Графен - революційний матеріал, який перетворить 21 століття
Що таке графен?
Графен повністю складається з вуглецю, як і алмаз та вугілля. На відміну від цих матеріалів, атоми вуглецю, що утворюють графен, розміщені у двовимірних «смужках», що робить цей матеріал надзвичайно міцним та гнучким.
Графен - найтонший ідентифікований на сьогоднішній день - «лист» графена має товщину всього атом, саме тому вчені кажуть, що це перший двовимірний матеріал, ідентифікований людством. Графен є кращим електричним провідником, ніж мідь, він у 300 разів міцніший за сталь і має унікальні оптичні властивості. Крім того, хоча він майже прозорий, графен настільки щільний, що через нього не може пройти навіть гелій, найменший атом газу.
Метод, за допомогою якого Андре Гейм та Костя Новоселов отримували графен, надзвичайно простий: двоє дослідників з Університету Манчестера нанесли клейку стрічку на шматок графіту, від'єднавшись від нього, відшарувавши смугу графітових пластівців. Використовуючи інші шматочки клейкої стрічки, вони відшаровували послідовні шари графіту, розріджуючи пластівці. Потім клейку стрічку розчиняли в ацетоні, і отриманий графітовий шар приклеювали до кремнієвої пластини. Деякі пластівці, товщиною лише один атом, прикріплені до кремнієвої пластини.
Графіт найбільш відомий як матеріал, з якого виготовляється олівець, що складається з накладених шарів вуглецю. Дослідники підрахували, що один міліметр графіту складається приблизно з трьох мільйонів шарів графену. Олівці створюють чорну смугу, коли пишуть ними, тому що тертя призводить до відшарування графітових пластівців. Тому професор Гейм стверджує, що дуже ймовірно, що всі, хто коли-небудь писав олівцем, виробляли графен, але не помічаючи результату.
Як можна використовувати графен?
"Чудові властивості графена виправдовують прізвисько" чудо-матеріал ", - сказав Костя Новоселов, професор, який вперше виділив цей матеріал у 2004 році разом з Андре Геймом з Манчестерського університету.
Надзвичайні особливості графена дозволяють використовувати його в незліченних областях. Професор Гейм вважає неможливим визначити найбільш перспективні зміни, які він може здійснити. "Спектр можливих застосувань настільки широкий і зростає настільки швидко, що зосередження уваги на одному з них означало б недооцінювати масштаби наукових зусиль, що тривають", - сказав нобелівський лауреат.
В електроніці графен можна використовувати для виробництва надшвидких транзисторів, гнучких дисплеїв або світлодіодів. Матеріал може підвищити ефективність лазерів і фотодетекторів і може перетворити поля виробництва та зберігання енергії, сприяючи модифікації багатьох пристроїв, таких як батареї та сонячні елементи. Також використання графену в композиційних матеріалах покращило б структуру крил літаків, що зменшило б їх вагу. У медицині графен можна використовувати для проектування штучних тканин та сітківки та для транспортування ліків до тканини, яка в них потребує.
"Сенсорні екрани, що мають графен як провідний елемент, можна друкувати на дуже тонкому пластику замість скла, тому вони будуть легкими та гнучкими. Мобільні телефони можуть бути тонкими, як аркуш паперу, і їх так легко згинати, щоб вони помістилися в будь-якій кишені. Через надзвичайну стійкість графена ці телефони буде дуже важко знищити ", - пояснюють фахівці Американського хімічного товариства.
Супратік Гуха, керівник відділу фізичних досліджень IBM, заявив, що фахівці американської компанії працюють над високочастотними транзисторами на основі графена та пристроями, які використовують терагерцову область електромагнітного спектра. Цей регіон, розташований між інфрачервоною та мікрохвильовою частотами, обіцяє запропонувати багато застосувань у медичній візуалізації та на коротких відстанях. Терагерцові хвилі проходять крізь пластику і живі тканини, але до цих пір вченим не вдалося їх контролювати. "За допомогою графена ми можемо модулювати та контролювати терагерцове випромінювання", - говорить Гуха.
Графен також міг дозволити проектувати легкі та гнучкі сонячні панелі, які могли б покривати всі зовнішні поверхні будівель, а не лише дах. Графен поглинає лише 2% світла, яке досягає його, незалежно від довжини хвилі. Це також дуже хороший електричний провідник. Отже, якщо фотоелемент розмістити між двома шарами графена, світло проходило б через графен і торкалося фотоелемента. Це дозволило б виробляти електроенергію, яка транспортувалася б із використанням шарів графена. Поєднання дозволить створити гнучкі сонячні панелі, які можна використовувати незліченними способами: на автомобілях, одязі, сумках, електронних пристроях або на будь-якій іншій поверхні, до якої торкається світло. Отже, завдяки графену сонячна енергія може стати набагато простішою у використанні та поширенням, ніж ми можемо собі уявити сьогодні.
Медицина - ще одна галузь, яка обіцяє бути перетворена графеном. Оскільки цей матеріал тонкий, гнучкий і стійкий до солоних розчинів, що утворюють живі тканини, графен є ідеальним матеріалом для проектування біонічних пристроїв. На відміну від металевих елементів, які тривають у людському тілі лише кілька років, графенові пристрої можна використовувати все життя. Крім того, оскільки графен є електричним провідником, його можна використовувати для передачі електричних імпульсів нейронам, що дозволяє паралізованим людям відновити контроль над своїми кінцівками після аварії, що призводить до травми спинного мозку. Той самий механізм можна використовувати для управління штучними кінцівками, використовуючи графен для передачі електричних сигналів на двигуни, що приводить їх в рух.
Гонка за патенти та надзвичайні інвестиції в графен
Надзвичайний потенціал графена стимулював уряди та організації у всьому світі вкладати значні суми у дослідження цього матеріалу, бажаючи не пропустити "графенову революцію". Професор Андре Гейм підраховує, що щорічно на дослідження чудо-матеріалів витрачається понад 1 млрд доларів.
Відкриття графену призвело до справжньої "патентної гонки" компаній, університетів та інших дослідницьких установ. Аналіз CambridgeIP показує, що із загальної кількості 7351 заявок на патент на графен, зареєстрованих у 2012 році, 2204 патенти надійшли з Китаю, 1754 з США та 1160 з Південної Кореї. Серед компаній, що мають найбільше патентів, - Samsung із 407 та IBM із 134. Однак Європа продовжує відігравати ключову роль у розробці графену. "Європа не була такою агресивною щодо патентів, але саме тут відбуваються найважливіші дослідження в цій галузі", - сказав Луїджі Коломбо, експерт з графену, Financial Times.
Великобританія хоче залишитися центром досліджень графена, саме тому острівний уряд вирішив витратити 61 мільйон фунтів стерлінгів на створення Національного інституту графену, національного дослідницького центру, який відкриється в Манчестері в 2015 році. в Манчестері заявляє, що має намір інститут бути "світовим лідером у дослідженні графену". Не залишився позаду і Кембриджський університет, який оголосив, що відкриє Кембриджський центр графену, в який буде вкладено 30 мільйонів фунтів стерлінгів.
Нещодавно Європейський Союз оголосив про плани фінансувати проект на мільярд євро, присвячений графену та його потенційному використанню, який координуватиме професор Ярі Кінарет з Технологічного університету Чалмерса в Гетеборзі, Швеція. "Ви можете розглядати цей величезний фонд як спосіб заохочення компаній більше залучатись до зусиль європейських університетів", - говорить Андре Гейм.
Віце-президент Європейської комісії Нілі Крос каже: «Історія графена показує, що в науці все ще є дивовижні речі. Відкриття цього матеріалу було як би дивом ". "З матеріалу, виявленого за допомогою олівця та липкої стрічки, сьогодні графен близький до народження нової галузі", - додав Крус.
Крус вважає, що цей матеріал зіграє надзвичайну роль у розвитку європейського континенту в найближчі десятиліття. Ось чому європейський чиновник розпочав порівняння зі знаменитою Кремнієвою долиною, штат Каліфорнія, де працює багато успішних технологічних компаній (включаючи Apple, Facebook або Google). "Ви чули про Силіконову долину? Європа хоче бути відомою як "Графенова долина", - сказав Крус в оголошенні європейських чиновників про інвестиції в дослідження графену. Дослідники очікують, що графен у майбутньому замінить кремній у багатьох областях.
Nokia є однією з 74 європейських компаній, які утворюють Флагманський консорціум "Графен", куди надійде 1 млрд. Євро коштів, запропонованих Європейським Союзом. Серед проектів, над якими працює фінська компанія, є більш легкий і надзвичайно міцний телефон, який не нагрівається. Яні Ківіоя, один із дослідників Дослідницького центру Nokia, пояснює широке захоплення цим надзвичайним матеріалом: «Ми почали працювати з графеном у 2006 році, і з тих пір ми визначили багато областей, де ми могли б його використовувати. Однак я вважаю, що найважливіших відкриттів ще не відбулося. Ми досягли критичного порогу, але лише зараз починається графенова революція. Промислова революція відбулася після того, як ми навчилися виробляти залізо за низькою вартістю. Тоді у нас була кремнієва ера. Тепер графен ".
Професор Гейм загартував дуже високі сподівання людей на графен, заявивши, що «зазвичай від відкриття нового матеріалу до його використання в продуктах для широкого загалу проходить близько 40 років. Подумайте про полімери: пройшов деякий час від їх відкриття до того моменту, коли пластик став повсюдним у нашому житті ”. Одне очевидно: графен зіграє надзвичайну роль у технологічному розвитку, який характеризуватиме 21 століття, переворочуючи найважливіші галузі.