Испытания показали, что коэффициент трения нового моторного масла снижается с 0,12 до 0,02, коэффициент износа двигателя уменьшается в два-три раза, а расход топлива автомобиля снижается на 30% для атмосферных двигателей и на 15% для турбодвигателей.
Волшебный графен, который никак не выйдет за пределы лаборатории
Графен — удивительный материал, как из-за его свойств, так и из-за сложности его извлечения. С тех пор как он был получен российскими экспатриантами в британской лаборатории в 2004 году, он никогда не производился в промышленных масштабах. Либо по всему миру добываются крошечные количества высококачественного графена, либо промышленные объемы низкосортного графена с нюансами, которые частично испаряют магию материала будущего.
Почему чистый графен так трудно извлечь? Какие существуют технологии для выделения графена? Где уже есть эксперименты, доказывающие его удивительные свойства? И почему эти волшебные свойства так волнуют ученых, что они не оставляют попыток коммерциализировать их?
Свойства материала зависят не только от химических элементов, входящих в его состав. Пространственное расположение атомов также важно. Алмаз и графит состоят из одних и тех же атомов углерода, но первый используется для резки камня и бетона, а второй — в качестве грифеля для карандашей. Твердость алмаза обусловлена плотной тетраэдрической структурой атомов. На атомном уровне графит состоит из слоев различных плоскостей, в которых атомы образуют шестиугольники.
Графен является двумерным. У него есть длина и ширина, но нет глубины. Это слой атомов углерода, образующий кристаллическую решетку. Эта модификация обеспечивает механическую гибкость, оптическую прозрачность, высокую теплопроводность и подвижность электронов. Тонкий материал способен проводить электричество и в будущем может быть использован в качестве замены кремния в наноэлектронике.
Например, супербетон
Исследование, проведенное учеными из Исследовательского центра графена при Эксетерском университете в Великобритании, показывает, насколько широки потенциальные возможности применения графена. В 2018 году группа исследователей сделала гораздо более прочный бетон, чем обычный, добавив в него графен. Полученный композит был на 146% прочнее при сжатии, а его теплоемкость была на 88% выше.
Ученые использовали высокоскоростную машину для отделения графеновых слоев от частиц графита в лаборатории. Полученный графен и жидкость использовались для получения суспензии. Чтобы предотвратить слипание графена в большие массы, в эту суспензию добавляли поверхностно-активное вещество.
Эта графеновая суспензия была смешана с наиболее часто используемым портландцементом, песком и заполнителями. Полученный бетон заливался в кубы с длиной ребра 10 см каждый и затем замачивался в воде. По сравнению с контрольными бетонными кубиками, в которых вместо графеновой суспензии использовалась вода, кубики, изготовленные в лаборатории, продемонстрировали ряд интересных и перспективных свойств.
Во-первых, модуль упругости — способность сопротивляться расширению и сжатию при упругой нагрузке — увеличился на 80,5 %, а прочность на сжатие — на уже упомянутые 146 %. Водопроницаемость графеновых бетонных кубиков уменьшилась в разы, а теплоемкость увеличилась на 88 %. Все эти значения изменялись в зависимости от концентрации графена в исходной суспензии.
Учитывая широкое применение бетона в строительстве современных зданий, улучшение свойств композитного материала сулит большие выгоды. Да, мы уже говорили, что чистый графен чрезвычайно трудно извлечь. Но даже в своей «грязной» форме он может быть полезен для бетона.
Благодаря высокой электропроводности и прозрачности графен также можно использовать в качестве слоя для сенсорных экранов. Более тонкая пленка из оксида индия-олова широко используется для изготовления сенсорных экранов смартфонов, стеклянных дверей в морозильных камерах и даже окон в кабинах пилотов Airbus. Если не использовать или не перерабатывать больше индия, запасы этого редкого металла могут иссякнуть в ближайшие несколько десятилетий.
Графен может принять эстафету и спасти мир если не от исчезновения сенсорных экранов, то от значительного повышения стоимости смартфонов, поскольку другие альтернативы оксиду индия-олова дороги.
И это лишь малая часть области, в которой ученые пытаются использовать волшебные свойства графена. Эксперименты с красками для волос, которые остаются стабильными после 30 стирок. Большие надежды возлагаются на солнечную энергию, поскольку она лучше улавливает фотоны. Усиление структуры битума графеновыми добавками для решения вечной проблемы в России. Материал используется в батареях, воздушных фильтрах и опреснительных установках, суперконденсаторах, танках и гражданской одежде.
Но все это эксперименты в крайне малых количествах или с грязным графеном, ожиданиями и желаниями. Приятно читать рассуждения ученых о том, что научная фантастика скоро станет реальностью и что квадратный метр графена будет весить столько же, сколько четырехфунтовый кот, лежащий в таком графеновом гамаке. Мир будущего, который хочет использовать графен, сталкивается с трудной задачей его получения в промышленных масштабах, в чистом виде и по разумной цене.
Графеновые нанотрубки?
Другая перспективная область — углеродные нанотрубки. Это одностенные трубки, сформированные из свернутого листа графена. В такой структуре электроны демонстрируют необычное движение, перескакивая из одного положения в другое, оставляя после себя положительно заряженные дырки. Но проводимость такой нанотрубки можно регулировать. А поскольку ток — это направленное движение электронов, нанотрубка может быть использована в качестве основы для высокочувствительного датчика или фотодетектора, который преобразует оптический сигнал в направленное движение электронов — электрический сигнал.
Для этого российские исследователи из Национального исследовательского университета МИЭТ использовали фемтосекундный лазер (лазер с очень короткими импульсами) для изменения структуры графеновой нанотрубки таким образом, что одна ее часть приобрела почти металлические свойства, а другая — полупроводниковые. Проводимость этой второй части нанотрубки зависит от света. Когда он ударяется об него, электроны устремляются от металлической части к другому концу и формируют электрический импульс.
Такой фотодетектор обладает высокой чувствительностью и быстродействием. Разработчики технологии считают, что она может найти применение в наноразмерных оптоэлектронных устройствах, камерах высокого разрешения и квантовых компьютерах.
Углеродные нанотрубки уже производятся. Иногда в лаборатории удается вырастить целый лес с рекордной высотой 14 см на субстрате, на который углерод осаждается из газовой фазы. В России компания «Оксиал» производит углеродные нанотрубки в больших количествах и успешно их продает. Однако, по словам Константина Новоселова, одного из первооткрывателей графена, это несколько иной материал. Точнее говоря, это совсем не верно. Замечательные свойства графена обусловлены его двумерной структурой. Углеродные нанотрубки в промышленных масштабах представляют собой массу довольно неупорядоченных фрагментов нанотрубок. Они не обладают такой же прочностью на разрыв, как отдельные нанотрубки, но имеют практическое применение: Они используются для изготовления деталей велосипедов и более прочной наноэпоксидной смолы.
В мире науки графен вызвал революцию: В мире было подано более 50 000 патентов, из которых более 50% принадлежит Китаю. Он используется практически во всех областях для улучшения свойств материалов. «Hightech» показывает, как графен завоевывает нашу жизнь и изменит будущее.
Что такое графен и какие у него свойства?
Графен — это вещество, изготовленное из чистого углерода в виде листов толщиной в один атом. Графен в 200 раз прочнее стали и такой же гибкий, как резина. Он также эффективно проводит электричество и тепло.
Графен не является природным веществом. Физики теоретизировали о его свойствах с 1960-х годов, но обнаружен он был только в 2004 году. В то время, когда графен был разработан, методы его производства были очень дорогими, но исследователям удается снизить затраты. По этой причине графен будет использоваться во многих областях: в медицине, в электронике для создания компьютерных устройств и в других областях.
Двойная связь между атомами углерода в сочетании с малой толщиной атомов объясняет особые свойства графена. Его способность эффективно проводить электричество и тепло, вероятно, обусловлена небольшими и прочными углеродными связями.
Графен — это вещество, которое состоит из чистого углерода и производится в виде слоев толщиной в один атом. Графен в 200 раз прочнее стали и такой же гибкий, как резина. Он также эффективно проводит электричество и тепло.
В чем преимущество графена?
Графен может быть использован в качестве сырья для широкого спектра продуктов. Основными преимуществами материала являются его высокая проводимость — в 200 раз выше, чем у кремния, хорошая теплопроводность и тот факт, что он достаточно тонок, чтобы считаться двумерным материалом.
Графен — прозрачный, прочный, легкий, гибкий, а также проводящий.
Графен опасен для здоровья?
Это зависит от способа его изготовления. Графен, используемый в настоящее время в биоэлектронике, отличается высоким качеством и получается методом химического осаждения из паровой фазы. В этом случае материал не может быть токсичным, поскольку он не взаимодействует с клетками.
Исследователи также провели работу, в ходе которой они выращивали клетки на графене и на обычном стекле. Оказалось, что на графене они растут гораздо активнее благодаря его биосовместимости.
