Что такое графен простыми словами: Что такое графен и как он изменит нашу жизнь?

Содержание

Что такое графен и как он изменит нашу жизнь?

Вокруг графена образовалось немало хайпа — и среди ученых, и среди бизнеса. Но графен так и не стал нашей повседневной реальностью. Почему? Разбираемся вместе с автором YouTube-канала «Индустрия 4.0» Николаем Дубининым

Впервые о графене заговорили в 2004 году, когда Андрей Гейм и Константин Новоселов — британские ученые российского происхождения — опубликовали статью в журнале Science [1]. В ней говорилось о новом материале, который получили с помощью обычного карандаша и скотча. Ученые просто снимали клейкой лентой слой за слоем, пока не дошли до самого тонкого — в один атом. В 2010-м за это их наградили Нобелевской премией. С тех прошло уже десять лет.

Как графен меняет нашу жизнь?

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.

Так выглядит структура углерода. Если отделить один из слоев — получим графен

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.

Уникальность графена в том, что он обладает такой же структурой, как и полупроводники, при этом он сам проводит электричество — как проводники. А еще у него высокая подвижность носителей заряда внутри материала. Поэтому графен в фото- и видеотехнике обнаруживает сигналы намного быстрее, чем другие материалы.

Графен обладает хорошей теплопроводностью, гибкостью и упругостью, он на 97% прозрачный. При этом, графен — самый прочный из известных материалов: прочнее стали и алмаза.

Наглядная графика о свойствах графена

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.

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.

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.

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 2010 году до 1% в 2016-м.

Профессор Катарина Паукнер в Будапеште, 2016 год

Исследователь Прабхурадж Балакришнан в Лондоне, 2017 год

Доктор Хан Лин в Мельбурне, 2019 год

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 2013 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. Их главный конкурент — Apple — запатентовала акустические диафрагмы с графеном для использования в устройствах следующих поколений. И это, судя по всему — только начало.

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.

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

Графен как пример квантового материала

April 03, 2017 3:40pm

Химик Александр Слесарев об открытии графена, туннельном эффекте и дираковских носителях заряда


Графен — это материал, который известен человечеству, возможно, с самых ранних этапов человеческого развития, но вышел на сцену только сейчас. Сначала надо было его найти, понять, что он собой представляет, и осталось придумать, что с ним делать. Потому что если мы обратимся к современному рынку, то, несмотря на все достижения, несмотря на то, что за графен уже дали Нобелевскую премию и название всем известно, какие-то продукты с ним пока что купить не получается, кроме самого графена. 

 

Что собой представляет графен? Это отдельный слой графита, известного всем со школы, — это пластинки из чистого углерода, связанного в шестиугольники, а графен — одна такая пластинка. В чем заключается проблема: одну пластинку из графита достаточно тяжело достать. Они друг к другу хорошо прилипли, и, даже несмотря на то, что расколоть графит на тонкий пирожок из нескольких пластинок просто, чем тоньше становится пирожок, тем сложнее становится его расколоть. Это первое проявление квантовой природы графена: с уменьшением толщины кристаллика его становится все труднее расколоть, потому что увеличивается связь между слоями.

Это очень занятная история с интерпретацией и значением личности и субъективности в науке, потому что в 1920–1930-е годы Ландау посчитал теоретическую структуру графена, у него получились результаты, и люди интерпретировали их долгое время как то, что графен как таковой существовать не должен, что он нестабилен, его структура должна сама коллапсировать. А позже взяли его и получили. В чем причина? В том, что графен — отдельный слой тоненького одноатомного материала. Чтобы его себе наглядно представить, надо взять на кухне пищевую пленку и на нее посмотреть. Когда пищевая пленка намотана в рулон и рядом лежит много слоев, она прекрасно себя чувствует. А когда мы ее размотаем, отрежем и попробуем подбросить в воздухе, она превратится в некрасивый комок. Но если мы возьмем и натянем пленку на тарелку или другую поверхность, то она будет лежать. Так и с графеном: как только его положили на поверхность, все сразу стало в порядке, он перестал коллапсировать. Графену нужна поддержка, тут ничего удивительного, никакой квантовой черной магии нет, все соответствует обыденным, интуитивным представлениям.

Первой задачей было получить графен в разумных количествах и понять, что он есть, потому что отдельные чешуйки графена можно было получить, взяв графит и нарисовав черту. Там будет несколько листов графена, но, во-первых, мало, а во-вторых, откуда мы узнаем, что это графен? Нужно было, чтобы развилась микроскопия, поверхностные методы, появилось понимание поверхностной науки, и тогда мы смогли посмотреть на графен. В первой работе по графену интересней даже не то, что получили графен, поскольку как такового однослойного графена, по уверениям самих авторов, там не было ― там был малослойный графен. Работа интересна тем, что они ожидали его увидеть, они знали, что там должно быть, как оно должно быть устроено, что они должны увидеть, и они смогли донести это до всего остального мира. Они смогли показать, что материал есть и от него можно ожидать интересные свойства.

Какие свойства от него можно ожидать? Среди людей достаточно широко известно, благодаря средствам массовой информации, что он является отличным проводником, полупроводниковым материалом, что он сверхпрочный. В нем достаточно много интересных свойств, которые уникальны и неуникальны одновременно. Прочность графена превосходит многие материалы, но она сравнима по порядку величины с прочностью таких вещей, как углеродные нанотрубки, молекула белка, молекула ДНК, если ее развернуть в полную линию, как высокомолекулярный полиэтилен. Прочность графена обусловлена тем, что все связи в этом материале ковалентны, а это наиболее прочные возможные связи в природе. Подобная ситуация наблюдается во многих полимерных материалах, во многих цепях.

Если говорить о более интересных электронных свойствах графена, то с ними ситуация в достаточной мере уникальная. Электронные свойства полупроводниковых материалов — это, с одной стороны, просто свойства того, как в них перемещаются носители заряда, то есть электроны. С другой стороны, рассматривать сами электроны зачастую неудобно, поэтому вводится такая абстрактная фигура, как носитель заряда. Это может быть электрон, может быть вакансия, то есть дырка, место, где электрона нет, это может быть более сложная структура. С графеном ситуация такая, что для него можно математически записать движение носителя заряда в таком виде, что уравнение получится по форме своей похожим на уравнение движения света в вакууме с точностью до множителей. Получается, что, как и у света, как у фотонов, у носителей заряда (которых на самом деле не существует ― это математическая абстракция), в графене двигаются всего-навсего электроны и их вакансии, причем далеко не с той скоростью и не в том порядке, как носители заряда. У носителей заряда отсутствует масса, они при приложении любой минимальной силы должны сразу достигать максимально возможной, единственной для них скорости, которая эквивалентна скорости света в вакууме, только это скорость носителя заряда в графене.

Что из этого следует? Это вопрос, который далеко не всегда понятен. Что это значит с точки зрения приложений? Мы не можем сделать аналогичные вещи с фотонами, не можем взять и разогнать фотон или остановить его, просто прикладывая к нему какую-то силу. Фотоны могут менять свою скорость в твердом теле. Эти носители заряда называются дираковскими ― в честь уравнения, которое их описывает, и для них скорость не меняется и не зависит ни от чего. Это означает, что носители заряда пришли в движение ― достаточно удобная интерпретация, что какая-то их доля пришла в движение, какая-то нет, но это одна из возможных моделей. Не всем исследователям понятно, как дело в графене обстоит на самом деле. Но это в целом соответствует ситуации во многих других полупроводниковых материалах, где есть действительно несколько моделей, которые немного противоречат друг другу, но описывают одно и то же вполне адекватно, чтобы работали компьютеры, мобильные телефоны и прочая современная электроника.

Что означает то, что носители заряда не имеют массы и приходят в движение мгновенно? Если мы возьмем кристалл полупроводника и приложим к нему электрическое поле, то пройдет какое-то время между моментом, когда носители заряда придут в движение, и моментом, когда они разгонятся до своей финальной скорости. Если мы будем менять поле достаточно быстро (например, построим процессор и сделаем его тактовую частоту выше), наступит такой момент, когда они просто не будут успевать сдвинуться с места. И проводник, по сути, превратится в диэлектрик для этого эксперимента.

Благодаря тому, что у графена такая интересная статистика движения носителей зарядов, он должен бы оставаться проводящим до намного более высоких частот. Получается, что мы должны быть способны из этого материала сделать более быстрые полупроводниковые устройства. Мы должны сделать высокочастотные, почти что оптические приборы, которые будут работать как обычные полупроводниковые приборы. Но когда мы об этом говорим, должны иметь в виду особенность графена, которая уникальна, но которая неразрывно связана с тем, что у него такая статистика носителей заряда. В нем нет так называемой запрещенной зоны ― области энергии, в которой носители заряда не могут существовать. В нем нет того, что дает нам, простыми словами, p-n-переход в полупроводниках. Нет этой энергетической дырки между уровнями, благодаря которой мы можем получить полупроводник. Он является не очень хорошо проводящим металлом.

Достаточно сложно задачей было и до сих пор является решить сделать из графена ― из проводника ― полупроводник, ведь он быстро и отлично реагирует. В чем заключается проблема? Как только мы пытаемся это сделать, то должны смотреть на аналогию с дираковскими частицами, которые ведут себя как фотоны. Для фотонов в вакууме нет и быть не может никакой запрещенной зоны. Как только мы создаем запрещенную зону, мы меняем структуру. Когда мы поменяли электронную структуру, у наших носителей заряда появилась масса. Но это не единственное уникальное свойство графена. Даже без запрещенной зоны можно сделать очень много интересных вещей для электроники и оптики.

Другая вещь, связанная с такой интересной статистикой носителя заряда, ― это туннелирование, то есть процесс, когда частица может переходить через потенциальный квантово-механический барьер, не теряя при этом своей энергии. Для обычных частиц есть законы, которые в значительной мере ограничивают подобные переходы, а для дираковских частиц вероятность туннелирования не зависит от того, какая энергия у барьера, ― они могут перепрыгивать через любые из них. К чему это приводит? Если сравнивать с обычным полупроводниковым кристаллом: через него движется носитель заряда, он видит какую-то преграду, допустим тепловое колебание, ударяется об нее и рассеивается. Траектории носителя заряда получаются достаточно короткими. А здесь носитель заряда движется, встречает преграду, она для него как потенциальный барьер неизвестной высоты, он просто перескакивает через него на ту сторону. Получается, что при какой угодно температуре, пока электронная структура остается дираковской, частицы должны путешествовать внутри этого материала по сколь угодно длинным траекториям. Это позволяет нам рассматривать квантовые эффекты при комнатной температуре.

Но здесь есть одна маленькая проблема, которая связана с тем, что стоит положить графен на подложку, стоит его как-то исказить, приложить к нему большой потенциал ― его зонная структура меняется, электроны начинают двигаться вверх или вниз по своей энергетической шкале, все меняется. Он теряет эти свойства, электроны начинают рассеиваться, то есть графен — материал, который трудно использовать. У него есть отличные свойства, но в действительности применить их во многих случаях непросто.

Это привело к тому, что есть интересные работы по применению графена в квантовых устройствах. Был сделан быстрый транзистор, устройства, которые позволяют смешивать две радиоволны, были сделаны какие-то нелинейные приборы. Были сделаны попытки создать зону в графене путем того, что его дополнительно квантовали. Графен тонкий в одном направлении, а его делали тонким в другом направлении, делали из него ленточки, как нанотрубка, только не завернутая в трубочку. Получались ленточки, в которых появляются зоны, и это можно видеть, но статистика зарядов портится. Нам надо помнить о том, что это не только интересные квантово-механические свойства, а это еще и плоский материал, которого можно очень много поместить в очень маленький объем, и это хороший путь для электроники, хоть он и близок к тупику.

Придумывать для графена применение в электронных областях достаточно трудно. Но есть достаточно много альтернативных применений. Если мы вспомним, графен — это плоский лист из атомов, которые довольно близко друг к другу расположены, мы получим мембрану, через которую не проходят газы. Если мы не хотим, чтобы из пластиковой бутылки пива улетала карбонация, то можно забить в пластик немного графена, и газ будет храниться дольше. Еще материал можно окислить, химически модифицировать, и это будет огромная область для химии, для катализа, для батареек, для экологии. Но это очень длинная другая история, про которую я могу рассказывать бесконечно.

 

Александр Слесарев
PhD in Chemistry, научный сотрудник Центра фотоники и квантовых материалов Сколковского института науки и технологий

    

Источник: postnauka.ru

Что такое графен простыми словами

Сравнительно недавно в науке и технике появилась новая область, которую назвали нанотехнологией. Перспективы данной дисциплины не просто обширны. Они грандиозны. Частица, именуемая «нано», представляет собой величину, равную одной миллиардной доле от какого-либо значения. Подобные размеры можно сравнить только с размерами атомов и молекул. Например, нанометром называют одну миллиардную долю метра.

Основное направление новой области науки

Нанотехнологиями называют те, которые манипулируют веществом на уровне молекул и атомов. В связи с этим данную область науки называют еще и молекулярной технологией. Что же явилось толчком к ее развитию? Нанотехнологии в современном мире появились благодаря лекции Ричарда Фейнмана. В ней ученый доказал, что не существует никаких препятствий для создания вещей непосредственно из атомов.

Средство для эффективного манипулирования мельчайшими частицами назвали ассемблером. Это молекулярная наномашина, с помощью которой можно выстроить любую структуру. Например, природным ассемблером можно назвать рибосому, синтезирующую белок в живых организмах.

Область применения

Перечислить все сферы деятельности человека, где на сегодняшний день используются нанотехнологии, невозможно из-за весьма внушительного перечня. Так, при помощи данной области науки производятся:

– устройства, предназначенные для сверхплотной записи любой информации;
– различная видеотехника;
– сенсоры, солнечные элементы, полупроводниковые транзисторы;
– информационные, вычислительные и информационные технологии;
– наноимпринтинг и нанолитография;
– устройства, предназначенные для хранения энергии, и топливные элементы;
– оборонные, космические и авиационные приложения;
– биоинструментарий.

На такую научную область, как нанотехнологии, в России, США, Японии и ряде европейских государств с каждым годом выделяется все больше финансирования. Это связано с обширными перспективами развития данной сферы исследований.

Нанотехнологии в России развиваются согласно целевой Федеральной программе, которая предусматривает не только большие финансовые затраты, но и проведение большого объема конструкторских и научно-исследовательских работ. Для реализации поставленных задач происходит объединение усилий различных научно-технологических комплексов на уровне национальных и транснациональных корпораций.

Новый материал

Нанотехнологии позволили ученым изготовить углеродную пластину более твердую, чем алмаз, толщина которой составляет всего один атом. Состоит она из графена. Это самый тонкий и прочный материал во всей Вселенной, который пропускает электричество намного лучше кремния компьютерных чипов.

Открытие графена считается настоящим революционным событием, которое позволит многое изменить в нашей жизни. Этот материал обладает настолько уникальными физическими свойствами, что в корне меняет представление человека о природе вещей и веществ.

История открытия

Графен представляет собой двухмерный кристалл. Его структура является гексагональной решеткой, состоящей из атомов углерода. Теоретические исследования графена начались задолго до получения его реальных образцов, так как данный материал является базой для построения трехмерного кристалла графита.

Использование нового материала

По мнению ученых, сенсоры, созданные на основе графена, смогут анализировать прочность и состояние самолета, а также предсказывать землетрясения. Но только тогда, когда материал с такими потрясающими свойствами покинет стены лабораторий, станет понятно, в каком направлении пойдет развитие практического применения данного вещества. На сегодняшний день химики, физики, а также инженеры-электронщики уже заинтересовались уникальными возможностями графена. Ведь всего несколькими граммами этого вещества можно покрыть территорию, равную футбольному полю.

Графен и его применение потенциально рассматриваются в производстве легковесных спутников и самолетов. В этой сфере новый материал способен заменить углеродные волокна в композиционных материалах. Нановещество может быть использовано вместо кремния в транзисторах, а его внедрение в пластмассу придаст ей электропроводность.

Графен и его применение рассматриваются и в вопросах изготовления датчиков. Эти устройства, выполненные на основе новейшего материала, будут способны обнаруживать самые опасные молекулы. А вот использование пудры из нановещества при производстве электрических аккумуляторов в разы увеличит их эффективность.

Графен и его применение рассматриваются в оптоэлектронике. Из нового материала получится очень легкий и прочный пластик, контейнеры из которого позволят в течение нескольких недель сохранять продукты в свежем состоянии.

Использование графена предполагается и для изготовления прозрачного токопроводящего покрытия, необходимого для мониторов, солнечных батарей и более крепких и устойчивых к механическим воздействиям ветряных двигателей.

На основе наноматериала получатся лучшие спортивные снаряды, медицинские имплантаты и суперконденсаторы.

Также графен и его применение актуальны для:

– высокочастотных высокомощных электронных устройств;
– искусственных мембран, разделяющих две жидкости в резервуаре;
– улучшения свойства проводимости различных материалов;
– создания дисплея на органических светодиодах;
– освоения новой техники ускоренного секвенирования ДНК;
– улучшения жидкокристаллических дисплеев;
– создания баллистических транзисторов.

Использование в автомобилестроении

Согласно данным исследователей, удельная энергоемкость графена приближается к 65 кВт*ч/кг. Данный показатель в 47 раз превышает тот, который имеют столь распространенные ныне литий-ионные аккумуляторы. Этот факт ученые использовали для создания зарядных устройств нового поколения.

Графен-полимерный аккумулятор – прибор, при помощи которого максимально эффективно удерживается электрическая энергия. В настоящее время работа над ним ведется исследователями многих стран. Значительных успехов достигли в этом вопросе испанские ученые. Графен-полимерный аккумулятор, созданный ими, имеет энергоемкость, в сотни раз превышающую подобный показатель у уже существующих батарей. Используют его для оснащения электромобилей. Машина, в которой установлен графеновый аккумулятор, может проехать без остановки тысячи километров. На подзарядку электромобиля при исчерпании энергоресурса понадобится не более 8 минут.

Сенсорные экраны

Ученые продолжают исследовать графен, создавая при этом новые и не имеющие аналогов вещи. Так, углеродный наноматериал нашел свое применение в производстве, выпускающем сенсорные дисплеи с большой диагональю. В перспективе может появиться и гибкое устройство подобного типа.

Получение графена

Начиная с 2004 г., когда был открыт новейший наноматериал, ученые освоили целый ряд методов его получения. Однако самыми основными из них считаются способы:

– механической эксфолиации;
– эпитаксиального роста в вакууме;
– химического перофазного охлаждения (CVD-процесс).

Первый из этих трех методов является наиболее простым. Производство графена при механической эксфолиации представляет собой нанесение специального графита на клейкую поверхность изоляционной ленты. После этого основу, подобно листу бумаги, начинают сгибать и разгибать, отделяя нужный материал. При применении данного способа графен получается самого высокого качества. Однако подобные действия не годятся для массового производства данного наноматериала.

При использовании метода эпитаксиального роста применяют тонкие кремниевые пластины, поверхностный слой которых является карбидом кремния. Далее этот материал нагревают при очень высокой температуре (до 1000 К). В результате химической реакции происходит отделение атомов кремния от атомов углерода, первые из которых испаряются. В результате на пластинке остается чистый графен. Недостатком подобного метода является необходимость использования очень высоких температур, при которых может произойти сгорание атомов углерода.

Самым надежным и простым способом, применяемым для массового производства графена, является CVD-процесс. Он представляет собой метод, при котором протекает химическая реакция между металлическим покрытием-катализатором и углеводородными газами.

Где производится графен?

На сегодняшний день крупнейшая компания, изготавливающая новый наноматериал, находится в Китае. Название этого производителя – Ningbo Morsh Technology. Производство графена начато им в 2012 году.

Главным потребителем наноматериала выступает компания Chongqing Morsh Technology. Графен используется ею для производства проводящих прозрачных пленок, которые вставляют в сенсорные дисплеи.

Получение в бытовых условиях

Можно ли изготовить графен в домашних условиях? Оказывается, да! Необходимо просто взять кухонный блендер мощностью не менее 400 Вт, и следовать методике, разработанной ирландскими физиками.

Как же изготовить графен в домашних условиях? Для этого в чашу блендера выливают 500 мл воды, добавляя в жидкость 10-25 миллилитров любого моющего вещества и 20-50 грамм толченого грифеля. Далее прибор должен поработать от 10 минут до получаса, вплоть до появления взвеси из чешуек графена. Полученный материал будет обладать высокой проводимостью, что позволит использовать его в электродах фотоэлементов. Также произведенный в бытовых условиях графен способен улучшить свойства пластика.

Оксиды наноматериала

Ученые активно исследуют и такую структуру графена, которая внутри или по краям углеродной сетки имеет присоединенные кислородосодержащие функциональные группы или (и) молекулы. Это оксид самого твердого нановещества, который является первым двумерным материалом, дошедшим до стадии коммерческого производства. Из нано- и микрочастиц этой структуры ученые изготовили сантиметровые образцы.

Так, оксид графена в сочетании с диофилизированным углеродом был недавно получен китайскими учеными. Это весьма легкий материал, сантиметровый кубик которого удерживается на лепестках небольшого цветка. Но при этом новое вещество, в котором находится оксид графена, является одним из самых твердых в мире.

Биомедицинское применение

Оксид графена обладает уникальным свойством селективности. Это позволит данному веществу найти биомедицинское применение. Так, благодаря работам ученых стало возможным использование оксида графена для диагностики раковых заболеваний. Обнаружить злокачественную опухоль на ранних стадиях ее развития позволяют уникальные оптические и электрические свойства наноматериала.

Также оксид графена позволяет производить адресную доставку лекарственных и диагностических средств. На основе данного материала создаются сорбционные биодатчики, указывающие на молекулы ДНК.

Индустриальное применение

Различные сорбенты на основе оксида графена могут быть применены для дезакцивации зараженных техногенных и природных объектов. Крое того, данный наноматериал способен переработать подземные и поверхностные воды, а также почвы, очистив их от радионуклидов.

Фильтры из оксидов графена могут обеспечить суперчистотой помещения, где производятся электронные компоненты специального назначения. Уникальные свойства данного материала позволят проникнуть в тонкие технологии химической сферы. В частности, это может быть извлечение радиоактивных, рассеянных и редких металлов. Так, использование оксида графена позволит добыть золото из бедных руд.

Графен, его производство, свойства и применение в электронике и др.

Графен является самым прочным материалом на Земле. В 300 раз прочнее стали. Лист графена площадью в один квадратный метр и толщиной, всего лишь в один атом, способен удерживать предмет массой 4 килограмма. Графен, как салфетку, можно сгибать, сворачивать, растягивать. Бумажная салфетка рвется в руках. С графеном такого не случится.

Описание графена:

Графен – это двумерная аллотропная форма углерода, в которой объединённые в гексагональную кристаллическую решётку атомы образуют слой толщиной в один атом. Атомы углерода в графене соединяются между собой sp 2 -связями. Графен в буквальном смысле представляет собой материю, ткань .

Углерод имеет множество аллотропов. Некоторые из них, например, алмаз и графит , известны давно, в то время как другие открыты относительно недавно (10-15 лет назад) – фуллерены и углеродные нанотрубки . Следует отметить, что известный многие десятилетия графит представляет собой стопку листов графена, т.е. содержит несколько графеновых плоскостей.

На основе графена получены новые вещества: оксид графена, гидрид графена (называемый графан) и флюорографен (продукт реакции графена со фтором).

Графен обладает уникальными свойствами, что позволяет его использовать в различных сферах.

Свойства и преимущества графена:

– графен является самым прочным материалом на Земле. В 300 раз прочнее стали . Лист графена площадью в один квадратный метр и толщиной, всего лишь в один атом, способен удерживать предмет массой 4 килограмма. Графен, как салфетку, можно сгибать, сворачивать, растягивать. Бумажная салфетка рвется в руках. С графеном такого не случится,

благодаря двумерной структуре графена, он является очень гибким материалом, что позволит использовать его, например, для плетения нитей и других верёвочных структур. При этом тоненькая графеновая «верёвка» по прочности будет аналогична толстому и тяжёлому стальному канату,

– в определённых условиях у графена активируется ещё одна способность, которая позволяет ему «залечивать» «дырки» в своей кристаллической структуре в случае её повреждений,

графен обладает более высокой электропроводностью. Графен практически не имеет сопротивления. У графена в 70 раз мобильность электронов выше, чем у кремния . Скорость электронов в графене составляет 10 000 км/с, хотя в обычном проводнике скорость электронов порядка 100 м/с.

– обладает высокой электроемкостью. Удельная энергоемкость графена приближается к 65 кВт*ч/кг. Данный показатель в 47 раз превышает тот, который имеют столь распространенные ныне литий-ионные аккумуляторы ,

обладает высокой теплопроводностью. Он в 10 раз теплопроводнее меди ,

– характерна полная оптическая прозрачность. Он поглощает всего 2,3% света,

графеновая плёнка пропускает молекулы воды и при этом задерживает все остальные, что позволяет использовать ее как фильтр для воды,

– самый легкий материал. В 6 раз легче пера,

инертность к окружающей среде,

– впитывает радиоактивные отходы,

благодаря Броуновскому движению (тепловым колебаниям) атомов углерода в листе графена последний способен «производить» электрическую энергию,

– является основой для сборки различных не только самостоятельных двумерных материалов, но и многослойных двумерных гетероструктур,

– при протекании соленой воды по листу графена последний способен генерировать электрическую энергию за счет преобразования кинетической энергии движения потока соленой воды в электрическую (т.н. электрокинетический эффект).

Физические свойства графена*:

Наименование показателя: Значение:
Длина связи С–С, нм 0,142
Плотность, мг/м 2 0,77
Удельная площадь поверхности, м 2 /г 2630
Подвижность электронов, см 2 /(В с) 1,5 × 10 4
Модуль Юнга, ТПа 1
Теплопроводность, Вт/(м К) 5,1 × 10 3
Оптическая проницаемость 0,977

* при комнатной температуре.

Получение графена:

Основными способами получения графена считаются:

микромеханическое отшелушивание слоев графита (метод Новоселова – метод скотча). Образец графита помещали между лентами скотча и последовательно отшелушивали слои, пока не остался последний тонкий слой, состоящий из графена,

диспергирование графита в водных средах,

механическая эксфолиация;

эпитаксиальный рост в вакууме;

химическое парофазное охлаждение (CVD-процесс),

метод “выпотевания” углерода из растворов в металлах или при разложении карбидов.

Получение графена в домашних условиях:

Необходимо взять кухонный блендер мощностью не менее 400 Вт. В чашу блендера выливают 500 мл воды, добавляя в жидкость 10-25 миллилитров любого моющего вещества и 20-50 грамм толченого грифеля от карандаша. Далее блендер должен поработать от 10 минут до получаса вплоть до появления взвеси из чешуек графена. Полученный материал будет обладать высокой проводимостью, что позволит использовать его в электродах фотоэлементов. Также произведенный в бытовых условиях графен способен улучшить свойства пластика.

Применение графена:

солнечная энергетика,

водоочистка, фильтрация воды, опреснение морской воды,

электроника (ЖК-мониторы, транзисторы, микросхемы и пр.),

в аккумуляторах и источниках энергии. Графеновый аккумулятор позволяет автомобилю без подзарядки преодолевать 1000 км, время зарядки которого не более 16 секунд,

медицина. Ученые обнаружили, что графеновые чешуйки оксида графена ускоряют размножение стволовых клеток и регенерацию клеток костной ткани,

создание суперкомпозитов,

очистка воды от радиоактивных загрязнений. Оксид графена быстро удаляет радиоактивные вещества из загрязненной воды. Хлопья оксида графена быстро связываются с естественными и искусственными радиоизотопами и конденсируют их, превращая в твердые вещества. Сами хлопья растворимы в жидкости, и их легко производить в промышленных масштабах.

как сделать графен википедия материал аккумулятор свойства аэрогель углерод графит купить цена видео россия презентация плотность
техническое применение открытие получение технология производство структура изобретение графена в светодиодных устройствах мастер нож

Графен, его производство, свойства и применение в электронике и др.

Графен является самым прочным материалом на Земле. В 300 раз прочнее стали. Лист графена площадью в один квадратный метр и толщиной, всего лишь в один атом, способен удерживать предмет массой 4 килограмма. Графен, как салфетку, можно сгибать, сворачивать, растягивать. Бумажная салфетка рвется в руках. С графеном такого не случится.

Описание графена:

Графен – это двумерная аллотропная форма углерода, в которой объединённые в гексагональную кристаллическую решётку атомы образуют слой толщиной в один атом. Атомы углерода в графене соединяются между собой sp 2 -связями. Графен в буквальном смысле представляет собой материю, ткань .

Углерод имеет множество аллотропов. Некоторые из них, например, алмаз и графит , известны давно, в то время как другие открыты относительно недавно (10-15 лет назад) – фуллерены и углеродные нанотрубки . Следует отметить, что известный многие десятилетия графит представляет собой стопку листов графена, т.е. содержит несколько графеновых плоскостей.

На основе графена получены новые вещества: оксид графена, гидрид графена (называемый графан) и флюорографен (продукт реакции графена со фтором).

Графен обладает уникальными свойствами, что позволяет его использовать в различных сферах.

Свойства и преимущества графена:

– графен является самым прочным материалом на Земле. В 300 раз прочнее стали . Лист графена площадью в один квадратный метр и толщиной, всего лишь в один атом, способен удерживать предмет массой 4 килограмма. Графен, как салфетку, можно сгибать, сворачивать, растягивать. Бумажная салфетка рвется в руках. С графеном такого не случится,

благодаря двумерной структуре графена, он является очень гибким материалом, что позволит использовать его, например, для плетения нитей и других верёвочных структур. При этом тоненькая графеновая «верёвка» по прочности будет аналогична толстому и тяжёлому стальному канату,

– в определённых условиях у графена активируется ещё одна способность, которая позволяет ему «залечивать» «дырки» в своей кристаллической структуре в случае её повреждений,

графен обладает более высокой электропроводностью. Графен практически не имеет сопротивления. У графена в 70 раз мобильность электронов выше, чем у кремния . Скорость электронов в графене составляет 10 000 км/с, хотя в обычном проводнике скорость электронов порядка 100 м/с.

– обладает высокой электроемкостью. Удельная энергоемкость графена приближается к 65 кВт*ч/кг. Данный показатель в 47 раз превышает тот, который имеют столь распространенные ныне литий-ионные аккумуляторы ,

обладает высокой теплопроводностью. Он в 10 раз теплопроводнее меди ,

– характерна полная оптическая прозрачность. Он поглощает всего 2,3% света,

графеновая плёнка пропускает молекулы воды и при этом задерживает все остальные, что позволяет использовать ее как фильтр для воды,

– самый легкий материал. В 6 раз легче пера,

инертность к окружающей среде,

– впитывает радиоактивные отходы,

благодаря Броуновскому движению (тепловым колебаниям) атомов углерода в листе графена последний способен «производить» электрическую энергию,

– является основой для сборки различных не только самостоятельных двумерных материалов, но и многослойных двумерных гетероструктур,

– при протекании соленой воды по листу графена последний способен генерировать электрическую энергию за счет преобразования кинетической энергии движения потока соленой воды в электрическую (т.н. электрокинетический эффект).

Физические свойства графена*:

Наименование показателя: Значение:
Длина связи С–С, нм 0,142
Плотность, мг/м 2 0,77
Удельная площадь поверхности, м 2 /г 2630
Подвижность электронов, см 2 /(В с) 1,5 × 10 4
Модуль Юнга, ТПа 1
Теплопроводность, Вт/(м К) 5,1 × 10 3
Оптическая проницаемость 0,977

* при комнатной температуре.

Получение графена:

Основными способами получения графена считаются:

микромеханическое отшелушивание слоев графита (метод Новоселова – метод скотча). Образец графита помещали между лентами скотча и последовательно отшелушивали слои, пока не остался последний тонкий слой, состоящий из графена,

диспергирование графита в водных средах,

механическая эксфолиация;

эпитаксиальный рост в вакууме;

химическое парофазное охлаждение (CVD-процесс),

метод “выпотевания” углерода из растворов в металлах или при разложении карбидов.

Получение графена в домашних условиях:

Необходимо взять кухонный блендер мощностью не менее 400 Вт. В чашу блендера выливают 500 мл воды, добавляя в жидкость 10-25 миллилитров любого моющего вещества и 20-50 грамм толченого грифеля от карандаша. Далее блендер должен поработать от 10 минут до получаса вплоть до появления взвеси из чешуек графена. Полученный материал будет обладать высокой проводимостью, что позволит использовать его в электродах фотоэлементов. Также произведенный в бытовых условиях графен способен улучшить свойства пластика.

Применение графена:

солнечная энергетика,

водоочистка, фильтрация воды, опреснение морской воды,

электроника (ЖК-мониторы, транзисторы, микросхемы и пр.),

в аккумуляторах и источниках энергии. Графеновый аккумулятор позволяет автомобилю без подзарядки преодолевать 1000 км, время зарядки которого не более 16 секунд,

медицина. Ученые обнаружили, что графеновые чешуйки оксида графена ускоряют размножение стволовых клеток и регенерацию клеток костной ткани,

создание суперкомпозитов,

очистка воды от радиоактивных загрязнений. Оксид графена быстро удаляет радиоактивные вещества из загрязненной воды. Хлопья оксида графена быстро связываются с естественными и искусственными радиоизотопами и конденсируют их, превращая в твердые вещества. Сами хлопья растворимы в жидкости, и их легко производить в промышленных масштабах.

как сделать графен википедия материал аккумулятор свойства аэрогель углерод графит купить цена видео россия презентация плотность
техническое применение открытие получение технология производство структура изобретение графена в светодиодных устройствах мастер нож

Что таят в себе нанопузырьки графена

Какое давление могут удерживать нанопузырьки графена, изначально мешавшие ученым, и где это может пригодиться, отделу науки «Газеты.Ru» рассказала Екатерина Хестанова — аспирантка, работающая в команде нобелевского лауреата Андрея Гейма.

— Екатерина, спасибо, что согласились на интервью. У коллег Андрея Гейма вышла вторая за три недели статья о новых свойствах графена. Мой первый вопрос: можете рассказать простыми словами для неспециалиста о результатах работы, опубликованной в Nature Communications, и о ходе эксперимента?

few articles

— Здравствуйте, спасибо, что проявили интерес к нашей работе. Графен — это очень тонкая мембрана, всего в один атом толщиной, но при этом чрезвычайно прочная. Настолько прочная, что ее можно подвесить над отверстием в подложке, при этом получится такой «барабан». Далее на этот барабан можно давить с помощью иглы специального прибора — атомно-силового микроскопа — это что-то вроде битья барабанной палочкой. А если посмотреть, как далеко отскакивает ваша барабанная палочка, можно определить, хорошо ли натянут барабан.

В нашем случае вместо барабана мы давили на нанопузырьки, которые образуются, если графен перенести на идеальную атомарно гладкую поверхность кристалла, например, нитрида бора или того же графита.

Это можно сравнить с приклеиванием защитной пленки на стекло автомобиля или телефона: если пленка большая и тонкая, ее трудно приклеить идеально, у вас часто будут оставаться пузырьки воздуха. С помощью атомно-силового микроскопа мы обнаружили, что такие графеновые пузырьки натянуты на удивление сильно.

Давление внутри них может превышать атмосферное в тысячи раз.

Это значит, что если внутрь такого пузырька поместить чистый кислород, то при комнатной температуре он превратится в жидкость.

close

100%

— Правда ли, что эти пузырьки графена сначала вам мешали и на них никто не обращал внимания?

— Да, это действительно так.

Для изучения электронных свойств графена мы стараемся получить однородные образцы, и такие пузырьки — это целая проблема, как и в случае с защитной пленкой, от них трудно избавиться.

Однако, если задуматься, почему же они появляются, можно понять, что графен очень хорошо прикрепляется к поверхности кристалла, а там, где присутствует неоднородность в виде пузырька, графен сильно натянут, а значит, он давит на содержимое пузырька, что само по себе интересно, так как создание больших давлений в лабораторных условиях — это отдельная сложная задача.

— Как и кто решил проверить их на прочность?

— Посмотреть на эти пузырьки было идеей Андрея. Затем наш коллега — теоретик и соавтор статьи — сделал первые вычисления, которые, казалось, легко проверить экспериментально. Поскольку на тот момент я много занималась «сборкой» образцов, проверку поручили мне.

— Какое давление выдерживают пузырьки графена?

few articles

— Как уже было упомянуто выше, давление внутри пузырьков может достигать тысяч атмосфер —

это сравнимо с давлением на дне Марианской впадины, для погружения в которую толщина стальных стенок батискафа должна быть около 10 см.

— А насколько важны результаты вашего исследования для повседневной жизни? 

— Думаю, в первую очередь нанопузырьки найдут применение в лабораториях. Начиная с того, что, как мы продемонстрировали, они позволяют измерить модуль упругости двумерных материалов под давлением. Заканчивая генерацией водорода как альтернативного источника энергии. 95% водорода сегодня производят с помощью реакции паровой конверсии углеводородов, которая протекает под давлением в десятки атмосфер, и одна из проблем — это очистка получаемого водорода от остальных продуктов реакции. Нанопузырьки способны выполнить обе задачи: обеспечение высокого давления и выделение чистого водорода, ведь атомарный водород легко проходит через графен и другие двумерные материалы, но не пропускает никакие другие вещества.

— В последнее время к графену приковано внимание всех физиков мира. Почему, на ваш взгляд, всем интересен именно графен? Что в нем такого особенного?

— Надо сказать, не только физиков, но и химиков, и биологов. Это действительно уникальный материал. Уникальность — в его простоте, ведь он состоит из атомов всего одного элемента — углерода. Поэтому можно понять и достаточно точно предсказать многие его свойства. Это очень хорошая платформа для проверки многих физических явлений.

Но стоит отметить, что графен открыл дорогу к исследованию огромного набора двумерных материалов, разнообразных по своей структуре и свойствам, среди них изолятор гексагональный нитрида бора, полупроводник дисульфида молибдена и сверхпроводник диселенида ниобия.

— Где может использоваться графен? Еще, может быть, в медицине?

— Да, применение графена в медицине — это одно из активных направлений исследований. В частности, изучаются суспензии наноразмерных листов графена с функциональными группами (например, молекулами лекарств) на поверхности. Из-за маленькой толщины графена такие листы могут легко проникать через мембраны клеток, целенаправленно доставляя лекарства. Перед разработкой реальных медицинских препаратов важно проверить их возможную токсичность, именно это и делают многие наши коллеги из Школы медицины здесь, в Университете Манчестера.

— Как вы оказались в команде Гейма?

— Еще учась в МГУ, я занималась углеродными материалами в лаборатории профессора Александра Образцова, а после появления графена следила за ходом исследований этого материала, и это было очень вдохновляюще. Не питая особых иллюзий, я написала профессору Ирине Григорьевой, жене Андрея Гейма, которая, к моему удивлению, ответила, что у меня неплохое резюме и что у меня есть шанс получить одну из стипендий от Университета Манчестера. Через год я уже работала у них.

— Еще интересно: опишите Гейма как человека. Какой он и каково это — работать с ним в одной команде?

few articles

— Мне сложно судить об Андрее, потому что моим руководителем является Ирина (именно так мы все обращаемся друг к другу — по имени, без отчества).

Могу сказать одно: он работает очень много, семь дней в неделю, и у него действительно есть видение, какие научные задачи решаемы и будут интересны в научном сообществе, а какие — пустая трата времени.

С Ириной я работаю гораздо ближе, она удивительный человек. Начиная с того, что она очень скромная и тактичная, при этом она физик с замечательным научным чутьем. Основной результат статьи — прямое измерение давления в нанопузырьках — это именно ее идея. У нее всегда много интересных идей, но при этом она никогда никого не заставляет, если что-то не получается, она просто делает это сама. Иногда мне кажется, что она способна справиться с любой задачей, мне очень повезло с ней как с руководителем.

Графен - Что такое Графен?

Графен - это двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в 1 атом.

Графит  - это уложенные друг на друга слои графена,  связанные между собой  слабыми Ван-дер-Ваальсовыми связями, которые удалось разорвать. 

Свойства графена изучили учеными К. Новоселовым и А. Геймом за что в 2010 г. получили Нобелевскую премию. 

Графен обладает большой жесткостью, теплопроводностью и подвижностью заряда, что делает его перспективным материалом для использования в самых разных приложениях, особенно в области наноэлектроники.
Графен вместе с магнитными молекулами ( органические молекулы, в составе которых есть 1 или несколько ионов металла с неспаренными электронами) может стать строительными блоками для будущих квантовых компьютеров, обеспечивая сверхбыстрые и энергоэффективные вычисления.
Обработка информации связана со скоростью тактовой частоты.
Носители заряда у графена ведут себя как релятивистские частицы с нулевой эффективной массой, что позволит создать работающие на терагерцовых частотах устройства,что недоступно кремнию. 

Графен высокого качества экспериментально получен учеными К. Новоселовым и А. Геймом в 2004 г., за исследования его свойств они в 2010 г. получили Нобелевскую премию.
Правда «скотч-метод», которым они получили графен далек от промышленного и позволял получить его только в малом количестве - для исследований. 

В 2015 г. британская Graphene NanoChem поведала о тестировании бурового раствора PlatDrill, который можно использовать при гидравлическом разрыве пласта (ГРП), и который на 25% более биоразлагаем, чем отраслевые требования. В 2017 г. Graphene NanoChem пописала контракт на поставку 4 000 баррелей PlatDrill на рынке сланцевого газа в Китае на сумму около 360 000 долл США. 

В 2017 г. о разработках с использованием графена заговорили в Газпроме, анонсировав намерение сотрудничать с институтами Российской академии наук (РАН) для разработки технологии хранение природного газа с использованием нанонопористого графена в качестве абсорбента. 

В июле 2019 г. ученые немецкого института в г. Карлсруэ заявил о получении графена из углекислого газа.

как графен изменит нашу жизнь? — Василий Перебейнос — Наука в фокусе — Эхо Москвы, 29.06.2014

Н. АСАДОВА — 15:06 в Москве. У микрофона Наргиз Асадова. Это передача «Наука в фокусе». Сегодня нет нашего постоянного соведущего Егора Быковского, главного редактора журнала «Наука в фокусе». Но я вам обещаю, что в следующее воскресенье он к нам присоединится. Ну а сегодня мы поговорим с вами про микроэлектронику. И тема наша звучит так: «Мир после кремния: как заставить наши компьютеры работать быстрее». С удовольствием представляю вам моего сегодняшнего гостя, это Василий Перебейнос, старший преподаватель в Сколтехе, почётный член Американского Физического Общества. Здравствуйте, Василий.

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Здравствуйте.

Н. АСАДОВА — Я скажу сразу, что мы можем просматривать ваши заявки по СМС +79859704545. Если у вас появятся какие-то вопросы по ходу нашей передачи, присылайте, пожалуйста, их к нам в эфир, и мы постараемся на них ответить.

А сейчас, как обычно, мы начинаем с рубрики «Новости науки». На этот раз их озвучил Яков Широков.

«НОВОСТИ НАУКИ».

Я. ШИРОКОВ — Команда инженеров из Стендфордского университета построила базовый модель компьютера на базе углеродных нанотрубок — полупроводникового материала, который имеет потенциал для запуска нового поколения электронных устройств, более быстрых и более энергоэффективных по сравнению с кремниевыми чипами.

Это событие стало кульмиацией многолетних усилий ученых всего мира, работавших над применением этого перспективного материала. Исследование проводилось под руководством профессора Стендфордского университета Митры и Филипа Бонга. Люди говорили о новой эре углеродных нанотрубок, которая выведет электронику за рамки кремния, — говорит профессор Митра. Но на сегодняшний день Мы видели не так много примеров законченных цифровых систем с использованием этой захватывающей технологии. Наконец нам удалось создать систему, доказывающую её эффективность. По мнению экспертов, достижение команды Стэндфордского университета станет стимулом для поиска заменителей кремниевых микрочипов, которые в ближайшее время могут столкнуться с физическими ограничениями, не позволяющими создавать более быстрые, компактные, дешёвые электронные устройства.

Инженеры исследовательского центра компании IMB рапортуют о создании самой прогрессивной в мире интегральной схемы на основе графена. Экспериментальная схема показывает в 10000 раз более высокое быстродействие, нежели все предыдущие разработки. Ключевое преимущество графена в очень высоких скоростях распространения электронов в этом материале, что является важнейшим условием для создания быстродействующих высокопроизводительных транзисторов следующего поколения, — говорят в IBM. Графен обещает революционизировать такие принципиально важные области, как микроэлектроника, накопители энергии, гибкие дисплеи, устройства беспроводной связи.

Электронные цепи, выполненные на основе графена, обеспечат более высокую скорость передачи данных при меньшем по сравнению с кремниевыми изделиями энергопотреблении. Изготовление полноценных интегральных схем с применением графена до сих пор было сильно затруднено из-за того, что его тончайшие листы очень легко повредить. Поэтому характеристики графеновых транзисторов неминуемо деградируют. Для решения проблемы исследователи IBM полностью пересмотрели производственны процесс, применяемый при изготовлении кремниевых интегральных схем.

Работа с графеновыми транзисторами была выделена в заключительный этап. В результате удалось впервые сформировать рабочую графеновую схему для беспроводных устройств, часто выполняющую функции современных кремниевых изделий. Это изобретение приближает IBM к коммерческому производству графеновых микрочипов.

Н. АСАДОВА — Это были новости науки с Яковом Широковым. И из этих новостей, я думаю, все поняли, что почему-то кремний или силикон, с помощью которого создаются современные микрочипы и на которых работает вся наша электроника, наши компьютеры, смартфоны, почему-то перестала удовлетворять производителей, и они хотят, чтобы ещё мощнее, ещё быстрее были наши все эти девайсы прекрасные. И ищут пути, каким образом это сделать. Мой вопрос первый вам, Василий. Зачем это нужно и чем кремний не устраивает?

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Это вопрос экономический, потому что сверхприбыли делаются на новых технологиях. Когда технология становится такая, что её любой может сделать, то сверхприбыли теряются. Поэтому чтобы это… то, что было 50 лет, тенденцию продолжать, нужно всё время идти вперёд. Если раньше делали меньше, меньше, меньше кремний, то он работал быстрее и быстрее. То сейчас это уже становится сложнее сделать, намного дороже сделать, и сверхприбыли теряются.

Н. АСАДОВА — Вы как-то говорили, что был какой-то известный человек, по-моему, как раз из IBM, который сформулировал правило, что каждые 10 лет будет транзисторы всё мощнее, а микрочип всё менььше. Но оказалось, что он не только меньше, но ещё и горячее становится. Когда мы можем подержать, то мы чувствуем, что они очень горячие, и сокращение этих микросхем с какого-то момента было бы невозможным просто.

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Закон Мура — это из Intel'а человек, а Деннард — это человек из IBM, который легенда и до сих пор ещё работает в IBM, он объяснил этот закон, что каждые два года в 2 раза уменьшается размер чипа, то он становится быстрее. Но проблема вся в том, что меньше сделать можно, но лучше не становится, потому что возникают технические проблемы. Тысячи инженеров работают, чтобы решить эти проблемы. И я не буду вдаваться в детали технического характера. Всё сводится к контактному сопротивлению. Что электрону перейти из одного материала в другой — там какой-то барьер, и этот барьер становится технически слишком большой. И все новые технологии должны учитывать и эту проблему, потому что масштабирование, которое применялось раньше, оно позволяло электрону переходить с одного конца на другой быстрее, потому что расстояние меньше становится. Но барьер-то остаётся. И этот барьер становится доминирующим. То есть мы делаем короче, а лучше не становится. Вот, в чём основная проблема.

Н. АСАДОВА — Я просто сейчас ещё нашим слушателям сообщу про вас, что вы 11 лет в IBM работали, и как раз в том самом передовом научном центре, который находится в Нью-Йорке. А сейчас вы вернулись в Россию.

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Да, переехал в Сколтех.

Н. АСАДОВА — И поэтому вы правильный человек, чтобы задавать все эти вопросы. Хорошо. Над какими материалами сейчас работает в частности IBM, которые придут на смену кремнию.

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Говорить, что придёт — сложно. Но над чем работают, можно говорить.

Н. АСАДОВА — Какие направления есть? И какие кажутся из них наиболее перспективными?

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Углеродные нанотрубки, материалы, похожие на графен, только графен, закатанный в трубку.

ЕСть материалы, сплавы третьей и пятой колонки таблицы Менделеева… их тоже изучают и Intel, и IBM. Вот как бы два таких основных направления.

Но графен очень интересен и для другого. Не только чтобы заменить кремний. Он очень уникальный материал за счёт того, что он двухмерный, можно применять всё, что за 50 лет люди наработали в технологиях, как делать микросхемы на двухмерных подложках, всё это применимо к графену. У него есть другие проблемы. Но эти проблемы учёные решают и предлагают разные решения.

Н. АСАДОВА — Хорошо. Давайте мы тогда сосредоточимся сейчас на проблеме, которая называется «графен» или чипы, основанные на графене. Мы в новостях науки услышали, что уже создан самый передовой чип на основе графена и создан именно в лаборатории IBM. Хорошо, объясните нам теперь с точки зрения обывателя, что это нам даёт. Что это даст, например, нашему компьютеру.

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Можно разделять. Есть два вида чипов. Одни — логические, это те, что делают вычисления. А другие — аналоговые. И то, что мы видели в новостях — это аналоговый продукт, где позволяют передавать информацию из одной точки в другую намного быстрее.

Н. АСАДОВА — Ну во сколько быстрее? В 10 000 раз прозвучало.

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Да, это связано с уникальными свойствами графена, что он очень быстрый, там подвижность очень большая. И ещё большое преимущество графена, что он может быть сделан дешёвый, потому что он сделан из углерода, а мы все состоим из углерода, все биологические материалы — это углерод. И в том числе поэтому если технология пойдёт, то она должна быть дешёвой. И это ещё один из факторов потенциальности применения того или иного технологического процесса в промышленности.

Н. АСАДОВА — У нас в интернете вопрос задал человек с ником «Мухомор»: «А где они добывать его будут? С ним такая неприятность вышла — месторождений графена не бывает в природе». Объясните, пожалуйста, людям, что такое графен, что это за материал. Из того, что я знаю — это материал, который открыли два британских учёных с русским происхождением, Андрей Гейм и Константин Новосёлов, и в 2010 году они получили Нобелевскую премию за это. Более подробнее про этот материал. Где его действительно добывать?

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Первоначально он был добыт из простого карандаша. Если его…

Н. АСАДОВА — Так что где угодно, Мухомор, можете добывать графен. Были бы знания, как сделать из карандаша.

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Проблема в том, что карандаш технологически несовместим с промышленностью. Но сейчас научились делать, синтезировать его в промышленных объёмах. Это всё реально, это всё существует. Складывают разные химические вещества, там, метан, ещё что-то, нагревают до больших температур, и там он растёт естественным образом.

Н. АСАДОВА — Производство недорогое, насколько я понимаю.

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Да, недорогое. Проблема качества, потому что один слой, когда его таким образом растить, то он теряет в своих качествах, потому что там всякие примеси появляются, его надо очищать, его нужно как-то оптимизировать условия роста, чтобы он сохранял свои свойства, чтобы электроны бегали быстро по нему и не обо что не рассеивались. Вот над этим думают учёные и технологи, то есть это более такой технологический процесс.

Ещё можно растить из кремния-углерода, то есть просто нагревают этот материал, и он там тоже растёт естественным образом. А что касается, вот, вопрос был, какие материалы он может заменить, которые редки, так это, скажем, сплав оксида индия — олова, который используется во всех дисплеях. Это материал, который проводит электричество, но прозрачный. То есть когда мы трогаем циферки на нашем компьютере, на нашем телефоне, то, как правило, это используется из этого материала. А вот индий очень редкий металл. И его цена за последние несколько лет подскочила очень сильно, а графен может заменить индий. И уже есть коммерческие продукты телефонов, которые используют графеновые.

Н. АСАДОВА — Я ещё узнала о том, что если сделать вот эти экраны из графена, то они будут не только прозрачные, как нам нужно, проводить электричество, но ещё и гибкие, то есть экран можно будет сворачивать в трубочку. Ещё я знаю, что это самый легкий материал из всех тех, которые используются сейчас.

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Да, это правда. Углерод — это шестой элемент. То есть это очень лёгкий материал. Естественно, что и материал будет легкий. Проблема в том, что в интегральной схеме не только сам материал, там ещё и подложка. То есть нужно всё вместе минитюаризировать, и чтобы это всё было вместе лёгкое. Но да, для космической промышленности это очень интересное направление, потому что запустить килограмм вещества на орбиту стоит очень дорого, и поэтому если можно сделать полкилограмма, то это очень интересное направление.

Н. АСАДОВА — А я ещё посмотрела, какие есть направления использования графена или каких-то вещей, которые можно сделать из графена. Для компьютеров это жесткие диски, которые будут иметь возможность хранить в тысячу раз больше данных, чем то, что сейчас производят.

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Память — это отдельная история. Там много направлений. И в принципе, скажем, IBM продало своё отделение, которое делает памяти ещё более 10 лет назад. Поэтому я не большой специалист в памяти. Но в принципе да… память — это обычно легче. То есть технологически это менее сложная задача — оптимизировать память. И, конечно, графен может использоваться, но там много решений. Основная проблема сверхприбыли как раз в логике. Как сделать, чтобы компьютер был быстрее…

Н. АСАДОВА — То есть сверхбыстрые компьютеры будут с помощью вот этих полупроводников на основе графена.

В. ПЕРЕБЕЙНОС — На основе графена, или графен будет как-то помогать. Не обязательно, что всё вместе заменится. Может, какие-то элементы из кремния останутся. И в принципе 50 лет человечество работало над созданием этих технологий, которыми сейчас весь мир пользуется, у каждого есть сотовый телефон — это благодаря тому, что уже всё на потоке. И не хочет никто из венчурных капиталистов это всё менять. Потому что эти заводы стоят миллиарды долларов. И если предложить заменить небольшую часть, что бы сделало быстрее, вот это идеальный подход.

Н. АСАДОВА — Ещё графен используют для оптики. Это тоже очень интересное направление. Я читала, что видеокамеры ночного видения можно делать с его помощью. Он не требует дополнительных источников света. Почему, кстати говоря? За счёт чего он такой всевидящий?

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Графен уникален в том, что у него нету щелей. То есть он как бы полуметалл. Когда мы строим наши детекторы, которые основаны на полупроводниках, то свет должен возбудить электронно-дырочную пару в полупроводнике. А в графене её нет, поэтому когда мы смотрим на свет, которое тепловое излучение, то он уже возбуждает в графене что-то, и мы это можем померить электрическим сигналом. Это называется терагерцовые технологии. Там решений на полупроводниках не так много. Те, которые есть — они очень дорогие. И вот графен имеет очень большой потенциал занять нишу этих терагерцовых технологий. А мерить можно всё — не только ночное видение, но и биологические объекты, потому что в терагерцах не разрушает ткани биологические, как, скажем, в обычном свете. И в этом направлении очень много научного задела. Ещё нет компаний, которые бы этим… хотя уже есть. Одна из этих компаний — ....Сколково. Относится к Центру квантовых материалов. Руководитель — профессор из Черноголовки Кукушкин.

И там уже имеется такая деятельность.

Н. АСАДОВА — А ещё я смотрю, что можно в аэронавтике использовать и производить более быстрые самолёты, которые выбрасывают в атмосферу меньше вредоносных выхлопов. Вот такая информация. Я вижу, что как-то вы скептически относитесь к такому применению графена.

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Да, я не специалист.

Н. АСАДОВА — Понятно. В общем, на самом деле правда и в медицине, и в аэронавтике, и в микроэлектронике масса применений для графена сейчас готовится. Но из того, что я знаю, только некоторые телефоны, смартофоны работают на графене сейчас, и больше никаких других воплощений я пока не знаю.

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Да, последняя новость, которую я слышал от Кости Новосёлова, что это действительно уже имеется в продукте, не обязательно он дешевле, но идея такая, чтобы захватить рынок, и когда будет массовое производство, тогда станет себестоимость ниже. Сейчас идёт на это.

Н. АСАДОВА — Я напомню телефон СМС: +79859704545. Присылайте свои вопросы. Я напоминаю, что у нас в гостях Василий Перебейнос, старший преподаватель в Сколтехе и почётный член Американского физического общества. И на вопрос слушателя, который нам прислал «Графин или графен?». По-русски — «графен», а по-английски — «графин». И Василий иногда сбивается на английское название, потому что 11 лет работал в IBM, прожил в Америке и привык все эти вещи называть английскими словами. Но это не надо, это не путаница. Вообще графен по-русски.

По поводу быстрых компьютеров. Каково может быть их применение? Потому что лично мне более быстрые компьютеры не нужны. Я понимаю, что я, условно говоря, те мощности, которые зашиты в мой айфон, они превосходят те мощности всех компьютеров, которые запускали человека на Луну. И я, понятное дело, не использую те мощности, которые зашиты в моём смартфоне, не знаю, даже на 50%, даже на 10% не использую. Зачем нам ещё более мощные компьютеры?

И я понимаю, что вряд ли людям они нужны. Но, может быть, это какие-то области науки, техники, может быть, это для военных интересно. То есть кто заказчик этих более быстрых компьютеров?

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Да, конечно, это для военных представляет большой интерес, более мощные компьютеры. И они платят основной счёт по этим исследованиям во многих странах, в том числе в Соединённых Штатах. Но также большие бизнесы, которые занимаются большими данными. То есть человечество производит такое огромное количество информации, которое невозможно обработать. А если научиться её обрабатывать, то можно предсказывать рынки, можно предсказывать погоду, можно делать такие вещи, которые сейчас…

Н. АСАДОВА — Террористические акты, наверное, можно предсказывать.

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Ну, да, конечно, конечно.

Н. АСАДОВА — Я сейчас не пошутила, потому что, как мы знаем, американское правительство ведёт учёт всех e-mail'ов, всех телефонных переговоров, все эти данные хранятся, а как из этого многословия вытащить информацию, нужную, допустим, для отдела полиции, которая хочет предотвратить теракт. Никак пока.

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Тут есть два решения. То есть, конечно, это программное обеспечение. То есть многие люди делают программное обеспечение, которое это всё делает более эффективно. Ну и также параллельные компьютеры. Создаются базы, датацентры, в которых находится много-много компьютеров, работающих параллельно.

Есть решения. Но если сделать…

Н. АСАДОВА — Они не такие эффективные, как если бы был создан сверхбыстрый компьютер.

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Да, эффективность — это №1. Цена сверхбыстрого компьютера, как правило, не проблема. То есть если вы сделаете то, что будет работать, скажем, квантовый компьютер, то цена может быть астрономической, но всё равно человечество будет хотеть иметь такой компьютер.

Н. АСАДОВА — Про квантовый компьютер мы во второй части поговорим более подробно. Это очень интересная тема. А я бы сейчас ещё немножечко про графен договорила. И как он будет способствовать созданию быстрых компьютеров. И, собственно, как эти быстрые компьютеры будут работать. Вы можете как-то сравнить, допустим, сейчас самый мощный компьютер, который действует, он какой?

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Наверное, 22 нм. Это IMB и Intel.

Н. АСАДОВА — А вот этот сверхбыстрый, допустим, если будет на графене, это будет что?

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Всё определяется подвижностью. Если подвижность делается в 10 раз больше, то есть и контактность проявления проблем решается, то тогда в 10 раз может быть быстрее. Но тут нужно понимать: у графена нет щели. И в чистом виде графен никогда…

Н. АСАДОВА — Это сейчас не всем понятно — «нету щели».

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Что такое полупроводник? Есть какие-то…

Н. АСАДОВА — То есть в каком-то положении проводит, а в каком-то не проводит. Это очень удобно для компьютеров, потому что они в бинарной системе действуют — 0/1, это все знают. Поэтому полупроводник — это идеальная штука для компьютеров.

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Точно, и этим можно управлять, когда он проводит, когда не проводит. А с графеном проблема в том, что он всегда проводит, потому что он может проводить лучше, хуже. Этого достаточно, для того чтобы делать аналоговые цифровые схемы, как мы слышали в новостях.

Но чтобы делать логические, то разница между тем, как проводит и не проводит, должна быть в 10 000 раз больше или меньше. Для этого нужно открыть щель. Одно из направлений, над которым думают учёные — это как открыть щель в графене. То есть химическим образом или за счёт роста, и предлагают разные решения. Но тут загвоздка в том, что мы открываем каким-то образом щель, а подвижность падает. И он уже не становится в 10 раз лучше, чем кремний.

Н. АСАДОВА — То есть из новостей мы узнали, что IBM всё-таии удалось сделать некий микрочип на основе графена, который работает в 10000 раз быстрее, чем обычный на кремнии. Значит, удалось преодолеть эту проблему с щелью?

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Это аналоговый прибор. Он не делает… Это не сверхбыстрый компьютер. То есть нужно различать два вида технологий. И то, и другое интересно. И там, и там можно заработать.

Н. АСАДОВА — А области применения у них тоже одинаковые, или не очень?

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Не очень. То есть цифровой — он просто считает. А аналоговый — он, скажем, когда вы ходите в метро, там у вас карточка, вы прикладываете к терминалу, вот это аналоговый материал.

Н. АСАДОВА — А в чём принцип работы другой? Я не очень понимаю.

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Ну там считывает с карточки дистанционно. И как быстрее считает. Когда 10 000 раз — это имеется в виду, что на графене он бы в 10 000 раз быстрее считал вашу информацию с карточки. То есть когда вы идёте в метро, вы можете подождать секунду, вы никуда не спешите, а когда вам надо много-много данных передать, то тогда каждая секунда…

Н. АСАДОВА — То есть вот эти компьютеры, лэптопы, которые у меня существуют, они не аналоговые…

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Да, они цифровые все.

Н. АСАДОВА — И здесь нам созданный микрочип на базе графена не поможет в данном случае. Это не про это.

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Если откроем щель, то поможет.

Н. АСАДОВА — Но это уже будет другая история.

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Да.

Н. АСАДОВА — Всё понятно. Я напоминаю, что передача «Наука в фокусе», её ведущая Наргиз Асадова и мой сегодняшний гость — Василий Перебейнос, старший преподаватель в Сколтехе, почётный член Американского физического общества, сейчас мы прервёмся на новости и рекламу, а затем вернёмся в эту студию и продолжим наш разговор, никуда не уходите.

РЕКЛАМА

Н. АСАДОВА — 15:35 в Москве. У микрофона по-прежнему Наргиз Асадова. Сегодня в передаче «Наука в фокусе» мы говорим о мире после кремния: как заставить наши компьютеры работать быстрее? Ещё раз представляю моего гостя сегодняшнего. Это Василий Перебейнос, старший преподаватель в Сколтехе, почётный член Американского физического общества. И зачем вообще нам нужны эти сверхмощные, сверхбыстрые компьютеры? — мы задали такой вопрос нашим слушателям и читателям нашего блога на сайте «Эхо Москвы». И вообще задали вопрос так: нужен ли вам сверхмощный, сверхбыстрый компьютер? «Да», — сказали 83% наших слушателей. «Нет», — сказали 14% наших слушателей. В голосовании приняли участие 3000 человек. Так что люди осознают, что им нужны более быстрые компьютеры. И почему они им нужны?

Вот, например, Григорий нам прислал СМС и в частности объяснил, что я вам навскидку могу назвать кучу примеров, когда эти компьютеры нужны: это предсказание погоды, дорожное движение в больших городов, поведение океана, и так далее, и тому подобное. То есть да, действительно, нам в быту такие компьютеры, оказывается, действительно очень нужны. И правильно делают учёные, которые пытаются создать такого рода компьютеры.

Мы в первой части нашей передачи говорили о том, как можно сделать компьютеры более быстрыми на основе чипов, микрочипов на базе графена. Но это не единственный материал, который сейчас находится в разработке. Я знаю как минимум ещё два. Это, в частности, нанотрубки, которыми вы как раз, Василий, занимались в IBM. Расскажи про то, что это такое и каким образом это может ускорить компьютеры.

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Нанотрубки — это графен, который свёрнут в колечко.

Н. АСАДОВА — А зачем вы сворачиваете графен в колечко ещё?

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Чтобы открыть щель. Тогда его можно использовать как полупроводник. Это принципиально. Мы теряем… есть минусы, когда мы его свернули, там возникают другие проблемы технологического плана, потому что их нужно уложить на двумерную решётку, и так далее, и так далее. Но как только мы его свернули, то мы сохраняем подвижность, которая очень быстрая, и он действительно работает быстрее кремния. И у него есть щель. То есть его можно использовать для логических материалов. Конечно, его можно использовать для аналоговых, потому что аналоговая технология более простая. Если я могу сделать на нанотрубках логический элемент, могу и аналоговый сделать. И они тоже могут быть гибкими, и другие достоинства у него есть, как у графена, но там проблема №1, и в кремнии это контактное сопротивление, о котором я уже рассказывал. Как уменьшить, чтобы электрон, перепрыгивая с металла на эту нанотрубку, чтобы он там не задерживался? Потому что если он будет там задерживаться, то смысла не будет.

Н. АСАДОВА — А что, это перегревает прибор, или что? Что происходит физически?

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Физически — да. Он, во-первых, греется, потому что джоулевы потери происходят на контакте. А, во-вторых, он медленее работает, то есть из точки А в точку B дойти у электрона занимает большее время дойти, если у него какой-то барьер. По пешеходному переходу надо перейти.

А так он на зелёный свет пролетел. Разница в этом есть. И поэтому будет медленее работать.

Н. АСАДОВА — Так. И чего вы добились уже в этом направлении?

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Мы объяснили, что если использовать металлы с правильной работой выхода, грубо говоря, такой металл, который бы позволял делать нанотрубку металлически под металлом, то тогда переход этот имел бы наименьший барьер. Проблема в контактах в чем? Что у нас имеются какие-то металлы, которые мы все используем в технологиях — медь или платина, или ещё что-то, но их не так много. Поэтому инженеры пытаются нанести какой-то слой на металл, чтобы изменить его поверхностные свойства, чтобы работу выхода электрона увеличить, и таким образом мы сможем модифицировать электронную структуру нанотрубки, или графена, или того же кремния. Для кремния это решение есть. И над ним очень долго бились десятки лет, что как бы решить эту проблему.

А вот для новых материалов нет. То есть как бы люди, учёные концентрируются на свойствах самого материала, то есть стоит ли вообще задумываться об этом сопротивлении, если материал не очень хороший? Вот, скажем, обсуждали раньше двухмерные транзисторы. Отличный материал, там есть щель. Там вся технология, которая используется в кремнии, может примениться, потому что это двумерны материал. Но проблема — контактное сопротивление. Мы кладем металл, и там барьер такой большой, что очень сложно даже померить бывает. И тут инженерная задача — как модифицировать поверхность металла. Там буквально один слой изменить или два слоя, и тогда можно изменить работу выхода электрона из этого металла в вакуум, и тогда можно уменьшить это сопротивление.

Вот если эта задача будет решена, то тогда мы сможем сделать революционные какие-то продвижения. Потому что все эти материалы, как правило, используются… то, что много в природе, оно дешёвое в производстве, потому что научились делать, растить путём смешивания разных газов, и при высокой температуре эти материалы прямо растут на подложке, потом прогоняешь электронный пучок и режешь микросхемы, рисуешь, как хочешь.

Н. АСАДОВА — Если вы про графен, то одно из его свойств — то, что он самовосстанавливается ещё. Да? Я читала про это. Правильно?

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Да, есть такой момент, что если при высоких температурах, допустим, мы выкинули какой-то углерод, то он может замениться и самовосстановить свои свойства. Сейчас сходятся учёные, скажем, я не буду за всех говорить, но из моей исследовательской работы следует, что в основном это не сами дефекты в графене, а именно примеси, которые рядом находятся. Они имеют заряд, и этот заряд рассеивает электроны, то есть он им не даёт пройти через это графен.

И как убрать эти примеси? Они, как правило, в подложке могут быть. То есть тот кремния оксид, который мы используем, чтобы изменять электрические свойства в этом графене, прикладывая поле через этот кремния оксид, в этом оксиде возникают эти кулоновские центры, которые рассеивают. То есть эта задача чисто технологическая. Есть разные точки зрения, что является доминирующим центром рассеивания. Конечно, если мы берём углерод, то, естественно, будет сильно рассеивать. И то, что учёные показали, то, что вы говорите, что он действительно может самоизлечиться. Это очень хорошее свойство.

Н. АСАДОВА — Вот, смотрите, какие ещё есть направления для создания более быстрых мощных компьютеров? Мы говорили про графен, про нанотрубки из графена же. Есть ли ещё какие-то направления, над которыми сейчас работают основные компании?

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Ну да, это материалы три-пять.

Н. АСАДОВА — Что это такое?

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Это материалы, когда берётся из третьей колонки таблицы Менделеева, пятой колонки таблицы Менделеева, их смешивают, и получается материал, который имеет тоже хорошие свойства, но там проблема такая, что они тяжёлые, и вибрация, то есть фононы в этих материалах, элементарные возбуждения атомов, низкочастотные. И при комнатной температуре становится хуже.

Учёные научились с этим бороться. Там проблема — цена. Это очень дорого. И там тоже есть свои проблемы технологические. То есть над этим работает Intel, IBM, и пытаются решить эти задачи. То есть всё упирается здесь, как дорого это произвести. То есть не надо забывать, что кремнием люди занимались 50 лет. Вначале кремний, когда его изобрели, там были такие ужасные характеристики, что когда научились это делать технологически чисто, чтоб то, что мы сейчас пользуемся, это заняло десятки лет продвинутой… тысячи инженеров над этим работали, то есть об этом не надо забывать. А когда мы говорим — вот, открыли новый материал, там, графен, вот, сколько ему?

Н. АСАДОВА — В 2004 году открыли, в 2010 получили нобелевскую премию.

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Да, 10 лет. А то, что про другие мы упомянули, их открыли ещё раньше. 3-5 давно знают. И там проблемы тоже давно известны. То есть я этим не занимался, не могу как такой эксперт говорить, в чём они именно заключаются. Но это одно из направлений, над которыми работали и Intel, и IBM.

Н. АСАДОВА — А вот нам Виталий из Екатеринбурга пишет вопрос: «Когда и где будет построена суперЭВМ производительностью 1 экзафлопс и выше?». Если вы знаете такие слова, то объясните, потому что я не знаю, что такой экзафлопс.

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Над этим работает IBM, над этим работают другие компании. В IBM есть Blue Jing, который работает по принципу, что много-много медленных компьютеров соединили в кучу, в кластер, и этот кластер из тысячи, десятков тысяч компьютеров, и они все вместе, одновременно.

Н. АСАДОВА — Это всё на базе IBM, или это добровольцы? Вот, есть такие программы, где, знаете, подключают просто добровольцев. «Если вы хотите поучаствовать в таком-то проекте, скачайте себе такую-то программу, и вы будете частью большого проекта» и так далее.

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Это называется клаудкомпьютинг, то есть это в облаке, когда много-много компьютеров везде разбросаны, и между ними связь очень медленная. А в IBM суперкомпьютер — когда они все рядышком стоят, и передача информации между различными объектами очень быстрая. То есть такой ящик размера несколько комнат, и этот ящик работает параллельно. И выдаёт те термины, которые произвёл читатель.

Н. АСАДОВА — То есть в принципе оно уже есть, но посредством соединения многих более медленных?

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Да, оно уже есть, и там конкурируют.

Н. АСАДОВА — А вот тот самый сверхмощный компьютер, который удастся построить с помощью графена, условно говоря, он будет давать такие скорости, как 1 экзафлопс, простите меня за это слово?

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Если удастся сделать один компьютер, то, конечно, их можно сделать и тысячи, использовать те же самые технологии, соединить в один большой. То есть мы сейчас говорим, как сделать, чтобы один работал быстрее. Потому что если у нас есть тысяча, мы их соединили, получили суперкомпьютер, и используем его.

Н. АСАДОВА — Я сейчас ещё телефон для СМС объявлю, +79859704545. Если есть вопросы, присылайте. Как видите, мы тут пытаемся отвечать. А у меня вопрос такой, мы обещали в первой части нашей передачи поговорить об этом, про квантовый компьютер.

То есть я так понимаю, что есть одно направление, когда мы с помощью микроэлектроники пытаемся ускорить работу компьютера, а есть другое направление, когда с помощью программирования можно ускорить его работу.

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Там не программирование. Там абсолютно другой принцип. Принцип компьютеров, который мы используем сейчас, он называется по принципу фон Неймана, то есть когда есть 0 и 1, и как-то они переключаются.

А квантовый компьютер — там нет 0 и 1, там есть 0.3, 0.7, и это всё квантовые состояния. И там мы должны следить за волновой квантовой функцией. Он строится на кубитах, то есть ячейках, которые должны работать вместе. И тогда можно решать определённый класс задач намного быстрее и то, что невозможно никогда будет сделать классическими компьютерами.

Н. АСАДОВА — Можно я так из своих знаний, которые я почерпнула, когда готовилась к этой передаче, вот чтоб было понятно, что сможет делать квантовый компьютер, сейчас, например, криптография, то есть зашифровывание, допустим, вашего кода, доступа, password'а вашей почты строится на том, что перемножаются два огромных простых числа, и то, что получено, это как-то связывается с вашим кодом этим. И для того чтобы узнать, как туда проникнуть, компьютер должен подобрать такие комбинации простых чисел, которые при определении дают то самое большое число.

На это у сегодняшних уходит много десятилетий. Поэтому можно так легко зашифровывать многие вещи. Если появится квантовый компьютер, то всё, уже всякие password'ы от вашей почты уже работать не будут, потому что тогда это можно будет расшифровать очень-очень быстро.

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Да, и, как я слышал, предлагают решения, чтобы и передавать информацию квантовым методом, то есть её тогда нельзя считать. Но это очень большое направление.

Н. АСАДОВА — Кто финансирует это большое направление?

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Как правило, военные. Потому что это очень дорого. Результат этих исследований не определён.

Н. АСАДОВА — Вы говорите — очень дорого. Это сколько? И сколько вообще людей над этим работают. И где эти люди, которые работают над квантовыми компьютерами?

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Я знаю, что в IBM, по-моему, самая большая группа, которая на переходах Джозефсона работает, строит квантовый компьютер, там техническая задача — сделать сотни ячеек. Пока сделали три. И они работают. Но там это финансируют военные, там работает человек 20-30.

Н. АСАДОВА — Математики.

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Алгоритмы другие. Нужны люди, которые будут строить алгоритмы. Там и технические люди, которые с железом работают, чтобы это реализовать в физической системе. Это очень дорогостоящая…

Н. АСАДОВА — Это только в IBM делают, или есть другие компании, которые создают квантовый компьютер?

В. ПЕРЕБЕЙНОС — В университетах работают и в Европе, и в Америке, в разных университетах есть группы, которые этим занимаются. Но чтобы именно над компьютером, насколько мне известно, это только в IBM такая группа финансируется.

Н. АСАДОВА — А почему так вообще сложилось, что вот такого рода исследования крутые — они на базе только IBM, Intel, я просто не слышу даже, других компаний вы не называете. Таких мощных компаний в мире больше нету, или…

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Очень просто. Потому что IBM работало 50 лет над кремнием. И все вот эти лаборатории, на которых IBM обкатывает технологии следующего поколения, они происходят в лаборатории. То есть перед тем как было 45 нм, потом 32, 22. Это всё сначала было в лабораторных условиях. Но это не так, как в университете. Там комната. А там мини-завод. Называется «Microelectronic research lab», то есть научная лаборатория, в которой можно создать, приблизить условия, близкие к промышленным и обкатать просто на маленьких образцах то, что будет на большом заводе делаться.

А построить такую лабораторию стоит порядка 100 млн долларов. Я знаю, в Сколтехе собираются такую строить. И если это удастся, пробить и выделить такого порядка деньги, чтобы можно было обкатывать технологии прямо в Сколтехе, то тогда и Сколтех может брать такие заказы, например, у военных, или откуда-то. Я не знаю. Или у компаний, что давайте мы вам разработаем что-то, но для этого надо обкатать. А если у нас лаборатория, которая есть в любом университете.

Н. АСАДОВА — А какой порядок цифр? Сколько это стоит?

В. ПЕРЕБЕЙНОС — 100-200 млн долларов — построить такой мини-завод.

Н. АСАДОВА — ЭТо дешевле, чем Олимпиада в Сочи, я хочу вам сказать. А по поводу производства графена я слышала, что в Испании есть большой завод по производству графена. А где ещё его производят в промышленных масштабах?

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Чтобы производить в промышленных, надо, чтобы заказчик был промышленный. Пока покупают, если мы говорим… скажем, есть такая компания… в Америке. Её финансирует один из богатых людей в Китае, но она в самой Америке. И они как бы тоже производят. Есть другие старт-апы. Много старт-апов, которые можно заказать, они вам пришлют за несколько тысяч долларов образец, вы его можете мерить и делать, писать статьи и делать публикации на этом.

Но чтоб появилась промышленность, нужно, чтобы был заказчик.

Н. АСАДОВА — Ещё нам вопросы пошли от слушателей. Уже Андрей из Москвы спрашивает: «Скажите что-то о фуллереновых нанотрубках». Тут слова, которые я не знаю.

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Я думаю, что это углеродные нанотрубки, про которые мы говорили. Возможно, фуллерен. Это шарики такие из углерода. Фуллерены были изобретены до нанотрубок. Я думаю, что это об этом идёт речь, о тех углеродных нанотрубках, про которые мы говорили, они же и фуллеренные.

Н. АСАДОВА — Ещё спрашивает Игорь из Москвы: «Как устроен учебный процесс в Сколково?». Или вы только приехали…

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Мне уже объяснили, как он устроен. Он состоит из семестров, то есть по западному образцу, то есть образование такое же, как на западе. Если человек в 1997 году уехал получать образование, то сейчас человек может не уезжать, он может, не отходя, жить в Москве, получать образование по международному стандарту. И там несколько семестров, интенсивный курс по два месяца, где люди получают степень. Есть мастер, то есть это 2 года образования, и PhD программа, то есть там лет 5 человек учится.

И смотря что человек хочет — пойти в индустрию или продолжать академическую карьеру — он выбирает либо ту, либо другую программу. Сейчас всё реально. И есть люди, то есть подавайте, там вас ждут.

Н. АСАДОВА — Ещё Таня спрашивает или утверждает, нет знака препинания в конце, но я поставлю вопрос, позволю себе такую вольность: «А сверхприбыль — это единственный двигатель этих исследований?». Правда, потому что если вы говорите про Intel и про IBM, то понятно, что сверхприбыль — это то, что двигает исследования в этих компаниях. А вот в университетах?

В. ПЕРЕБЕЙНОС — К сожалению, да. В капиталистичеком мире это очень важный… есть, конечно, национальная безопасность, такой элемент, что, скажем, в IBM они не могут раздавать технологии, которые ещё в других странах не открыты. Но в принципе сверхприбыль — это один из движущих факторов больших компаний. В университетах, конечно, сидят учёные, такие как я. Их, конечно, интересует — а как это вообще сделать, чтоб человечество стало поумнее? То есть такой внутренний стержень каждого учёного, я думаю.

Н. АСАДОВА — А скажите, кто чаще делает такие прорывы в науке — учёные, которые в университетах, или учёные, которые работают в лабораториях крупных компаний типа IBM и Intel?

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Понимаете, есть изобретения. Учёный изобрел и написал статью или даже патент. И на этом он остановился. А потом это подхватили и развили. Скажем, что было с транзистором. Его изобрели в Bell Labs, то есть это лаборатория при компании. А потом подхватили Sony, продали в Японию, и появились эти гиганты электроники.

Н. АСАДОВА — Я знаю, что в Стендфорде очень продвинутая лаборатория, которая тоже работает с микроэлектроникой и публикует всё время свои работы в Nature. Вы тоже подхватываете в IBM их работы, или нет? Или вы намного круче и далеко ушли уже, и вас это не интересует?

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Человечество немножко изменилось. Учёные уже начинают думать, как изобретения применить. Это просто дух времени. Скажем, 40 лет назад хотелось полететь в космос, и это было интересно. А сейчас каждый учёный должен думать, а что его изобретение принесёт человечеству. И Сколтех построен именно на этом принципе, чтобы привлечь людей, у которых есть какой-то опыт, и чтобы они это применили на площадке российской или международной, чтобы с базой в России, грубо говоря.

Н. АСАДОВА — Ещё спрашивает Таня из Москвы: «В Черноголовке, кроме ИФТТ, есть Институт проблем микроэлектроники. Есть ли у них подобные работы?».

В. ПЕРЕБЕЙНОС — К сожалению, я приехал только 2 недели назад. И мои первым приоритетом, как только устроиться, решить бытовые проблемы, это поехать в Черноголовку и узнать, что там есть и познакомиться лично.

Н. АСАДОВА — И последний вопрос в этой передаче, а то больше мы не узнаем, вопрос нашего постоянного слушателя Дмитрия Мезенцева: «Как вы видите дальше жизнь без кремния?».

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Кремний останется. Любые новые технологии всё равно будут управляться кремнием. То есть он никуда не денется. Мы уже от него зависим сильно. Но за кремнием быстрее, лучше должны прийти на смену другие технологии.

Н. АСАДОВА — А графен… из того, что мы сегодня проговорили, то графен полуается главным направлением, которое придёт на смену или в дополнение к кремнию, или всё-таки…

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Я бы не стал говорить, что графен. Я бы сказал так — двухмерные системы. Их сейчас очень много, разные исследования. То есть графен — просто революционер. Он первым стал в этом классе материалов. То есть я бы не заострял внимание именно на самом графене, потому что есть… их можно смещать, можно брать графен, можно брать молибденум сульфид и складывать, и делать и для солнечных батарей, вот, есть публикации группы из Манчестера, увеличивать коэффициент изменения солнечной энергии в электрическую.

Н. АСАДОВА — Сейчас очень маленький процент, да?

В. ПЕРЕБЕЙНОС — На кремний, по-моему, порядка 7-10%.

Н. АСАДОВА — Не больше.

В. ПЕРЕБЕЙНОС — То есть если сделать 30%, то это становится интересным. То есть применение двухмерных..

Н. АСАДОВА — А черный фосфор, есть такой материал — это тоже относится к двухмерным…

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Да, чёрный фосфор тоже относится. Это недавнее изобретение. Там есть щель, такая примерно, как нужна. То же самое, что графен, но только вместо графена фосфор.

Н. АСАДОВА — Всё понятно. К сожалению, наша передача всё-таки подошла к концу. Всё, что могли, мы вам рассказали, заглянули немножечко в будущее. И в этом нам помог наш гость Василий Перебейнос, старший преподаватель в Сколтехе, почётный член Американского физического общества. С вами была Наргиз Асадова, я с вами прощаюсь уже практически на месяц, потому что я уезжаю на этот раз в отпуск. Но мой коллега Егор Быковский в следующее воскресенье будет с вами и будет рассказывать очередные интересные вещи про науку. Всего доброго и до встречи.

В. ПЕРЕБЕЙНОС — Спасибо.

В Южной Корее научились выращивать идеально ровные листы графена - Наука

ТАСС, 25 августа. Химики из Южной Кореи создали новую методику, которая позволяет получать крупные листы графена без каких-либо дефектов. Описание исследования опубликовал научный журнал Nature.

"Нашу методику выращивания графена можно легко воспроизводить. Все пять образцов медно-никелевой фольги, на поверхности которых выращивался графен, позволяют производить абсолютно одинаковые по размерам и свойствам пленки этого материала. Более того, применяемая нами методика позволяет очень быстро отделять графен от подложки, на что уходит меньше минуты", – рассказала Ван Мэйхуэй, один из авторов исследования, научный сотрудник Института фундаментальных наук Кореи.

В последние годы графен и другие "плоские" материалы начали применяться в различных высокотехнологичных областях. Их более широкому использованию пока мешает то, что химикам не удавалось создать такую методику производства этих материалов, которая бы позволяла производить крупные листы графена и его аналогов, лишенные существенного числа разрывов, складок и других дефектов.

Ван Мэйхуэй и ее коллеги разработали относительно простую и надежную процедуру выращивания крупных листов графена с нулевым уровнем дефектов, готовую к работе в промышленных масштабах. Им удалось решить эту задачу благодаря тому, что корейские химики впервые применили для выращивания графена другой необычный материал - монокристаллический сплав меди и никеля.

Полное избавление от дефектов

Тонкая фольга из этого соединения, как обнаружили химики, обладает идеально ровной поверхностью, лишенной существенных неровностей. Ученые предположили, что это может заметно снизить вероятность появления разрывов, наслоений, складок и прочих дефектов в структуре листов графена при осаждении атомов углерода на поверхность металла и охлаждении двумерного материала.

Как показали последующие опыты, это действительно так, однако для выращивания идеально качественного графена необходимо поддерживать определенную температуру среды, которая составляет от 726 до 756 °С. В таком случае складки и другие дефекты не появляются на поверхности даже очень больших листов двумерного материала, чья длина и ширина составляет около 5-7 см.

Для проверки работоспособности этой технологии ученые изготовили пять образцов фольги из монокристаллического сплава меди и никеля, после чего вырастили на них пленки из графена и использовали их для создания полевых транзисторов. Как показали испытания этих приборов, все они обладали одинаковыми свойствами, чего невозможно добиться при применении графена с большим числом дефектов.

Как надеются Ван Мэйхуэй и ее коллеги, разработанная ими методика производства графена откроет дорогу для применения двумерного углерода в электронике и массе других областей науки и техники, в том числе при изучении потенциально сверхпроводящих свойств многослойных структур из нескольких листов графена.

Графен - что это?

Понимание графена

Графен - это однослойный (монослой) атомов углерода, прочно связанных в гексагональной сотовой решетке. Это аллотроп углерода в виде плоскости атомов с sp2-связями с длиной молекулярной связи 0,142 нанометра. Слои графена, наложенные друг на друга, образуют графит с межплоскостным расстоянием 0,335 нанометра. Отдельные слои графена в графите удерживаются вместе силами Ван-дер-Ваальса, которые могут быть преодолены при отслоении графена от графита.3 Вт · м − 1 · K − 1), а также лучший из известных проводников электричества (исследования показали подвижность электронов при значениях более 200 000 см2 · В − 1 · с − 1). Другими примечательными свойствами графена являются его равномерное поглощение света в видимой и ближней инфракрасной частях спектра (πα ≈ 2,3%) и его потенциальная пригодность для использования в переносе спинов.

Имея это в виду, можно удивиться, узнав, что углерод является вторым по распространенности элементом в теле человека и четвертым по распространенности элементом во Вселенной (по массе) после водорода, гелия и кислорода.Это делает углерод химической основой всей известной жизни на Земле, что делает графен потенциально экологически чистым и устойчивым решением для почти неограниченного числа применений. С момента открытия (или, точнее, получения механическим способом) графена, применение в различных научных дисциплинах резко возросло, и огромные успехи были достигнуты, в частности, в высокочастотной электронике, био, химических и магнитных датчиках, фотодетекторах со сверхширокой полосой пропускания и энергетике. хранение и генерация.

Проблемы производства графена

Изначально единственным методом изготовления графена большой площади был очень дорогой и сложный процесс (химического осаждения из паровой фазы, CVD), который включал использование токсичных химикатов для выращивания графена в виде монослоя путем воздействия этилена на платину, никель или карбид титана. или бензол при высоких температурах. Альтернативы использованию кристаллической эпитаксии на чем-либо, кроме металлической подложки, не было. Эти производственные проблемы сделали графен изначально недоступным для исследований и коммерческого использования.Кроме того, использованию графена CVD в электронике мешала сложность удаления слоев графена с металлической подложки без повреждения графена.

Однако исследования 2012 года показали, что, анализируя межфазную адгезионную энергию графена, можно эффективно отделить графен от металлической платы, на которой он выращивается, а также теоретически можно многократно повторно использовать плату для будущих приложений. следовательно, уменьшая токсичные отходы, ранее образовавшиеся в этом процессе.Кроме того, качество графена, выделенного этим методом, было достаточно высоким для создания молекулярных электронных устройств.

Исследования в области выращивания CVD-графена с тех пор прогрессируют скачкообразно, что сделало качество графена беспроблемным для технологического внедрения, которое теперь регулируется стоимостью лежащей в основе металлической подложки. Тем не менее, исследования все еще проводятся, чтобы последовательно производить графен на нестандартных подложках с контролем над примесями, такими как рябь, уровни легирования и размер домена, а также контролировать количество и относительную кристаллографическую ориентацию графеновых слоев.

Приложения

Для продвижения исследований графена к промышленным приложениям требуются скоординированные усилия, такие как проект Graphene Flagship стоимостью миллиард евро. После первого этапа, который длился несколько лет, исследователи Flagship разработали усовершенствованную дорожную карту приложений графена, в которой указаны наиболее многообещающие области применения: композиты, энергетика, телекоммуникации, электроника, датчики и визуализация, а также биомедицинские технологии.

Возможность создавать суперконденсаторы из графена, возможно, станет крупнейшим шагом в электронной инженерии за долгое время.Хотя разработка электронных компонентов за последние 20 лет развивалась очень высокими темпами, решения для накопления энергии, такие как батареи и конденсаторы, были основным ограничивающим фактором из-за размера, мощности и эффективности (большинство типов батарей очень неэффективны. , а конденсаторов тем более). Например, литий-ионные батареи сталкиваются с компромиссом между плотностью энергии и плотностью мощности.

В ходе начальных испытаний графеновые суперконденсаторы с лазерной разметкой (LSG) продемонстрировали плотность мощности, сравнимую с плотностью мощности мощных литий-ионных батарей, которые используются сегодня.Более того, суперконденсаторы LSG очень гибкие, легкие, быстро заряжаемые, тонкие и, как упоминалось ранее, сравнительно очень недорогие в производстве.

«Возможности того, что мы можем достичь с помощью материалов и знаний, которые у нас есть, широко раскрыты»

Графен также используется не только для увеличения емкости и скорости заряда батарей, но и для увеличения срока их службы. В настоящее время, хотя такие материалы, как литий, способны накапливать большое количество энергии, это потенциальное количество уменьшается при каждой зарядке или перезарядке из-за износа электродов.С оксидом графена и олова в качестве анода в литий-ионных батареях, например, батареи служат намного дольше между зарядками (потенциальная емкость увеличилась в 10 раз) и почти без уменьшения емкости между зарядками, что позволяет эффективно использовать такие технологии, как электронное питание. Транспортные средства станут гораздо более жизнеспособным транспортным решением в будущем. Это означает, что батареи (или конденсаторы) могут быть разработаны так, чтобы работать намного дольше и с большей емкостью, чем предполагалось ранее. Кроме того, это означает, что электронные устройства можно заряжать за секунды, а не за минуты или часы, и они значительно увеличивают срок службы.

Исследователи из Graphene Flagship также изучают способы использования графена для улучшения выработки энергии, включая усовершенствование перовскитных солнечных элементов (PSC), многообещающих солнечных источников энергии следующего поколения с очень высокой эффективностью. Ведущие исследователи добились отличных успехов в увеличении срока службы и производительности PSC при одновременном снижении стоимости производства PSC. Добавление разделительного слоя из восстановленного оксида графена к PSC привело к дешевому производству PSC с эффективностью 20%, сохраняющейся до 95% после 1000 часов работы.Пилотная производственная линия и солнечная электростанция из графен-перовскита мощностью 1 кВт находятся в разработке на следующий период.

Использование графена для накопления энергии наиболее широко исследуется благодаря использованию графена в современных электродах. Комбинация наночастиц графена и кремния привела к получению анодов, которые сохраняют 92% своей энергоемкости в течение 300 циклов заряда-разряда, с высокой максимальной емкостью 1500 мАч на грамм кремния. Достигнутые значения плотности энергии намного выше 400 Втч / кг. На следующем флагманском этапе проект Spearhead будет сосредоточен на доиндустриальном производстве литий-ионной батареи на основе кремния и графена.Кроме того, был разработан инструмент для нанесения покрытия распылением на графен, позволяющий крупномасштабное производство тонких пленок графена, которые использовались, например, для производства суперконденсаторов с очень высокой плотностью мощности.

Еще одно применение графена по аналогии с теми, о которых говорилось ранее, - это краска. Графен очень инертен и поэтому может действовать как коррозионный барьер между кислородом и диффузией воды. Это может означать, что будущие транспортные средства могут быть сделаны устойчивыми к коррозии, поскольку графен может быть выращен на любой металлической поверхности (при правильных условиях).Благодаря своей прочности, графен в настоящее время также разрабатывается как потенциальная замена кевлару в защитной одежде, и в конечном итоге он будет использоваться в производстве транспортных средств и, возможно, даже в качестве строительного материала.

Графен долгое время считался идеальным канальным материалом для гибкой радиочастотной (RF) электроники. Радиочастоты и даже терагерцовые приложения постоянно продвигаются вперед с продемонстрированным микроволновым приемником для сигналов до 2.45 ГГц, гибкий ТГц детектор и демонстрация эффективного охлаждения наноэлектронных устройств на основе графена с использованием гиперболического фононного охлаждения. Гибкая природа графена позволяет использовать различные электронные устройства на гибких подложках, такие как, например, гибкие, полностью твердотельные суперконденсаторы на основе графена, переносные сенсорные панели, тензодатчики и трибоэлектрические датчики с автономным питанием, все из которых недавно были продемонстрированы, с приложениями. такие как гибкие и надежные устройства с туш-экраном, такие как мобильные устройства и наручные часы, уже не за горами.

Помимо этих краткосрочных приложений, можно ожидать складных телевизоров и телефонов и, в конечном итоге, гибких электронных газет, содержащих интересные публикации, которые можно обновлять с помощью беспроводной передачи данных. Поскольку графен чрезвычайно прозрачен, ожидается, что он станет компонентом интеллектуальных (и чрезвычайно прочных) окон в домах с (потенциально) виртуальными шторами или возможностью отображения контента.

Оптическая связь стала основой эпохи Интернета и, как ожидается, будет иметь не меньшее значение для развивающихся сетей 5G.Современные средства связи основаны на оптических каналах связи, по которым информация передается со скоростью света, а также на таких схемах, как фотодетекторы и модуляторы, которые способны кодировать большой объем информации в эти световые лучи. Хотя кремний является предпочтительным материалом для фотонных волноводов на оптических микросхемах, фотодетекторы изготавливаются из других полупроводников, таких как GaAs, InP или GaN, поскольку кремний прозрачен на стандартных длинах волн телекоммуникационного оборудования. Интеграция этих других полупроводников с кремнием затруднена, что усложняет процессы производства и увеличивает расходы.Кроме того, управление температурным режимом становится проблемой, поскольку фотонные устройства продолжают сжиматься, потребляя больше энергии.

Графен является многообещающим материалом для фотодетекторов телекоммуникационного оборудования, поскольку он поглощает свет в широком диапазоне частот, включая стандартные длины волн телекоммуникационного телевидения. Он также совместим с технологией CMOS, что означает, что он может быть технологически интегрирован с кремниевой фотоникой. Кроме того, графен является отличным проводником тепла, обещая снижение потребления тепла фотонными устройствами на основе графена.По этим причинам графен для оптических коммуникаций был интенсивной областью исследований, которые в настоящее время получают результаты в виде полностью работающих прототипов.

В 2016 году полоса пропускания графеновых фотоприемников достигла 65 ГГц с использованием pn-переходов графен / кремний с потенциальной скоростью передачи ~ 90 Гбит / с -1 . Уже в 2017 году графеновые фотоприемники с полосой пропускания более 75 ГГц были изготовлены на технологической линии 6-дюймовых пластин. Эти рекордные устройства были продемонстрированы на Всемирном мобильном конгрессе в Барселоне в 2018 году, где посетители могли испытать первый в мире полностью графеновый оптический канал связи, работающий со скоростью передачи данных 25 Гбит / с -1 на канал.В этой демонстрации все активные электрооптические операции выполнялись на графеновых устройствах. Графеновый модулятор обрабатывал данные на передающей стороне сети, кодируя электронный поток данных в оптический сигнал. На стороне приемника графеновый фотодетектор делал противоположное, преобразовывая оптическую модуляцию в электронный сигнал. Устройства были изготовлены из графена Graphenea CVD и представлены в Graphene Pavilion.

Графен, полученный методом химического осаждения из паровой фазы (CVD), станет краеугольным камнем будущих сенсоров на основе графена, химических, биологических и других типов.Двумерная природа материала обеспечивает существенные преимущества для сенсорных приложений, поскольку весь объем материала действует как чувствительная поверхность. Кроме того, графен обеспечивает превосходную механическую прочность, тепловую и электрическую проводимость, компактность и потенциально низкую стоимость, что необходимо для конкуренции на переполненном рынке датчиков.

Датчики газа / пара

на основе графена в последние годы привлекли к себе большое внимание благодаря разнообразию структур, уникальным характеристикам чувствительности, условиям работы при комнатной температуре и огромным возможностям применения.Помимо водяного пара, графен использовался для определения газов, таких как NH 3 , NO 2 , H 2 , CO, SO 2 , H 2 S, а также паров летучих органических соединений. , что привело к резкому увеличению числа научных публикаций по этой теме. Графен также использовался для обнаружения следов опиоидов в концентрациях до 10 пикограммов на миллилитр жидкости.

Это множество благоприятных свойств привело к широкому спектру исследований использования графена для биочувствительности.Особенно интересными конфигурациями являются графеновые полевые транзисторы (GFET) и усиленный графеном поверхностный плазмонный резонанс (SPR). Эти типы графеновых сенсоров использовались для обнаружения ДНК, белков, глюкозы и бактерий. С использованием GFET были изготовлены биосенсоры с пределом обнаружения 10 пг / мл для молекул опиоидов.

Графен также является технологией, позволяющей создавать новые гибкие датчики магнитного поля. Рынок датчиков магнитного поля постоянно растет, его размер оценивается в 4 доллара США.16 миллиардов в 2022 году. Многоцелевые датчики магнитного поля, такие как определение положения, текущий контроль, определение скорости и определение углов, открывают доступ к широкому спектру отраслей, таких как автомобилестроение, бытовая электроника, здравоохранение и оборона. Наиболее распространенный тип магнитных датчиков использует эффект Холла, создание разности потенциалов на электрическом проводнике при приложении магнитного поля.

Ключевым фактором для определения чувствительности датчиков Холла является высокая подвижность электронов.Таким образом, графен представляет собой очень интересный материал для этого приложения, с измеренной подвижностью носителей более 200 000 см 2 V -1 s -1 . Графеновые датчики Холла с чувствительностью по току до 5700 V / AT и чувствительностью по напряжению до 3 V / VT были продемонстрированы в графене, инкапсулированном в нитрид бора. Такие характеристики превосходят современные кремниевые датчики и датчики Холла III / V с магнитным разрешением всего 50 нТл / √Гц. Текущий практический предел чувствительности графеновых устройств Холла на стандартных промышленных пластинах составляет около 3000 В / ат.Для сравнения, современные датчики Холла из традиционных CMOS-совместимых материалов имеют чувствительность порядка ~ 100 В / АТ. Даже гибкие графеновые датчики Холла, изготовленные на каптоновой ленте, достигают чувствительности, аналогичной жестким кремниевым датчикам Холла.

Комбинируя некоторые из этих вышеупомянутых потенциальных применений, можно вообразить дальновидные приложения, такие как автомобильные системы безопасности, которые связаны с краской на транспортном средстве - автомобильная сигнализация не только сможет определить, если кто-то прикасается к транспортному средству, но и сможет. для записи этой информации и отправки ее на смартфон владельца в режиме реального времени.Такую «умную краску» можно также использовать для анализа дорожно-транспортных происшествий с целью определения начальных пятен контакта и вытекающего из этого рассеяния энергии.

Скоро на рынке появится одежда, содержащая фотоэлектрические элементы и суперконденсаторы с графеновым покрытием, а это означает, что мы сможем заряжать наши мобильные телефоны и планшетные компьютеры за считанные минуты (возможно, даже за секунды), идя в школу или на работу. Возможно, мы даже увидим специальную одежду, обеспечивающую защиту от нежелательного контакта с использованием электрического разряда.

Устройство смены правил

Таким образом, это открытие профессора физики и его аспиранта в лаборатории в Манчестере, где они использовали кусок графита и немного скотча, полностью изменило то, как мы смотрим на потенциальные пределы наших способностей как ученых, инженеров и изобретателей. . Возможности того, чего мы можем достичь с помощью имеющихся у нас материалов и знаний, были широко раскрыты, и теперь можно представить себе такие удивительные перспективные ситуации, как молниеносные, но сверхмалые компьютеры, плащи-невидимки, смартфоны, которые существуют в последние недели. между зарядками и компьютерами, которые мы можем сложить и носить в карманах, куда бы мы ни пошли.

Определение графена по Merriam-Webster

график · ene | \ ˈGra-ˌfēn \

: чрезвычайно электропроводящая форма элементарного углерода, состоящая из одного плоского листа атомов углерода, расположенных в повторяющейся гексагональной решетке.

Что такое графен? - Определение из Техопедии

Что означает графен?

Графен представляет собой двумерный аллотроп углерода с атомами углерода, расположенными в двумерной сотовой решетке.Впервые он был изолирован в 2004 году и представляет собой чрезвычайно тонкий материал, гибкий и прозрачный. Это один из самых прочных материалов в настоящее время, а расположение карбона придает ему привлекательные и необычные характеристики. По этим причинам это один из самых многообещающих наноматериалов, который рассматривается в широком спектре приложений, от оптики до электроники.

"Техопедия" объясняет графен

Из-за прочных связей и непрерывного рисунка между атомами углерода графен считается самым прочным материалом в настоящее время.Поскольку носители заряда в графене имеют небольшую эффективную массу; они обладают привлекательными электрическими и тепловыми свойствами по сравнению с электронными устройствами. Электрические свойства включают оптическую прозрачность, высокую токонесущую способность и высокую подвижность или скорость носителей. Тепловые свойства включают высокую теплопроводность и высокую механическую прочность. Графен проводит электричество с электронами, движущимися значительно быстрее, чем кремний, с меньшим количеством прерываний. Он также является отличным проводником тепла и является проводящим независимо от температуры.Двумерная структура графена улучшает электростатику, необходимую для транзисторов. По весу графен прочнее стали.

Механическое расслоение от объемного графита и графитизация эпитаксиально выращенных кристаллов SiC - два основных метода производства, используемых для графена. Первый метод включает отслаивание слоистого графита, он прост по своей природе и позволяет получать отдельные слои графена. Второй метод включает воздействие на кристаллы SiC температур выше 2350 ° F (1300 ° C), что приводит к испарению менее прочно удерживаемых атомов кремния с поверхности.

Графен используется во множестве приложений и в разных областях. Графен используется для увеличения емкости и скорости заряда аккумуляторов. Это также может косвенно увеличить срок службы батарей. Графен адаптируется ко многим текущим и планируемым применениям углеродных нанотрубок. Поскольку для перемещения электронов между слоями требуется меньше световой энергии, исследуются возможности использования графена в солнечных элементах. Также рассматривается возможность использования в таких технологиях, как транзисторы и прозрачные экраны.

Simple English Wikipedia, бесплатная энциклопедия

Графен представляет собой сотовую решетку атомного масштаба, состоящую из атомов углерода.

Графен - одна из форм углерода. Подобно алмазам и графиту, формы (или «аллотропы») углерода имеют разные кристаллические структуры, и это придает им разные свойства. Графен - это основная 2D (двумерная) форма ряда трехмерных аллотропов, таких как графит, древесный уголь, фуллерен и углеродные нанотрубки.

Термин графен был придуман как комбинация графита и суффикса «-ен» Ханнсом-Петером Боем, [1] , который описал однослойные углеродные фольги в 1962 году. [2] Графен похож на сотовую структуру или структуру «проволочную сетку», состоящую из атомов углерода и их связей. Графит - это множество листов графена, сложенных вместе.

Три миллиона листов графена, сложенные стопкой для образования графита, будут иметь толщину всего один миллиметр.

Нобелевская премия по физике за 2010 год была присуждена сэру Андре Гейму и сэру Константину Новоселову «за новаторские эксперименты, касающиеся двумерного материала графена». [3]

Графеновые суперконденсаторы - одно из возможных приложений.

Международная группа из Манчестерского университета создала мембрану из оксида графена. Они показали, что он блокирует многие газы и жидкости, но пропускает воду. Сэр Андре Гейм сказал: «Газообразный гелий трудно остановить. Он медленно просачивается даже через оконное стекло толщиной в миллиметр, но наши ультратонкие пленки полностью блокируют его. В то же время вода беспрепятственно испаряется через них. ". [4]

Мембраны из графена сделают довольно хорошие пробки для пуль.Исследования показывают, что слой толщиной в атом поглощает удары лучше, чем сталь. Исследовательская группа предполагает, что объединение графена с одним или несколькими дополнительными материалами для формирования композита может быть шагом вперед. [5] [6]

1. Внутренняя структура

Внутренняя структура графеновой батареи очень похожа на структуру стандартной литий-ионной батареи. Есть 2 электрода и раствор электролита для обеспечения протекания заряда. Разница в том, что один из электродов в батареях на основе графена, в основном катод, заменен гибридным композитным материалом (твердотельный металл + графен), используемым вместо стандартного твердотельного металла [7]

2.Преимущества

Меньшая, более тонкая батарея: Графен, будучи двумерным материалом, представляет собой всего лишь один слой атомов. Чтобы лучше понять это, когда вы складываете 3 миллиона слоев графена, вы получаете толщину 1 мм. Это означает, что графен позволит смартфонам быть тоньше, чем когда-либо, освободит больше места для дополнительной электроники и позволит устанавливать батареи большей емкости. [8]

Более высокая емкость: Графен имеет более высокую энергоемкость при том же размере по сравнению с литий-ионными батареями.В то время как литий-ионные батареи, как известно, могут хранить до 180 Втч на килограмм, батареи на основе графена способны хранить до 1000 Втч на килограмм. Таким образом, графеновый аккумулятор того же размера имеет большую емкость заряда, чем литий-ионные или другие обычно используемые батареи. [8]

Более быстрое время зарядки: Графен является отличным проводником электричества. Его двухмерная сотовая структура не оказывает никакого сопротивления потоку электронов. Таким образом, он может быстро заряжаться, а также обеспечивать большую выносливость по сравнению с литий-ионными батареями. [7]

Изобретение графена привело к получению множества патентов на его практическое применение. [9] В 2013 году было набрано:

  1. Китайские предприятия: 2204
  2. Юридические лица в США: 1,754
  3. Южнокорейские юридические лица: 1,160
  4. Объекты в Великобритании: 54

Южнокорейский гигант электроники Samsung выделяется как компания, имеющая наибольшее количество патентов на графен. [9]

Графен | химия | Британника

Полная статья

Раскройте науку о графеновых мембранах для опреснения воды

Мембраны из нанопористого графена можно использовать для опреснения воды.Молекулы воды проходят через поры, а ионы соли поворачиваются обратно.

© Массачусетский технологический институт (партнер по изданию Britannica) См. Все видео для этой статьи

Графен , двумерная форма кристаллического углерода, либо один слой атомов углерода, образующих сотовую (гексагональную) решетку, либо несколько спаренные слои этой сотовой структуры. Слово графен , когда используется без указания формы (например, двухслойный графен, многослойный графен), обычно относится к однослойному графену.Графен является исходной формой всех графитовых структур углерода: графита, который представляет собой трехмерный кристалл, состоящий из относительно слабо связанных слоев графена; нанотрубки, которые можно представить в виде свитков графена; и бакиболлы, сферические молекулы, сделанные из графена с некоторыми шестиугольными кольцами, замененными пятиугольными кольцами.

Первые исследования графена

Теоретическое изучение графена было начато в 1947 году физиком Филипом Р. Уоллесом как первый шаг к пониманию электронной структуры графита.Термин графен был введен химиками Ханнсом-Питером Боем, Ральфом Сеттоном и Эберхардом Штумппом в 1986 году как комбинация слова графит , относящегося к углероду в его упорядоченной кристаллической форме, и суффикса -ене , относящегося к до полициклических ароматических углеводородов, в которых атомы углерода образуют гексагональные или шестигранные кольцевые структуры.

В 2004 году физики из Манчестерского университета Константин Новоселов и Андре Гейм с коллегами выделили однослойный графен, используя чрезвычайно простой метод отслаивания от графита.В их «методе скотча» использовалась клейкая лента для удаления верхних слоев с образца графита и последующего нанесения слоев на материал подложки. После снятия ленты на подложке осталось немного графена в однослойном виде. На самом деле получение графена само по себе не является сложной задачей; Каждый раз, когда кто-то рисует карандашом на бумаге, карандашный след содержит небольшую долю однослойного и многослойного графена. Достижением манчестерской группы было не только выделение хлопьев графена, но и изучение их физических свойств.В частности, они продемонстрировали, что электроны в графене обладают очень высокой подвижностью, а это означает, что графен может быть использован в электронных приложениях. В 2010 году Гейм и Новоселов были удостоены Нобелевской премии по физике за свои работы.

В этих первых экспериментах подложкой для графена был кремний, естественно покрытый тонким прозрачным слоем диоксида кремния. Оказалось, что однослойный графен создает оптический контраст с диоксидом кремния, достаточно сильный, чтобы сделать графен видимым под стандартным оптическим микроскопом.У такой видимости есть две причины. Во-первых, электроны в графене очень сильно взаимодействуют с фотонами видимого света, поглощая около 2,3% интенсивности света на атомный слой. Во-вторых, оптический контраст сильно усиливается интерференционными явлениями в слое диоксида кремния; это те же явления, которые создают цвета радуги в тонких пленках, таких как мыльная пленка или масло на воде.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Электронная структура графена

Основная электронная структура графена и, как следствие, его электрические свойства очень своеобразны.Применяя напряжение затвора или используя химическое легирование адсорбированными атомами и молекулами, можно создать электронную или дырочную (область, где отсутствует электрон, который действует как положительный электрический заряд) проводимость в графене, аналогичную проводимости, создаваемой в полупроводниках. . Однако в большинстве полупроводников есть определенные энергетические уровни, на которых электроны и дырки не имеют разрешенных квантовых состояний, и, поскольку электроны и дырки не могут занимать эти уровни, для определенных напряжений затвора и типов химического легирования полупроводник действует как изолятор.С другой стороны, графен не имеет изоляторного состояния, и проводимость остается конечной при любом легировании, включая нулевое. Существование этой минимальной проводимости для нелегированного случая - разительное отличие графена от обычных полупроводников. Состояния электронов и дырок в графене, имеющие отношение к транспорту носителей заряда, аналогичны состояниям ультрарелятивистских квантовых частиц, то есть квантовых частиц, движущихся со скоростью света (предельная скорость в природе, согласно теории относительности).

Сотовая решетка графена фактически состоит из двух подрешеток, обозначенных A и B, так что каждый атом в подрешетке A окружен тремя атомами подрешетки B и наоборот. Это простое геометрическое расположение приводит к тому, что электроны и дырки в графене обладают необычной степенью внутренней свободы, обычно называемой псевдоспином. Фактически, делая аналогию более полной, псевдоспин имитирует спин или внутренний угловой момент субатомных частиц. В рамках этой аналогии электроны и дырки в графене играют ту же роль, что и частицы и античастицы (например,ж., электроны и позитроны) в квантовой электродинамике. Однако в то же время скорость электронов и дырок составляет всего около 1/300 скорости света. Это делает графен испытательным стендом для физики высоких энергий: некоторые квантовые релятивистские эффекты, которые трудно достижимы в экспериментах с субатомными частицами с использованием ускорителей частиц, имеют явные аналоги в физике электронов и дырок в графене, которые легче измерить и изучить, потому что их более низкой скорости. Примером может служить парадокс Клейна, в котором ультрарелятивистские квантовые частицы, вопреки интуиции, легко проникают через очень высокие и широкие энергетические барьеры.Таким образом, графен обеспечивает мост между материаловедением и некоторыми областями фундаментальной физики, такими как релятивистская квантовая механика.

Что такое графен? Вот что вы должны знать

Технологический прогресс определяет ход истории. Бронза и железо были настолько важны для распространения древних обществ, что в их честь названы целые эпохи. С ростом американской сталелитейной промышленности железнодорожные пути простирались от Атлантического до Тихого океана, металлические жилы, по которым текла кровь нации.Кремниевые полупроводники способствовали развитию компьютеров и величайшему всплеску информационных технологий со времен печатного станка. Эти материалы повлияли на развитие общества и помогли определить, какие страны доминируют в геополитике.

Дополнительная литература

Сегодня новый материал может изменить будущее. Графен, получивший название «сверхматериал», заставляет исследователей во всем мире лучше понять его. Длинный список чудесных свойств графена делает его почти волшебным, но он может иметь очень реальные и решительные последствия для будущего физики и инженерии.

Что такое графен?

Самый простой способ описать графен - это то, что это один тонкий слой графита - мягкого хлопьевидного материала, используемого в грифеле карандаша. Графит представляет собой аллотроп элемента углерода, что означает, что он содержит те же атомы, но они расположены по-другому, что придает материалу разные свойства. Например, и алмаз, и графит являются формами углерода, но имеют совершенно разную природу. Алмазы невероятно прочные, а графит хрупкий.Атомы графена расположены гексагонально.

Атомы графена расположены в виде сот. Alex LMX / Shutterstock

Интересно, что когда графен изолирован от графита, он приобретает некоторые чудесные свойства. Это первый из когда-либо обнаруженных двумерных материалов толщиной всего в один атом. Несмотря на это, графен также является одним из самых прочных материалов в известной Вселенной. Имея предел прочности на разрыв 130 ГПа (гигапаскалях), он более чем в 100 раз прочнее стали.

Невероятной силы графена, несмотря на его такую ​​тонкость, уже достаточно, чтобы сделать его удивительным, однако его уникальные свойства на этом не заканчиваются. Он также гибкий, прозрачный, обладает высокой проводимостью и, по-видимому, непроницаем для большинства газов и жидкостей. Кажется, что нет области, в которой графен не преуспел бы.

История графена: рулон ленты и мечта

Количество графита было известно давно (люди использовали его с эпохи неолита).Его атомная структура хорошо задокументирована, и долгое время ученые размышляли, можно ли изолировать отдельные слои графита. Однако до недавнего времени графен был просто теорией, поскольку ученые не были уверены, удастся ли когда-нибудь разрезать графит на один лист толщиной с атом. Первый изолированный образец графена был обнаружен в 2004 году Андре Геймом и Константином Новоселовым в Манчестерском университете. Можно было ожидать, что они выделили легендарное вещество с помощью какого-то массивного дорогостоящего механизма, но инструмент, который они использовали, был забавно прост: рулон скотча.

При использовании ленты для полировки большого блока графита исследователи заметили на ней исключительно тонкие хлопья. Продолжая снимать слой и слой с чешуек графита, они в конечном итоге сделали образец настолько тонким, насколько это возможно. Они нашли графен. Открытие было настолько странным, что научный мир поначалу был настроен скептически. Популярный журнал Nature даже дважды отклонял их статью об эксперименте. В конце концов их исследование было опубликовано, а в 2010 году Гейм и Новоселов были удостоены Нобелевской премии по физике за свое открытие.

Возможные области применения

Если бы графен обладал лишь одной из многих превосходных черт, он стал бы предметом интенсивных исследований на предмет потенциальных применений. Будучи таким замечательным во многих отношениях, графен вдохновил ученых на мысль о широком спектре применений этого материала в столь разных областях, как потребительские технологии и наука об окружающей среде.

Гибкая электроника

BONNINSTUDIO / Shutterstock

BONNINSTUDIO / Shutterstock

Помимо своих мощных электрических свойств, графен также очень гибкий и прозрачный.Это делает его привлекательным для использования в портативной электронике. Смартфоны и планшеты могли бы стать намного более прочными, используя графен, и, возможно, их даже можно было бы сложить, как бумагу. В последнее время растет популярность носимых электронных устройств. С графеном эти устройства можно было бы сделать еще более полезными, они могли бы плотно прилегать к конечностям и сгибаться, чтобы приспособиться к различным формам упражнений.

Однако гибкость и микроскопическая ширина графена

открывают возможности, выходящие за рамки обычных потребительских устройств.Это также может быть полезно в биомедицинских исследованиях. Небольшие машины и датчики могут быть сделаны из графена, способного легко и безвредно перемещаться по человеческому телу, анализировать ткани или даже доставлять лекарства в определенные области. Углерод уже является важнейшим ингредиентом человеческого тела; добавление небольшого количества графена может не повредить.

Солнечные элементы / фотогальваника

Педросала / Shutterstock

Педросала / Shutterstock

Графен обладает высокой проводимостью и прозрачен.Таким образом, он имеет большой потенциал в качестве материала для солнечных батарей. Обычно в солнечных элементах используется кремний, который производит заряд, когда фотон попадает в материалы, выбивая свободный электрон. Кремний выделяет только один электрон на попадающий в него фотон. Исследования показали, что графен может выделять несколько электронов для каждого фотона, который на него попадает. Таким образом, графен может намного лучше преобразовывать солнечную энергию. Вскоре более дешевые и более мощные графеновые ячейки могут вызвать резкий скачок в использовании возобновляемых источников энергии.

Фотоэлектрические свойства

Graphene также означают, что его можно использовать для разработки более совершенных датчиков изображения для таких устройств, как камеры.

Полупроводники

Торсак Таммачоте / Shutterstock

Торсак Таммачоте / Shutterstock

Благодаря своей высокой проводимости, графен может использоваться в полупроводниках для значительного увеличения скорости распространения информации. Недавно министерство энергетики провело тесты, которые продемонстрировали, что полупроводящие полимеры проводят электричество намного быстрее, если их поместить поверх слоя графена, чем слоя кремния.Это верно, даже если полимер толще. Полимер толщиной 50 нанометров, помещенный поверх графенового слоя, проводил заряд лучше, чем 10-нанометровый слой полимера. Это противоречило прежней мудрости, согласно которой чем тоньше полимер, тем лучше он может проводить заряд.

Самым большим препятствием для использования графена в электронике является отсутствие в нем запрещенной зоны, зазора между валентной зоной и зоной проводимости в материале, который при пересечении позволяет протекать электрическому току.Ширина запрещенной зоны - это то, что позволяет полупроводящим материалам, таким как кремний, функционировать как транзисторы; они могут переключаться между изолирующим или проводящим электрический ток, в зависимости от того, проталкиваются ли их электроны через запрещенную зону или нет.

Исследователи тестировали различные методы создания запрещенной зоны графена; в случае успеха это может привести к созданию гораздо более быстрой электроники, построенной на основе графена.

Фильтрация воды

A_Lesik / Shutterstock

A_Lesik / Shutterstock

Плотные атомные связи графена делают его непроницаемым почти для всех газов и жидкостей.Любопытно, что молекулы воды - исключение. Поскольку вода может испаряться через графен, в то время как большинство других газов и жидкостей нет, графен может быть исключительным инструментом для фильтрации. Исследователи из Манчестерского университета протестировали проницаемость графена для спирта и смогли дистиллировать очень крепкие образцы спирта, поскольку только вода в образцах могла проходить через графен.

Конечно, использование графена в качестве фильтра имеет потенциал не только для перегонки более крепких спиртов.Графен также может быть очень полезен при очистке воды от токсинов. В исследовании, опубликованном Королевским химическим обществом, исследователи показали, что окисленный графен может даже втягивать радиоактивные материалы, такие как уран и плутоний, присутствующие в воде, оставляя жидкость свободной от загрязняющих веществ. Последствия этого исследования огромны. Некоторые из самых больших экологических опасностей в истории, включая ядерные отходы и химические стоки, могут быть устранены из водных источников благодаря графену.

Поскольку перенаселение продолжает оставаться одной из самых серьезных экологических проблем в мире, поддержание запасов чистой воды будет становиться все более важным.Действительно, от нехватки воды страдает более миллиарда человек во всем мире, и их число будет только расти с учетом нынешних тенденций. Графеновые фильтры обладают огромным потенциалом для улучшения очистки воды, увеличивая количество доступной пресной воды. Фактически, Lockheed Martin недавно разработала графеновый фильтр под названием Perforene, который, по утверждению компании, может произвести революцию в процессе опреснения воды.

Современные опреснительные установки используют метод обратного осмоса для фильтрации солей из морской воды.Обратный осмос использует давление для перемещения воды через мембрану. Давление требует огромного количества энергии для производства большого количества питьевой воды. Инженер Lockheed Martin утверждает, что их фильтры Perforene могут снизить энергопотребление в сотни раз меньше, чем у других фильтров.

MIT создал графен с «нанопорами»

Фильтрация - одно из наиболее очевидных применений графена, и инженеры Массачусетского технологического института добились больших успехов в совершенствовании способности графена разделять молекулы.В 2018 году команда из Массачусетского технологического института придумала метод создания крошечных отверстий «булавочными уколами» в листах графена. Исследователи Массачусетского технологического института используют подход «с рулона к рулону» для производства графена. Их установка включает в себя две катушки: одна катушка подает лист меди в печь, где он нагревается до соответствующей температуры, затем инженеры добавляют газообразный метан и водород, что по существу вызывает образование луж графена. Графеновая пленка выходит из печи, наматываясь на вторую катушку.

Теоретически этот процесс позволяет формировать большие листы графена за относительно короткое время, что имеет решающее значение для коммерческих приложений.Исследователям пришлось отрегулировать процесс, чтобы графен сформировался идеально, и, что интересно, несовершенные попытки на этом пути позже оказались полезными. Когда команда Массачусетского технологического института пыталась создать поры в графене, они начали с использования кислородной плазмы, чтобы вырезать их. Поскольку этот процесс оказался трудоемким, они хотели чего-то более быстрого и искали решения в своих предыдущих экспериментах. Понижение температуры во время роста графена привело к появлению пор. То, что появилось в процессе разработки как дефекты, в конечном итоге стало полезным способом создания пористого графена.

Сверхпроводимость

Вскоре после того, как ученые из Кембриджа продемонстрировали, что графен может действовать как сверхпроводник (материал без электрического сопротивления) в паре с празеодимом церием-медным оксидом, исследователи из Массачусетского технологического института обнаружили еще одно поразительное свойство: он, по-видимому, может функционировать только как сверхпроводник в правильная конфигурация. Исследователи сложили два кусочка графена, но смещали их под углом 1,1 градуса. Согласно отчету, опубликованному в Nature, «физик Пабло Харилло-Эрреро из Массачусетского технологического института (MIT) в Кембридже и его команда не искали сверхпроводимости, когда ставили свой эксперимент.Вместо этого они изучали, как ориентация, названная магическим углом, может повлиять на графен ».

Они обнаружили, что когда они пропускали электричество через нестандартную графеновую стопку, она функционировала как сверхпроводник. Этот простой процесс применения электричества делает графен более простым для изучения, чем аналогичный класс сверхпроводников, купраты, хотя эти материалы демонстрируют сверхпроводимость при гораздо более высоких температурах. Большинство материалов, демонстрирующих сверхпроводимость, проявляют это только при температуре около абсолютного нуля.Некоторые так называемые «высокотемпературные сверхпроводники» могут демонстрировать сверхпроводимость при температурах около 133 Кельвина (-140 Цельсия), что является относительно высоким показателем; Сероводород, находящийся под достаточным давлением, показывает свойства при чудесных -70 градусов по Цельсию!

Графен необходимо было охладить до 1,7 градуса выше абсолютного нуля, однако исследователи считают его поведение аналогичным поведению купратов, и поэтому они надеются, что это будет гораздо более легкий материал для изучения нетрадиционной сверхпроводимости, которая все еще остается областью вызывает большие разногласия среди физиков.Поскольку сверхпроводимость обычно возникает только при таких низких температурах, сверхпроводники используются только в дорогостоящем оборудовании, таком как аппараты МРТ, но ученые надеются однажды найти сверхпроводник, работающий при комнатной температуре, что снизит затраты за счет устранения необходимости в охлаждающих устройствах.

В исследовании, опубликованном в 2019 году, исследователи показали, как скручивание слоев графена под определенными «магическими» углами может создавать сверхпроводящие свойства при более низких температурах, чем раньше.

Защита от комаров

Немногие существа столь же отвратительны, как комары, учитывая их зудящие укусы и склонность к распространению ужасных болезней, таких как малярия.К счастью, исследователи из Университета Брауна нашли возможное решение с использованием графена. Исследование, опубликованное в 2019 году, демонстрирует, что графеновая пленка на коже не только блокирует укусы комаров, но даже в первую очередь удерживает их от приземления на кожу. Одно из возможных объяснений состоит в том, что графен не позволял комарам нюхать добычу.

Будущее исследований графена

Учитывая, казалось бы, бесконечный список сильных сторон графена, можно было бы ожидать увидеть его повсюду.Почему же тогда графен не получил широкого распространения? Как и в большинстве случаев, все сводится к деньгам. Производство графена в больших количествах по-прежнему чрезвычайно дорого, что ограничивает его использование в любом продукте, требующем массового производства. Более того, когда производятся большие листы графена, существует повышенный риск появления крошечных трещин и других дефектов в материале. Каким бы невероятным ни было научное открытие, успех всегда будет зависеть от экономики.

Помимо производственных проблем, исследования графена никоим образом не замедляются.Исследовательские лаборатории по всему миру, включая Манчестерский университет, где впервые был открыт графен, постоянно подают заявки на патенты на новые методы создания и использования графена. В 2013 году Европейский Союз одобрил финансирование флагманской программы, направленной на финансирование исследований графена для использования в электронике. Тем временем крупные технологические компании в Азии проводят исследования графена, в том числе Samsung.

Революции не происходят в одночасье. Кремний был открыт в середине 19 века, но прошло почти столетие, прежде чем кремниевые полупроводники проложили путь к развитию компьютеров.Может ли графен с его почти мифическими качествами стать движущей силой следующей эры в истории человечества? Время покажет.

Рекомендации редакции

Что такое графен? - Pheneovate Graphene Innovation

Возможные области применения графена:

Солнечные элементы:

Солнечные элементы используют полупроводники для поглощения солнечного света. Полупроводники состоят из такого элемента, как кремний, и имеют два слоя электронов.Графен позволит получить клетки, которые будут экспоненциально тоньше и легче, чем те, которые основаны на кремнии.

Фильтрация воды:

Графен будет использоваться для опреснения соленой воды, чтобы сделать ее пригодной для питья. Графен также может быть очень полезен при очистке воды от токсинов. Морская вода, проходя через прецизионные поры в решетке графена, пропускает молекулы воды, фильтруя атомы соли.

Электроника:

Графен можно использовать в качестве покрытия для улучшения современных сенсорных экранов для телефонов и планшетов.Графен обладает высокой подвижностью носителей и низким уровнем шума, что позволяет использовать его в качестве канала в полевом транзисторе. И портативная электроника, и носимые устройства в ближайшем будущем будут использовать многие свойства графена.

Биомедицинские:

Графен будет полезен в биомедицинских исследованиях. Небольшие машины и датчики могут быть сделаны из графена и способны легко перемещаться по телу человека, анализировать ткани и доставлять лекарства в определенные области. Его также можно использовать для мониторинга различных вещей, таких как уровни глюкозы, гемоглобина, холестерина и даже секвенирования ДНК.

Накопитель энергии:

Графен считается очень многообещающим материалом для использования в батареях и суперконденсаторах. Графен может значительно увеличить срок службы традиционной литий-ионной батареи. Он обладает способностью проводить тепло и электричество, что способствует более быстрой зарядке аккумуляторов. Его также можно использовать для улучшения топливных элементов.

Производство:

Композиты на основе графена уменьшат вес деталей автомобилей и самолетов, что означает меньшее потребление топлива и выбросы парниковых газов.Электропроводность и гибкость графена также делают его перспективной добавкой для термоформования пластиков и графеновых красок. Технология графена сократит количество отходов в процессе строительства, а материал можно будет переработать.

Защита от атмосферных воздействий и упаковка:

Графен можно наносить / распылять на кирпич и камень в защищенных от атмосферных воздействий домах.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *