Графен — что это за материал, его особенности
Содержание
Развитие такой отрасли науки и техники, как нанотехнологии, позволило найти применение удивительным качествам углерода. Одно из ярких событий в науке ознаменовалось открытием графена. Многих читателей интересует, что такое графен, и когда он появился. Надо обратиться к истории его изобретения.
Кристаллическая решётка графена
История открытия
Графен – это пластина, представляющая собой кристаллическую решётку из двухмерных кристаллов углерода. Автором нового материала, учёным Уоллесом, в 1947 году были замечены необычные свойства графена. Он утверждал, что вещество по своим характеристикам аналогично металлам.
Невозможность получения углерода в чистом виде в те времена объяснялось отсутствием должного оборудования. С появлением нанотехнологии в 2004 году учёными Новосёловым и Геймом был получен этот материал. Выходцам из России, работающим в Манчестерском университете, за графен присуждена Нобелевская премия.
Описание графена
Чтобы понять, что это такое графен, достаточно провести карандашом по бумаге. Графитовый след будет состоять из слоя кристаллов этого вещества. Грифель состоит из множества слоёв кристаллических решёток нановещества. Такой материал, как графен, представляет собой слой атомов углерода, объединённых в форму шестигранных сот.
Структура графена
На рисунке в левом нижнем углу изображен графит, его можно обнаружить в простом карандаше. Его структура выглядит, как слои торта. Прочные пласты графена перемежаются слабыми прослойками. Свёрнутые листы в виде трубки или шара называют фуллеренами. Их подразделяют на цилиндры – углеродные нанотрубки (в нижнем ряду по центру) и на сферы – бакиболсы (там же справа).
Свойства и преимущества графена
Это самый тонкий в мире материал, полученный лабораторным путём. Из-за ничтожной толщины материал графен абсолютно прозрачен. Его прочность превышает в 200 раз показатель стали. В перспективе новый материал станет заменой кремния и медных проводников в интегральных микросхемах.
Получение
Графен был получен вышеупомянутыми учёными, когда они стали поступательно отделять от графита чешуйки вещества, применяя липкую ленту (скотч). Сейчас делаются попытки получения материала химическим способом. Однако ещё требуются усилия по преодолению трудностей, связанных с полным разделением графеновых слоёв и препятствованием их сворачиваемости.
Совсем недавно учёные Стэндфордского университета и специалисты из Китая опубликовали совместную статью о новом способе извлечения наноматериала. Получение графена представляет довольно сложный процесс, состоящий из обработки химреактивами графита, воздействия ультразвуком, нагрева взвеси до 10000 С. В результате графит, как ножом, разрезается на множество слоёв.
В это же время ирландские учёные опубликовали другой способ, основанный на скрупулёзном подборе интеркоагулянтов. В результате этого графитовый порошок становится гидрофильным веществом. В растворе под воздействием ультразвука графитовая взвесь легко расслаивается. Оба метода признаны успешными.
Получение графена в домашних условиях
Несмотря на сложность вышеперечисленных методик, получить графен в обычных домашних условиях вполне возможно. Надо следовать следующей инструкции:
- Дома нужно воспользоваться мощным блендером (400 Вт).
- Графитовый стержень от обычного карандаша измельчают до порошкообразного состояния.
- В агрегат заливают ½ литра воды вместе с 20 мл моющего средства для посуды.
- Блендером сбивают раствор в течение получаса. В результате сверху появится взвесь чешуек графена.
- Ленту скотча опускают на поверхность жидкости липкой стороной вниз, чтобы чешуйки прилипли к ней.
- Скотч складывают вдвое, затем разнимают половинки. Чешуйки разделятся на две части. Процесс можно повторять до десяти раз.
- В результате появятся светлые лепестки графена, переливающиеся разными цветами. Образец помещают под окуляр 100-кратного микроскопа. Если повезёт, можно будет наблюдать совсем прозрачные чешуйки.
Дефекты
Кажущаяся лёгкость получения графена неразрывно связана с фундаментальной проблемой – термодинамической устойчивостью двумерных проводников. Новый наноматериал, представленный слоистыми кристаллами, относится к 2D системам. Двумерные слоистые структуры, обладая металлическими свойствами, термодинамически крайне неустойчивы.
В условиях понижения окружающей температуры графеновые материалы теряют свойства металлов. То есть происходит переход из металла в диэлектрик. Проблема требует дальнейших исследований.
Возможные применения
Уникальные свойства графена позволили применять его практически во всех сферах деятельности человека. Уже сейчас появляются новейшие разработки использования графена в различных устройствах.
Оксиды наноматериала
Оксид – продукт взаимодействия атомов кислорода с молекулярной структурой какого-либо вещества. Учёные, занимающиеся вопросом, что такое графен и областью его применения, обнаружили по краям углеродной сетки графена оксидные группы молекул. Несколькими граммами этого вещества можно накрыть футбольное поле. Наноматериал уже используют в биомедицине.
Биомедицинское применение
Сверхспособности вещества в оптике и электронике позволят врачам распознавать злокачественные опухоли на ранней стадии развития. Оксид графена способен осуществлять адресную доставку лекарства к определённому органу человека, минуя окружающие ткани. Недавно было сделано заявление о создании сорбентовых датчиков, которые могут распознавать молекулы ДНК, используя свойства нановещества.
Индустриальное применение
Адресные сорбенты оксида графена будут способны деактивировать территории, заражённые в результате техногенных катастроф. Сейчас рассматривается применение продукта для очистки водных ресурсов и воздушного пространства от радионуклидов.
Новые технологии на основе оксида графена совершат технологическую революцию в химической промышленности. Они позволят значительно снизить затраты по извлечению драгоценных металлов из бедных руд.
Перспективы использования нановещества в оборонной промышленности практически неограниченны. Появление брони, выдерживающей самые мощные снаряды, даст толчок в создании новой бронетехники и бронежилетов.
Использование в автомобилестроении
Удельная энергоёмкость графена в 50 раз превышает энергоёмкость литий-ионных аккумуляторов. Заметив это свойство, учёные приступили к разработке аккумуляторных батарей нового поколения.
Проблема, связанная с громоздкостью и ограниченностью заряда аккумуляторов для электромобилей, в ближайшее время будет решена. Машина с графеновой батареей сможет за один раз проехать тысячу километров, причём на одну зарядку аккумулятора понадобится около 8 минут.
Графеновый аккумулятор
Сенсорные экраны
Углеродный наноматериал используют при изготовлении сенсорных экранов с диагональю в несколько метров. Это позволяет получить сенсорные дисплеи, которые можно будет скручивать в трубку для переноски.
Физика
Физическая природа графена объясняется электрическими свойствами атомов вещества. Материал имеет общее сходство с графитом и алмазами.
Теория
Теоретические исследования ещё 70 лет назад предсказали существование такого вещества, как графен. Утверждалось, что углерод способен создавать кристаллические двумерные пространственные решётки в виде тончайших плёнок толщиной в 1 атом. Теория была подкреплена практическими опытами в 2012 году, когда были получены первые образцы наноматериала.
Кристаллическая структура
Группа правильных шестиугольников образует решётку, что отражает эквивалентную гексагональную структуру построения атомов углерода. На рисунке жёлтым фоном выделена элементарная ячейка. В кругу розового цвета видны атомы с векторами. Синие и красные кружочки отображают различные подрешётки кристалла, являющиеся базисом решётки.
Кристаллическая графеновая решётка
Зонная структура
Суть термина выражает близкие связи электронов. Вокруг ядра атома углерода вращаются электроны. Три из них связаны с соседними атомами, формируя связи в кристаллической решётке. Четвёртый электрон образует связи в одной плоскости. Диаграмма зонной структуры графена выглядит в виде конусов.
Конусы зонной структуры
Линейный закон дисперсии
Выявление зонной структуры нановещества позволило вывести закон дисперсии одномерных нанотрубок.
Закон дисперсии определён уравнением Дирака. Математическое выражение подтверждает линейную зависимость дисперсии и вытекает из уравнения Шредингера для зонной структуры вещества при малых затратах энергии электронов.
Эффективная масса
Линейный закон дисперсии определяет эффективную массу электронов и дырок в структуре наноматериала, не имеющую никакой величины. Но при вращении электронов вокруг ядра получается иная масса, называемая энергией Ландау.
Хиральность и парадокс Клейна
Трёхмерное уравнение Дирака для частиц без массы (нейтрино) определяет постоянную величину – спиральность в квантовой электродинамике. В графене выявлен аналог, который называют хиральностью, то есть проекцией псевдоспина в сторону движения.
Эксперимент
Практически все эксперименты связаны с отшелушиванием чешуек – кристаллических решёток. Извлечение графена в результате опытов описано выше.
Проводимость
Было замечено, что наноматериал ведёт себя как полупроводник. Из-за этого графен имеет перспективу полностью заменить кремний в интегральных микросхемах. Это принесёт существенный экономический эффект от производства дешёвых радиокомпонентов.
Квантовый эффект холла
Когда на двумерную кристаллическую решётку воздействуют перпендикулярно направленным магнитным полем, возникает эффект холла. Взаимодействие направленного движения тока в графене с поперечным магнитным потоком вызывает напряжение, которое называют холловским эффектом.
Двухслойный графен
Американские учёные в результате многочисленных опытов обнаружили, что при воздействии на двойной слой графена высоким давлением материал приобретает твёрдость алмаза. Явление уникально тем, что таких качеств нет у однослойного и многослойного наноматериала. В связи с этим ведутся активные изыскания по созданию сверхтонкого защитного покрытия.
Вид двухслойного графена
Открытие непревзойдённых качеств графена рисует перед учёными мира перспективу технологической революции во всех сферах деятельности человечества. Однако, наряду с этим, высказываются мнения, охлаждающие пыл энтузиастов.
