Графен что это такое

От умной одежды до зелёной энергетики: как использование графена изменит нашу жизнь

Изобретённому российскими учёными графену находят всё новые способы применения. Так, исследователям Северо-Западного университета (США) удалось сделать на основе этой сверхтонкой модификации углерода суперстойкую краску для волос. Широко применяется графен и в других областях: на его основе делают пуленепробиваемые бронежилеты, материал используют для получения водородного топлива и в наноустройствах. О феномене графеновой революции — в материале RT.

Графен состоит из плотно соединённых атомов углерода, выстроенных в решётку наподобие пчелиных сот толщиной всего в один атом. Это делает его самым тонким материалом в мире, невидимым невооружённым глазом, но при этом очень прочным и эластичным. Впервые графен выделили в 2004 году российские учёные Андрей Гейм и Константин Новосёлов, которые работали тогда в Манчестерском университете. Шесть лет спустя опыты физиков были удостоены Нобелевской премии.

С тех пор исследователи со всех уголков планеты пытались найти всё новые способы применения и, что интересно, получения графена. Ведь одним из главных факторов, мешающих наладить масштабное производство этого чудо-материала, была дороговизна «оригинального» варианта получения графена с помощью сложного процесса разложения графита. Очень быстро графен научились добывать при помощи лазера, используя в качестве сырья обычную древесину, и даже путём взрыва углеродсодержащего материала.

Пока одни учёные соревнуются, чей метод получения графена проще и дешевле, другие находят ему самое необычное применение.

Красота не требует жертв

Специалисты Северо-Западного университета (США) превратили чёрный «от природы» графен в суперстойкую краску для волос.

В ходе эксперимента американские учёные покрыли образцы человеческого волоса раствором из листов графена. Так, физикам удалось превратить светлые, платиновые волосы в угольно-чёрные. Новый цвет оставался стойким на протяжении 30 смывов.

Краска на основе графена обладает дополнительными преимуществами, утверждают американские исследователи. Каждый покрытый ею волос подобен маленькому проводу, способному проводить тепло и электричество. Это означает, что волосы, окрашенные графеновой краской, легко рассеивают статическое электричество и решают проблему электризующихся волос.

• globallookpress.com
• Mari Barlow/moodboard

Американские учёные также полагают, что их краска абсолютно безвредна.

«Наружный слой ваших волос, или кутикула, выполняет защитную функцию и состоит из тонких клеток наподобие рыбных чешуек. Чтобы приподнять эти чешуйки и позволить молекулам краски быстро проникнуть в волосы, используются аммиак, перекись водорода или органические амины», — сообщил автор исследования Цзясин Хуан.

Из-за подобных манипуляций волосы постепенно истончаются. Проблему позволяет решить краска, которая покрывает волосы, но не проникает в их структуру. Однако такая краска очень быстро смывается. Как утверждают специалисты Северо-Западного университета, их изобретение позволяет справиться с обеими проблемами.

В индустрию моды и красоты графен начал проникать ещё в 2017 году, когда британская компания CuteCircuit представила платье с элементами из этого чудо-материала. Платье Graphene Dress со встроенными светодиодами благодаря графену меняет цвет «в такт» дыханию его обладательницы.

• Платье на основе графена, Манчестер, 2017 год
• Reuters

«Материал будущего» выполняет в платье одновременно две задачи: он является датчиком, улавливающим частоту дыхания, а также питает светодиоды, которые и меняют цвет платья. Разработчики умной одежды считают, что графен можно использовать для получения тканей, которые будут радикально менять свой цвет. Презентация Graphene Dress состоялась на родине этого материала — в Манчестере. 

Тихая графеновая революция

«У графена очень много интересных физических свойств и явлений, например электронные свойства, которые позволяют использовать графен для конструирования сложных электронных наноустройств. Есть работы, в которых его используют для защиты наночастиц от окисления», — рассказал в беседе с RT старший научный сотрудник кафедры химической кинетики химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова Владимир Боченков.

Также по теме

Новые свойства графена помогут создавать топливо «из воздуха»

Исследование, проведённое физиками в Университете Манчестера, показало, что открытый в 2010 году графен может быть использован в

Кроме того, графен поможет решить одну из главных задач современности — получить недорогие, надёжные и экологически безопасные источники энергии. Так, графеновые композиты позволяют создать более эффективные солнечные панели.

Учёные из Массачусетского технологического института доказали, что при помощи графена можно сделать эластичные, дешёвые и прозрачные солнечные элементы, превращающие практически любую поверхность в источник электроэнергии.

Солнечные батареи из графена, по словам учёных, могут производить энергию даже в дождь.

«В графене можно делать определённые отверстия, выбивая некоторые атомы углерода, и получать регулируемые поры, которые можно использовать в качестве мембраны в батареях и топливных ячейках. Также мембраны на основе графена могут удешевить производство тяжёлой воды.

Она необходима в атомной промышленности для получения относительно экологически чистой энергии. Здесь опять же уникальные свойства графена позволяют быстрее разделять субатомные частицы, делая весь процесс очень экономичным.

В результате мы получаем более зелёную и дешёвую атомную энергию», — отметил Боченков.

Крупнейшие технологические компании уже приступили к созданию литийионных аккумуляторов для смартфонов с использованием графена. Инновационная технология позволяет заряжать батарею быстрее и хранить заряд дольше.

Графен можно использовать в качестве мембраны для фильтрации атомов водорода в воздухе и получить биологически чистое топливо. К такому выводу пришли первооткрыватели графена. Андрей Гейм и Константин Новосёлов выяснили, что при высоких температурах и присутствии платины в качестве ускорителя реакции графен пропускает положительно заряженные ионы водорода (протоны) и задерживает практически всё остальное. Такая технология поможет совершить прорыв в развитии зелёной энергетики.

Также по теме

«Рассеять энергию пули»: как нанотехнологии используются в военном деле

В России и мире активно ведутся разработки в области материалов, которые позволяют создавать новые средства индивидуальной бронезащиты

Взяли на вооружение графен и производители военной продукции. Выяснилось, что материал обладает пуленепробиваемыми свойствами. Учёные из Нью-Йоркского университета получили очень прочные и почти невесомые бронежилеты. В ходе эксперимента физики запустили стеклянную микропулю в листы графена толщиной от десяти до 100 слоёв.

Графен рассеял энергию пули, летящей на скорости 3000 м/с. Однако в точке удара материал вытянулся в форме конуса, а затем треснул. Появление трещин не позволяет пока поставить графеновые бронежилеты на службу полицейским. По оценкам специалистов, чтобы защитить своих обладателей, такие бронежилеты должны состоять из миллионов слоёв графена.

А для этого требуется наладить его производство в промышленных масштабах.

Проник графен и в биологию. В 2016 году китайские учёные накормили шелкопрядов тутовыми листьями, которые были сбрызнуты препаратами, содержащими графен. В итоге экспериментаторы получили прочную и хорошо проводящую электричество графеновую шёлковую нить.

«Экспериментов с графеном проводится масса. Потенциал этого материала невероятно широк. Думаю, через несколько лет графен будет использоваться в создании и различных детекторов света, и контактных линз, и вообще чего угодно. Практическое применение этого материала может ограничиваться лишь фантазией учёных», — заключил Боченков.

Источник: https://russian.rt.com/science/article/493938-grafen-ispolzovaniye-novyie-vozmozhnosti

Графеновая революция: Часть 3

Многие в данный момент обсуждают графен. Когда в последний раз материалу (или веществу) уделялось столько внимания? Конечно, другие материалы прежде тоже вызывали наш интерес, но когда нечто буквально взрывает большинство информационных новостных агентств, вы понимаете, что надвигается что-то грандиозное.

Графен производит фурор в СМИ

К настоящему моменту вы, скорее всего, уже пропосмотрели два предшествующих топика моего коллеги Дэна в блоге «Графеновая революция». В Части 1 он познакомил нас с самим материалом, а в Части 2 он продемонстрировал три интересных сценария моделирования и применения материала «дня». Однако, как покажет любой быстрый поиск в Google, не только мы одни говорим об этом. Аналитическое агентство

Business Insider недавно опубликовало статью, утверждающую, что патентные войны за графен уже начались. Автор статьи также напоминает, что такого особенного в графене; что это невероятно тонкий и одновременно невообразимо прочный материал. Графен в дальнейшем окажется полезным для великого множества приложений, открывая тем самым дорогу непрекращающейся «патентной войне».

Сетевая финансовая медиа-компания TheStreet запустила новость о том, что графен ничто иное как решение для возобновляемых источников энергии. В статье говорится о том, что графен может использоваться в конденсаторах, с помощью которых у электромобиля хватит энергии на большие расстояния, чем это возможно сейчас.

Кроме того, по-видимому, этот тип конденсатора будет способен также практически мгновенно перезаряжаться. Самое интересное в этой увлекательнейшей истории состоит в том, что научная составляющая уже исследована и осталось только разработать и наладить массовое производство продукции с использованием данного материала.

Нужно только обойти одно препятствие, прежде чем все это сможет осуществиться — разумеется речь о патентных войнах, отмеченных Business Insider.

Высоко-ценящаяся прочность этого материала является, как правило, центральной темой статей по этому предмету, но одна группа исследователей отмечает, что «даже у графена есть слабые места». В частности, исследователи изучили графеновые листы, которые были получены в лаборатории.

По-видимому, эти листы редко состоят из идеальных массивов гексагонов (шестиугольников), образуя в результате домены графена, которые недостаточно хорошо выравнены друг относительно друга. Взамен, на границах переходов , образуются семи-атомные кольца, создавая, таким образом, слабые места в материале.

Ученые обнаружили, что когда эти слабые места появляются, поликристаллический графен теряет примерно половину своей первоначальной прочности. О-ох. Эти выводы прямо противоречат старому утверждению о том, что сила графена, в действительности, заключается в его недостатках.

Эта группа исследователей предполагает, что ключевым моментом здесь являются «углы, под которыми отдельные листы сшиваются вместе», и, что в некоторых случаях, границы зерен могут быть столь же прочны, как чистый графен.

Графеновая революция продолжается

Так кто же прав? Я склоняюсь к мысли, что мы не можем игнорировать слабые места, но я также не думаю, что они смогут положить конец «Графеновой революции». Т.к.

много находится уже в стадии реализации С помощью дополнительных исследований, ученые и инженеры обязаны раскрыть еще больше потенциальных применений этого материала, и дать еще лучшее понимание того, как он работает — по отдельности и вместе с другими материалами — в различных физических условиях. Разумеется, мы продолжим освещать эту тему, так что ждите четвертую часть нашей серии по графену.

Дополнительная литература

Источник: https://www.comsol.ru/blogs/the-graphene-revolution-part-3/

10 способов применения графена, которые изменят вашу жизнь | Компьютерра

Он прочный, он гибкий и он уже здесь: после долгих лет исследований и экспериментов графен приходит в нашу жизнь, а именно – в продукты, которыми мы пользуемся каждый день. В скором времени графен изменит мир смартфонов, аккумуляторов, спортивной экипировки, суперкаров и сверхпроводников. Свойства этого материала настолько невероятные, что некоторые люди даже считают, что графен достался нам от инопланетных кораблей, оставленных на нашей планете задолго до появления человечества.

Это, конечно же, фантастика, но потенциал графена не может не рождать подобные теории заговора.

Прошло более 60 лет с тех пор, как ученые и производители электроники впервые попытались раскрыть всю мощь нового материала, однако его практическое применение стало реальным только сейчас.

Новости о технологических прорывах в этой области не прекращаются, и очередной всплеск инфоповодов по этой теме состоялся в ходе недавней выставки мобильной электроники MWC 2018. Далее речь пойдет о 10 способах использования графена, которые изменят вашу жизнь в обозримом будущем.

Миниатюрные УФ-сканеры

Обычная одежда спасает нас от вредных ультрафиолетовых лучей, но зачастую этого бывает недостаточно, особенно в жарких солнечных странах. Проблема будет решена с помощью небольшого гибкого УФ-сканера, который может крепиться на кожу, как обычный пластырь, либо изначально встраиваться в одежду. Когда этот сканер определит, что вы слишком долго находитесь под прямыми солнечными лучами, он отправит соответствующее уведомление на смартфон, предупредив вас об опасности.

Умные стельки для атлетов

Производители обуви и спортивных товаров также делают большую ставку на графен. Сегодня уже существуют носки и стельки, распознающие силу давления в той или иной области подошвы.

Но подавляющее большинство таких продуктов оснащены всего несколькими датчиками, графен позволяет разместить более 100 датчиков, которые никак не повлияют на вес обуви.

Прототипы высокотехнологичных стелек существуют уже сегодня, они изготовлены из специальной пены и измеряют давление с точностью до миллиграмма.

Графеновый крио-кулер для охлаждения базовых станций 5G

Всем модулям беспроводной связи при увеличении объема передаваемых данных требуется все больше охлаждения, иначе оборудование перегреется. Таким образом, многократное повышение пропускной способности в приближающихся 5G-сетях. Разработанный в Швеции компактный охлаждающий насос способен понижать температуру базовых станций вплоть до -150 градусов, поддерживая стабильный сигнал.

техника

Хотя впервые графен был получен в Университете Манчестера, исследования данного материала ведутся по всему миру, а наибольшее число патентов по использованию графена принадлежит Китаю.

Неудивительно, что крупнейший производитель электроники в этой стране стал одним из первых брендов, внедривших графен в свои продукты. Так, Xiaomi Mi Pro HD являются наушниками с графеновой диафрагмой, которая позволяет передавать более громкий, чистый и насыщенный звук.

Также у Xiaomi есть терапевтический пояс PMA A10 из ткани, покрытой графеном.

Реклама на Компьютерре

В Италии ученые разрабатывают солнечную батарею на основе графена и органических кристаллов. Такая технология позволяет делать солнечные ячейки более крупными, что повышает эффективность сбора энергии и удешевляет производство в 4 раза.

Графеновые самолеты

В авиации вес – это все, от него напрямую зависит стоимость полета. Именно поэтому Ричард Брэнсон (и другие, менее известные люди) предсказывают полный переход коммерческих авиакомпаний на гораздо более легкий и прочный графен уже в ближайшее десятилетие. И это не просто слова – к примеру, Airbus уже не первый год активно занимается этим направлением.

Чехлы для смартфонов

Чехлы со встроенной батареей так и не прижились на рынке, а проблема быстро разряжающихся мобильных аккумуляторов никуда не делась. Чехлы с задней панелью из графена смогут намного эффективнее охлаждать смартфон, прибавляя до 20% ко времени работы батареи в вашем мобильном устройстве.

Супертонкие электронные книги

На MWC 2017 компания FlexEnable продемонстрировала построенную на основе графена полноцветную пиксельную матрицу для энергоэффективных дисплеев и дисплеев с электронными чернилами. Такие экраны будут иметь толщину обычной бумаги. К тому же, эти матрицы будут гибкими, что избавляет от необходимости использования толстого защитного стекла.

Автомобили

Графен раскрывает широкие перспективы для автомобилестроения, в частности для электромобилей. Дело в том, что с изготовленные из графена транспортные средства обладают меньшим весом и большей жесткостью кузова, что позволяет им быстрее ускоряться и расходовать значительно меньше электроэнергии.

Сверхбыстрые зарядки

Что, если бы вы могли зарядить свой смартфон на 100% за 5 минут? Именно столько времени требуется зарядному устройству от Zap & Go. И хотя тестовый прототип имел емкость всего 750 мАч, этот результат не может не впечатлять.

А в следующем году инженеры компании обещают снизить этот показатель до 15-20 секунд.

Тем временем, в Huawei разработали обычные литий-ионные батареи, которые благодаря применению графена могут работать на температурах до 60оС, что на 10 превышает показатель стандартных аккумуляторов на 10 градусов, что продлевает срок эксплуатации батареи почти в 2 раза.

Источник: https://www.computerra.ru/230518/10-sposobov-primeneniya-grafena-kotorye-izmenyat-vashu-zhizn/

Графен. Устройство и применение. Особенности и перспективы

Графен (G) представляет революционный материал, который открывает широкие перспективы. Это самый электропроводящий, легкий и прочный вариант углеродного соединения. G — был открыт Андреем Геймом и Константином Новоселовым, которые работают в Университете Манчестера. Русских ученых за это открытие наградили Нобелевской премией. На исследование свойств графена только на сегодняшний день выделено свыше десяти миллиардов долларов.

Ученые предполагают, что он может стать превосходной заменой кремнию, в особенности в полупроводниковой промышленности. Неслучайно его называют «материалом будущего». Несмотря на «молодость» графена, исследователи находят все новые свойства графена, которые открывают перед человечеством невероятное окно возможностей.

Что это графен

G — представляет двумерную модификацию углерода, в которой атомы объединены в гексагональную кристаллическую решетку, а его толщина составляет всего один атом.

При этом материал обладает уникальными свойствами:

• Рекордно большая теплопроводность.
• Большая механическая жесткость, он прочнее стали в сотни раз.
• Высокая гибкость.
• Большая электропроводимость.
• Его температура плавления находится выше 3000 градусов.
• Непроницаемость для большинства газов и жидкостей.
• Прозрачность.

Если сложить 3-и миллиона листов графена, то можно получить толщину порядка 1 мм

Чтобы объяснить самым простым способом, что такое G, можно сказать: данный материал состоит из мягкого слоистого материала, используемого в грифелях. Однако графен, в отличие от графита, имеет иную структуру. Так же, как графит и алмаз являются формами углерода, они существенно кардинально отличаются по прочности. Так и графен очень твердый в виду того, что его атомы имеют гексагональное расположение.

Чудеса начинаются, когда начинается выделение графена из графита. Благодаря толщине в один атом он представляет первый 2D-материал из когда-либо обнаруженных. К тому же он обладает многочисленными полезными и удивительными свойствами.

Сегодня не существует такой области применения, где графен не был бы интересен. Именно поэтому проводятся многочисленные интенсивные исследования, которые направлены на изучение сфер, где потенциально можно было бы внедрить указанный материал.

Для ученых открываются невероятные возможности, ведь G особенно широко можно использовать в развитии технологий и науки.

Начиная с 2004 года, когда новейший наноматериал был открыт, ученые смогли освоить целый спектр методов его получения. Но основными из них являются следующие способы:

• Химическое перофазное охлаждение, то есть CVD-процесс.
• Эпитаксиальный рост в вакууме.
• Механическая эксфолиация.

Последний метод является наиболее простым. Создание графена при помощи механической эксфолиации осуществляется следующим образом:

• Выполняется нанесение специального графита на специальную клейкую поверхность изоляционной ленты.
• Затем основу, словно лист бумаги, начинают разгибать и сгибать, отделяя необходимый материал.

При использовании указанного способа G получается наиболее высокого качества. Но подобные действия не подойдут для массового производства, указанного наноматериала.

При применении метода эпитаксиального роста:

• Используют тонкие кремниевые пластины, у которых поверхностный слой состоит из карбида кремния.
• Затем данный материал нагревают при весьма высокой температуре, достигающей 1000 К.
• Вследствие химической реакции осуществляется отделение атомов кремния от атомов углерода, при этом первые испаряются. На пластинке остается лишь чистый G.

Среди минусов данного метода можно отметить необходимость применения высоких температур, при которых обеспечивается сгорание атомов углерода.

Наиболее простым и надежным способом, который применяется для массового производства графена, считается CVD-процесс. Данный метод представляет способ, при котором протекает химическая реакция между углеводородными газами и металлическим покрытием-катализатором.

В результате указанных методов получается двумерная аллотропная модификация углерода, которая образована слоем атомов углерода толщиной в один атом, которые соединены в гексагональную двумерную кристаллическую решетку посредством σ- и π-связей.

Носители заряда графена обладают высокой подвижностью, самой большой среди всех известных материалов.

Благодаря этому G является перспективным материалом для возможной замены кремния в интегральных микросхемах и будущей основы нано электроники.

Применения и особенности

Рынок применения графена непосредственно связан с прогрессом в производстве графена со свойствами, которые требуются для конкретного его использования. На текущий момент развиваются и применяются десятки методов по получению графена различного качества, формы и размера.

Среди методов, которые могут быть использованы, можно выделить три класса, получаемого графена:

1. Хлопьевидный восстановленный оксид графена, который применяется для проводящих красок, композитных материалов и так далее.
2. Плоский G, применяемый для создания высокопроизводительных электронных устройств.
3. Плоский G, применяемый для создания неактивных и низкопроизводительных устройств.

Свойства конкретного класса графена, а значит и функционал приложений, где можно его задействовать, очень сильно зависят от качества подложки, материала, типа дефектов и тому подобное.

А это в первую очередь определяется методом производства.

Графен в зависимости от метода производства сегодня применяется в следующих направлениях:

• При механическом отслаивании графен применяется для исследований. Подвижность носителей заряда составляет 2×105 и 106 (при низкой температуре) см²В-1с-1.
• При химическом отслаивании G применяется для создания композитных материалов, покрытий, красок, чернил, биоприложений, конденсаторов, прозрачных проводящих слоев. Подвижность носителей заряда составляет 100 см²В-1с-1.
• При химическом отслаивании через оксид графена материал применяется для создания композитных материалов, покрытий, красок, чернил, биоприложений, конденсаторов, прозрачных проводящих слоев. Подвижность носителей заряда составляет 1 см²В-1с-1;
• При методе CVD G применяется для создания наноэлектроники, фотоники, биоприложений, сенсоров, прозрачных проводящих слоев. Подвижность носителей заряда составляет 1000 см²В-1с-1;
• При методе SiC G применяется для создания электронных устройств, высокочастотных транзисторов и иных устройств. Подвижность носителей заряда составляет 1000 см²В-1с-1.

На текущий момент изучаются и другие сферы применения графена:

• В альтернативной электронике;

— наноплазмоника и оптоэлектроника; — спинтроника;

— баллистическая электроника.

— газовые сенсоры;
— хранение водорода.

• G — как конструкционный материал;

— композитные материалы;
— графеновые мембраны.

— холодные катоды; — суперконденсаторы и электрические батареи; — квантовые точки; — НЭМС (наноэлектромеханические системы);

— прозрачные покрытия и проводящие электроды.

Так или иначе, но уникальные свойства, которыми обладает графен, смогут обеспечить внимание разработчиков и ученых к нему на десятки лет. Возможно, данный материал начнет вытеснять кремний из электронной промышленности.

К достоинствам графена можно отнести следующее:

• Высокая электропроводность. G — может проводить электричество как обычная медь. На его основе можно создавать различные электрические приборы.
• Отличная оптическая чистота. G — может поглощать только чуть более двух процентов видимого света вне зависимости от характеристик излучения. Вследствие этого данный материал практически бесцветен. Сторонний наблюдатель может назвать его невидимым.
• Высокая механическая прочность. G — по прочности превосходит алмаз.
• Гибкость.G — является более гибким, чем кремний. По данным параметрам он даже превосходит резину. Благодаря однослойной структуре можно изменять форму и растягивать графен по мере необходимости.
• Способность противостоять внешним воздействиям.
• Рекордная теплопроводность. G — по данному показателю превосходит медь в десять раз.

К недостаткам графена можно отнести следующее:

• На данный момент трудно получать G большой площади в промышленных масштабах с заданными высоко-химическими характеристиками. Удается получить лишь небольшие по размерам листы графена.
• Промышленный G по своим свойствам в большинстве случаев проигрывает экземплярам, которые получены в научных лабораториях. Поэтому достичь аналогичных характеристик при применении промышленных средств на данный момент не удается, несмотря на совершенствование технологий.
• Производство графена требует значительных затрат, что ограничивает его применение.

Тем не менее, эти трудности вполне преодолимы, что открывает широкие перспективы.

Перспективы

• Южнокорейская компания Samsung уже объявила, что намерена производить G в промышленных масштабах. Он будет применяться для создания очень тонких и гибких гаджетов. Производство пока дорогостоящее, но Samsung в будущем обещает удешевить его.
• Графеновые транзисторы могут стать заменой традиционным кремниевым, обеспечив невероятный прорыв в вычислительных мощностях на десятки лет вперед. Теоретически графеновые транзисторы могут работать на высоких частотах, а их размеры будут существенно меньше обычных.
• G — способен решить проблему фото- и видеооборудования, она заключается в невысоком качестве съемки при недостаточном освещении. Датчики на основе графена способны увеличить чувствительность сенсоров в сотни раз. Это означает появление новых инфракрасных камер, приборов ночного видения, аппаратов спутников, способных делать детализированные фотографии.
• Победа над раком. Оксид графена убивает стволовые клетки, которые запрограммированы на преобразование в раковую опухоль. Он уменьшает размер опухоли, предотвращая ее дальнейший рост.
• Огромные перспективы в медицине, автомобилестроении, химической промышленности и в других областях.

Похожие темы:

Источник: https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrotehnika/raschjoty/grafen/

За что дают Нобелевку: Графен

Графен обладает множеством уникальных свойств, мы рассмотрим несколько самых важных.

Во-первых, одна из важнейших характеристик этого материала — огромная механическая жёсткость, около 1 ТПа. Представьте кусок стали, сможете ли вы его согнуть? Вряд ли. Так вот, механическая жёсткость стали в 5 раз меньше, чем у графена. А ведь сталь — это кусок материала, в то время как графен — слой атомов.

Столь высокая механическая жёсткость была одним из свойств, предсказанных задолго до получения самого графена. Дело в том, что до 2004 года алмаз считался самым прочным материалом с огромнейшей жёсткостью. Сам термин «алмаз» с древнегреческого переводится как «несокрушимый».

В структуре алмаза, описанной выше, атомы углерода находятся на одинаковом расстоянии друг от друга — 0,154 нанометра, это длина крепкой одинарной связи. Атомы углерода в алмазе, связанные со всех сторон самой крепкой из химических связей, выдерживают и резку стекла, и бурение скважин, и при определённой технике резку других алмазов.

В слое же графена атомы находятся чуть ближе — 0,142 нм, и если в графите слоёв «пчелиных сот» много и они скользят относительно друг друга, то в одном слое графена скользить нечему. Один квадратный метр графена может выдержать около 4 кг.

Звучит не так впечатляюще, каждый человек выдержит такую массу, но вы только представьте, слой атомов, который вы даже не видите, может выдержать 4 кг! Сколько же килограмм должен выдержать один человек, если бы он обладал механической жёсткостью графена? По самым упрощённым расчётам, это число будет иметь 12 нулей!

Использование графеновых тепловыводящих трубок позволило бы многократно bувеличить эффективность систем охлаждения

Во-вторых, графен имеет рекордную теплопроводность. Исследования показали, что удельная теплопроводность графена равна 5000 Вт×м–1×К–1 при комнатной температуре, а это в 2,5 раза больше, чем у алмаза, в 25 раз больше, чем у алюминия, и в 54, чем у железа. Но и это не всё. Учёные из Германии и Сингапура доказали, что теплопроводность графена с увеличением размера образца повышается.

То есть, графен — это тот материал, который обладает бесконечной теплопроводностью. Помимо того, что нам нужно переосмыслить законы Фурье, согласно которым теплопроводность не зависит от размеров материала, теперь мы можем мечтать о совершенно новой электронике, ведь теплопроводность — это один из тормозящих параметров для любой электроники и техники.

Добавьте к этому, прочность, прозрачность и лёгкость графена, не забудьте и о том, что он состоит из безвредного для окружающей среды углерода. Вот вам и самый главный кандидат на «зелёную электронику»!

 Графен абсолютно непроницаем для любых газов и жидкостей, однако с помощью искусственно созданных отверстий можно создать графеновый фильтр

Конечно, всё это было бы невозможно без третьего свойства графена — высокой подвижности электронов. По сути, графен обладает свойством металлов, в кристаллах которых электроны, как море, текут из одного конца в другой.

С точки зрения физики твёрдых тел, графен — это полуметалл и не может быть классифицирован, как ранее известные материалы, на проводники, полупроводники и изоляторы. Физика твёрдых тел описывает материалы с помощью зонной теории. Согласно ей, в каждом атоме есть зона, заполненная электронами, и зона, свободная от них.

Когда эти две зоны пересекаются, электроны могут спокойно прыгать между уровнями, орбиталями и атомами — так мы получаем проводники. Когда между двумя зонами есть щель, электроны не могут двигаться — так получаются изоляторы. Но при наличии достаточно небольшой по размерам щели мы можем регулировать, когда электронам прыгать на соседний атом, а когда — нет.

Такие материалы мы называем полупроводниками. На этом принципе строится вся наша техника: каждый компьютер, каждый телефон, каждая микросхема. С графеном проблема в том, что щели нет, но электроны очень подвижны. Поэтому учёные разработали целые методы по созданию щели между зонами. Например, было решено использовать тонкие полоски графена и чередовать их с не графеном.

Мы же помним, что графен прозрачен и гибок, а это значит — новая гибкая электроника и новая оптоэлектроника! Это новые экраны с большей чёткостью, яркостью, гибкостью. Когда-нибудь вы сможете сложить свой ноутбук в трубочку и это ему нисколько не повредит.

Следующее уникальное свойство графена — непроницаемость. «Соты пчёл» находятся так близко друг к другу, что ни одна другая молекула не может пройти сквозь них. Даже самый маленький атом гелия застревает в слое графена. А это делает его прекрасным материалом для сенсоров.

Ведь каждая молекула, застревая в слое графена, меняет его свойства, например, теплопроводность, электропроводность, жёсткость и т. д. — это всё мы можем измерить.

Добавьте немного схем и проводов, шкалу, определяющую, сколько именно молекул упало на слой графена — и вот вам сенсоры нового поколения, лёгкие, прочные, экологичные! К тому же, помимо молекул веществ, мы можем точно определить количество солнечного света, упавшего на графен.

Это не только новое слово в солнечных батареях, но и новые свойства для наших экранов и дисплеев — они станут настолько тонкими, что их можно будет сворачивать в трубку. Если в слое графена сделать несколько «дырочек» размером, скажем, с молекулы воды, то мы получим мембраны нового поколения, ведь вода будет проходить сквозь графен, а соли нет.

Нанесение графеновой наноленты с помощью сканирующего атомно-силового микроскопа на золотую подложку

Ещё одно поразительное свойство графена — это то, что он состоит только из отрицательных ионов. Такая структура позволяет использовать в наших зарядных устройствах вместо аккумуляторов конденсаторы. Аккумуляторы очень долго заряжаются, но могут накопить большое количество зарядов.

Конденсаторы же быстро заряжаются, но энергии в них накапливается мало. Супер­конденсаторы же объединяют плюсы аккумуляторов и конденсаторов: новые батареи будут не только компактными по объёму, но и смогут быстро заряжаться, более того, они не будут подвергаться саморазряду и станут предоставлять нам много-много-много энергии.

Зарядить машину Тесла за 10 минут и кататься неделю? Совсем скоро это будет реальностью.