100 невероятных открытий и изобретений современной науки. 1 - Графен.

17 August 2018

1. Графен - панацея среди прочнейших материалов или миф!

Итак, о графене известно уже достаточно давно и есть много статей на этот счет, но давайте разберемся что же это все-таки за материал, для чего он нужен и что стоит от него ожидать!

История изучения графена началась еще с далеких 40-х годов XX столетия. Первоначально описание графена появилось в работах Ф. Уоллеса связанных с теории о возможности построения трехмерного кристалла графита.

В современной науке графеном называют "двумерный кристалл, состоящий из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решетку". Но, не смотря на теоретические предпосылки, материал так и не был получен практически, этому так же препятствовали некоторые физически неразрешимые на тот момент проблемы, такие как нестабильность относительно сворачивания или скручивания, плавление двумерного кристалла при любой конечной температуре и интерес к данному материалу на время угас.

Только спустя практически 60 лет в 2004 году, после открытия углеродных нанотрубок, учёными Андреем Геймом и Константином Новоселовым удалось получить первые слои графена на подложке окислённого кремния, за что и были удостоены Нобелевской премии по физике за 2010 год.

Так все же, в чем уникальность данного материала, за что ему пророчат великое будущее?

Данный материал обладает целым рядом свойств, за которые ему можно смело давать звание "прочнейший на Земле":

1) Невероятно высокая прочность (прочнее алмаза) - практически в 2 раза прочнее кевлара и примерно в 30 раз прочнее лучшей на сегодняшний день стали.

2) Способность противостоять практически всем внешним воздействиям и поглощать большое количество энергии - графен способен поглощать до 0,85 МДж/кг энергии, что превышает характеристики поглощения стали в 10,5 раз.

3) Скорость распространения звуковых волн по поверхности графена составляет ~ 20 км/с, при скорости распространения звука в воздушной среде 330 м/с.

4) Высокая теплопроводность ( > 4000 Вт/(м*К) , превосходящая показатели теплопроводности, к примеру, меди (389 Вт/(м*K) в ~ 10 раз и алмаза ( ~ 2000 Вт/(м*К) в 2 раза.

5) Также, как и медь обладает высокой электропроводностью. На расстоянии 10 микрометров электрический ток в графене не встречает практически никакого сопротивления, что в 1000 раз, по размерным величинам, больше чем в других обычных материалах, используемых для передачи тока, позволяя передавать сигналы быстрее чем в полупроводниковых материалах без нагрева.

6) Высокая оптическая чистота - графен поглощает ~ 1-2 % видимого излучения, вследствие чего можно говорить что материал практически бесцветен и может быть не виден обычному человеческому глазу.

Основные направления развития и применения графена в настоящее время выглядят так:

- высокочастотных высокомощных электронных устройств;

- искусственных мембран, разделяющих две жидкости в резервуаре;

- улучшения свойства проводимости различных материалов;

- создания дисплея на органических светодиодах;

- освоения новой техники ускоренного секвенирования ДНК;

- улучшения жидкокристаллических дисплеев;

- создания баллистических транзисторов.

Из самым амбициозных и футуристичных способах применения:

  • использование в качестве адсорбента (поглотителя) при утилизации радиоактивных отходов;
  • лечения раковых заболеваний;
  • восстановления костной ткани до первоначальных показателей при переломах и пр. травмах;
  • использование в авия- и автомобилестроении;
  • искусственная электронная кожа, со способностью изменять цвет;
  • динамики на новых принципах работы;
  • солнечные панели, генерирующие энергию даже в дождливую погоду;
  • солнечный парус!;
  • и даже лифт в космос! (корпус которого будет построен из материала на основе графена).

Однако, как и у всего великого, у графена тоже есть свои выдающиеся недостатки, а именно:

  • в настоящее время практически невозможно получать графен в промышленных масштабах с заданными физико-химическими характеристиками;
  • промышленный графен в десятки и сотни раз хуже графена полученного в лабораторных условиях;
  • вследствие озвученных выше причин, графен является одним из самых дорогостоящих материалов в мире и существует только в пределах лабораторий, где изучается.

Подводя итоги, можно сказать, что графен безусловно уникальный материал со множеством выдающихся свойств, но его промышленное использование пока что остается в области мифического будущего, а жаль, я бы не отказался прокатиться на выходных на луну с помощью космического лифта!

Это была первая статья в цикле о невероятных современных открытиях, оставайтесь на связи и узнаете еще много интересного!

Надеюсь Вам понравилась моя статья, так что отмечайте е кнопкой нравится, подписывайтесь на канал и оставляйте комментарии (отзывы позволят мне повысит качество статей и определить интересующие Вас области).