Графен оказался прочнее всех • Юрий Ерин • Новости науки на «Элементах» • Физика, Нанотехнологии
Измерения, сделанные американскими учеными из Колумбийского университета, говорят о том, что графен — самое прочное из известных на сегодняшний день веществ. Правда, полученные данные относятся к «идеальному» графену, в котором очень мало примесей и кристаллическая структура однородна.
Графен продолжает преподносить сюрпризы. С момента его открытия в 2004 году физикам уже удалось достоверно установить, что графен обладает высокой подвижностью зарядов (приблизительно в 100 раз выше, чем у кремния, и в 20 раз выше, чем у арсенида галлия; с прикладной точки зрения это означает возможность создания в будущем более совершенных электронных устройств, таких как транзисторы, например), наименьшим среди всех проводников удельным сопротивлением, а также что графен лучший проводник тепла (его коэффициент теплопроводности приблизительно равен 5000 Вт/м·К).
И вот в одном из последних номеров журнала Science появилась статья Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene, в которой исследуются характеристики графена при его деформации. Авторы работы, ученые из Колумбийского университета США, выяснили, что, помимо указанных выше «рекордов», графен еще и самый прочный материал из известных на данный момент веществ.
Что подразумевается под этими словами? Известно, что в области малых по величине продольных деформаций выполняется закон Гука — возникающее удлинение образца Δl под действием внешней силы F пропорционально величине действующей силы, первоначальной длине l и обратно пропорционально площади поперечного сечения S:
.
Закон Гука можно переписать в более привычной, известной из школьного курса физики, форме:
,
где k — коэффициент жесткости, а величину E называют модулем Юнга или модулем упругости первого порядка.
Отношение обозначают обычно через σ — механическое напряжение, а через ε — относительная деформация. В этих терминах закон Гука можно переписать следующим образом:
σ = Eε.
Важно заметить, что данное соотношение работает, когда деформация упругая (то есть исчезающая с прекращением действия силы). Сложнее выглядит ситуация, когда прикладываемая сила такова, что деформация перестает быть упругой и закон Гука уже не выполняется. В этом случае можно воспользоваться таким соотношением:
σ = Eε + Dε2.
Здесь D обозначает модуль упругости третьего порядка. Как правило, D является отрицательной величиной.
Приведенная выше формула указывает путь для измерения модуля Юнга. Но как быть с графеном, который представляет собой, по сути, атомарную плоскость графита? Ведь в этом случае измерение величины деформации должно быть невероятно точным, а прикладываемая сила очень малой.
Чтобы справиться с этой задачей, исследователи прибегли к помощи атомно-силового микроскопа, предварительно приготовив лист графена размером 5 на 5 мм с массивом «вырезанных» в нём отверстий (рис. 1A). Диаметры отверстий были составляли 1,5 и 1 мкм, а их глубина была равна 500 нм.
Схема эксперимента показана на рис. 1C. Алмазная игла (применялось два вида игл: одна с диаметром наконечника 27,5 нм, другая 16,5 нм) атомно-силового микроскопа оказывает давление на центр графенной мембраны, подвергая, таким образом, ее деформации (рис. 2). Было установлено, что при деформациях, превышающих 100 нм, и при значениях сил 1,8 и 2,9 мкН для маленькой и большой иглы микроскопа соответственно мембрана рвется (рис. 1D).
Дополнительные исследования с помощью просвечивающего туннельного микроскопа показали, что разрушения алмазной иглы при прогибе графенной пленки не происходит. Также удалось выяснить, что для графена существует область упругих деформаций, когда закон Гука выполняется, а значит, измеряя величину прогиба мембраны Δl, с помощью формулы F = kΔl можно измерить коэффициент жесткости k данного вещества.
Но как от коэффициента жесткости перейти к искомому модулю Юнга? Ведь, строго говоря, графен — это двумерная структура, а поэтому связь k и E здесь просто некорректна. Что, например, следует подразумевать под длиной образца l?
Авторы решают этот вопрос так: чтобы получить модуль Юнга E, коэффициент жесткости k, который в их статье обозначается как
.
В эксперименте величина прогиба графенной мембраны изменялась в интервале от 20 до 100 нм. Проведя 67 измерений, ученые построили гистограмму (рис. 3) распределения коэффициента жесткости Е2Dи значения модуля Юнга Е.
Таким образом, рис. 3 можно назвать основным результатом проведенной работы: измеренный коэффициент жесткости для графена составил Е2D = 340 ± 50 Н/м, что отвечает модулю Юнга Е = 1,0 ± 0,1 ТПа (терапаскаля, 1 Тпа = 10 12 Па). Поскольку мы упоминали модуль упругости третьего порядка D (для ситуаций, когда деформация перестает быть упругой), то приведем и его значение для графена: D = –2 ± 0,4 ТПа.
А теперь сравним измеренный модуль Юнга графена с другими веществами. На рис. 4 приведена диаграмма «модуль Юнга — плотность» для некоторых веществ. Красным кружком отмечено положение на этой диаграмме графена (значение плотности указано для графита).
Как видно из диаграммы, прочность графена на порядок и более превосходит прочность всех известных в настоящее время веществ. Однако важно понимать, что полученные данные относятся к «идеальному» графену, в котором очень мало примесей и кристаллическая структура однородна; поэтому авторы работы для «чистоты эксперимента» и разработали во избежание этих проблем столь сложную методику измерений.
Источник: Changgu Lee, Xiaoding Wei, Jeffrey W. Kysar, James Hone. Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene //
Юрий Ерин
новые методы получения и последние достижения • Александр Самардак • Новости науки на «Элементах» • Нанотехнологии, Физика
Графен всё более притягателен для исследователей. Если в 2007 году вышло 797 статей, посвященных графену, то за первые 8 месяцев 2008 года — уже 801 публикация. Каковы же наиболее значимые исследования и открытия последнего времени в области графеновых структур и технологий?
На сегодняшний день графен (рис. 1) — самый тонкий материал, известный человечеству, толщиной всего в один атом углерода. Он вошел в учебники по физике и в нашу реальность в 2004 году, когда исследователи из Манчестерского университета Андре Гейм и Константин Новоселов сумели его получить, используя обычную ленту-скотч для последовательного отделения слоев от обычного кристаллического графита, знакомого нам в виде карандашного стержня (см.
Популярность графена среди исследователей и инженеров растет день ото дня, поскольку он обладает необычными оптическими, электрическими, механическими и термическими свойствами. Многие эксперты предсказывают в недалеком будущем возможную замену кремниевых транзисторов более экономичными и быстродействующими графеновыми (рис. 2).
Несмотря на то что механическое отслоение с помощью скотча позволяет получать графеновые слои высокого качества для фундаментальных исследований, а эпитаксиальный способ выращивания графена может обеспечить наикратчайший путь к электронным микросхемам, химики пытаются получить графен из раствора. В добавление к низкой стоимости и высокой производительности, этот метод открывает дорогу ко многим широко используемым химическим техникам, которые позволили бы внедрять графеновые слои в различные наноструктуры либо интегрировать их с различными материалами для создания нанокомпозитов.
На днях в престижном журнале Nature были опубликованы две статьи независимо работающих научных групп, в которых авторам удалось преодолеть вышеназванные трудности и получить графеновые листы хорошего качества, подвешенные в растворе.
Первая группа ученных — из Стэнфордского университета (Калифорния, США) и Пекинского института физики (Китай) — внедряла серную и азотную кислоты между слоями графита (процесс интеркаляции; см. Graphite intercalation compound), и затем быстро нагревала образец до 1000°C (рис. 3a). Взрывное испарение молекул-интеркалянтов производит тонкие (толщиной в несколько нанометров) графитовые «хлопья», которые содержат множество графеновых слоев.
В тоже время вторая группа ученых — из Дублина, Оксфорда и Кембриджа — предложила другую методику для получения графена из многослойного графита — без использования интеркалянтов. Главное, по словам авторов статьи, использовать «правильные» органические растворители, такие как N-метил-пирролидон. Для получения высококачественного графена важно подобрать такие растворители, чтобы энергия поверхностного взаимодействия между растворителем и графеном была такой же, как для системы графен–графен. На рис. 4 показаны результаты пошагового получения графена.
Успех обоих экспериментов основан на нахождении правильных интеркалянтов и/или растворителей.
Конечно, существуют и другие методики для получения графена, такие как преобразование графита в оксид графита. В них используется подход, называемый «оксидирование–расслоение–восстановление», в ходе которого базисные плоскости графита покрываются ковалентно-связанными функциональными группами кислорода. Этот окисленный графит становится гидрофильным (или попросту влаголюбивым) и может легко расслаиваться на отдельные графеновые листы под действие ультразвука, находясь в водяном растворе. Полученный графен обладает замечательными механическими и оптическими характеристиками, но его электрическая проводимость на несколько порядков ниже, чем проводимость графена, полученного при помощи «скотч-метода» (см. Приложение). Соответственно, такой графен вряд ли сможет найти применение в электронике.
Как оказалось, графен, который был получен в результате двух вышеобозначенных методик, более высокого качества (содержит меньшее количество дефектов в решетке) и, как результат, обладает более высокой проводимостью.
Очень кстати пришлось еще одно достижение исследователей из Калифорнии, которые недавно сообщили о высокоразрешающей (разрешение до 1Å) электронной микроскопии с низкой энергией электронов (80 кВ) для прямого наблюдения за отдельными атомами и дефектами в кристаллической решетке графена. Ученым впервые в мире удалось получить изображения атомной структуры графена высокой четкости (рис. 5), на которых можно своими глазами увидеть сеточную структуру графена.
Еще дальше ушли исследователи из Корнелловского университета. Из листа графена им удалось создать мембрану толщиной всего в один атом углерода, и надуть ее, как воздушный шарик. Такая мембрана оказалась достаточно прочной для того, чтобы выдерживать давление газа в несколько атмосфер. Эксперимент состоял в следующем. На подложку из оксидированного кремния с предварительно вытравленными ячейками были помещены листы графена, которые вследствие ван-дер-ваальсовых сил плотно прикрепились к поверхности кремния (рис. 6a). Таким образом были образованы микрокамеры, в которых можно было удерживать газ. После этого ученые создавали разность давлений внутри и снаружи камеры (рис. 6b). Используя атомно-силовой микроскоп, измеряющий величину отклоняющей силы, которую кантилевер с иглой чувствует при сканировании мембраны на высоте всего нескольких нанометров от ее поверхности, исследователям удалось наблюдать степень вогнутости-выгнутости мембраны (рис. 6c–e) при изменении давления до нескольких атмосфер.
После этого мембрана была использована в роли миниатюрного барабана для измерения частоты ее вибраций при изменении давления. Было установлено, что гелий остается в микрокамере даже при высоком давлении. Однако поскольку графен, использованный в эксперименте, был не идеален (имел дефекты кристаллической структуры), то газ понемногу просачивался через мембрану. В течение всего эксперимента, который продолжался более 70 часов, наблюдалось неуклонное уменьшение натяжения мембраны (рис. 6e).
Авторы исследования указывают, что подобные мембраны могут иметь самые разнообразные применения — например, использоваться для изучения биологических материалов, помещенных в раствор. Для этого будет достаточно накрыть такой материал графеном и изучать его сквозь прозрачную мембрану микроскопом, не опасаясь за утечку или испарение раствора, поддерживающего жизнедеятельность организма. Также можно сделать проколы атомного размера в мембране и затем наблюдать, изучая диффузионные процессы, как отдельные атомы или ионы проходят сквозь отверстие. Но самое главное — исследование ученых из Корнелловского университета еще на шаг приблизило науку к созданию одноатомных сенсоров.
Стремительный рост количества исследований на графене показывает, что это действительно очень перспективный материал для широкого круга применений, но до воплощения их в жизнь еще следует построить немало теорий и провести не один десяток экспериментов.
Источники:
1) Xiaolin Li et al. Highly conducting graphene sheets and Langmuir–Blodgett films // Nature Nanotech (2008). V. 3. P. 538–542.
2) Yenny Hernandez et al. High-yield production of graphene by liquid-phase exfoliation of graphite // Nature Nanotech (2008). V. 3. P. 563–568.
3) Jannik C. Meyer et al. Direct Imaging of Lattice Atoms and Topological Defects in Graphene Membranes // NanoLetters (2008), doi: 10.1021/nl801386m.
4) Andre K. Geim, Philip Kim. Carbon Wonderland // Scientific American (2008). No. 4. P. 90–97. См. также по-русски: Андре Гейм и Филип Ким «Углерод — страна чудес» // «В мире науки» № 7, 2008.
5) J. Scott Bunch et al. Impermeable Atomic Membranes from Graphene Sheets (доступен полный текст) // NanoLetters. V. 8. No. 8. P. 2458–2462 (2008).
Александр Самардак
Усталостная прочность графена
Графен — это парадокс. Это самый тонкий материал, известный науке, но также и он один из самых прочных.
Исследования, проведенные в Университете Торонто, показывают, что графен также обладает высокой устойчивостью к усталости и способен выдерживать более миллиарда циклов высоких нагрузок до его разрушения.
Тест на усталость показывает, что графен не трескается под давлением
Графен напоминает лист взаимосвязанных гексагональных колец, похожий на рисунок, который вы можете увидеть на плитке для ванных комнат. На каждом углу находится один атом углерода, связанный с его тремя ближайшими соседями. Хотя лист может простираться в поперечном направлении на любую область, его толщина составляет всего один атом.
Собственная прочность графена была измерена при более чем 100 гигапаскалях, среди самых высоких значений, зарегистрированных для любого материала. Но материалы не всегда выходят из строя, потому что нагрузка превышает их максимальную прочность. Небольшие, но повторяющиеся напряжения могут ослабить материалы, вызывая микроскопические дислокации и трещины, которые медленно накапливаются с течением времени, процесс, известный как усталость.
«Чтобы понять усталость, представьте, как сгибаете металлическую ложку», — говорит профессор Тобин Филлетер, один из старших авторов исследования, которое недавно было опубликовано в Nature Materials. «В первый раз, когда вы сгибаете её, она просто деформируется. Но если вы продолжите работать с ней взад и вперед, в конечном итоге она поломается надвое».
Исследовательская группа, состоящая из Филлетера, коллег профессоров инженерного факультета Университета Торонто Чандры Веера Сингха и Ю Суна, их студентов и сотрудников Университете Райса, хотела узнать, как графен выдержит многократные нагрузки. Их подход включал как физические эксперименты, так и компьютерное моделирование.
«В нашем атомистическом моделировании мы обнаружили, что циклические нагрузки могут привести к необратимой реконфигурации связей в решетке графена, что приведет к катастрофическому разрушению при последующей нагрузке», — говорит Сингх, который вместе с постдокторантом Санхой Мукерджи руководил моделированием. «Это необычное поведение, хотя связи меняются, нет никаких явных трещин или дислокаций, которые обычно образуются в металлах, до момента разрушения».
Тенг Цуй, под совместным руководством Филлетера и Суна, использовал Центр нанотехнологий в Торонто для создания физического устройства для экспериментов. Конструкция состояла из кремниевой микросхемы, с вытравленными пол миллионом крошечных отверстий диаметром всего несколько микрометров. Графеновый лист был растянут над этими отверстиями, как крошечный барабан.
Используя атомно-силовой микроскоп, Цуй опускал зонд с алмазным наконечником в отверстие, чтобы протолкнуть лист графена, применяя от 20 до 85 % силы, которая, как он знал, сломает материал.
Исследователи из Технического университета Торонто использовали атомно-силовой микроскоп (на фото) для измерения способности графена противостоять механической усталости. Они обнаружили, что материал может выдержать более миллиарда циклов высоких нагрузок до разрушения.
«Мы запускали циклы со скоростью 100 000 раз в секунду», — говорит Цуй. «Даже при 70 % от максимального напряжения графен не разрушался более трех часов, что составляет более миллиарда циклов. При более низких уровнях напряжения некоторые из наших испытаний длились более 17 часов».
Как и в случае моделироавания, графен не накапливал трещин или других характерных признаков усталости — он либо ломался, либо нет.
«В отличие от металлов, при усталостной нагрузке графен не имеет прогрессивного повреждения», — говорит Сун. «Его разрушение является глобальным и катастрофическим, что подтверждают результаты моделирования».
Команда также провела испытания соответствующего материала, оксида графена, в котором небольшие группы атомов, такие как кислород и водород, связаны как с верхней, так и с нижней частью листа. Его усталостное поведение было больше похоже на традиционные материалы. Это говорит о том, что простая, правильная структура графена вносит основной вклад в его уникальные свойства.
«Нет других материалов, которые были бы изучены в условиях усталости, которые ведут себя так же, как графен», говорит Филлетер. «Мы все еще работаем над некоторыми новыми теориями, чтобы попытаться понять это».
С точки зрения коммерческого применения, Филлетер говорит, что графенсодержащие композиты — смеси обычного пластика и графена — уже производятся и используются в спортивном оборудовании, таком как теннисные ракетки и лыжи.
В будущем такие материалы могут начать использоваться в автомобилях или самолетах, где упор на легкие и прочные материалы обусловлен необходимостью снижения веса, повышения эффективности использования топлива и улучшения экологических характеристик.
«Было проведено несколько исследований, позволяющих предположить, что графенсодержащие композиты обладают повышенной устойчивостью к усталости, но до сих пор никто не измерял усталостные характеристики основного материала», — говорит он. «Наша цель при этом состояла в том, чтобы достичь этого фундаментального понимания, чтобы в будущем мы могли проектировать композиты, которые работают еще лучше». опубликовано econet.ru по материалам phys.org
Подписывайтесь на наш youtube канал!
Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!
P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление — мы вместе изменяем мир! © econet
Создан новый пенообразный углеродный материал
Основой прочности нового материала являются углеродные нанотрубки с несколькими концентрическими оболочками, своего рода нанотрубками внутри других нанотрубок.
Графен известен всем в большей части как первый двухмерный материал, полученный учеными. Однако, его тончайшая плоская двухмерная структура как раз и является препятствием к использованию целого ряда удивительных свойств графена, высочайшей механической прочности, легкости и отличной проводимости по отношению к электричеству и теплу.
Не так давно ученые из Массачусетского технологического института разработали новый «трехмерный» материал на основе графена, который в 10 раз прочнее стали, а теперь ученые из университета Райс, продолжив предыдущую работу, создали материал на основе графена, укрепленного углеродными нанотрубками. Получившаяся «пена» может быть отформирована прессованием и выдерживает без изменений своей структуры воздействие веса в 3 тысячи раз превышающего ее собственный вес.
Основой прочности нового материала являются углеродные нанотрубки с несколькими концентрическими оболочками, своего рода нанотрубками внутри других нанотрубок. Для того, чтобы совместить гарфен с нанотрубками ученые использовали порошок нанотрубок, перемешанный с никелевым катализатором и сахаром, который являлся источником дополнительного углерода. Полученная смесь была помещена под высокое давление путем ее сжимания при помощи винта, и отправлена в печь, где поддерживалась заданная высокая температура.
Сахар в смеси распался на углерод и другие составные части, а углерод под воздействием катализатора обратился в графен. Полученная заготовка была очищена от никеля и других примесей химическим путем, что оставило в руках ученых структуру из пенообразного материала, состоящего из чистого углерода.
Когда образцы полученного материала были помещены под электронный микроскоп, ученые увидели, что внешние слои нанотрубок распустились, словно с одной из их сторон «расстегнули змейку», и объединились с графеном, который получился в результате процесса осаждения углерода из парообразной фазы. В результате высокого сцепления между элементами этого материала он, материал, выдерживает без изменений структуры вес, в 3 тысячи раз превышающий его собственный вес.
А при воздействии на него веса в 8500 раз превышающего его вес, структура материала деформируется на 25 процентов от начального размера. И, после снятия нагрузки, материал полностью восстанавливает свою изначальную форму. Для сравнения, «пена», состоящая из графена, не укрепленного углеродными нанотрубками, может выдержать усилие, всего в 150 раз превышающее ее собственный вес.
Как уже упоминалось выше, новый пенообразный углеродный материал может быть отформован любым способом. И для демонстрации этого ученые изготовили из нового материала образцы электродов для литий-ионных аккумуляторных батарей и суперконденсаторов, которые обладают высокой механической прочностью, химической стабильностью и большим значением эффективной площади поверхности. опубликовано econet.ru
P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление — мы вместе изменяем мир! © econet
Черный фосфор укрепил графен до рекордных значений
Tianzhu Zhou et al., / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020
Китайские ученые синтезировали рекордно прочные тонкие пленки на основе графена. Смешав графен со слоистым черным фосфором (фосфореном) и органическим веществом, молекула которого содержит два плоских ароматических фрагмента, авторы смогли получить пленки с рекордным значением энергии предельной деформации в 52 мегаджоуля на кубический метр и в два раза улучшенными свойствами электро- и теплопроводности. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Графен, слой из углеродных атомов толщиной в один атом, обладает уникальными электронными и механическими свойствами, что потенциально делает его востребованным в большом количестве областей науки и техники. Многие методы создания тонких пленок на основе графена не позволяют задавать тип взаимодействий между плоскостями листов, в результате чего напряжение в структуре распределяется неэффективно, и пленки получаются не очень прочными. Аналогично трехмерным, прочность двумерных материалов можно повысить предотвращая образование и рост трещин или создавая пластически деформируемые материалы.
Недавно ученые показали, что различные связи между плоскостями, такие как водородные связи, ионные связи, π-π взаимодействия и ковалентные связи улучшают прочность графена. Такие межплоскостные эффекты могут не только предотвратить образование трещин в пленке, но и улучшить свойства, связанные с пластической деформацией.
Графен часто сравнивают с фосфореном — двумерным слоистым материалом из черного фосфора. В отличие от графена, у фосфорена есть запрещенная зона, ширину которой можно изменять, модифицируя структуру материала, чем он с 2014 года заинтересовал ученых.
Вдохновившись структурой перламутра, который состоит из шестиугольных пластинок кристаллов карбоната кальция, расположенных параллельными слоями и связанными эластичными биополимерами, Тяньчжу Чжоу (Tianzhu Zhou) с коллегами из Бэйханьского университета синтезировали прочнейшую пленку из графена, фосфорена и связующего полимера. Они смешали суспензии оксида графена и фосфорена, отфильтровали смесь под вакуумом и сушили 12 часов при температуре 50 градусов Цельсия. Затем, чтобы избавиться от окисленных функциональных групп, восстановили йодоводородом и промыли этанолом. Полученные пленки поместили в раствор органического вещества (1-аминопирен-дисукцинимидил суберата), молекулы которого содержат два связанных плоских ароматических пиреновых участка, которые напоминают часть графенового листа.
Схема синтеза пленок из модифицированного фосфореном и 1-аминопирен-дисукцинимидил субератом графена
Tianzhu Zhou et al., / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020
Энергия предельной деформации (количество энергии, которое материал может поглотить до разрушения) полученного материала достигала рекордного значения — почти 52 мегаджоуля на кубический метр, а предел прочности на растяжение достигал 653 мегапаскалей. Конденсатор из нового материала оказался очень гибким, и даже после десяти тысяч циклов сгибания на 180 градусов авторы не заметили ухудшения емкости.Исследования рамановской спектроскопии и симуляции молекулярной динамики показали, что прочность полученного материала обеспечивается синергетическим эффектом трех процессов. Расположившийся между графеновыми листами фосфорен играл роль смазки и предотвращал разрушение химических связей, образовавшиеся ковалентные связи Р-О-С между атомами фосфора, кислорода и углерода, уменьшили пустоты между слоями графена, сделав его более компактным, а стэкинг (π-π-взаимодействия) органических молекул с графеновыми нанолистами еще и позволил их упорядочить.
Молекулярно-динамическое моделирование процесса растяжения пленки на основе графена
Tianzhu Zhou et al., / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020
Молекулярно-динамическое моделирование процесса растяжения пленки на основе графена
Tianzhu Zhou et al., / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020
Эти же эффекты и улучшили электрические свойства графена: удельная электропроводность пленки оказалась почти 500 сименс на сантиметр, что более чем в два раза выше значений электропроводности чистого графена. Авторы смогли наблюдать и аналогичное улучшение теплопроводности, она составила более 50 Ватт на метр на кельвин, и эффективности экранирования электромагнитного излучения: общий коэффициент затухания волны частотой 8 гигагерц электромагнитного излучения в материале составил почти 30 децибел.Химики недавно шутили над количеством исследований модификаций графена различными веществами, улучшающими его свойства, и показали, что даже куриный помет может повысить электрокаталитические свойства двумерной модификации углерода. Проверить свои знания или узнать что-то новое графене можно, пройдя наш тест «Графен или графин».
Алина Кротова
что это за материал, кем был открыт и его свойства
Если 20 век был веком пластмасс, то 21 век, похоже, станет веком графена — недавно обнаруженного материала, изготовленного из листов углерода толщиной всего в один атом. В научных журналах графен описывают как самый лёгкий, самый прочный, самый тонкий, самый лучший тепло- и электропроводящий материал из когда-либо обнаруженных. Рассказываем, как и где его используют.
Что такое графен?
Учёные давно обнаружили, что углерод имеет две основные, но поразительно разные формы:
- графит — мягкий, черный материал в карандашных грифелях;
- алмаз — сверхтвёрдые, блестящие кристаллы в ювелирных изделиях.
Оба эти радикально отличающихся материала состоят из одинаковых атомов углерода. Но атомы внутри них расположены по-разному, и это дает двум формам совершенно разные свойства.
Так что же такое графен? Графен — это один слой графита. Он имеет плоскую кристаллическую решетку, состоящую из взаимосвязанных шестиугольников атомов углерода, плотно связанных между собой. Слои имеют высоту всего в один атом. Поэтому, чтобы получить графен толщиной 1 мм, понадобится стопка примерно из 3 миллионов таких слоёв.
Кристаллическая решетка графена. Фото: КоммерсантКто открыл графен?
Теоретические исследования графена начались в середине 20 века, но на протяжении нескольких десятилетий никто не мог получить этот материал на практике. Графен был произведён в лаборатории только в 2004 году русскими учёными Андреем Геймом и Константином Новосёловым, работающими в британском Университете Манчестера. С помощью клейкой ленты они сняли верхний слой графита. Затем исследователи растянули ленту, чтобы расщепить графит на ещё более мелкие слои. Проделав большую работу, они обнаружили, что у них есть несколько кусочков графита толщиной всего в один атом — другими словами графен. В знак признания важности их открытия Гейм и Новосёлов были удостоены Нобелевской премии по физике.
Андрей Гейм и Константин Новосёлов. Фото: ТАСССвойства графена
То, как графен ведёт себя как материал, удивляет многих учёных. Перечислим его главные характеристики.
Прочность и жесткость
Считается, что графен является самым прочным материалом из когда-либо обнаруженных. Он примерно в 200 раз прочнее стали. Примечательно, что графен одновременно жесткий и эластичный. Это позволяет растягивать материал на удивительную величину (20-25% от его первоначальной длины), не сломав его.
Электронные свойства
Они также весьма необычны. Электроны в графене очень подвижны, что открывает возможность создания компьютерных чипов, которые работают быстрее и с меньшей мощностью, чем те, что мы используем сегодня.
Оптические характеристики
Сверхтонкий графен, будучи толщиной всего в один атом, почти полностью прозрачен. Графен пропускает около 97-98% света. Для сравнения: у оконного стекла этот показатель не превышает 90%.
Фото: MediumКак мы можем использовать графен?
Графен часто применяют в медицине. Его используют при создании сенсоров, определяющих биомаркеры. В частности, иммуноглобулин, опасные токсины, а также биомаркеры, связанные с онкологией и сердечно-сосудистыми заболеваниями. Это позволяет врачам по-новому диагностировать заболевания.
Более того, графен считается отличной заменой существующим материалам, которые были доведены до своих физических пределов. Например, кремниевые транзисторы (коммутационные устройства, используемые в качестве запоминающих устройств и логических элементов для принятия решений в компьютерах) за последние несколько десятилетий последовательно уменьшались и становились всё более мощными. Но учёные уже давно выражают опасения, что дальнейшие усовершенствования ограничены законами физики. Замена кремния графеном позволит создать ещё более мелкие и быстрые транзисторы.
Таким же образом графен мог бы революционизировать и другие области технологии, ограниченные традиционными материалами. Например, с его помощью можно создать конкурентоспособные по стоимости и более эффективные солнечные панели и более энергоэффективное оборудование для передачи энергии. Такие компании, как Samsung, Nokia и IBM уже разрабатывают графеновые заменители для сенсорных экранов, транзисторов и флэш-памяти, но разработка всё ещё находится на очень ранней стадии.
Графен прочен, но прочен ли он?
Поликристаллический графен содержит собственные наноразмерные линейные и точечные дефекты, которые приводят к значительным статистическим колебаниям вязкости и прочности. Предоставлено: Berkeley Lab.Графен, материал, состоящий из одного слоя атомов углерода, рекламировался как самый прочный из известных материалов, в 200 раз прочнее стали, легче бумаги и с исключительными механическими и электрическими свойствами.Но сможет ли он оправдать свое обещание?
Ученые из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (Berkeley Lab) разработали первую известную статистическую теорию прочности поликристаллического графена, полученного методом химического осаждения из паровой фазы, и обнаружили, что он действительно прочный (хотя и не совсем такой же прочный, как чистый монокристаллический графен), но, что более важно, его ударная вязкость — или сопротивление разрушению — довольно низкая.Их исследование «Прочность и прочность нанокристаллического графена» было недавно опубликовано в журнале Nature Communications .
«Этот материал, безусловно, обладает очень высокой прочностью, но он имеет особенно низкую вязкость — ниже, чем у алмаза, и немного выше, чем у чистого графита», — сказал Роберт Ричи, ученый из лаборатории Беркли. «Его чрезвычайно высокая прочность очень впечатляет, но мы не можем использовать эту силу, если у нее нет сопротивления разрушению».
Ричи, старший научный сотрудник отдела материаловедения лаборатории Беркли и ведущий эксперт по причинам разрушения материалов, был соавтором исследования вместе с Ашивни Шехават, научным сотрудником Миллера в его группе.Вместе они разработали статистическую модель прочности поликристаллического графена, чтобы лучше понять и предсказать разрушение материала.
«Это математическая модель, которая учитывает наноструктуру материала», — сказал Ричи. «Мы обнаружили, что прочность в определенной степени зависит от размера зерна, но, что наиболее важно, это модель, которая определяет сопротивление разрушению графена».
Вязкость, сопротивление материала разрушению, и прочность, сопротивление материала деформации, часто являются взаимно несовместимыми свойствами.«Конструкционный материал должен обладать прочностью, — пояснил Ричи. «Мы просто не используем прочные материалы в критических конструкциях — мы стараемся использовать прочные материалы. Если вы посмотрите на такую конструкцию, например, корпус ядерного реактора под давлением, она сделана из относительно низкопрочной стали, а не из сверхвысокой прочности. Сталь. Самые твердые стали используются для изготовления таких инструментов, как головка молотка, но вы никогда не стали бы использовать их для изготовления критических конструкций из-за страха катастрофического разрушения ».
Как отмечают авторы в своей статье, многие из передовых приложений, для которых был предложен графен, — например, гибкие электронные дисплеи, коррозионно-стойкие покрытия и биологические устройства — неявно зависят от его механических свойств для обеспечения структурной надежности.
Хотя чистый монокристаллический графен может иметь меньше дефектов, авторы исследовали поликристаллический графен, поскольку он дешевле и обычно синтезируется методом химического осаждения из газовой фазы. Ричи известно только об одном экспериментальном измерении прочности материала.
«Наши цифры совпадают с этим экспериментальным числом», — сказал он. «На практике эти результаты означают, что футбольный мяч можно разместить на единственном листе монокристаллического графена, не сломав его.Какой объект может поддерживать соответствующий лист поликристаллического графена? Оказывается, футбольный мяч слишком тяжелый, а поликристаллический графен выдерживает только мяч для пинг-понга. Все еще замечательно для материала толщиной в один атом, но уже не так захватывающе ».
Затем Шекхават и Ричи изучают эффекты добавления водорода в материал. «Мы мало что знаем о разрушении графена, поэтому мы пытаемся понять, чувствителен ли он к другим атомам», — сказал он.«Мы обнаружили, что трещины быстрее растут в присутствии водорода».
Наноразмерный взгляд на то, почему новый сплав невероятно прочен
Дополнительная информация: Ашивни Шехават и др. Вязкость и прочность нанокристаллического графена, Nature Communications (2016).DOI: 10.1038 / NCOMMS10546 Предоставлено Национальная лаборатория Лоуренса Беркли
Ссылка : Графен силен, но прочен ли он? (2016, 4 февраля) получено 16 января 2021 г. с https: // физ.org / news / 2016-02-graphene-strong-tough.html
Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.
Сила графена в его дефектах
Инженеры думали, что соединенные вместе листы графена будут иметь слабые места в местах прикрепления.Однако в некоторых случаях область соединения двух листов графена может быть прочной, как чистый графен. Вивек Шеной с аспирантом Рассином Грантабом иллюстрируют углеродные семиугольники, которые отмечают эти «границы зерен». Предоставлено: Майк Кохи / Университет Брауна.На сайте Нобелевской премии изображена кошка, отдыхающая в графеновом гамаке. Несмотря на то, что это вымышленное изображение, оно отражает волнение вокруг графена, который при толщине в один атом является одним из самых тонких и прочных материалов, когда-либо созданных.
Существенное препятствие для реализации потенциала графена заключается в создании поверхности, достаточно большой, чтобы выдержать теоретически спящую кошку. На данный момент ученые-материаловеды сшивают отдельные листы графена вместе, чтобы создать листы, достаточно большие, чтобы исследовать возможные приложения. Подобно тому, как сшивание участков ткани вместе может создавать слабые места в местах пересечения отдельных участков, дефекты могут ослабить «границы зерен», где графеновые листы сшиты вместе — по крайней мере, так думали инженеры.
Теперь инженеры из Университета Брауна и Университета Техаса в Остине обнаружили, что границы зерен не влияют на прочность материала. На самом деле границы зерен настолько прочны, что листы почти не уступают по прочности чистому графену. Уловка, как они пишут в статье, опубликованной в Science , заключается в углах, под которыми отдельные листы сшиваются вместе.
«Когда у вас больше дефектов, вы ожидаете, что прочность будет снижена, — сказал Вивек Шеной, профессор инженерных наук и автор статьи, — но здесь все как раз наоборот.«
Открытие может способствовать разработке больших листов графена для использования в электронике, оптике и других отраслях промышленности.
Графен — это двумерная поверхность, состоящая из прочно связанных атомов углерода в почти безошибочном порядке. Основная единица этой структуры решетки состоит из шести атомов углерода, соединенных химически. Когда лист графена соединяется с другим листом графена, некоторые из этих шестиуглеродных шестиугольников становятся семиуглеродными связями — семиугольниками. Пятна, в которых встречаются семиугольники, называются «критическими связями».«
Критические связи, расположенные вдоль границ зерен, считались слабыми звеньями в материале. Но когда Шеной и Рассин Грантаб, аспиранты пятого курса, проанализировали, сколько прочности теряется на границах зерен, они узнали кое-что другое.
«Оказывается, эти границы зерен в некоторых случаях могут быть такими же прочными, как чистый графен», — сказал Шеной.
Затем инженеры решили выяснить, почему. Используя атомистические расчеты, они обнаружили, что угол наклона, под которым встречаются листы — границы зерен — влияет на общую прочность материала.По их словам, оптимальная ориентация для получения самых прочных листов составляет 28,7 градуса для листов с раскладкой «кресло» и 21,7 градуса для листов с зигзагообразной компоновкой. Они называются большеугловыми границами зерен.
Большеугловые границы зерен прочнее, потому что связи в семиугольниках ближе по длине к связям, естественным образом обнаруживаемым в графене. Это означает, что в границах зерен с большим углом связи в семиугольниках менее напряжены, что помогает объяснить, почему материал почти такой же прочный, как чистый графен, несмотря на дефекты, сказал Шеной.
«Так устроены дефекты», — сказал Шеной. «Границы зерен лучше подходят для семиугольников. Они более расслаблены».
Новый подход к поиску и устранению дефектов в графене (ж / видео)
Предоставлено Брауновский университет
Ссылка : Сила графена в его дефектах (11 ноября 2010 г.) получено 16 января 2021 г. с https: // физ.org / news / 2010-11-graphene-strong-lie-sizes.html
Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.
Графеновый бронежилет, пуленепробиваемый жилет и защита
Что такое графен?
С тех пор, как он был впервые открыт в 2003 году, исследования чудесного материала, известного как графен, быстро расширились.Состоящий исключительно из атомов углерода, расположенных в гексагональной конфигурации толщиной в один атом, этот материал известен своей способностью с большой эффективностью проводить тепло и электричество. Из-за этого исследователи изучают возможность использования его в области электроники, накопления энергии, фотоэлектрических элементов, биологической инженерии и даже лечения.
Использование графена в бронежилете
Однако мало исследований было проведено в отношении способности материалов поглощать удары.Если и есть что-то, чем известен графен, помимо его проводимости, так это его чистая прочность. Несмотря на небольшой вес, этот материал необычайно прочен и долговечен, даже больше, чем сталь или кевлар. Неудивительно, почему исследователи рассматривают возможность его использования для создания новых форм бронежилетов.
До недавнего времени исследования графена были сосредоточены на его прочности на разрыв — сколько напряжения он может выдержать, когда его учат тянуть. В 200 раз прочнее стали, он рассматривается для создания таких концепций, как космический лифт.Но почти столь же впечатляющим является тот факт, что он может рассеивать в 10 раз больше кинетической энергии, чем сталь, а это означает, что он также очень силен перед лицом прямого нападения.
Это исследование возможностей графена для использования в качестве бронежилетов было проведено нами из Университета Райса в Хьюстоне при дополнительной поддержке Агентства по уменьшению угрозы обороны и Фонда Уэлча — некоммерческой организации из Техаса, занимающейся финансирование химических исследований.
В Райсе ученый-материаловед Эдвин Томас и доцент Джэ-Хван Ли из Массачусетского университета, Амхерст, создали испытание на удар, используя небольшие листы графена, и подвергли их процессу, известному как испытание на удар лазерным ударом ( ЛИПИТ).
Графеновая технология для бронежилета
Этот процесс, который был впервые разработан Rice labs, заключается в отталкивании маленьких сфер от противоположной стороны поглощающей поверхности золота с большой скоростью. Используя этот процесс, управляемый лазером, они смогли посылать «микропулы» по листам графена со скоростью до 3 км (1,9 мили) в секунду, что намного выше, чем скорость пуль, выпущенных из штурмовой винтовки АК-47.
Для теста группа исследователей выстроила многослойные графеновые листы, полученные из объемного графита, толщиной от 10 до 100 нанометров.Затем они использовали высокоскоростную камеру, чтобы сделать снимки снарядов до и после того, как они попали в листы, а затем закончили, используя микроскопические изображения для оценки нанесенного ущерба.
В каждом случае микропули прокалывали графен, но не оставляли чистых, аккуратных отверстий. Вместо этого они отметили наличие трещин вокруг каждой точки удара, что указывает на то, что графен растягивается перед разрушением. На основании своих наблюдений они смогли вычислить количество энергии, поглощенной материалом, и скорость, с которой он смог ее рассеять.
Проверка прочности графена
Они пришли к выводу, что графен распределяет напряжение от пуль по большой площади со скоростью до 2200 метров (7217 футов) в секунду. Это не только скорость передачи напряжения выше, чем у любого известного материала, она также превышает скорость звука в воздухе, что эквивалентно 342 метрам (1125 футов) в секунду.
Они обнаружили, что способность графена одновременно быть жестким, прочным и эластичным делает его идеальным для защитного экранирования.Как объяснил профессор Томас в выпуске новостей и СМИ Университета Райса: «Игра в защиту — это распределение нагрузки на большую площадь. Это гонка. Если конус может двигаться со значительной скоростью по сравнению со скоростью снаряда, напряжение не локализуется под снарядом «.
Это означает, что жилет, дополненный листами графена, не только будет иметь больше шансов остановить пулю, но и сможет гораздо более эффективно распределять напряжение наружу.Это снизит количество смертей и травм, связанных с «тупой травмой», которая в случае огнестрельного оружия почти так же смертельна, как и само огнестрельное ранение.
Приложения графена для военных и самолетов
Кроме того, способность слоев графена рассеивать напряжение также может быть полезна с танками и бронетехникой, учитывая, что кинетическое оружие, такое как флешеты из обедненного урана и высокоэнергетические направленные взрывные устройства, является широко используется против них.Блоки «реактивной брони» и сегменты композита уже размещены над резервуарами, чтобы обеспечить дополнительную защиту, поэтому нетрудно представить себе, что эти существующие системы могут быть дополнительно дополнены слоями графена.
И наконец, что не менее важно, графен может обеспечить легкую защиту космических кораблей и высотных сверхзвуковых (и гиперзвуковых) самолетов. Сочетание эффективной передачи тепла и энергии сделало бы его идеальным в сочетании с другими композитами, чтобы гарантировать, что летательные аппараты, пролетающие через атмосферы Земли и других планет, не сгорают.
Естественно, это далеко не единственная область исследований, в которой графен открывает новые захватывающие возможности. И, как и в случае с электроникой, науками о здоровье, медициной и энергетикой, потенциал ошеломляет. Без особых усилий можно представить новое поколение сверхпрочных зенитных бронежилетов, военных транспортных средств и космических кораблей, дополненных крошечными листами невероятно легкого материала.
Использование бронежилета из графена
И, учитывая его использование в биологических исследованиях, вполне возможно, что форма имплантируемого графена также может быть разработана для солдат и телохранителей, людей, которые носят доспехи под кожей, а не поверх тела .Можно даже представить себе, что слои графена могут быть помещены на кости, чтобы защитить их от атак и предотвратить их разрушение. Переместитесь через адамантий, графен в городе!
Отчет об исследовании профессора Томаса и доцента Дже-Хванга Ли был опубликован в декабрьском выпуске журнала Science Magazine под названием «Попадания микропулей подтверждают силу графена». Соавторами статьи являются аспирант Райс Филипп Лойя и Джун Лу, доцент кафедры материаловедения и наноинженерии.
И обязательно ознакомьтесь с этим видео из Университета Райса, демонстрирующим тестирование микропуляций:
Источники:
Кредиты изображений:
Исследователи построили специальный стол для выстраивания многослойных листов графена, механически вытянутых из насыпной графит. Они протестировали листы толщиной от 10 до 100 нанометров (до 300 слоев графена). Затем они использовали высокоскоростную камеру, чтобы сделать снимки снарядов до и после попаданий, чтобы оценить их скорость, и просмотрели микроскопические изображения повреждений листов.- См. Больше на: http://news.rice.edu/2014/12/01/microbullet-hits-confirm-graphenes-strength/#sthash.MA1oPd9B.dpuf
60 применений графена — Окончательное руководство по графену ( Потенциально) Заявки в 2019 г.
Переключить меню Категории- Популярные товары
- Углеродные нанотрубки
- Все углеродные нанотрубки
- Волокна углеродных нанотрубок
- Губки с углеродными нанотрубками
- Дисперсии УНТ
- Все дисперсии УНТ
- Все дисперсии углеродных нанотрубок
- УНТ двустенные
- УНТ однослойные
- Все однослойные УНТ
- SWCNT,> 65%
- SWCNT,> 92%
- SWCNT,> 95%
- SWCNT,> 96%
- SWCNT,> 65%, -COOH
- SWCNT,> 92%, -COOH
- SWCNT,> 65%, -ОН
- SWCNT,> 92%, -ОН
- Графитированные многостенные УНТ
- Многостенные УНТ короткой длины
- УНТ многостенные
- Все многостенные УНТ
- MWCNT,> 92%
- MWCNT,> 95%
- MWCNT,> 96%
- Согласованные MWCNT,> 96%
- MWCNT,> 90%, -COOH
- MWCNT,> 92%, -COOH
- MWCNT,> 96%, -COOH
- MWCNT,> 92%, -ОН
- MWCNT,> 96%, -ОН
- MWCNT,> 96%, -Ni
- MWCNT,> 99%, -Ni
- Промышленные MWCNT
- Углеродные нановолокна
- Графен
- Наночастицы
- Микрочастицы
- Фуллерен
- Кремниевые и полупроводниковые пластины
- Дисперсии
- Аккумуляторное оборудование
- Редкоземельные материалы
- Мишени для распыления
- Все мишени для распыления
- Названия мишеней для распыления A — C
Применение графена в военных целях — Нанографи нанотехнологии
Переключить меню Категории- Популярные товары
- Углеродные нанотрубки
- Все углеродные нанотрубки
- Волокна углеродных нанотрубок
- Губки с углеродными нанотрубками
- Дисперсии УНТ
- Все дисперсии УНТ
- Все дисперсии углеродных нанотрубок
- УНТ двустенные
- УНТ однослойные
- Все однослойные УНТ
- SWCNT,> 65%
- SWCNT,> 92%
- SWCNT,> 95%
- SWCNT,> 96%
- SWCNT,> 65%, -COOH
- SWCNT,> 92%, -COOH
- SWCNT,> 65%, -ОН
- SWCNT,> 92%, -ОН
- Графитированные многостенные УНТ
- Многостенные УНТ короткой длины
- УНТ многостенные
- Все многостенные УНТ
- MWCNT,> 92%
- MWCNT,> 95%
- MWCNT,> 96%
- Согласованные MWCNT,> 96%
- MWCNT,> 90%, -COOH
- MWCNT,> 92%, -COOH
- MWCNT,> 96%, -COOH
- MWCNT,> 92%, -ОН
- MWCNT,> 96%, -ОН
- MWCNT,> 96%, -Ni
- MWCNT,> 99%, -Ni
- Промышленные MWCNT
- Углеродные нановолокна
- Графен
- Наночастицы
- Микрочастицы
- Фуллерен
- Кремниевые и полупроводниковые пластины
- Дисперсии
- Аккумуляторное оборудование
- Редкоземельные материалы
- Мишени для распыления
- Все мишени для распыления
- Названия мишеней для распыления A — C
Применение графена в медицине
Переключить меню Категории- Популярные товары
- Углеродные нанотрубки
- Все углеродные нанотрубки
- Волокна углеродных нанотрубок
- Губки с углеродными нанотрубками
- Дисперсии УНТ
- Все дисперсии УНТ
- Все дисперсии углеродных нанотрубок
- УНТ двустенные
- УНТ однослойные
- Все однослойные УНТ
- SWCNT,> 65%
- SWCNT,> 92%
- SWCNT,> 95%
- SWCNT,> 96%
- SWCNT,> 65%, -COOH
- SWCNT,> 92%, -COOH
- SWCNT,> 65%, -ОН
- SWCNT,> 92%, -ОН
- Графитированные многостенные УНТ
- Многостенные УНТ короткой длины
- УНТ многостенные
- Все многостенные УНТ
- MWCNT,> 92%
- MWCNT,> 95%
- MWCNT,> 96%
- Согласованные MWCNT,> 96%
- MWCNT,> 90%, -COOH
- MWCNT,> 92%, -COOH
- MWCNT,> 96%, -COOH
- MWCNT,> 92%, -ОН
- MWCNT,> 96%, -ОН
- MWCNT,> 96%, -Ni
- MWCNT,> 99%, -Ni
- Промышленные MWCNT
- Углеродные нановолокна
- Графен
- Наночастицы
- Микрочастицы
- Фуллерен
- Кремниевые и полупроводниковые пластины
- Дисперсии
- Аккумуляторное оборудование
- Редкоземельные материалы
- Мишени для распыления
- Все мишени для распыления
- Названия мишеней для распыления A — C