Що таке Графен?

Графен володіє багатьма неймовірними властивостями. Це найтонший і міцний матеріал, відомий людині. Це чудовий тепло і електро провідник, навіть кращий ніж діаманти, мідь і срібло. Він надлегкий, але в той же час в 200 разів міцніший за сталь, і, крім того, він біологічно розкладаємо, тому не становить загрози для навколишнього середовища.

Ви подумаєте, що з такими вражаючими властивостями графен повинен бути дуже складним і специфічним матеріалом. Це частково вірно; але в той же час як графен досить важко виробляти у великих масштабах, він вже є у вашому домі.

Як ви вже здогадалися з назви, цей матеріал відбувається з графіту, того самого, який знаходиться всередині звичайних креслярських олівців. Коли ви пишете, лусочки графіту товщиною в кілька шарів прилипають до паперу, але істинний графен більш тонкий. Яку товщину має найтонший матеріал у світі? Один атом! Це настільки тонко, що можна вважати цей матеріал двовимірним на увазі того що він практично не має товщини, тільки ширину і довжину. Тому він виробляється в акуратних найтонших аркушах. Таким чином, графен являє собою гексагональну решітку атомів вуглецю товщиною в один атом. Ви можете самостійно створити його, видаливши зайвий шар графіту з паперу за допомогою липкої стрічки, склавши стрічку і знову розвернув її, щоб відокремити пласти вуглецю один від одного.

Саме так його відкрили в 2004 році вчені сер Андрій Гейм (Andre Geim) сер Костянтин Новосьолов , Які згодом отримали Нобелівську премію з фізики за свої відкриття, а також звання лицаря-бакалавра указом королеви Єлизавети II.

Коли графен був виявлений, це був шок для багатьох вчених, які не вірили, що один шар вуглецю може бути стабільним, особливо при кімнатній температурі. Проте, він не тільки був стабільним, він проводив електрони швидше, ніж будь-яка інша речовина при кімнатній температурі, з огляду на ідеальне, висока якість його решітки. Відсутність дефектів в структурі решітки означає відсутність розсіяних електронів, що призводить до дуже сильної, але гнучкою зв'язку. Маніпулювання цими електронами також означає, що графен може бути перетворений в магніт товщиною в один атом-потенційно збільшуючи зберігання даних в мільйон разів.

Де ще може застосовуватися графен? Список довгий і дуже цікавий.

Графен може витримувати навантаження 5 тонн і більше без руйнування. Він міцніше алмазу, хоча алмаз і графен не дуже далекі один від одного. Обидва вони складаються з вуглецю, який може стати тільки двома природними кристалами - графітом або алмазом. Але алмаз не такий стабільний, як графен. Міцність графена може привести до створення гнучких неб'ющіхся екранів телефонів, кращих куленепробивних жилетів та міцніших міських будівель. Передбачається, що графен стане майбутнім будівельним матеріалом для космічних кораблів, автомобілів, поїздів, літаків і навіть ліфтів, що піднімаються в космос.

Компанія Samsung вже працює над впровадженням графена в свої батареї за допомогою графенових кульок. В результаті електрична ємність збільшилася на 45%, а швидкість зарядки - в п'ять разів. Повна зарядка такої батареї для телефону Samsung займає 12 хвилин. Батарея також дуже стабільна до перепадів температур. 20 хвилин зарядки подібного графенового акумулятора дадуть вам 600 км їзди на електромобілі.

Електронне сховище з графена забезпечить більш ефективні сонячні елементи, які зможуть працювати навіть коли йде дощ.

Шари графена непроникні. Змішування його з такими матеріалами, як гума або пластмаса, можуть зробити їх повітронепроникними, що забезпечує більш безпечні кораблі і їжу, яка може зберігатися набагато довше.

Графенові оксидні мембрани дозволяють отримати більш дешеву воду для посушливих бідних районів світу. У той час як сучасні процеси опріснення води є дорогими і використовують багато енергії, застосування графена, як показали експерименти, дало скорочення енергоспоживання на 46%, що робить опріснену воду набагато більш доступною. Є деякі перешкоди, які необхідно подолати відносно оксиду графену і його проникності для солі, але прогрес в цій області є багатообіцяючим.

Інші потенційні сфери застосування графена включають фільтрацію ядерних відходів, використання в суперкомп'ютерах, а також створення кращих медичних сканерів, транзисторів і секвенсоров ДНК. Впроваджуючи графен безпосередньо в наші клітини, лікарі могли контролювати наше тіло зсередини за допомогою наноботов. Передбачається, що біопріложенія графена стануть реальністю до 2030 року.

Так чому ж ми до цих пір не бачимо його всюди?

Недолік графена полягає в тому, що його дуже складно виробляти. До сих пір вченим вдавалося виготовляти його лише в невеликих кількостях, найбільшим з яких був лист розміром з кредитну карту. До недавнього часу ми навіть не могли виготовити його за межами лабораторії.

Для того щоб зробити лист графена розміром з кредитну картку, масло сої було підігрітий до 800 градусів Цельсія на аркуші фольги нікелю, що змусило вуглець упорядкуватися в тонку пластину графена. Але це все одно поки залишається проблемою масштабування. При спробі отримати великі за розмірами листи графена, матеріал виходив низької якості. Однак, ця проблема балансу чистоти і розміру графенових матеріалів нагадує аналогічну проблему отримання чистого кремнію, яка була в минулі роки. Сфери застосування цього матеріалу і отримується вигода дуже величезні, щоб не продовжувати дослідження.

Переклад: Сергій Базанов