что графен оправдает возложенную на него рекламу. На самом деле, он в равной степени взволнован еще не обнаруженными свойствами примерно 2000 других однослойных материалов, которые также изолируются методом клейкой ленты или каким-либо другим способом.
«Мы говорим графен, но на самом деле мы говорим о большом количестве вариантов, которые изучаются», — говорит Феррари. «Дело движется в правильном направлении».
Теперь это круто
Производитель спортивного инвентаря Head был одним из первых, кто запрыгнул на подножку графена. Теннисная ракетка Graphene XT заявлена как на 20 процентов легче, чем ракетки с таким же весом.
