Сообщение на тему графен материал будущего

Обновлено: 02.07.2024

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.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Описание презентации по отдельным слайдам:

Графен – материал будешего
Выполнил: Пермяков Иван
Ученик 10 класса

План:
Цель
Задачи
Введение
История
Графен с точки зрения химии
Графен с точки зрения физики
Получение
Применение
Конкуренты
Подведение итогов

Изучить графен с различных точек зрения
Найти все сферы применения графена
Найти ближайших конкурентов по химическим и физическим свойствам
Задачи:

Графен – новая форма кристаллического углерода, которая в отличие от алмаза формирует невероятно тонкую кристаллическую сетку атомов.
На сегодня графен – самый тонкий материал, который когда-либо был изолирован, толщина, как я уже сказала – всего лишь один атом углерода.
Он позволит существенно повысить скорость работы вычислительных машин, снизить их энергопотребление и нагревание в ходе работы, сделать их легкими.

Графен является базой для построения теории графита. Графит является полуметаллом, что было четко описано в 1947 году П. Воллесом в своей работе о графите, также в этой работе было написано много других специфических особенностей данного кристалла .
Несмотря на такие специфические особенности, описанные Воллесом, экспериментального подтверждения эти выводы не получили до 2005 года.
В 2004 году Андреем Геймом и Константином Новоселовым была опубликована работа в журнале Science, где сообщалось о получении графена на подложке окислённого кремния.
В 2011 году ученые из Национальной радиоастрономической обсерватории объявили, что им, вероятно, удалось зарегистрировать графен в космическом пространстве (планетарные туманности в Магеллановых облаках)
В 2010 г. двое российских ученых – Андрей Гейм и Константин Новоселов – получили Нобелевскую премию по физике за свои передовые опыты с графеном.
Андрей Гейм и Константин Новоселов - первые в истории выпускники Московского физико-технического института, получившие Нобелевскую премию

Графен (англ. graphene) — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, находящихся в sp²-гибридизации и соединённых посредством σ- и π-связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла.
Графен с точки зрения химии

Графен обладает большой механической жёсткостью и рекордно большой теплопроводностью (~1 ТПа и ~5·103 Вт·м−1·К−1 соответственно). Высокая подвижность носителей заряда (максимальная подвижность электронов среди всех известных материалов). При этом, графен обладает высокой прочностью, он прозрачен в силу своей чрезвычайно малой толщины. Кроме того, графен является прекрасным проводником электрического тока.
Графен с точки зрения физики

1) Химическим расщеплением

2) Механическое расщепление
Получение

Для создания углеродных нанотрубок.
Углеродные нанотрубки – это каркасные структуры или гигантские молекулы, состоящие только из атомов углерода.
Поэтому-то углеродные нанотрубки такие прочные. Нанотрубки можно применять в качестве очень прочных микроскопических стержней и нитей, ведь модуль Юнга однослойной нанотрубки достигает величин порядка 1-5 ТПа, что на порядок больше, чем у стали! Поэтому нить, сделанная из нанотрубок, толщиной с человеческий волос способна удерживать груз в сотни килограмм.
Применение

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.

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.

Самый прочный и самый твердый на Земле материал. Это карбин – такой же гипотетический материал, каким когда-то был графен; это одномерная цепочка атомов углерода, связанных между собой.
Но этот материал не создан.
Поэтому конкурировать даже не можетс графеном.
Конкуренты:
Карбин

Ещё один конукрент графина, но уже негипотетический.
Станен – это обычного атомарного олова материал , который является первым в мире практически 100-процентным сверхпроводником, способным работать при комнатной температуре.

Таким образом, я считаю, что в ближайшем будущем графен проникнет во сферы жизни людей, и уже никто не будет удивляться этому материалу, как сейчас кремнию.
Подведение итогов

2021 год был объявлен в России Годом науки и технологий, а месяц июнь, согласно календарному плану Года, посвящен новым производственным технологиям и материалам. Сегодня мы поговорим об одном из таких новых перспективных материалов — графене.

Графен — самый тонкий материал из когда-либо обнаруженных. Впервые он был выделен в начале нулевых, а в 2010 году выпускникам МФТИ, сотрудникам Манчестерского университета Андрею Гейму и Константину Новоселову за это открытие присудили Нобелевскую премию по физике. Есть много идей, как можно применить этот тонкий и чрезвычайно прочный материал, о котором так много говорят в последние годы.

Слой углерода толщиной в один атом

Толщина графена составляет всего один атом — это самый тонкий материал в мире, его можно назвать двумерным объектом. Представьте обычный грифель карандаша, которым вы пишете — он состоит из нескольких миллионов слоев графена, и, по сути, графит в карандаше — это уложенные друг на друга слои графена. Поэтому каждый из нас хотя бы раз в жизни держал графен в руках. Материал был обнаружен Геймом и Новоселовым, когда они изучали проводимость графита. Приклеив скотч к куску графита, ученым удалось получить один слой графена.

Идея отделить слой графена от графита с помощью скотча пришла к ученым спонтанно. Скотч, с помощью которого образцы графита готовят для работы на сканирующем туннельном микроскопе, после процедуры обычно отправляется в мусорное ведро. Однако Новоселов и Гейм решили найти куску скотча с остатками тонкого слоя материала другое применение — за это впоследствии их в шутку окрестили garbage scientists (мусорные ученые).

В возможность отделить один слой никто не верил. Семьдесят лет назад Лев Ландау и Рудольф Пайерлс доказали, что таких материалов существовать не может: силы взаимодействия между атомами должны смять их в гармошку или свернуть в трубочку, пишет Forbes. Однако графен оказался исключением из этого правила.

Практическое применение

Графену приписывают множество самых разнообразных практических применений. Его возможно использовать для создания имплантов для мозга, он может применяться в системе охлаждения для спутников, графен можно превратить в сверхпроводник; полезен он и в быту: например, в качестве краски для волос. Уже сегодня графен применяется в электронике, медицине: работы по нейродевайсам и биосенсорам ведутся с 2008 года — но когда графеновую биоэлектронику начнут массово применять на практике, пока трудно сказать.

Этот материал особо ценится за его прочность и упругость. А еще графен очень прозрачный: его прозрачность составляет 97%.

Некоторые эксперты считают, что графен даже может спровоцировать новый скачок в развитии человеческой цивилизации. Кремниевая эра скоро закончится, говорят ученые, ведь кремневая элементная база, на которой создается современная техника, уже подходит к своему технологическому и физическому пределу, и в этом смысле графен может стать отличной альтернативой. Использование графена в электронике поможет создать более мощные компьютеры и системы. В мире его уже используют для создания гибких мобильных телефонов.

В свое время освоение металлов кардинально изменило жизнь людей — ту же судьбу пророчат графену, называя его самым загадочным и многообещающим новым материалом будущего, который способен произвести революцию в энергетике. Графен дает возможность получать энергию совершенно новым способом. Этот материал обладает возможностью пропускать позитивно заряженные атомы водорода, при том, что он непроницаем для других газов, в том числе и для самого водорода. Это открывает перед учеными невероятные перспективы по созданию топливных элементов на основе водорода. Так, например, можно будет собирать в таких элементах водород из воздуха, а затем получать с помощью графена электричество и воду, практически не порождая никаких отходов.

В прошлом году физики из США показали, что графен можно использовать для сбора энергии: он способен вырабатывать энергию с помощью окружающей среды. Учеными из Университета Арканзаса была разработана схема, способная улавливать тепловое движение графена и преобразовывать его в электрический ток.

Графен может быть использован для создания квантовых компьютеров, благодаря этому материалу такие компьютеры могут стать компактнее. У графена могут быть и более общедоступные применения, например в дизайне одежды. Вещи из графена, легкие и плотные, уже сегодня можно найти на мировых рынках.

Графеновое будущее

Разработки на основе графена уже близки к массовому внедрению в экономику, считает член-корреспондент РАН, научный руководитель Корпоративного энергетического университета Евгений Аметистов. При этом в графеновой гонке Россия отнюдь не лидирует, и наши технологии далеки от совершенства.

В рамках программы финансирования науки (2014-2020 гг.) Евросоюз выделил один миллиард евро на запуск производства графена в промышленных масштабах. Проект объединяет 23 страны и 142 научно-исследовательских коллективов и промышленных партнёров. Не так давно, в 2015 году, в Манчестере открылся Национальный графеновый институт, строительство которого финансировали Европейский фонд регионального развития и правительство Великобритании. Однако более половины мировых публикаций и заявок на патенты в области графена сегодня принадлежит Китаю, где действует так называемый Инновационный альянс графеновой промышленности.

Уже сегодня в России графеновые и графеноподобные материалы применяют для повышения ударной прочности экспериментальных образцов карбидокремниевой брони для ударных вертолетов и военных шлемов, при производстве солнечных панелей, используют в составе литий-ионных аккумуляторов и т.д. Однако массовое применение графена — вопрос будущего.

Углеродная пленка толщиной в один атом сделает ПК значительно более мощными — графен в скором времени будет использоваться во многих компьютерных компонентах.

Нет ничего легче, тверже, прозрачнее и в то же время эластичнее, чем один слой карандашного грифеля. Он состоит из графита, то есть кристаллизованного углерода. Если взять слой графита толщиной в один атом, мы получим графен. Это очень прочный, но при этом необычайно гибкий материал. Он проводит ток и тепло так же хорошо, как и металлы, и в то же время прозрачен как стекло. Электроны перемещаются по графену почти в 100 раз быстрее, чем по кремнию, который является в настоящее время основным материалом при производстве процессоров. Таким образом, если использовать графен при изготовлении чипов, то он сможет значительно повысить производительность компьютеров. Получить графен удалось относительно недавно, девять лет назад, физикам Андрею Гейму и Константину Новоселову.

По мнению ученых, применение графена в оборудовании связи может увеличить скорость передачи данных в десятки и даже сотни раз. За открытие графена Андрей Гейм и Константин Новоселов, работающие в Англии, получили в 2010 году Нобелевскую премию по физике.Возникает вопрос, где именно можно применить этот чудо-материал? Ответ на него только Евросоюзу будет стоить не менее миллиарда евро — именно такую сумму намерено инвестировать европейское сообщество в ближайшие годы в проекты по изучению свойств графена. Однако не только государства, но и крупные IT-компании, такие как Nokia и Samsung, включаются в работу по исследованию графена.

Для получения графена от невзрачного куска графита (1) необходимо отделить слой атомов. Электронный микроскоп позволяет рассмотреть равномерную ячеистую структуру материала (2).

Технологический рывок в развитии ПК

Мысль о 100-гигагерцевом процессоре или аккумуляторе, который заряжается за считаные секунды, по-настоящему взбудоражила компьютерную индустрию и исследовательские институты. Однако графен слишком хорошо проводит ток, и для производства транзисторов потребуется внести изменения в их архитектуру. Другие сферы применения — например, дисплеи, аккумуляторы, солнечные батареи или же наушники — более доступны для освоения.

Отличная проводимость и высокая прочность

По графену электроны перемещаются с большой скоростью. При этом материал имеет очень хорошую прочность, гибкость и прозрачность.

Решетка из атомов углерода. В графене три внешних электрона углерода образуют соединение с электронами соседних атомов. Четвертый электрон остается несвязанным. Первое делает графен прочным, второе — проводимым.

Заполнение отсутствующих ячеек. Как выяснили ученые, графен имеет свойство самостоятельно восстанавливаться с помощью катализатора. Для этого ему необходимы дополнительные атомы углерода.

Прогресс в массовом производстве

Графен для производства транзисторов

При производстве транзисторов не удастся просто заменить кремний на графен — необходимо внести в их конструкцию изменения с учетом особенностей этого материала.

Транзисторы являются основными элементами компьютерных процессоров. Они производятся из кремния, четыре внешних электрона которого образуют соединение с соседними атомами. В отличие от графена, свободного электрона здесь нет. Для того чтобы кремниевый транзистор при подаче напряжения открывал канал, по которому электроны могли бы передвигаться от истока к стоку, материал легируется, то есть в него добавляются атомы другого вещества. Например, исток и сток легированы примесью n-типа, так как они имеют посторонние атомы с пятью внешними электронами (примером такого материала является мышьяк). При добавлении мышьяка в кремний появляется один свободный внешний электрон. Канал же легируется примесью p-типа — например, с помощью бора, который имеет лишь три внешних электрона, то есть обладает местом для свободного электрона.

Чтобы заставить электроны двигаться, подается напряжение, величина которого зависит от уровня легирования. Ширина запрещенной зоны для кремния составляет 1,1 эВ (электронвольт). Такое количество энергии необходимо подать, чтобы внешний электрон переместился из валентной зоны в зону проводимости. После этого транзистор переключается, и электроны начинают перемещаться от истока к стоку. Графен, напротив, не имеет запрещенной зоны, в зоне проводимости всегда присутствуют электроны. Графеновый транзистор изначально находится в открытом состоянии, даже если не подается напряжение.

Кремниевый транзистор переключается в тот момент, когда на затвор подается напряжение (1). При этом в подложке открывается канал, по которому электроны перемещаются от истока к стоку (2).

Деформация графена для получения свойств полупроводника

Чтобы графен можно было использовать для производства транзисторов, необходимо обеспечить наличие запрещенной зоны. В последнее время можно отметить некоторые успехи в данной области. Так, группа ученых из Технологического института Джорджии создала с помощью метода, использующего карбид кремния, графеновые борозды размером в несколько нанометров. Благодаря волнистой форме графена удалось получить запрещенную зону в 0,5 эВ. Еще дальше продвинулись японские ученые. С помощью технологии CVD они создали графеновый транзистор, выполненный по техпроцессу 30 нм, что в настоящее время соответствует уровню развития кремниевых технологий. Японские инженеры планируют в ближайшее время изготовить подложку на этих транзисторах, чтобы проверить пригодность их метода для массового производства.

Кремниевые транзисторы переключаются только в тот момент, когда электроны находятся в зоне проводимости. Им нужна энергия, чтобы преодолеть свободное пространство между валентной зоной и зоной проводимости. В графене это пространство отсутствует, транзистор всегда открыт. Чтобы получить запрещенную зону, ученые Технологического института Джорджии из Атланты создали графеновые наноленты, которые могут служить исходным материалом для производства транзисторов.

Чтобы иметь возможность переключения, графеновый транзистор нуждается в двух затворах. Дополнительно в целях получения запрещенной зоны графеновая решетка подвергается бомбардировке ионами гелия.

Сфера применения: память, аккумуляторы, дисплеи

Графен позволит также оптимизировать периферийные устройства. Предположительно, первыми из них будут дисплеи.

Когда ученые найдут способ использования графена в транзисторах, возможность применения этого материала при производстве флеш-памяти, а значит, и длительного хранения данных будет не за горами. Ячейка флеш-памяти работает как транзистор. При подаче напряжения электроны также начинают перемещаться от истока к стоку. Между управляющим затвором и каналом располагается плавающий затвор. Последний, по сути, и представляет собой запоминающее устройство, так как количество электронов в плавающем затворе определяет значения битов, которые ячейка квитирует в процессе чтения. При подаче высокого положительного напряжения (более 10 В) плавающий затвор заполняется электронами, посредством соответствующего отрицательного напряжения электроны из него удаляются. Так, недавно швейцарские ученые из Высшей технической школы Лозанны создали ячейку флеш-памяти с графеном в качестве материала запоминающего устройства в плавающем затворе.

Швейцарские ученые создали ячейку флеш-памяти, которая хранит электроны в плавающем затворе из графена. Благодаря каналу из молибденита она работает быстрее и потребляет меньше электроэнергии, чем любая современная флеш-память.

Графен заменит дорогие материалы

Гибкие дисплеи, идеальные наушники. Периферийные устройства также окажутся только в выигрыше от использования графена. Он прозрачен и гибок, идеально подходит для создания гибких дисплеев (1). А использование графена в качестве материала мембраны (2) для наушников позволяет добиться отличного звучания.

Читайте также: