Grafen și aplicarea sa. Descoperirea grafenului. Nanotehnologia în lumea modernă

Mai recent, în știință și tehnologie, a apărut un nou domeniu, numit nanotehnologie. Perspectivele acestei discipline nu sunt doar vaste. Sunt grandioase. O particulă numită "nano" este o valoare egală cu o miliardime de orice valoare. Astfel de dimensiuni pot fi comparate doar cu dimensiunile atomilor și moleculelor. De exemplu, un nanometru este numit o miliardime de metru.

Direcția principală a noului domeniu al științei

Nanotehnologia se referă la cei care manipulează materia la nivelul moleculelor și atomilor. În acest sens, acest domeniu al științei se numește și tehnologie moleculară. Care a fost impulsul pentru dezvoltarea sa? Nanotehnologia în lumea modernă a apărut datorită unei prelegeri Richard Feynman. În ea, omul de știință a demonstrat că nu există obstacole în calea creării de lucruri direct de la atomi.

Instrumentul pentru manipularea eficientă a celor mai mici particule a fost numit asamblator. Aceasta este o nanomachină moleculară, cu care puteți construi orice structură. De exemplu, un asamblator natural poate fi numit un ribozom care sintetizează proteinele în organismele vii.

Nanotehnologia în lumea modernă nu este doar un domeniu separat al cunoașterii. Acestea reprezintă un vast domeniu de cercetare direct legat de multe științe fundamentale. Printre acestea se numără fizica, chimia și biologia. Potrivit oamenilor de știință, aceste științe vor primi cel mai puternic impuls dezvoltării în contextul viitoarei revoluții nanotehnologice.

Domeniul de aplicare

Pentru a lista toate sferele activității umane, în cazul în care nanotehnologia este folosită astăzi, este imposibilă din cauza unei liste foarte impresionante. Astfel, cu ajutorul acestui domeniu științific, sunt produse următoarele:

- dispozitive concepute pentru înregistrarea super-densă a oricăror informații-
- diverse echipamente video-
- senzori, celulele solare, semiconductor tranzistori-
- informatică, informatică și tehnologia informației -
- nanoimprimare și nanolitografie-
- dispozitive destinate să stocheze energia și celulele de combustie -
- Aplicații de apărare, spațiu și aviație -
- bioinstrumentary.

Într-un domeniu științific, cum ar fi nanotehnologia, în Rusia, Statele Unite, Japonia și o serie de țări europene, tot mai multe fonduri sunt alocate în fiecare an. Acest lucru se datorează perspectivelor extinse de dezvoltare a acestui domeniu de cercetare.

Nanotehnologiile din Rusia se dezvoltă în conformitate cu programul țintă federal, care oferă nu numai costuri financiare mari, ci și o mare parte a lucrărilor de proiectare și cercetare. Pentru a realiza sarcinile stabilite, eforturile diverselor complexe științifice și tehnologice sunt combinate la nivel de corporații naționale și transnaționale.

Material nou

Nanotehnologia a permis oamenilor de știință să facă o plăcuță de carbon mai greu decât un diamant, a cărui grosime este doar un atom. Se compune din grafen. Este cel mai subțire și durabil material din întregul univers, care permite o energie mult mai bună decât chips-urile de siliciu pe computer.

Descoperirea grafenului este considerată un adevărat eveniment revoluționar care ne va permite să schimbăm mult în viața noastră. Acest material are proprietăți fizice atât de diferite încât schimbă în mod fundamental ideea unei persoane cu privire la natura lucrurilor și a substanțelor.

Istoria descoperirii

Grafenul este un cristal bidimensional. Structura sa este o latură hexagonală formată din atomi de carbon. Studiile teoretice ale grafenului au început cu mult timp înainte de producerea probelor reale, deoarece acest material este baza pentru construirea unui cristal grafit tridimensional.

Încă din 1947, P. Volles a subliniat anumite proprietăți ale grafenului, dovedind că structura sa este analogă metalelor, iar unele caracteristici sunt similare cu cele ale particulelor ultrarelativiste, neutrinilor și fotonilor fără masă. Cu toate acestea, materialul nou are anumite diferențe semnificative care îl fac unic în natura sa. Dar confirmarea acestor concluzii a fost primită abia în 2004, când Konstantin Novoselov și De Andrey Geim Pentru prima dată carbonul a fost obținut în stare liberă. Această substanță nouă, numită grafen, a devenit o descoperire majoră a oamenilor de știință. Găsiți acest element într-un creion. Miezul său de grafit este alcătuit din mai multe straturi de grafen. Cum creionul lasă un semn pe hârtie? Faptul este că, în ciuda rezistenței straturilor care compun nucleul, există legături foarte slabe între ele. Ele sunt foarte ușor de dezintegrate atunci când vin în contact cu hârtia, lăsând o urmă la scriere.

Utilizarea de materiale noi

Potrivit oamenilor de știință, senzorii bazați pe grafen vor putea să analizeze puterea și starea aeronavei, precum și să prezică cutremure. Dar numai atunci când materialul cu astfel de proprietăți extraordinare părăsește pereții laboratoarelor, devine clar în ce direcție va merge dezvoltarea aplicării practice a acestei substanțe. Pentru azi zi chimisti, fizicienii, precum și inginerii de electronice sunt deja interesați de capacitățile unice ale grafenului. La urma urmei, doar câteva grame din această substanță pot acoperi un teritoriu egal cu câmpul de fotbal.

Grafenul și aplicarea acestuia sunt potențial luate în considerare în producția de sateliți și aeronave ușoare. În acest domeniu, materialul nou poate înlocui fibre de carbon în materiale compozite. Nano-materia poate fi folosită în loc de siliciu în tranzistori, iar introducerea sa în plastic va conferi conductivitate electrică.

Grafenul și aplicarea acestuia sunt, de asemenea, luate în considerare la fabricarea senzorilor. Aceste dispozitive, pe baza ultimului material, vor putea detecta cele mai periculoase molecule. Dar utilizarea prafului din nanosubstanță în producția de baterii electrice va crește eficiența acestora.

Graphene și aplicarea sa sunt luate în considerare în optoelectronică. Dintr-un material nou se vor dovedi containere din plastic foarte ușoare și rezistente, din care se vor putea păstra produsele într-o stare proaspătă în câteva săptămâni.

Utilizarea grafenului se presupune, de asemenea, pentru fabricarea unei acoperiri transparente conductive, care este necesară pentru monitoare, celule solare și mai robustă și rezistentă la influențele mecanice ale morilor de vânt.

Pe baza nanomaterialelor, vor fi obținute cele mai bune echipamente sportive, implanturi medicale și supercapacitoare.

De asemenea, grafenul și aplicarea acestuia sunt relevante pentru:

- dispozitive electronice de înaltă frecvență de înaltă frecvență -
- membranele artificiale care separă două lichide într-un rezervor-
- Îmbunătățirea conductivității diferitelor materiale -
- crearea unui afișaj pe diode organice de lumină -
- mastering noua tehnica de secventiere accelerata a ADN-
- ecran LCD îmbunătățit
- crearea de tranzistoare balistice.

Utilizarea în industria auto

Potrivit cercetătorilor, intensitatea energetică specifică a grafenului se apropie de 65 kWh / kg. Această cifră este de 47 de ori mai mare decât cea care este atât de comună în zilele noastre baterii litiu-ion. Acest fapt a făcut ca oamenii de știință să creeze o nouă generație de încărcătoare.

Grapene-polimerul este un dispozitiv prin intermediul căruia energia electrică este menținută cât mai eficient posibil. În prezent, lucrul la acesta este realizat de cercetători din mai multe țări. Au fost înregistrate progrese semnificative în această privință de către oamenii de știință spanioli. Graphene-polimerul acumulat, realizat de aceștia, are o capacitate de energie de sute de ori mai mare decât cea a bateriilor existente. Ei o folosesc pentru echiparea vehiculelor electrice. Mașina în care este instalat o baterie de grafen, poate conduce mii de kilometri fără oprire. Pentru a reîncărca un vehicul electric atunci când resursele de energie sunt epuizate, nu va dura mai mult de 8 minute.

touchscreens

Oamenii de știință continuă să exploreze grafenul, creând în același timp lucruri noi și de neegalat. Astfel, nanomaterialul de carbon a găsit aplicația sa în producția de afișaje senzoriale cu o diagonală mare. În viitor, poate apărea un dispozitiv flexibil de acest tip.

Oamenii de stiinta au obtinut o foaie de grafenie dreptunghiulara si au transformat-o intr-un electrod transparent. Acesta este cel care participă la munca ecranului tactil, diferindu-se în funcție de durabilitate, transparență sporită, flexibilitate, ecologie și costuri reduse.

Obținerea de grafen

Din 2004, când a fost descoperit cel mai nou nanomaterial, oamenii de știință au învățat o serie de metode de obținere a acestuia. Cu toate acestea, cele mai de bază dintre aceste metode sunt:

- exfoliere mecanică-
- creșterea epitaxială într-
- răcire fază-fază chimică (proces CVD).

Prima dintre aceste trei metode este cea mai simplă. Producția de grafen în cazul exfolierii mecanice este aplicarea unui grafit special pe suprafața adezivă a unei benzi izolatoare. După aceasta, baza, ca o foaie de hârtie, începe să se îndoaie și să se dezbrace, separând materialul dorit. Atunci când se utilizează această metodă, grafenul este de cea mai bună calitate. Cu toate acestea, astfel de acțiuni nu sunt adecvate producției în masă a acestui nanomaterial.

Atunci când se folosește metoda creșterii epitaxiale, se utilizează plăci subțiri de siliciu, stratul de suprafață din care este carbură de siliciu. În plus, acest material este încălzit la o temperatură foarte ridicată (până la 1000 K). Ca urmare a reacției chimice, atomii de siliciu sunt separați de atomii de carbon, dintre care primul se evaporă. Ca rezultat, grafina pură rămâne pe placă. Dezavantajul acestei metode este necesitatea de a folosi temperaturi foarte ridicate la care se poate produce arderea atomilor de carbon.

Metoda cea mai fiabilă și mai simplă utilizată pentru producerea în masă a grafenului este procesul de BCV. Este o metodă în care are loc o reacție chimică între un catalizator de acoperire a metalelor și gaze de hidrocarburi.

Unde este produsă grafenul?

Până în prezent, cea mai mare companie care produce nanomateriale noi este în China. Numele acestui producător este tehnologia Ningbo Morsh. Producția de grafen a fost inițiată de el în 2012.

Principalul consumator de nanomateriale este compania Chongqing Morsh Technology. Grafenul este utilizat de acesta pentru a produce folii transparente conductive care sunt introduse în ecrane tactile.

Mai recent, bine-cunoscut Nokia a emis un brevet pentru o matrice fotosensibil. În compoziția acestui element, atât de necesar pentru dispozitive optice, există mai multe straturi de grafen. Acest material, folosit pe senzorii camerei, crește semnificativ fotosensibilitatea (de până la 1000 de ori). În același timp, există o scădere a consumului de energie electrică. O camera buna pentru un smartphone va contine, de asemenea, grafen.

Intră în casă

Pot să fac grafenă acasă? Se pare că da! Trebuie să luați un mixer de bucătărie cu o capacitate de cel puțin 400 W și să urmați tehnica dezvoltată de fizicienii irlandezi.

Cum să faci grafenul acasă? Pentru a face acest lucru, 500 ml de apă sunt turnate în vasul blenderului, adăugând la lichid 10-25 mililitri de orice detergent și 20-50 grame de ardezie zdrobită. Apoi, dispozitivul ar trebui să funcționeze de la 10 minute până la jumătate de oră, până la apariția unei suspensii de fulgi de grafen. Materialul rezultat va avea o conductivitate ridicată, care îi va permite să fie utilizată în electrozi fotocelulați. De asemenea, produs în condiții cotidiene, grafenul este capabil să îmbunătățească proprietățile plasticului.

Oxizi ai nanomaterialelor

Oamenii de știință explorează în mod activ și o astfel de structură de grafen, care în interiorul sau pe marginea rețelei de carbon are atașate grupuri funcționale conținând oxigen sau molecule (și). Este oxidul celui mai dur nanosubstanță, care este primul material bidimensional care a atins stadiul producției comerciale. Din nanoparticule și microparticule din această structură, oamenii de știință au făcut probe de centimetru.

Astfel, oxidul de grafen, în combinație cu carbonul diofilizat, a fost obținut recent de către oamenii de știință chinezi. Acesta este un material foarte ușor, un cub de centimetru din care este ținut pe petalele unei flori mici. Dar noua substanță, în care se află oxidul de grafen, este una dintre cele mai solide din lume.

Aplicații biomedicale

Oxidul de grafen are o proprietate unică de selectivitate. Acest lucru va permite acestei substanțe să găsească o aplicație biomedicală. Deci, datorită muncii oamenilor de știință, a devenit posibil să se utilizeze oxid de grafen pentru diagnosticarea cancerului. Pentru a detecta o tumoare maligna in stadiile incipiente ale dezvoltarii sale, permite proprietati optice si electrice unice ale nanomaterialelor.

Oxidul de grafen permite, de asemenea, livrarea țintă a produselor medicinale și de diagnosticare. Pe baza acestui material, se creează biosenzori de sorpție care indică moleculele ADN.

Aplicatii industriale

Sorbenți diferiți, pe bază de oxid de grafen, pot fi utilizați pentru dezactivarea obiectelor technogene și naturale infectate. Mai mult, acest nanomaterial poate procesa apele subterane și de suprafață, precum și solurile, eliminându-le de radionuclizi.

Filtrele de oxid de grafină pot furniza camere super-curate în care sunt fabricate componente electronice cu scop special. Proprietățile unice ale acestui material ne vor permite să pătrundem în tehnologiile subtile ale sferei chimice. În special, poate fi extracția metalelor radioactive, dispersate și rare. Astfel, utilizarea oxidului de grafen va permite extragerea aurului din minereuri sărace.