Графен в медицине реферат

Обновлено: 05.07.2024

Свойства графена

Графен — это двумерный материал, аллотропная модификация углерода. В случае графена атомы углерода выстроены в шестигранную структуру и формируют слой толщиной в один атом — это и есть графен. Такую структуру он приобретает за счет На внешней оболочке атома углерода расположены четыре электрона: при три из них вступают в связь с соседними атомами, а четвертый находится в состоянии, которое образовывает энергетические зоны. Поэтому графен обладает уникальными электрическими свойствами и прекрасно проводит электрический ток. Графен также имеет впечатляющие механические свойства: он гибкий, тонкий и на 97% прозрачный.

Теоретические работы доказывают, что графен очень жесткий и стойкий к механическому воздействию. В то же время, если положить его на подложку из мягкого материала, он примет его свойства. Эти характеристики полезны в биоэлектронике, в рамках которой ученые разрабатывают устройства для применения в живых организмах. В этой области приоритет отдается мягким материалам, более совместимым с тканями организма. Кремний и твердые металлы, которые используются в обычной электронике, для этого плохо подходят. С 2008 года появляются работы по графеновым нейродевайсам и биосенсорам: ученые исследуют возможности нового материала и уже достигают ощутимых результатов в этой области [1] [2].

Нейродевайсы: считывание активности нейронов

На основе уникальных свойств графена можно делать нейродевайсы, считывающие активность нейронов. Базовый элемент таких устройств — графеновый (амбиполярный, полевой) транзистор, через который протекает ток, если приложить напряжение. Разработчики биоэлектроники делают чипы, на которых размещают графеновые транзисторы на гибких подложках. Поверх этого чипа выращивают нейрональные клетки. Примерно через три недели, когда клетки достаточно вырастают, они взаимодействуют между собой и спонтанно возбуждаются, производят импульс. На поверхности клетки изменяется заряд — быстро и незначительно, на десятки милливольт. Этот поверхностный заряд влияет на проводимость графена за счет эффекта поля, то есть нейрональный импульс изменяет ток на всем транзисторе. Ученые считывают его и тем самым видят активность нейронов. Нейродевайсами занимаются в Center for Microelectronics Research в Техасском университете в Остине, а также в Institute of Bioelectronics в Юлихском исследовательском центре в Германии. Технология работает в лабораторных условиях, сейчас на ее основе ученые из Техасского университета изготавливают девайсы, которые можно имплантировать в мозг. Несколько таких устройств уже создали другие исследовательские группы, они смогли протестировать их in vivo на мышах и крысах [3].

В перспективе эту технологию можно применять и для людей. Нейродевайсы могут облегчить жизнь людям с болезнью Паркинсона, которые часто сталкиваются с тремором, непроизвольным сокращением мышц. Чтобы регулировать судороги, пациентам имплантируются мультиэлектродные массивы, которые глубоко стимулируют головной мозг электрическими импульсами. При наступлении судорог пациент нажимает кнопку на мини-девайсе, и через электрод поступает несколько сигналов в часть мозга, которая отвечает за заболевание.

Проблема стандартных мультиэлектродных массивов в том, что они сделаны из твердого кремния. Имплантировать кремниевое устройство в мозг — все равно что пытаться поместить гвоздь в мягкую конфету. Организм реагирует на кремниевую электронику как на инородное тело. Вокруг таких устройств формируются глиальные клетки, с помощью которых мозг пытается защитить нейроны и вытолкнуть чужеродный предмет. Поэтому стимуляторы меняют каждые 2–5 лет. На основе графена можно разрабатывать совсем другие девайсы — гибкие, тонкие и мягкие. Клетки апробируют такое устройство, защитная реакция не запустится. Тогда девайсы можно будет менять намного реже — раз в несколько десятков лет.

Облегчение болезни Паркинсона — далеко не единственная область применения графеновых нейродевайсов. Они будут полезны исследователям, работающим с любыми нейродегенеративными заболеваниями. Большинство из них до сих пор недостаточно изучены: ученым не хватает данных о том, как работает человеческий мозг. Сейчас для таких наблюдений тоже используют кремниевые устройства, так что более эффективные графеновые девайсы заменят их и в исследовательских задачах.

Сенсоры: определение биомаркеров

Другая область применения графена — создание сенсоров, которые определяют биомаркеры. Таким образом можно измерять нейрональные биорецепторы, ДНК, иммуноглобулин, биомаркеры, связанные с раком или сердечно-сосудистыми заболеваниями. Это дает врачам новые возможности для диагностики заболеваний.

Устройства для биосенсоров тоже работают на графеновых транзисторах, но они устроены сложнее. Графен — это углеродная решетка в одной плоскости. Чтобы сделать биосенсор, молекула должна взаимодействовать с графеном. Для этого нужно построить его двух- или трехуровневую функционализацию — присоединить к графену несколько химических групп. Для начала графен функционализируется с пиреном — химическим соединением с формулой C₁₆H₁₀, (циклическим полиароматическим углеводородом). Эту молекулу уже можно функционализировать с другими: например, добавить к ней глюкозооксидазу, и в результате получится биосенсор для глюкозы. Когда глюкоза приблизится к глюкозооксидазе, эти два элемента вступят в химическую реакцию. Она спровоцирует изменение тока в графеновом транзисторе, которое ученые могут наблюдать и делать выводы об уровне биомаркера в организме. Группа корейских исследователей встроила глюкозный сенсор в мультифункциональные контактные линзы — они определяют уровень глюкозы на основе состава слезы. В 2017 году эту технологию испытали на кроликах. Совсем недавно российская группа создала биосенсоры на основе графена, позволяющие измерять токсины, в частности охратоксин А, считающийся одним из самых опасных. В перспективе все эти технологии позволят точнее диагностировать заболевания и отслеживать их течение.

Миф о токсичности графена

На любых конференциях неминуемо поднимается вопрос потенциальной токсичности графена. Каждый раз ученым приходится объяснять, что это не совсем так. Графен можно производить несколькими способами. Один из них — это простое размешивание графита или углерода в воде, в результате которого получаются маленькие частицы с латеральными размерами графена меньше ста нанометров. Графен такого вида действительно опасен для клеток: в годах исследователи Ахаван и Гадери опубликовали работу, которая доказывала, что мелкие частицы проходят через клеточную мембрану и убивают клетку.

В современной биоэлектронике используется высококачественный графен, выращенный методом химического осаждения из газовой фазы. Он представляет собой однородный слой атомов на очень большой площади — до 100 на 100 миллиметров. Потом разработчики уменьшают его до порядка 100 на 100 микрометров и закрепляют на подложке. В этом случае он не может проявить токсичность, потому что не плавает среди клеток. Более того, есть несколько работ, в рамках которых ученые выращивали клетки поверх графена на подложке и на обычном стекле и сравнивали результаты. Выяснилось, что клетки растут гораздо активнее именно на графене. Графен — биосовместимый материал, ведь это обычный углерод.

Предусиление сигнала: проблема передачи данных на расстоянии

Один из недостатков графена для электроники — это отсутствие запрещенной зоны — такой области значений, которыми не могут обладать электроны в веществе. В графене у электронов произвольная энергия. Он слишком хорошо проводит ток, поэтому на его основе нельзя сделать классический транзистор с положениями 1 и 0, наличием и отсутствием тока. Графеновый транзистор никогда не закрывается: он просто проводит ток либо хорошо, либо плохо. этого он не выполняет логические операции, с которыми справляются классические кремниевые транзисторы. Для современной графеновой электроники это значительная проблема.

Биоэлектрические потенциалы, создаваемые нейрональными клетками вокруг мембраны, довольно слабые: от десяти до двухсот микровольт в зависимости от клетки, ширины щели между ней и графеном и прочих факторов. Передавать их на расстояние нескольких метров без потерь практически невозможно: электромагнитные волны от других устройств заглушают слабый сигнал. На основе графена нельзя построить транзисторы, которые будут выполнять логические операции для усиления сигнала. Оптимальным решением будет использовать графен для измерения и создавать дополнительные транзисторы из других Они позволят предусилить сигнал от 10 микровольт до 10 милливольт, которые можно проводить без потерь на 10 километров. Это важная задача и для обычной электроники, и для медицинских девайсов. Предусиление сигнала позволит сделать все технологии беспроводными и взаимодействовать с устройствами через транзисторные системы.

Перспективы практического применения графена

Сложно сказать, когда графеновую биоэлектронику начнут широко применять на практике. Ученые испытывают нейродевайсы, биосенсоры и другие исследовательские проекты в лабораторных условиях. Чтобы вывести их на уровень медицинского применения, нужно развивать индустрию производства графеновых устройств. Для исследований обычно изготавливают от 10 до 100 аппаратов. Медицинская практика требует гораздо больших масштабов: нужны тысячи и миллионы таких устройств. Сейчас кажется, что перспектива практического применения пока далеко за горизонтом, но через 5–10 лет можно будет сказать нечто более определенное. Исследовательские группы экспериментируют с графеном в разных направлениях, применяют его для решения многих задач. Пока сложно однозначно выделить перспективные подходы, на это нужно время и инвестиции, которые помогут развивать уже имеющиеся исследования.

Задачей реферата явяется более подробное объяснение методов получения графена и сфер производства, где он применяется или будет применяться в ближайшем будущем. Свойства графена описаны с общей точки зрения и менее подробно, т.к. рассматривались только значимые отличия свойств графена от других двумерных структур.

Содержание работы

Введение 3
Общая характеристика графена и методы его получения 4
Cвойства графена 6
Сферы применения графена 7
Заключение 10
Список литературы 11

Файлы: 1 файл

Графен реферат (окончательный).docx

Институт физики высоких технологий

Кафедра наноматериалов и нанотехнологий

Реферат на тему:

Доцент каф. НМНТ

Дата сдачи работы:

Общая характеристика графена и методы его получения 4

Cвойства графена 6

Сферы применения графена 7

Список литературы 11

Введение

Есть мнение, что графен может сильно изменить жизнь человека в XXI веке. Это не только самый тонкий материал, но он также примерно в 200 раз прочнее стали и проводит электричество при комнатной температуре лучше, чем любой другой материал, известный человечеству.

Потенциальные области применения включают замену углеродных волокон в композитных материалах, с целью создания более легковесных самолетов и спутников; замена кремния в транзисторах; внедрение в пластмассу, с целью придания ей электропроводности; датчики на основе графена могут обнаруживать опасные молекулы; использование графеновой пудры в электрических аккумуляторах, с целью увеличения их эффективности; оптоэлектроника; более крепкий, прочный и легкий пластик; герметичные пластиковые контейнеры, которые позволят неделями хранить в нем еду, и она будет оставаться свежей; прозрачное токопроводящее покрытие для солнечных панелей и для мониторов; более крепкие ветряные двигатели; более устойчивые к механическому воздействию медицинские имплантаты; лучшее спортивное снаряжение; суперконденсаторы; улучшение проводимости материалов; высокомощные высокочастотные электронные устройства; искуственные мембраны для разделения двух жидкостей в резервуаре; улучшение тачскринов; ЖКД (жидкокристаллические дисплеи); дисплей на органических светодиодах; графеновые наноленты позволят создать баллистические транзисторы; нанобреши в графене могут позволить создать новые техники скоростного секвенирования ДНК.

Общая характеристика графена и методы его получения

Графен – это планарная 2D-структура макроскопического размера и атомарной толщины, составленная из атомов углерода, в которой атомы углерода располагаются в узлах двумерной гексагональной решетки так, что каждый атом связан с тремя соседними ковалентными химическими связями с sp2-гибридизацией, а четвертый валентный электрон включен в сопряженную Пи-систему графена [1].

Некоторые характеристики графена:

Кристаллическая структура – кристаллическая решетка

Постоянная решетки – 0,246 нм

Эффективная масса электронов – 0 me

Эффективная масса дырок – 0 me

Ширина запрещенной зоны – 0 эВ [1,2,3]

Рис.2 Листы графена (ПЭМ). Длина метки

Графен обладает большой механической жёсткостью и хорошей теплопроводностью. Он впервые был получен в 2004 году, и поэтому ещё недостаточно хорошо изучен. Данный материал не является просто кусочком других аллотропных модификаций углерода: графита, алмаза — из-за особенностей энергетического спектра носителей он проявляет специфические, в отличие от других двумерных систем, электрофизические свойства [2, 3].

Главный из существующих в настоящее время способов получения графена состоит в механическом отщеплении или отшелушивании слоёв графита [2, 3]. Этот способ позволяет получать самые качественные образцы. Но данный метод не предполагает массового производства, так как это трудная ручная работа. Другой известный способ — метод термического разложения подложки карбида кремния гораздо ближе к промышленному производству.

Существует также множество других способов получения графена, в том числе довольно необычные: как оказалось, микроскопическое расслоение графита удается сделать также с помощью обычной липкой ленты –

Рис. 3 Графен, полученный методом пиролиза продукта сольвотермального синтеза.

скотча. Для этого тонкую пластинку графита помещают между двумя скотч-лентами и, последовательно разъединяя их, отщепляют раз за разом тонкие пленки графита, пока не будет получен достаточно тонкий слой. После этого скотч прижимают к подложке окисленного кремния. При этом на подложке среди многих пленок могут попадаться и однослойные, которые и представляют интерес [1].

Значительный прогресс в последнее время произошел с развитием методов выращивания графена эпитаксиально (дорогостояшая методика), а также различных химических методов получения графена (данные методы вызывают ухудшенние электрических характеристик материала), а также с химическим осаждением его из газовой фазы на Ni-подложку с ее последующим растворением (полученные пленки имеют большую площадь, но неоднородны по толщине на масштабе длин ~ 5 мкм), а также некоторые альтернативные способы, например утонение кристалов графита в кислородном разряде [4].

В завершении хотелось бы упомянуть еще два метода получения графена: радиочастотное плазмохимическое осаждение из газовой фазы и рост

при высоком давлении и температуре . Из этих методов только последний можно использовать для получения пленок большой площади. [1]

Cвойства графена

Графен является двумерной системой, и на данный момент теоретические и экспериментальные исследования свойств графена сосредоточены на изучении именно стандартных для двумерных систем свойств, т.е. исследовании кристаллической решетки, проводимости и эффекта Холла.

Рис 4. Схема кристаллической решетки графена

Кристаллическая решётка графена (см. Рис.4) представляет собой плоскость , состоящую из шестиугольных ячеек, то есть является двумерной гексагональной кристаллической решёткой. Расстояние между ближайшими атомами углерода в шестиугольниках составляет 0.142 нм.

Самым интересным свойством графена (так же как и ультратонкого графита), которое удалось обнаружить на данный момент, которое отличает его от других аллотропных модификаций углерода и дающим ему большие перспективы применения в электронике, является возможность управлять проводимостью тонких пленок с помощью внешнего электрического поля. Исследования показали, что при таком воздействии данные материалы стабильны, в отличие от других модификаций углерода [3].

Так как графен является полуметаллом с нулевой шириной запрещенной зоны, то под действием электрического поля можно изменять концентрацию носителей зарядов. Экспериментально это делается следующим образом. Графеновый листок находится на кремниевой подложке, покрытой диэлектрическим слоем из SiO 2 . Достаточно сильно легированный кремний можно использовать в качестве обратного затвора. При приложении к нему положительного напряжения в графене увеличивается концентрация свободных электронов, а при отрицательном – дырок. Концентрация носителей тока может достигать величины 1013 см -2 . Во всем диапазоне этих концентраций сохраняется высокая подвижность электронов и дырок вплоть до 2*104 см 2 В -1 с -1 [1].

Впервые именно у графена удалось наблюдать эффект Холла [1,5] при комнатной температуре благодаря высокой подвижности носителей. Так же, он является природным двумерным газом [1,5].

Сферы применения графена

Необычные электронные свойства этого материала и возможность химической модификации сделали графен многообещающим кандидатом для будущего повсеместного использования в микроэлектронике. Достаточно упомянуть первые реализованные прототипы будущих устройств на его основе.

Это полевые транзисторы с баллистическим транспортом при комнатной температуре, газовые сенсоры с экстремальной чувствительностью, графеновый одноэлектронный транзистор [6], жидкокристаллические дисплеи и солнечные батареи (в качестве прозрачного проводящего электрода), спиновый транзистор и многое другое [1,7].

В частности, графен рассматривают как материал, который может заменить кремний в микросхемах. В 2008 году IBM сообщила о создании транзистора на основе графена.

Ближайшим конкурентом полевому транзистору на графене является кремниевый полевой транзистор с тонким слоем кремния. Обладая высокой подвижностью (10 000 см 2 /В с) и скоростью носителей (10 8 см/с) полевой транзистор на графене потенциально может в 10 раз превзойти кремниевый по быстродействию. То есть, если кремниевые транзисторы могут работать только в гигагерцовом диапазоне, то графеновые транзисторы позволяют выйти на терагерцовый. Однако отсутствие запрещенной зоны не позволяет такому транзистору иметь достаточно малый ток в закрытом состоянии, чтобы его можно было использовать в сверхбольших интегральных схемах.

Именно это обстоятельство вызвало интерес к двойным слоям и узким (10 нм и меньше) слоям графена (nanoribbons). В них уже есть запрещенная зона, но она все же меньше, чем у кремния, а минимальный размер транзистора определяется именно шириной запрещенной зоны. Длина канала кремниевого полевого транзистора ограничена 5–10 нанометрами. При меньшей длине наступает прямое туннелирование между истоком и стоком, транзистор перестает попросту закрываться. Поэтому, в этой области пока существуют проблемы, которые на данный момент пока не позволяют выпустить транзисторы на основе графена в массовое производство и говорить о полной замене кремния графеном пока еще очень рано.

Хорошо известно, что графит является химически инертным материалом, а вот графен, как оказалось, можно достаточно легко химически модифицировать. Добавление атомов водорода к графену позволит получать на нем локальные области графана. Подобным образом можно, например, разделить лист исходного материала на множество проводящих полос.

Ранее в качестве одного из вариантов решения проблемы получения проводящих контуров предлагалось использовать метод нанолитографии.

Что касается графана – он может найти применение и в водородной энергетике. Как оказалось, нагрев графана приводит к высвобождению атомарного водорода. Известно, что одной из основных проблем водородной энергетики является создание эффективных способов хранения водорода. Графан можно рассматривать как аккумулятор водорода.

Примеры соединений углерода с фтором хорошо известны. Одним из них является политетрафторэтилен, или тефлон, который применяется в качестве защитного покрытия. Продукт реакции фтора и углерода – фторид

графита (или флюорографен) – используется как материал для катодов в литиевых батареях и как лубрикант (смазочный материал).

Процедура получения флюорографена состоит в следующем. Лист графена размером более 100 мкм на подложку из оксида кремния накрывался тонкой пленкой полиметилметакрилата толщиной 100 нм. После этого основание

из оксида кремния вытравливалось, и накрытый графен переносился на другую подложку – очень мелкую золотую сетку c периодом 7 мкм. Затем пленку полиметилметакрилата растворяли с помощью ацетона, и графен на

золотой подложке перемещался в тефлоновый контейнер, заполненный дифторидом ксенона XeF2 – мощным фторирующим соединением. Контейнер нагревали до 70 °C и удерживали температуру неизменной в течение 30 часов.

Оказалось, что флюорографен представляет собой

двумерную структуру с практически такой же гексагональной кристаллической решеткой, что и графен, обладает прекрасной термической устойчивостью вплоть до 400 °C. Более того, при обычных условиях флюорографен оказался еще и химически стабильным в таких жидкостях, как вода, ацетон, пропанол и т.д. Фактически флюорографен имеет химическую стабильность, схожую с тефлоном и фторидом графита. Используя атомно силовую микроскопию, удалось получить сведения и о механических свойствах флюорографена.

Заключение

Итак, мной были проанализированы особые свойства графена и области применения данного материала, где эти свойства могут быть полезны.

Как видно из сказанного, на данный момент графен является очень перспективным материалом. Главным доказательством этого факта является высокое финансирование исследований графена во всем мире и Нобелевская премия по физике, полученная в 2010 году А.К. Геймом и К. С. Новоселовым именно за открытие графена. Графен предоставляет неограниченные возможности практически во всех областях индустрии и производства. Со временем, он, вероятно, станет для нас самым обычным материалом, подобно пластику в наши дни.

Свойства графена

Графен — это двумерный материал, аллотропная модификация углерода. В случае графена атомы углерода выстроены в шестигранную структуру и формируют слой толщиной в один атом — это и есть графен. Такую структуру он приобретает за счет sp2-гибридизации. На внешней оболочке атома углерода расположены четыре электрона: при sp2-гибридизации три из них вступают в связь с соседними атомами, а четвертый находится в состоянии, которое образовывает энергетические зоны. Поэтому из-за sp2-гибридизации графен обладает уникальными электрическими свойствами и прекрасно проводит электрический ток. Графен также имеет впечатляющие механические свойства: он гибкий, тонкий и на 97% прозрачный.

Нейродевайсы: считывание активности нейронов

На основе уникальных свойств графена можно делать нейродевайсы, считывающие активность нейронов. Базовый элемент таких устройств — графеновый (амбиполярный, полевой) транзистор, через который протекает ток, если приложить напряжение. Разработчики биоэлектроники делают чипы, на которых размещают графеновые транзисторы на гибких подложках. Поверх этого чипа выращивают нейрональные клетки. Примерно через три недели, когда клетки достаточно вырастают, они взаимодействуют между собой и спонтанно возбуждаются, производят импульс. На поверхности клетки изменяется заряд — быстро и незначительно, на десятки милливольт. Этот поверхностный заряд влияет на проводимость графена за счет эффекта поля, то есть нейрональный импульс изменяет ток на всем транзисторе. Ученые считывают его и тем самым видят активность нейронов. Нейродевайсами занимаются в Center for Microelectronics Research в Техасском университете в Остине, а также в Institute of Bioelectronics в Юлихском исследовательском центре в Германии. Технология работает в лабораторных условиях, сейчас на ее основе ученые из Техасского университета изготавливают девайсы, которые можно имплантировать в мозг. Несколько таких устройств уже создали другие исследовательские группы, они смогли протестировать их in vivo на мышах и крысах [3].

Сенсоры: определение биомаркеров

Устройства для биосенсоров тоже работают на графеновых транзисторах, но они устроены сложнее. Графен — это углеродная решетка в одной плоскости. Чтобы сделать биосенсор, молекула должна взаимодействовать с графеном. Для этого нужно построить его двух- или трехуровневую функционализацию — присоединить к графену несколько химических групп. Для начала графен функционализируется с пиреном — химическим соединением с формулой C16H10, (циклическим полиароматическим углеводородом). Эту молекулу уже можно функционализировать с другими: например, добавить к ней глюкозооксидазу, и в результате получится биосенсор для глюкозы. Когда глюкоза приблизится к глюкозооксидазе, эти два элемента вступят в химическую реакцию. Она спровоцирует изменение тока в графеновом транзисторе, которое ученые могут наблюдать и делать выводы об уровне биомаркера в организме. Группа корейских исследователей встроила глюкозный сенсор в мультифункциональные контактные линзы — они определяют уровень глюкозы на основе состава слезы. В 2017 году эту технологию испытали на кроликах. Совсем недавно российская группа создала биосенсоры на основе графена, позволяющие измерять токсины, в частности охратоксин А, считающийся одним из самых опасных. В перспективе все эти технологии позволят точнее диагностировать заболевания и отслеживать их течение.

Миф о токсичности графена

На любых конференциях неминуемо поднимается вопрос потенциальной токсичности графена. Каждый раз ученым приходится объяснять, что это не совсем так. Графен можно производить несколькими способами. Один из них — это простое размешивание графита или углерода в воде, в результате которого получаются маленькие частицы с латеральными размерами графена меньше ста нанометров. Графен такого вида действительно опасен для клеток: в 2010-х годах исследователи Ахаван и Гадери опубликовали работу, которая доказывала, что мелкие частицы проходят через клеточную мембрану и убивают клетку.

Предусиление сигнала: проблема передачи данных на расстоянии

Один из недостатков графена для электроники — это отсутствие запрещенной зоны — такой области значений, которыми не могут обладать электроны в веществе. В графене у электронов произвольная энергия. Он слишком хорошо проводит ток, поэтому на его основе нельзя сделать классический транзистор с положениями 1 и 0, наличием и отсутствием тока. Графеновый транзистор никогда не закрывается: он просто проводит ток либо хорошо, либо плохо. Из-за этого он не выполняет логические операции, с которыми справляются классические кремниевые транзисторы. Для современной графеновой электроники это значительная проблема.

Биоэлектрические потенциалы, создаваемые нейрональными клетками вокруг мембраны, довольно слабые: от десяти до двухсот микровольт в зависимости от клетки, ширины щели между ней и графеном и прочих факторов. Передавать их на расстояние нескольких метров без потерь практически невозможно: электромагнитные волны от других устройств заглушают слабый сигнал. На основе графена нельзя построить транзисторы, которые будут выполнять логические операции для усиления сигнала. Оптимальным решением будет использовать графен для измерения и создавать дополнительные транзисторы из других 2D-материалов. Они позволят предусилить сигнал от 10 микровольт до 10 милливольт, которые можно проводить без потерь на 10 километров. Это важная задача и для обычной электроники, и для медицинских девайсов. Предусиление сигнала позволит сделать все технологии беспроводными и взаимодействовать с устройствами через транзисторные системы.

Перспективы практического применения графена

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

Что такое графен и чем он так уникален?

Углерод — это материал, состоящий из кристаллической решетки, которую образуют шестиугольники атомов. Графен — это один слой решетки толщиной в 1 атом.

Отсюда — его первое уникальное свойство: самый тонкий.

Графен в 60 раз тоньше мельчайшего из вирусов.
В 3 тыс. раз тоньше бактерии.
В 300 тыс. раз тоньше листа бумаги.

Такую структуру графен приобретает за счет sp2-гибридизации. Дело в том, что на внешней оболочке атома углерода расположены четыре электрона. При sp2-гибридизации три из них вступают в связь с соседними атомами, а четвертый находится в состоянии, которое образовывает энергетические зоны. В результате графен еще и прекрасно проводит электрический ток.

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

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

Миф о токсичности графена

Влияние графена на человеческий организм до конца не изучено, но и токсичность графена никто не доказал. Единственную опасность представляет графен, который получают путем размешивания графита или углерода в воде: попадая в клетку, такие мельчайшие частицы действительно могут ее убить [2].

Однако сейчас в биоэлектронике используют другой способ получения графена — путем химического осаждения из газовой фазы. Частицы получаются достаточно крупными. Потом их закрепляют на подложке, и проникнуть сквозь клеточную мембрану они уже не могут.

Где уже используют графен?

Сейчас графен успешно применяют в электронике. Самый массовый продукт — это пауэрбанк [3]: производители обещают, что сам он заряжается за 20 минут, а топовый смартфон заряжает наполовину за полчаса.

Существуют также графеновые куртки и платья. Последние, в частности, оснащены светодиодами [4], которые реагируют на дыхание и температуру тела, меняя цвет.

Теннисные ракетки с графеном весят до 300 грамм меньше, чем обычные, при той же силе удара.

Наконец, машинное масло с графеном призвано снизить износ двигателя.

Где можно применять графен в будущем?

Есть и еще одно свойство графена: он биосовместим, то есть взаимодействует с живыми клетками. Ученые обещают, что материал поможет диагностировать и лечить рак [5]. Это делают с помощью чипа с графеном, который придает повышенную чувствительность. На поверхность чипа высаживают раковые клетки и тестируют на них различные лекарства.

Такие чипы можно использовать и для тестирования других лекарств, а также — определения биомаркеров: иммуноглобулина, ДНК, нейрональных биорецепторов.

Из графена также планируют делать дешевые солнечные батареи, опресняющие устройства для морской воды, гибкие дисплеи, сверхпрочные бронежилеты, сверхчувствительные микропроцессоры, элементы для беспилотников и космических ракет, телефоны с бесконечной зарядкой и умную одежду.

Для России самым перспективным применением графена могут стать нефте- и газодобыча. На основе графена делают жидкости, которые позволят управлять толщиной и свойствами фильтрационной корки буровых растворов. А еще можно делать полимерные трубы и покрытия для нефте- и газопроводов с применением графена.

Графеновый бум

За 7 лет после вручения премии вышло больше 130 тыс. научных работ, посвященных графену и его свойствам. Доля таких исследований среди всех остальных выросла с 0,2% в 2010 году до 1% в 2016-м.

В научном сообществе тестирование свойств графена стало почти мемом. Доходит до того, что в графен добавляют куриный помет, чтобы проверить, как это отразится на его качествах [6].

В Китае исследованиями занимаются государственные вузы. В 2013 году здесь создали Инновационный альянс графеновой промышленности, который пророчит Китаю в этой сфере долю в 80% от общемировой.

В остальных странах в графен активно вкладываются коммерческие компании. В Евросоюзе за это отвечает проект Graphene Flagship с инвестициями в €1 млрд [7]. В США — Национальная графеновая ассоциация, в консультативный совет которой входят представители Apple, IBM и Cisco.

В графене заинтересованы гиганты аэрокосмической отрасли: Boeing, Lockheed Martin, Airbus и Thales. Они рассчитывают, что новые материалы позволят им в разы снизить расход топлива — как композиты, которые экономят до 30% горючего в Boeing 787. Электронные корпорации включились в графеновую гонку в надежде, что это принесет им лидерство на рынке смартфонов и аксессуаров к ним.

Среди них — Samsung [8]: компания уже скупила десятки патентов, которых хватит на целую линейку продуктов с графеном. В частности, она представила новый тип аккумуляторов, которые можно будет заряжать за рекордные 12 минут. Такие появятся в новых смартфонах бренда не позднее 2021-го года. Их главный конкурент — Apple — запатентовала акустические диафрагмы с графеном для использования в устройствах следующих поколений. И это, судя по всему — только начало.

В России тоже занимаются изучением графена и даже патентуют электронные устройства на его основе — на базе в Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ. Двое ученых-выпускников этого вуза — гендиректор ведущего производителя Graphene 3D Lab Inc. Елена Полякова и профессор Свободного университета Берлина Кирилл Болотин — входят в ту самую американскую ассоциацию.

Почему же графен до сих пор не изменил нашу жизнь?

Во-первых, он все еще очень дорогой. При этом пока нельзя однозначно посчитать, сколько его нужно и для каких целей. Для этого материала нет единой шкалы измерения, так как он может иметь разную структуру — в зависимости от способа получения.

1 грамм чистого графена, который используют в электронике, стоит около $28 млрд.
1 грамм графена, смешанного с пылью — около $1 тыс.

Во-вторых, массовое производство графена пока не налажено, потому что нет технологий, которые бы позволили бы это: например, сложные электронные устройства с графеном делают вручную. Для графена нужна какая-то подложка — например, кварцевая — которая и определяет свойства конечного продукта. При этом пока еще не совсем понятно, какие именно это должны быть свойства.

Читайте также: