Високі технології у домашніх умовах. Лауреат Нобелівської премії Костянтин Новосьолов розповів, як можна самому із підручних матеріалів виготовити графен. У світі науки він справив справжній фурор, й у майбутньому його можна використовувати у всіх сферах - від приготування їжі до польотів у космос.
Побудувати сцену для Нобелівського лауреата – це, звичайно, не графен винайти. Екран для показу фото- та відеослайдів зібрали лише за кілька хвилин. Каркас, кріплення та ось вона, магія мінімалізму. Устаткування для розповіді про найгучніше науковому відкриттіостаннього часу Костянтин Новосьолов привіз із собою у звичайному рюкзаку.
Усередині виявився ноутбук. Лауреат Нобелівської премії з фізики звик мандрувати без нічого. Перше запитання із зали – і одразу хвилююча фантазію відповідь. Виявляється, отримати матеріал, якому пророкують грандіозне майбутнє, може практично кожен.
"Все, що вам потрібно, це купити хороший графіт. В принципі, можна користуватися і олівцями, але краще купити хороший графіт. Ви витратите 100 доларів на це. Ви повинні витратити 20 доларів на кремнієві підкладки, 1 долар на скотч. Ось за 121 долар, я вам обіцяю, що ви навчитеся робити дивовижний графен", - розповів учений.
Не випадково про це відкриття у світі науки одразу сказали: все геніальне просто. Матеріал на основі графіту може зробити справжню революцію в електроніці. Ми вже звикли, що сучасні гаджети – це мобільний телефон, комп'ютер і фотокамера в одному пристрої. З графеном ці прилади стануть набагато тоншими, та ще й ще прозорими та гнучкими. Завдяки унікальним особливостям матерії такий апарат і впустити не страшно.
"У нього дуже цікаві електронні властивості. Його можна використовувати для транзисторів. І, зокрема, багато компаній намагаються виготовити високошвидкісні транзистори з цього матеріалу, щоб використати, наприклад, у мобільному зв'язку", - пояснив Нобелівський лауреат.
У перспективі, як стверджують фахівці, цей матеріал зможе повністю замінити у всіх електронних приладах кремній, що поступово застаріває. Поки що така техніка здається дивом. Втім, ще зовсім недавно таке ж подив викликали, наприклад, рідкокристалічні телевізори чи Інтернет. До речі, Всесвітня комп'ютерна мережа з використанням графена стане у десятки разів швидше. У біології разом із новим матеріалом з'являться прогресивні технології розшифровки хімічної структури ДНК. Використання надлегкого та високоміцного графену знайде застосування в авіації та при будівництві космічних кораблів.
"Матеріал, який найтонший, найміцніший, найпровідніший. Найнепроникніший, найеластичніший. Загалом, най-най, це і буде графен", - підкреслив Новосьолов.
Вручення Нобелівської премії з фізики за передові досліди з графеном відбулося у 2010 році. Це перший випадок, коли матеріал, що став продуктом наукових дослідженьТак швидко перебирається з академічних лабораторій в індустріальне виробництво. У Росії її інтерес до розробок Костянтина Новосьолова винятковий. Майданчик фестивалю "Букмаркет" та Парку Горького відкрито для всіх бажаючих. А прохолодна погода та дощ для справжньої наукиНе завада.
Порівняно недавно у науці та техніці з'явилася нова область, яку назвали нанотехнологією. Перспективи цієї дисципліни непросто великі. Вони грандіозні. Частка, що називається «нано», є величиною, що дорівнює одній мільярдній частині від будь-якого значення. Подібні розміри можна порівняти лише з розмірами атомів та молекул. Наприклад, нанометром називають одну мільярдну частку метра.
Основний напрямок нової галузі науки
Нанотехнологіями називають ті, що маніпулюють речовиною на рівні молекул та атомів. У зв'язку з цим цю областьНауки називають ще й молекулярною технологією. Що ж стало поштовхом до її розвитку? Нанотехнології в сучасному світіз'явилися завдяки лекції У ній учений довів, що немає жодних перешкод для створення речей безпосередньо з атомів.
Засіб для ефективного маніпулювання найдрібнішими частинками назвали асемблером. Це молекулярна наномашина, з допомогою якої можна побудувати будь-яку структуру. Наприклад, природним асемблером можна назвати рибосому, що синтезує білок у живих організмах.
Нанотехнології в сучасному світі є не просто окремою галуззю знань. Вони є широку сферу досліджень, безпосередньо пов'язану з багатьма фундаментальними науками. Серед них знаходяться фізика, хімія та біологія. На думку вчених, саме ці науки отримають найпотужніший поштовх до розвитку на тлі майбутньої нанотехнічної революції.
Галузь застосування
Перерахувати всі сфери діяльності, де на сьогоднішній день використовуються нанотехнології, неможливо через вельми значний перелік. Так, за допомогою цієї галузі науки виробляються:
Пристрої, призначені для надщільного запису будь-якої інформації;
- Різна відеотехніка;
- сенсори, напівпровідникові транзистори;
- інформаційні, обчислювальні та інформаційні технології;
- наноімпринтінг та нанолітографія;
- пристрої, призначені для зберігання енергії, та паливні елементи;
- оборонні, космічні та авіаційні програми;
- Біоінструментарій.
На таку наукову галузь, як нанотехнології, у Росії, США, Японії та низці європейських держав з кожним роком виділяється дедалі більше фінансування. Це з великими перспективами розвитку даної сфери досліджень.
Нанотехнології у Росії розвиваються згідно з цільовою Федеральною програмою, яка передбачає не лише великі фінансові витрати, а й проведення великого обсягу конструкторських та науково-дослідних робіт. Для реалізації поставлених завдань відбувається поєднання зусиль різних науково-технологічних комплексів на рівні національних та транснаціональних корпорацій.
Новий матеріал
Нанотехнології дозволили вченим виготовити вуглецеву пластину твердішу, ніж алмаз, товщина якої становить лише один атом. Складається вона із графена. Це найтонший і найміцніший матеріал у всьому Всесвіті, який пропускає електрику набагато краще за кремнію комп'ютерних чіпів.
Відкриття графена вважається справжньою революційною подією, яка дозволить багато чого змінити у нашому житті. Цей матеріал має настільки унікальні фізичні властивості, що докорінно змінює уявлення людини про природу речей і речовин.
Історія відкриття
Графен є двомірним кристалом. Його структура є гексагональними ґратами, що складається з атомів вуглецю. Теоретичні дослідження графену почалися задовго до отримання його реальних зразків, оскільки цей матеріал є основою побудови тривимірного кристала графіту.
Ще в 1947 р. П. Воллес вказав на деякі властивості графена, довівши, що його структура аналогічна металам, і деякі характеристики подібні до тих, які мають ультрарелятивістські частки, нейтрино і безмасові фотони. Однак новий матеріал має і певні істотні відмінності, що роблять його унікальним за своєю природою. Але підтвердження цим висновкам було отримано лише у 2004 р., коли Костянтином Новоселовим та вперше було отримано вуглець у вільному стані. Ця нова речовина, яку назвали графеном, і стала великим відкриттям вчених. Знайти цей елемент можна у олівці. Його графітовий стрижень складається з безлічі шарів графену. Як олівець залишає слід на папері? Справа в тому, що, незважаючи на міцність складових стрижень шарів, між ними існують дуже слабкі зв'язки. Вони дуже легко розпадаються при контакті з папером, залишаючи слід під час листа.
Використання нового матеріалу
На думку вчених, сенсори, створені на основі графену, зможуть аналізувати міцність та стан літака, а також передбачати землетруси. Але тільки тоді, коли матеріал з такими приголомшливими властивостями залишить стіни лабораторій, стане зрозуміло, у якому напрямку піде розвиток практичного застосування цієї речовини. На сьогоднішній фізики, а також інженери-електронники вже зацікавилися унікальними можливостями графена. Адже лише кількома грамами цієї речовини можна покрити територію, рівну футбольному полю.
Графен та його застосування потенційно розглядаються у виробництві легковажних супутників та літаків. У цій сфері новий матеріал здатний замінити в Нановещество може бути використане замість кремнію в транзисторах, яке впровадження в пластмасу надасть їй електропровідність.
Графен та його застосування розглядаються і у питаннях виготовлення датчиків. Ці пристрої, виконані на основі нового матеріалу, будуть здатні виявляти найнебезпечніші молекули. А ось використання пудри з нановоречі при виробництві електричних акумуляторів у рази збільшить їхню ефективність.
Графен та його застосування розглядаються в оптоелектроніці. З нового матеріалу вийде дуже легкий та міцний пластик, контейнери з якого дозволять протягом декількох тижнів зберігати продукти у свіжому стані.
Використання графена передбачається і для виготовлення прозорого струмопровідного покриття, необхідного для моніторів, сонячних батарейі міцніших і стійкіших до механічних впливів вітряних двигунів.
На основі наноматеріалу вийдуть найкращі спортивні снаряди, медичні імплантати та суперконденсатори.
Також графен та його застосування актуальні для:
високочастотних високопотужних електронних пристроїв;
- Штучних мембран, що розділяють дві рідини в резервуарі;
- Поліпшення якості провідності різних матеріалів;
- створення дисплея на органічних світлодіодах;
- освоєння нової техніки прискореного секвенування ДНК;
- Поліпшення рідкокристалічних дисплеїв;
- Створення балістичних транзисторів.
Використання в автомобілебудуванні
За даними дослідників, питома енергоємність графену наближається до 65 кВт * год / кг. Цей показник у 47 разів перевищує той, що мають настільки поширені нині літій-іонні акумулятори. Цей факт учені використали створення зарядних пристроїв нового покоління.
Графен-полімерний акумулятор - пристрій, за допомогою якого максимально ефективно утримується електрична енергія. Нині робота з нього ведеться дослідниками багатьох країн. Значних успіхів досягли у цьому питанні іспанські вчені. Графен-полімерний акумулятор, створений ними, має енергоємність, що в сотні разів перевищує подібний показник у вже існуючих батарей. Використовують для оснащення електромобілів. Машина, в якій встановлено, може проїхати без зупинки тисячі кілометрів. На підзарядку електромобіля при вичерпанні енергоресурсу знадобиться трохи більше 8 хвилин.
Сенсорні екрани
Вчені продовжують досліджувати графен, створюючи при цьому нові речі, що не мають аналогів. Так, вуглецевий наноматеріал знайшов своє застосування у виробництві, що випускає сенсорні дисплеї з великою діагоналлю. У перспективі може виникнути і гнучке пристрій подібного типу.
Вчені отримали графеновий лист прямокутної форми і перетворили його на прозорий електрод. Він і бере участь у роботі сенсорного дисплея, відрізняючись при цьому довговічністю, підвищеною прозорістю, гнучкістю, екологічністю та низькою вартістю.
Отримання графену
Починаючи з 2004 р., коли було відкрито новітній наноматеріал, вчені освоїли низку методів його отримання. Однак найголовнішими з них вважаються способи:
Механічної ексфоліації;
- епітаксійного зростання у вакуумі;
- Хімічного перофазного охолодження (CVD-процес).
Перший із цих трьох методів є найпростішим. Виробництво графену при механічній ексфоліації є нанесенням спеціального графіту на клейку поверхню ізоляційної стрічки. Після цього основу, подібно до аркуша паперу, починають згинати і розгинати, відокремлюючи потрібний матеріал. При застосуванні даного способу графен виходить найвищої якості. Проте подібні дії годяться для масового виробництва даного наноматеріалу.
При використанні методу епітаксійного росту застосовують тонкі кремнієві пластини, поверхневий шар яких є карбід кремнію. Далі цей матеріал нагрівають за дуже високої температури (до 1000 К). Внаслідок хімічної реакції відбувається відділення атомів кремнію від атомів вуглецю, перші з яких випаровуються. В результаті на платівці залишається чистий графен. Недоліком такого методу є необхідність використання дуже високих температур, за яких може статися згоряння атомів вуглецю.
Найнадійнішим і простим способом, що застосовується для масового виробництва графена, є CVD-процес. Він є методом, при якому протікає хімічна реакція між металевим покриттям-каталізатором і вуглеводневими газами.
Де робиться графен?
На сьогоднішній день найбільша компанія, що виготовляє новий наноматеріал, знаходиться у Китаї. Назва цього виробника – Ningbo Morsh Technology. Виробництво графену розпочато ним у 2012 році.
Головним споживачем наноматеріалу є компанія Chongqing Morsh Technology. Графен використовується нею для проведення прозорих плівок, які вставляють в сенсорні дисплеї.
Порівняно недавно відома компанія Nokia оформила патент на світлочутливу матрицю. У складі цього необхідного для оптичних приладів елемента знаходиться кілька шарів графена. Такий матеріал, використаний на датчиках камер, значною мірою збільшує їхню світлочутливість (до 1000 разів). У цьому спостерігається зниження споживання електроенергії. Хороша камера для смартфона також міститиме графен.
Отримання у побутових умовах
Чи можна виготовити графен у домашніх умовах? Виявляється, так! Необхідно просто взяти кухонний блендер потужністю не менше 400 Вт, і дотримуватися методики, розробленої ірландськими фізиками.
Як виготовити графен в домашніх умовах? Для цього в чашу блендера виливають 500 мл води, додаючи в рідину 10-25 мл будь-якої миючої речовини і 20-50 грам товченого грифеля. Далі прилад повинен попрацювати від 10 хвилин до півгодини, аж до появи суспензії з лусочок графена. Отриманий матеріал матиме високу провідність, що дозволить використовувати його в електродах фотоелементів. Також виготовлений у побутових умовах графен здатний покращити властивості пластику.
Оксиди наноматеріалу
Вчені активно досліджують і таку структуру графена, яка всередині або з обох боків вуглецевої сітки має приєднані кисневмісні функціональні групи або (і) молекули. Це оксид найтвердішого нановещества, який є першим двовимірним матеріалом, що дійшов до стадії комерційного виробництва. З нано- та мікрочастинок цієї структури вчені виготовили сантиметрові зразки.
Так, оксид графену у поєднанні з діофілізованим вуглецем був нещодавно отриманий китайськими вченими. Це дуже легкий матеріал, сантиметровий кубик якого утримується на пелюстках невеликої квітки. Але при цьому нова речовина, в якій знаходиться оксид графену, є однією з найтвердіших у світі.
Біомедичне застосування
Оксид графена має унікальну властивість селективності. Це дозволить цій речовині знайти біомедичне застосування. Так, завдяки роботам вчених стало можливим використання оксиду графену для діагностики ракових захворювань. Виявити злоякісну пухлину на ранніх стадіях її розвитку дозволяють унікальні оптичні та електричні властивості наноматеріалу.
Також оксид графену дозволяє проводити адресну доставку лікарських та діагностичних засобів. На основі цього матеріалу створюються сорбційні біодатчики, що вказують на молекули ДНК.
Індустріальне застосування
Різні сорбенти на основі оксиду графену можуть бути застосовані для дезактивації заражених техногенних та природних об'єктів. Крім того, цей наноматеріал здатний переробити підземні та поверхневі води, а також ґрунти, очистивши їх від радіонуклідів.
Фільтри з оксидів графену можуть забезпечити суперчистоту приміщення, де виготовляються електронні компоненти спеціального призначення. Унікальні властивості даного матеріалу дозволять поринути у тонкі технології хімічної сфери. Зокрема, це може бути вилучення радіоактивних, розсіяних та рідкісних металів. Так, використання оксиду графену дозволить видобути золото із бідних руд.
Волокна графена під скануючим електронним мікроскопом. Чистий графен відновлено з оксиду графену (GO) у мікрохвильовій печі. Масштаб 40 мкм (ліворуч) та 10 мкм (праворуч). Фото: Jieun Yang, Damien Voiry, Jacob Kupferberg / Rutgers University
Графен - 2D-модифікація вуглецю, утворена шаром завтовшки один атом вуглецю. Матеріал має високу міцність, високу теплопровідність і унікальні фізико-хімічними властивостями. Він демонструє максимальну рухливість електронів серед усіх відомих матеріалів Землі. Це робить графен практично ідеальним матеріалом у різних додатках, у тому числі в електроніці, каталізаторах, елементах живлення, композитних матеріалах і т.д. Справа за малим – навчитися отримувати якісні шари графену у промислових масштабах.
Хіміки з Ратгерського університету (США) знайшли простий та швидкий метод виробництва високоякісного графену шляхом обробки оксиду графену у звичайній мікрохвильовій печі. Метод напрочуд примітивний та ефективний.
Оксид графіту - з'єднання вуглецю, водню та кисню у різних співвідношеннях, що утворюється при обробці графіту сильними окисниками. Щоб позбутися кисню, що залишився, в оксиді графіту, а потім отримати чистий графен у двомірних листах, потрібно докласти значних зусиль.
Оксид графіту змішують із сильними лугами та ще далі відновлюють матеріал. В результаті виходять мономолекулярні листи із залишками кисню. Ці листи прийнято називати оксидом графену (GO). Хіміки випробували різні способивидалення зайвого кисню з GO ( , , , ), але відновлений такими способами GO (rGO) залишається сильно невпорядкованим матеріалом, який далекий за своїми властивостями від цього чистого графену, отриманого методом хімічного осадження з газової фази (ХОГФ або CVD).
Навіть у неупорядкованій формі rGO потенційно може бути корисним для енергоносіїв ( , , , , ) і каталізаторів ( , , , ), але для отримання максимальної вигоди від унікальних властивостей графену в електроніці потрібно навчитися отримувати чистий якісний графен з GO.
Хімікі з Ратгерського університету пропонують простий і швидкий спосібвідновлення GO до чистого графену, використовуючи 1-2-секундні імпульси мікрохвильового випромінювання. Як видно на графіках, графен, отриманий «мікрохвильовим відновленням» (MW-rGO) за своїми властивостями набагато ближче до чистого графена, отриманого за допомогою ХОГФ.
Фізичні характеристики MW-rGO, порівняно з незайманим оксидом графену GO, відновленим оксидом графену rGO та графеном, отриманим методом хімічного осадження з газової фази (CVD). Показані типові пластівці GO, обложені на кремнієву підкладку (А); рентгенівська фотоелектронна спектроскопія (B); раманівська спектроскопія та співвідношення розміру кристалів (L a) до відношення піків l 2D /l G у раманівському спектрі для MW-rGO, GO та ХОГФ (CVD).
Електронні та електрокаталітичні властивості MW-rGO, порівняно з rGO. Ілюстрації: Rutgers University
Техпроцес отримання MW-rGO складається з кількох етапів.
- Окислення графіту модифікованим методом Хаммерса та розчинення його до одношарових пластівців оксиду графену у воді.
- Відпал GO, щоб матеріал став більш сприйнятливим до мікрохвильового опромінення.
- Опромінення пластівців GO у звичайній мікрохвильовій печі потужністю 1000 Вт на 1-2 секунди. Під час цієї процедури GO швидко нагрівається до високої температури, відбувається десорбція кисневих груп та чудова структуризація вуглецевих ґрат.
На зображеннях з електронного мікроскопа, що просвічує, показана структура листів графена зі шкалою 1 нм. Ліворуч - одношаровий rGO, на якому багато дефектів, у тому числі функціональні групи кисню (синя стрілка) та дірки у вуглецевому шарі (червона стрілка). По центру та праворуч - відмінно структурований двошаровий та тришаровий MW-rGO. Фото: Rutgers University
Чудові структурні властивості MW-rGO при використанні в польових транзисторах дозволяють збільшити максимальну рухливість електронів приблизно до 1500 см 2 /В, що порівняно з видатними характеристиками сучасних транзисторів з високою рухливістю електронів.
Крім електроніки, MW-rGO стане в нагоді у виробництві каталізаторів: він показав виключно маленьке значення коефіцієнта Тафеля при використанні як каталізатор при реакції виділення кисню: приблизно 38 мВ на декаду. Каталізатор на MW-rGO також зберіг стабільність реакції виділення водню, яка тривала більше 100 годин.
Все це передбачає відмінний потенціал для використання відновленого мікрохвильового випромінювання графена в промисловості.
Наукова стаття "High-quality graphene via microwave reduction of solution-exfoliated graphene oxide"опубліковано 1 вересня 2016 року в журналі Science(doi: 10.1126/science.aah3398).
Графен – революційний матеріал 21 століття. Це найміцніший, найлегший і електропровідний варіант вуглецевої сполуки.
Графен був знайдений Костянтином Новосьоловим та Андрієм Геймом, які працюють в Університеті Манчестера, за що російські вчені були удостоєні Нобелівської премії. На сьогоднішній день на дослідження властивостей графена виділено близько десяти мільярдів доларів на десять років, і ходять чутки, що він може стати чудовою заміною кремнію, особливо у напівпровідниковій промисловості.
Однак двовимірна структура на кшталт цього вуглецевмісного матеріалу була передбачена і для інших елементів Періодичної системи хімічних елементів і дуже незвичайні властивостіоднієї з таких речовин недавно вдалося вивчити. А називається ця речовина "синій фосфор".
Вихідці з Росії, які працюють у Британії, Костянтин Новосьолов та Андрій Гейм створили графен – напівпрозорий шар вуглецю товщиною в один атом – у 2004 році. З цього моменту практично відразу і всюди ми стали чути хвалебні оди про різні дивовижні властивостіматеріалу, що має потенціал змінити наш світ і знайти своє застосування в різних сферах, починаючи від виробництва квантових комп'ютерів і закінчуючи виробництвом фільтрами для отримання чистої питної води. Минуло 15 років, але світ під впливом графену так і не змінився. Чому?
Усі сучасні електронні пристрої використовують передачі інформації електрони. Зараз щодуть розробка квантових комп'ютерів, які багато хто вважає майбутньою заміною традиційних пристроїв. Однак є ще один, при цьому не менш цікавий шлях розвитку. Створення так званих фотонних комп'ютерів. І нещодавно група дослідників з Університету Ексетера виявила властивість частинки, яка може допомогти в розробці нових комп'ютерних схем.
До минулого року єдиним відомим науці способом виробництва графена було нанесення на клейку стрічку найтоншого шару графіту з подальшим видаленням основи. Ця техніка отримала назву "техніки скотчу". Проте нещодавно вчені виявили, що існує ефективніший спосіб отримання нового матеріалу: як основу вони стали використовувати шар міді, нікелю або кремнію, який потім видаляється витравленням (рис.2). Таким чином, прямокутні листи з графена шириною 76 сантиметрів створила команда вчених із Кореї, Японії та Сінгапуру. Мало того, що дослідники поставили своєрідний рекорд за розмірами шматка одношарової структури з атомів вуглецю, так вони ще й створили на основі гнучких листів чутливі екрани.
Малюнок 2: Одержання графену методом витравлення
Вперше графенові «пластівці» були отримані фізиками лише у 2004 році, тоді їх розмір склав лише 10 мікрометрів. Рік тому команда Родні Руоффа з Техаського університету в Остіні розповіла про те, що їм вдалося створити сантиметрові уривки графена.
Руоф та його колеги нанесли вуглецеві атоми на мідну фольгу за допомогою методу хімічного осадження з пари (CVD). Дослідники лабораторії професора Бюня Хеє Хона з університету Сункхюнкхвана пішли далі та збільшили аркуші до розмірів повноцінного екрану. Нова «рулонна» технологія (roll-to-roll processing) дозволяє одержувати з графену довгу стрічку (рис. 3).
Малюнок 3: Зображення нанесених один на одного шарів графена, отримане за допомогою електронної мікроскопії, що просвічує, високої роздільної здатності.
Поверх графенових листів фізики помістили шар адгезивного полімеру, розчинили мідні підкладки, потім відокремили полімерну плівку – вийшов одиничний шар графену. Щоб надати листам велику міцність, вчені тим самим способом «наростили» ще три шари графену. Наприкінці отриманий «бутерброд» обробили азотною кислотою – поліпшення провідності. Новий лист графена поміщається на підкладку з поліестеру і проходить між нагрітими валиками (рис. 4).
Рисунок 4: Рулонна технологія отримання графену
Структура, що утворилася, пропускала 90% світла і мала електричний опір менший, ніж у стандартного, але, як і раніше, дуже дорогого прозорого провідника – оксиду індія та олова (ITO). До речі, використавши аркуші графена як основу сенсорних дисплеїв, дослідники виявили, що їхня структура ще й менш тендітна.
Щоправда, попри всі досягнення, до комерціалізації технології ще дуже далеко. Прозорі плівки з вуглецевих нанотрубок намагаються витіснити ITO вже досить давно, але виробники ніяк не можуть упоратися із проблемою «мертвих пікселів», які з'являються на дефектах плівки.
Застосування графенів в електротехніці та електроніці
Яскравість пікселів у плоскопанельних екранах визначається напругою між двома електродами, один із яких звернений до глядача (рис.5). Ці електроди обов'язково мають бути прозорими. В даний час для виробництва прозорих електродів застосовується оксид індію, легований оловом (ITO), але ITO є дорогою і не найстійкішою речовиною. До того ж, світ незабаром вичерпає свої запаси індія. Графен є прозорішим і стійкішим, ніж ITO, і вже був продемонстрований РК-дисплей з графеновим електродом.
Малюнок 5: Яскравість графенових екранів залежно від напруги, що подається.
Великий потенціал у матеріалу та інших областях електроніки. У квітні 2008 року вчені з Манчестера продемонстрували найменший у світі графеновий транзистор. Ідеально правильний шар графена керує опором матеріалу, перетворюючи його на діелектрик. Становиться можливим створення мікроскопічного перемикача живлення швидкісного нано-транзистора контролю руху окремих електронів. Чим менше транзистори в мікропроцесорах, тим швидше він сам, і вчені сподіваються, що графенові транзистори в комп'ютерах майбутнього стануть розміром з молекулу, враховуючи, що сучасні технології технології виробництва мікротранзистори практично досягли межі своїх можливостей.
Графен не лише чудовий провідник електрики. У нього висока теплопровідність: коливання атомів легко поширюються вуглецевою сіткою осередкової структури. Тепловиділення в електроніці – серйозна проблема, оскільки існують межі високих температур, які електроніка здатна витримати. Проте вчені з університету штату Іллінойс виявили, що транзистори, в яких використовується графен, мають цікаву властивість. Вони проявляється термоелектричний ефект, що призводить до зниження температури приладу. Це може означати, що електроніка, побудована на застосуванні графену, залишить у минулому радіатори та вентилятори. Таким чином, привабливість графена як перспективний матеріал для мікросхем майбутнього додатково зростає (рис.6).
Рисунок 6: Щуп атомно-силового мікроскопа, що сканує поверхню графеново-металевого контакту з метою вимірювання температури.
Вченим було непросто виміряти теплопровідність графену. Вони винайшли зовсім новий спосіб вимірювання його температури, розташувавши плівку з графена довжиною в 3 мкм над таким же крихітним отвором в кристалі діоксиду кремнію. Потім плівку нагріли лазерним променем, змусивши її вібрувати. Ці вібрації допомогли розрахувати температуру та теплопровідність.
Винахідливість вчених не знає меж, якщо йдеться про використання феноменальних властивостей нової речовини. У серпні 2007 року було створено найчутливіший із усіх можливих датчиків на його основі. Він здатний відреагувати однією молекулу газу, що допоможе своєчасно виявити наявність токсинів чи вибухових речовин. Чужорідні молекули мирно опускаються в графенову мережу, вибиваючи з неї електрони чи додаючи їх. В результаті змінюється електричний опір графенового шару, який вимірюється вченими. Навіть найменші молекули затримуються міцною графеновою сіткою. У вересні 2008 року вчені з Корнельського університету в США продемонстрували, як графенова мембрана, подібно до найтоншої повітряної кулі, надується за рахунок різниці тисків у кілька атмосфер з обох її сторін. Ця особливість графена може бути корисною щодо протікання різних хімічних реакційі взагалі щодо поведінки атомів і молекул.
Отримувати великі листи чистого графену поки що дуже складно, але завдання можна спростити, якщо шар вуглецю змішати з іншими елементами. У Північно-Західному університеті США графіт окислили та розчинили у воді. Результатом став папіроподібний матеріал – графеноксидний папір (рис.7). Вона дуже жорстка і досить проста у виготовленні. Графеноксид придатний як міцна мембрана в акумуляторах і паливних елементах.
Малюнок 7: Графеноксидний папір
Мембрана з графену – ідеальна підкладка для об'єктів вивчення під електронним мікроскопом. Бездоганні осередки зливаються на зображеннях у сірий однорідний фон, на якому чітко виділяються інші атоми. До цього часу було неможливо розрізнити в електронному мікроскопі найлегші атоми, але з графеном як підкладки можна буде розглянути навіть малі атоми водню.
Можливості застосування графену можна перераховувати до безкінечності. Нещодавно фізики Північно-Західного університету США з'ясували, що графен можна змішувати із пластиком. Результат - тонкий суперміцний матеріал, що витримує високі температури та непроникний для газів та рідин.
Сфера його застосування – виробництво легких автозаправних станцій, запчастин для автомобілів та літаків, міцних лопатей вітрових турбін. У пластик можна пакувати харчові продукти, надовго зберігаючи їх свіжими.
Графен не тільки найтонший, а й найміцніший у світі матеріал. Вчені з Колумбійського університету в Нью-Йорку переконалися в цьому, помістивши графен над крихітними отворами у кристалі кремнію. Потім натисканням найтоншої алмазної голки спробували зруйнувати шар графену та виміряли силу тиску (рис.8). Виявилося, що графен у 200 разів міцніший за сталі. Якщо уявити собі графеновий шар завтовшки з харчову плівку, він витримав би тиск вістря олівця, на протилежному кінці якого балансував би слон або автомобіль.
Рисунок 8: Тиск на графен алмазної голки