Grafena i njegova primjena. Otkriće grafena. Nanotehnologija u suvremenom svijetu

U novije vrijeme u znanosti i tehnologiji pojavilo se novo polje, koje se naziva nanotehnologija. Izgledi za ovu disciplinu nisu samo ogromni. Oni su grandiozni. Čestica naziva "nano" je vrijednost jednaka milijardu od bilo koje vrijednosti. Takve se dimenzije mogu usporediti samo s dimenzijama atoma i molekula. Na primjer, nanometar se naziva milijardom metra.

Glavni smjer novog polja znanosti

Nanotehnologija se odnosi na one koji manipuliraju materije na razini molekula i atoma. U tom pogledu, ovo područje znanosti naziva se i molekularna tehnologija. Koji je bio poticaj za njegov razvoj? Nanotehnologija u suvremenom svijetu se pojavila zahvaljujući predavanju Richard Feynman. U njemu je znanstvenik dokazao da nema prepreka stvaranju stvari izravno od atoma.

Alat za učinkovitu manipulaciju najmanjih čestica nazvan je asembler. Ovo je molekularni nanostroj, s kojim možete graditi bilo koju strukturu. Na primjer, prirodni sastavljač može se nazvati ribosomom koji sintetizira protein u živim organizmima.

Nanotehnologija u suvremenom svijetu nije samo zasebno područje znanja. Oni predstavljaju veliko područje istraživanja izravno povezanih s mnogim temeljnim znanostima. Među njima su fizika, kemija i biologija. Prema riječima znanstvenika, ove znanosti će dobiti najsnažniji poticaj razvoju na pozadini naredne nanotehničke revolucije.

Opseg primjene

Popis svih sfera ljudske aktivnosti, gdje se nanotehnologija danas koristi, nemoguće je zbog vrlo impresivnog popisa. Tako se, uz pomoć ovog područja znanosti, proizvodi:

- uređaji namijenjeni za super-gusto snimanje svih informacija-
- razne video opreme-
- senzori, solarne ćelije, poluvodički tranzistori-
- informacijske, računalne i informatičke tehnologije-
- nanoimprinting i nanolithography-
- uređaji namijenjeni za pohranu energije i gorivih ćelija -
- Obrambena, prostorno i zrakoplovna primjena -
- bioinstrumentary.

U takvom znanstvenom području poput nanotehnologije, u Rusiji, Sjedinjenim Državama, Japanu i nekim europskim zemljama, svake se godine dodjeljuje sve više sredstava. To je zbog opsežnih izgleda za razvoj ovog područja istraživanja.

Nanotehnologija se razvija u Rusiji prema Federalnom ciljne programa, koji pruža ne samo velike financijske troškove, ali i nosi veliku količinu dizajn i istraživačkih radova. Za postizanje ciljeva ide ujediniti napore raznih znanstvenih i tehnoloških sustava na razini nacionalnih i multinacionalnih korporacija.

Novi materijal

Nanotehnologija dopušta znanstvenicima da ugljikove ploče čine tvrđima od dijamanta čija je debljina samo jedan atom. Sastoji se od grafena. To je najtanji i izdržljiviji materijal u cijelom svemiru, što omogućuje puno bolju električnu energiju od silikonskih čipova.

Otkriće grafena smatra se stvarnim revolucionarnim događajem koji će nam omogućiti puno promjena u našem životu. Ovaj materijal ima tako jedinstvena fizikalna svojstva koja temeljno mijenjaju osobnu ideju o prirodi stvari i tvari.

Povijest otkrića

Grafen je dvodimenzionalni kristal. Njegova struktura je šesterokutna rešetka koja se sastoji od ugljikovih atoma. Teorijske studije grafena počele su davno prije stvaranja svojih pravih uzoraka, budući da je taj materijal osnova za izgradnju trodimenzionalnog grafitnog kristala.

Čak iu 1947. P. Wallace ima neka svojstva grafena, dokazujući da je njegova struktura je slična metala, kao i neke karakteristike slične onima od ultra-relativističke čestice, neutrini i bezmasenog fotona. Međutim, novi materijal ima određene značajne razlike koje ga čine jedinstvenim po svojoj prirodi. No potvrda tih zaključaka zaprimljena je tek 2004. godine, kada su Konstantin Novoselov i Andrey Geim Prvi put je ugljik dobiven u slobodnom stanju. Ova nova supstanca, koja se zvala grafen, postala je glavno otkriće znanstvenika. Pronađite ovu stavku olovkom. Njegova grafitna jezgra sastoji se od mnogih slojeva grafena. Kako olovka ostavlja trag na papiru? Činjenica je da, usprkos snazi ​​slojeva koji čine jezgru, između njih postoje vrlo slabe veze. Vrlo se lako raspadaju kad dođu u kontakt s papirom i ostavljaju trag u pisanju.

Korištenje novog materijala

Prema znanstvenicima, senzori na temelju grafena moći će analizirati snagu i stanje zrakoplova, kao i predvidjeti potrese. Ali samo kada materijal s takvim ogromnim svojstvima napusti zidove laboratorija, postaje jasno u kojem smjeru će se razvijati praktična primjena ove tvari. Za danas dana kemičara, fizičari, kao i inženjeri elektronike već su zainteresirani za jedinstvene sposobnosti grafena. Uostalom, samo nekoliko grama ove tvari može pokriti područje jednako nogometnom igralištu.

Graphene i njegova primjena potencijalno se mogu razmotriti u proizvodnji laganih satelita i zrakoplova. U ovom području novi materijal može zamijeniti ugljika vlakana u kompozitni materijali. Nano-materija može se koristiti umjesto silicija u tranzistorima, a njegovo uvođenje u plastiku će mu dati električnu vodljivost.

Građan i njegova primjena također se razmatraju u proizvodnji senzora. Ovi uređaji, temeljeni na najnovijem materijalu, moći će otkriti najopasnije molekule. No uporaba praha od nanosupstance u proizvodnji električnih baterija s vremena na vrijeme povećat će njihovu učinkovitost.

Graene i njegova primjena smatraju se optoelektronikom. Iz novog materijala postat će vrlo lagana i jaka plastika, čiji će spremnici omogućiti da proizvodi ostanu u svježem stanju u roku od nekoliko tjedana.

Upotreba grafena i očekuje se da će izrada transparentnog provodni sloj potreban za promatrača, solarne ploče i jači i otporniji na mehanička djelovanja vjetroturbina.

Na temelju nano-materijala, dobit će se najbolja sportska oprema, medicinski implantati i supercapacitors.

Također grafen i njegova primjena su relevantni za:

- visokofrekventni visokoučinkoviti elektronički uređaji-
- umjetne membrane koje odvajaju dvije tekućine u rezervoar-
- Poboljšanje vodljivosti različitih materijala -
- stvaranje zaslona na organskim svjetlećim diodama-
- ovladavanje novom tehnikom ubrzanog sekvenciranja DNA-
- poboljšani LCD zaslon
- stvaranje balističkih tranzistora.

Koristite u automobilskoj industriji

Prema istraživačima, specifična energija intenziteta grafena približava se 65 kWh / kg. Ova je brojka 47 puta veća od onoga što je danas uobičajeno litij-ionske baterije. Ova činjenica znanstvenici koriste za stvaranje nove generacije punjača.

Grafena-polimerska baterija je uređaj pomoću kojeg se električna energija čuva što učinkovitije. Trenutačno radi na istraživanju istraživača iz mnogih zemalja. Značajan napredak postignut je u ovom pitanju od strane španjolskih znanstvenika. Grafièna polimerska baterija, koju su stvorili, ima energetski kapacitet stotinama puta veæu od postojećih baterija. Koristi ga za opremanje električnih vozila. Stroj u kojemu je instaliran grafensku bateriju, može voziti tisuće kilometara bez zaustavljanja. Da biste napunili električno vozilo kada je iscrpljen izvor energije, to će trajati najviše 8 minuta.

zaslon osjetljiv na dodir

Znanstvenici nastavljaju istraživati ​​grafene, stvarajući nove i neusporedive stvari. Dakle, nano-materijal ugljika pronašao je svoju primjenu u proizvodnji senzorskih zaslona s velikom dijagonalom. U budućnosti se može pojaviti fleksibilni uređaj ove vrste.

Znanstvenici su dobili pravokutni grafenski list i pretvorili ga u prozirnu elektrodu. On je onaj koji sudjeluje u radu zaslona osjetljivog na dodir, koji se razlikuje u tome s trajnošću, povećanom transparentnošću, fleksibilnošću, ekološkom prilagodljivošću i niskim troškovima.

Dobivanje grafena

Od 2004, kada je otkriven najnoviji nanomaterijal, znanstvenici su savladali niz metoda za njegovo pribavljanje. Međutim, najosnovnije od ovih metoda su:

- mehaničko piling -
- epitaxial rast u vakuum-
- kemijsko fazno fazno hlađenje (postupak CVD).

Prva od ove tri metode je najjednostavnija. Proizvodnja grafena u slučaju mehaničkog pilinga je primjena posebnog grafita na ljepljivu površinu izolacijske trake. Nakon toga, baza, kao list papira, počinje savijati i odvojiti, razdvajajući željeni materijal. Kada se koristi ova metoda, grafen je najviše kvalitete. Međutim, takvi postupci nisu prikladni za masovnu proizvodnju ove nanočestice.

Kada se koristi metoda epitaksijalnog rasta, koriste se tanke silicijske ploče čiji je površinski sloj silicij-karbid. Nadalje, ovaj materijal se zagrijava na vrlo visokoj temperaturi (do 1000 K). Kao rezultat kemijske reakcije, atomi silicija odvajaju se od ugljikovih atoma, od kojih prvi ispari. Kao rezultat, čisti grafen ostaje na ploči. Nedostatak ove metode je potreba da se koriste vrlo visoke temperature na kojima može doći do izgaranja ugljikovih atoma.

Najpouzdanija i jednostavna metoda za masovnu proizvodnju grafena je CVD proces. To je metoda u kojoj se pojavljuje kemijska reakcija između katalizatora metalnog premaza i ugljikovodičnih plinova.

Gdje se proizvodi grafen?

Do sada je najveća tvrtka koja proizvodi nove nanomaterijale u Kini. Naziv ovog proizvođača je Ningbo Morsh Technology. Proizvodnja grafena počela je 2012. godine.

Glavni potrošač nano-materijala je tvrtka Chongqing Morsh Technology. Graphene se koristi za proizvodnju vodljivih prozirnih filmova koji su umetnuti u zaslon osjetljiv na dodir.

Nedavno je poznata Nokia izdala patent za fotoosjetljivu matricu. U sastavu ovog elementa, tako nužnog za optičke uređaje, postoji nekoliko slojeva grafena. Takav materijal, koji se koristi na senzorima fotoaparata, značajno povećava njihovu fotosenzitivnost (do 1000 puta). Istovremeno, dolazi do smanjenja potrošnje električne energije. Dobra kamera za smartphone također će sadržavati grafen.

Ulazak u kuću

Mogu li napraviti grafen kod kuće? Ispalo je, da! Vi samo trebate uzeti kuhinjsku mješalicu s kapacitetom od najmanje 400 W i slijedite tehniku ​​koju su razvili irski fizičari.

Kako napraviti grafen kod kuće? Da bi se to postiglo, 500 ml vode prelije se u posudu za miješanje, dodajući u tekućinu 10-25 ml bilo kojeg deterdženta i 20-50 grama drobljenog škriljevca. Zatim uređaj treba raditi od 10 minuta do pola sata, sve dok se ne pojavi suspenzija grafenskih pahuljica. Dobiveni materijal će imati visoku provodljivost, što će mu omogućiti da se koristi u fotocelularnim elektrodama. Proizveden u svakodnevnim uvjetima, grafen je u stanju poboljšati svojstva plastike.

Oksidi nanomaterijala

Znanstvenici aktivno istražuju i takvu strukturu grafena, koja unutar ili na rubovima ugljika ima vezane funkcionalne skupine ili (i) molekule koje sadrže kisik. To je oksid najteže nanosubstance, što je prvi dvodimenzionalni materijal koji je dostigao fazu komercijalne proizvodnje. Od nanočestica i mikročestica ove strukture, znanstvenici su napravili centimetarske uzorke.

Tako su kineski znanstvenici nedavno dobili grafen oksid u kombinaciji s diofiliziranim ugljikom. Ovo je vrlo lagan materijal, čija se centimetarska kocka drži na laticama malog cvijeta. Ali nova supstancija, u kojoj se nalazi oksid grafena, jedna je od najsnažnijih na svijetu.

Biomedicinske aplikacije

Graphene oksid ima jedinstvenu osobinu selektivnosti. To će omogućiti ovoj tvari da pronađe biomedicinsku primjenu. Dakle, zahvaljujući radu znanstvenika, postalo je moguće koristiti grafen oksid za dijagnozu raka. Za otkrivanje malignih tumora u ranim stadijima razvoja omogućuju jedinstvena optička i električna svojstva nanočestice.

Graphene oksid također omogućuje ciljanu dostavu medicinskih i dijagnostičkih proizvoda. Na temelju ovog materijala, stvaraju se biospjelači sorpcije koji upućuju na DNA molekule.

Industrijska primjena

Razni sorbenti na osnovi grafenskog oksida mogu se koristiti za deaktivaciju inficiranih tehnogenih i prirodnih objekata. Štoviše, ova nanomaterijala mogu obraditi podzemne i površinske vode, kao i tla, čišćenjem radionuklida.

Filtri oksidnih oksida mogu pružati super čiste sobe u kojima se proizvode elektroničke komponente posebne namjene. Jedinstvena svojstva ovog materijala omogućit će nam prodiranje u suptilne tehnologije kemijske sfere. Konkretno, to može biti ekstrakcija radioaktivnih, raspršenih i rijetkih metala. Tako će upotreba grafen oksida omogućiti da se zlato ekstrahira iz siromašnih rudača.