Почему графен до сих пор не изменил мир

–> –> Почему графен до сих пор не изменил мир / Все новости / Главная

Графен – одна из самых многообещающих технологий современности. Этот материал, без преувеличения, способен кардинально изменить облик мира. Только представьте себе невероятно легкую пластину толщиной в атом, которая в 200 раз прочнее стали. Этим удивительные свойства графена не ограничиваются. Он также может быть гибким, прозрачным, а его электропроводность превышает электропроводность меди.

Из-за всех этих потрясающих качеств ученые обещали нам настоящую технологическую революцию. Как минимум, графен должен был привести к скорому появлению легких, гибких, но при этом совершенно неубиваемых смартфонов. Как максимум – совершить прорыв в энергетике и раз и навсегда решить проблему нехватки пресной воды на Земле.

Вот только все это было обещано нам еще восемь лет назад, а технологическая революция не торопится. Так почему же графен еще не изменил мир?

Фрэнк Коппенс, представитель Института фотонных наук (ICFO) в Барселоне, считает, что мы слишком торопимся с ожиданиями. По его словам, изучение графена и продвигается очень быстро.

“Если вы посмотрите на свой смартфон, то увидите, что многие технологии, представленные в нем, были созданы 30-40 лет назад. Внутри этого устройства сокрыто около двадцати пяти Нобелевских премий по физике. многие изобретения были сделаны еще в 1960, но лишь в 21 веке нашли свой путь на рынок” – говорит Коппенс.

Графен же был изобретен немногим более десяти лет назад. И на рынке уже встречаются товары, содержащие этот удивительный материал. Таким образом, Коппенс уверен, что графен не опаздывает, а даже опережает свое время.

Что собой представляет графен?

Все знают, что такое графит. Именно из этого углеродного минерала сделаны грифельные стержни в простых карандашах. Теперь представьте углеродную пленку толщиной в один атом. Это и есть графен. Ученые теоретизировали и предполагали возможность создания такой углеродной структуры в течение десятилетий. но на практике графен удалось синтезировать только в 2004 году.

Это было фундаментальное научное открытие. Двое ученых Манчестерского университета, Андрей Гейм и Константин Новосёлов, использовали подложку из окислённого кремния для снятия тонких слоев с цельного куска графита. Так впервые был получен двумерным кристаллом углерода – графен.

Шесть лет спустя ученые были награждены Нобелевской премией по физике, а мир захлестнула графеновая истерия. Сейчас исследования этого материала проводятся в сотнях различных лабораторий, а количество патентов, описывающих устройства с применением графена, перевалило за 50 тыс.

Где купить графен?

Сегодня на рынке уже представлены некоторые товары, содержащие в себе графеновые элементы. К примеру, наушники Xiaomi Mi Pro HD используют графеновые мембраны. Разработчики утверждают, что такие мембраны идеально передают мелкие детали звучания.

Компания HEAD выпускает теннисные ракетки Youtek Graphene Speed Pr, корпус которых выполнен из графена. Благодаря этому ракетки являются очень прочными и легкими.

Итальянская компания Momodesign выпустила мотоциклетный шлем из графена. А английская компания Briggs Automotive Company выпустила спорткар BAC Mono с графеновым корпусом.

Все это здорово, но по-настоящему полезным графен может стать в электронных компонентах.

Графен в электронике

Компания Samsung уже сейчас заявляет о намерении использовать графен в аккумуляторах. Такие аккумуляторы получат дополнительную емкость при том же размере и будут дольше жить.

В данный момент для производства прозрачных сенсорных дисплеев используется индиевая оловянная окись (ITO). Но у этого материала есть недостаток – он очень хрупок. Графен этого недостатка лишен.

По мнению Коппенса, на рынок уже сейчас могли бы выйти первые гибкие гаджеты, использующие графеновые дисплеи. На данный момент препятствием является не технология производства графена, а банальная инерционность рынка. Разработчики просто не торопятся экспериментировать, пока у них есть возможность не рисковать.

Впрочем, такое положение дел продлится недолго. Известно, что Еврокомиссия выделила 1 млрд. евро на проект Graphene Flagship. Проект рассчитан на 10 лет и объединяет десятки научных учреждений и промышленных групп. Одно из направлений программы – это непосредственно производство графена. Цель проекта – сделать графен по-настоящему массовым и доступным продуктом.

В общем, если вы задаетесь вопросом, почему графен до сих пор не изменил мир, просто подождите еще немного. Обещанная нам графеновая технологическая революция все таки состоится. Но, скорее всего, где-то в середине 20-х годов.

Зачем России графен

На этой неделе исследовательское подразделение Samsung Electronics представило новый тип литийионных аккумуляторов, которые можно будет заряжать за рекордные 12 минут – секрет в особых наночастицах, покрытых слоем графена, двумерного углерода, за открытие уникальных свойств которого выпускники МФТИ, сотрудники Университета Манчестера Андрей Гейм и Константин Новоселов получили в 2010 г. Нобелевскую премию по физике. Это только один эпизод эпической битвы за патенты между гигантами технологической индустрии Samsung Electronics и Apple за лидерство на мировом рынке смартфонов – в том числе за патенты на технологии с использованием подобных графену двумерных материалов, новости о применении которых появляются фактически каждую неделю. Apple, например, недавно получила патент на акустические диафрагмы с графеном для использования в устройствах следующих поколений, а патентный портфель Samsung уже настолько широк, что можно говорить о целой линейке будущих продуктов с графеном.

Читать еще:  Яд скорпиона является токсичным для раковых клеток

Интерес крупных компаний к графену логичен: его уникальные физико-химические свойства позволяют создавать на его основе самые разные технологии. На наших глазах совершается новая технологическая революция – графеновая, однако Россия в нее пока не включилась.

Масштаб интереса ученых к графену описывается огромным количеством публикаций в мировых научных журналах: менее чем за 14 лет с момента его открытия вышло около 130 000 работ. Свойства этого материала открывают новые возможности для фундаментальных исследований, однако конкретно в случае графена особенно интересны их коммерческие перспективы. Значительный рост числа патентов, в которых предлагается использовать графен, говорит о том, что мир уже вступает в эру применения новых материалов. Согласно мультидисциплинарной базе данных Scopus, включающей записи пяти ведущих патентных ведомств, на сегодня в мире зарегистрировано более 50 000 заявок и патентов с упоминанием графена. Больше половины принадлежит Китаю – и его доля продолжает расти, следом в группе лидеров находятся Южная Корея, США, Япония и Тайвань. Любопытно, что в Китае по числу заявок лидируют национальные университеты, в Южной Корее – корейские коммерческие компании, а в США – частный бизнес, как американский, так и иностранный.

Лидерство Китая неудивительно. Развитие индустрии новых материалов там поддерживается на государственном уровне – в рамках планов тринадцатой китайской пятилетки (2016−2020 гг.). Ожидается, что двумерные материалы в целом и графен в частности будут играть решающую роль в модернизации традиционных и создании новых отраслей промышленности Китая. Для координации исследований и разработок и внедрения их в промышленность в далеком по меркам графена 2013 году был создан Инновационный альянс графеновой промышленности Китая, по оценкам которого на Китай в будущем будет приходиться до 80% мировой графеновой индустрии.

Старая доктрина на новый лад

Китай не одинок: графен в качестве одного из самых перспективных материалов ближайшего будущего рассматривают практически все ведущие азиатские экономики. Миллиардные вложения в эту область делают и на Западе. В Евросоюзе координация исследований в области графена, взаимодействие научных организаций и индустриальных партнеров идут в рамках десятилетнего пилотного проекта Graphene Flagship стоимостью 1 млрд евро. В США в 2017 г. была создана Национальная графеновая ассоциация, объединившая предпринимателей, исследователей, разработчиков и производителей, инвесторов, венчурных капиталистов и государственные учреждения для стимулирования инноваций, продвижения и коммерциализации продуктов и технологий на основе графена. В консультативный совет ассоциации входят представители Apple, IBM, Cisco, а также два наших соотечественника – выпускника МФТИ: генеральный директор одного из ведущих производителей графена в мире Graphene 3D Lab Inc. (среди клиентов – Apple и NASA) Елена Полякова и профессор Свободного университета Берлина Кирилл Болотин.

Мир графена вообще славен российскими именами. Помимо Гейма и Новоселова графеном занимаются множество российских ученых с мировыми именами: Александр Баландин (Калифорнийский университет в Риверсайде), Дмитрий Басов (Колумбийский университет), Леонид Левитов (Массачусетский технологический институт), Виктор Рыжий (МФТИ), Владимир Фалько (директор Национального института графена, Университет Манчестера) и др. Но практически все заметные достижения россиян в области двумерных материалов получены за рубежом: в России выстроенная госполитика в отношении таких перспективных исследований отсутствует. За рубежом поддержка проводится не просто за счет создания научных лабораторий и профессорских позиций в ведущих университетах, а посредством открытия национальных исследовательских центров, которые совмещают научные исследования с практическими разработками, – такие центры есть в Китае, США, Великобритании, Японии, Южной Корее, Сингапуре, Малайзии, Бразилии и Южной Африке. Чтобы оценить, насколько такая модель поддержки оправдывает себя, достаточно сравнить показатели публикационной активности и востребованности научных публикаций России и Сингапура в целом и отдельно Сингапурского центра двумерных материалов: по части графеновых исследований один центр в небольшом городе-государстве оказывается в несколько раз эффективнее всей российской науки.

Россия, несмотря на отсутствие сколько-нибудь выраженного интереса к этой области со стороны государства, по общему числу публикаций о графене находится на 14-м месте мирового рейтинга – в сложившихся условиях весьма достойный результат. В нашей стране исследования с графеном сосредоточены по большей части в стенах Академии наук и в нескольких лабораториях ведущих вузов – участников Проекта 5-100. В МФТИ исследования и разработки в этой области ведутся в Центре фотоники и двумерных материалов.

В России пока не осознали масштаба влияния новых материалов на высокотехнологичную промышленность. Но есть ли у нас в принципе производство, которое было бы заинтересовано в таких исследованиях? Да, в области наноэлектроники, где использование графена открывает очень большие перспективы, наши шансы на лидерство уже минимальны. Но для сохранения позиций в авиационной, ракетно-космической и оборонной промышленности России необходимо обратить внимание на двумерные материалы. Американские гиганты Boeing и Lockheed Martin уже стали одними из ведущих разработчиков новых технологий на основе графена, а европейские Airbus и Thales называются в числе основных выгодоприобретателей общеевропейской программы Graphene Flagship. Манчестерский институт графена совместно с Институтом аэрокосмических технологий Великобритании разработали долгосрочную программу прикладных исследований графена в аэрокосмической сфере, которая будет запущена в конце 2017 г. Boeing 787 Dreamliner уже сейчас на 50% состоит из композитных материалов, что позволило снизить расход топлива на 30%. И вытеснение традиционных для авиастроения материалов теперь уже за счет использования двумерных материалов будет продолжаться.

Читать еще:  При помощи нового инструмента скрининга открыт потенциальный препарат для лечения сахарного диабета 2 типа

Графен: новая революция в медицине

Графен: новая революция в медицине

В 2010 году Нобелевская премия по физике досталась двум ученым, которые нашли простой способ изолировать плоские слои (решетки) графита, названные графеном.

Фактически графен представляет собой плоский лист из атомов углерода, организованных в гексагональнулую (шестигранную) кристаллическую решетку.

Благодаря такому строению графен стал самым тонким, электро- и теплопроводящим материалом в мире, который к тому же отличается гибкостью и невероятной прочностью.

Графен, без сомнения, обладает множеством уникальных свойств, из-за которых ученые называют его чудо-материалом. Немало людей уверено, что XXI век когда-нибудь назовут веком графена.

Материал, при описании которого мы используем столько эпитетов, действительно может привести к революции в науке и технике. С ним можно решить проблему дефицита питьевой воды на планете, уменьшить размеры и повысить производительность электронных устройств, создать источники энергии нового поколения.

Но потенциал графена отнюдь не ограничивается «зелеными» солнечными батареями. Графен способен изменить облик современной медицины и фармации: новые средства для доставки лекарств, биосенсоры, медицинская электроника, имплантаты и т.д.

Эксперты в области биомедицинского инжиниринга говорят, что ценность графена для медицины определяется хорошей биосовместимостью, химической стабильностью, а также большой площадью поверхности изделий из графена.

Графен вскоре сыграет важную роль в развитии искусственных имплантатов. Благодаря своей биологической совместимости и выдающимся механическим свойствам графен может применяться для производства искусственных нервных тканей и элементов позвоночника.

В Мичиганском техническом университете (США) уже работают над 3D-печатью искусственных нервов, для которых может подойти графен. Ученые разработали полимер, который служит каркасом для живых тканей, а теперь хотят интегрировать графен, как отличный проводящий материал.

Биосенсоры – это сегодня одна из наиболее динамично развивающихся медицинских технологий. Биосенсоры с графеном демонстрируют исключительную точность при выявлении пищевых токсинов, загрязнителей окружающей среды, микроорганизмов и др.

Окисленная форма графена, оксид графена, способен связываться с белковыми структурами определенных токсинов, благодаря чему сверхчувствительные сенсоры могут регистрировать концентрации этих веществ на порядок меньшие, чем любые современные устройства. Биосенсоры на оксиде графена могут предсказывать инфаркт миокарда, обнаруживая биомаркеры в ничтожных концентрациях за много часов до приступа.

Микрочипы на основе оксида графена сегодня пытаются применять для ранней диагностики рака, и даже для лечения некоторых онкозаболеваний. Китайские ученые разработали биосенсор с графеном, который регистрирует единичные (!) раковые клетки.

Одним из самых интересных вариантов использования графена в онкологии стало открытие ученых из Манчестерского университета (Великобритания). Они установили, что оксид графена избирательно уничтожает раковые стволовые клетки. В комбинации с имеющимися методами лечения оксид графена может совершить настоящий прорыв в лечении рака.

Графен пытаются использовать в новейших средствах доставки онкологических лекарственных веществ. Благодаря огромной площади поверхности графен позволяет доставлять значительное количество молекул лекарства прямо в опухоль. А способность графена проводить тепло и трансформировать неионизирующее электромагнитное излучение в тепловую энергию позволит разрушать протеины и ДНК внутри раковых клеток.

Секвенирование ДНК и РНК, или расшифровка генетического кода, играет большую роль в медицине и биологии. Благодаря секвенированию мы лучше понимаем природу болезней и работу здорового организма.

Не так давно ученые создали метод секвенирования ДНК с помощью графеновой мембраны – это так называемое нанопоровое секвенирование с твердотельными нанопорами. Новый метод сделал секвенирование более простым и эффективным процессом.

Наномедицина сегодня находится в зародышевом состоянии, как и применение графена для медицинских целей. Но нет сомнения, что благодаря графену в ближайшие годы наше поколение станет свидетелем больших перемен.

Графен может представлять опасность для экологии

Графен, который уже успели назвать материалом будущего и одним из самых перспективных на планете, может оказаться небезопасным в использовании. Исследователи из американского Калифорнийского университета установили, что материал, использование которого обещало революцию во многих областях современных технологий, может представлять серьезную опасность для окружающей среды и здоровья людей. Сотрудники Калифорнийского университета, расположенного в Риверсайде, пришли к выводу о том, что графен в определенных условиях может быть очень токсичен. При этом никто не умаляет уникальных свойств данного материала, именно по этой причине его губительное влияние на экологию и человека еще предстоит досконально изучить перед его промышленным использованием.

Графен — это очень молодой материал. Впервые он был получен лишь в 2004 году, учитывая это, он еще недостаточно изучен, и поэтому привлекает к себе повышенный интерес и внимание ученых. Первыми в мире графен смогли получить выходцы из России Константин Новоселов и Андрей Гейм, которые работали в Манчестерском университете в Великобритании. В 2010 году за свой вклад в изучение графена — «материи будущего» — они были удостоены Нобелевской премии по физике.

Графен является материалом с уникальным набором свойств, именно с ним сегодня во многом связывают будущее всей нашей электронной индустрии. Данный материал обладает высокой электропроводимостью, он гибок и прочнее стали, при всем этом он состоит лишь из одного слоя атомов углерода. Свойства графена привели к тому, что его постепенно стали воспринимать как необходимую основу для большого количества «прорывных» изобретений на современном этапе развития человечества.

Читать еще:  Определен новый биомаркер рака грудной железы и простаты, который имеет значение для лечения заболевания

Графен — это очень универсальный материал. Из него можно производить экраны для разнообразных мобильных устройств, вырабатывать электричество и даже наделить человека «зрением Хищника».

Несмотря на это, до недавнего времени ученые не проводили специальных исследований, направленных на изучение экологических последствий применения графена. Первыми стали специалисты из Калифорнийского университета, которые и пришли к выводу о том, что графен может представлять опасность для экологии. Они установили, что при попадании графена в грунтовые воды его гексагональная структура начинает рушиться, микрочастицы достаточно быстро утрачивают свою стабильность, разрушаются и не могут принести природе значительно вреда. Однако при попадании графена в поверхностные воды все гораздо сложнее. Наночастицы, попадая в поверхностные воды, остаются стабильными и способны двигаться дальше, они не оседают, сохраняя свою мобильность в ручьях, озерах и реках, где они в состоянии нанести вред экологической системе.

В поверхностных водах гораздо больше органики и ниже уровень жесткости, чем в грунтовых водах, поэтому в поверхностных водах графен сохраняет свою стабильность. Графеновое загрязнение рек может представлять большую опасность. Молекулярная структура данного вещества такова, что острые выступы наночастиц графена в состоянии разрывать мембраны клеток живых организмов. Именно этим и обуславливается токсичность графена. Прежде чем запускать данный наноматериал в производство необходимо максимально тщательно изучить все его свойства и особенности.

Лаборатория колледжа инженерии Боурнса (работает при Калифорнийском университете) — это одно из немногих мест, где ученые заняты изучением воздействия графена на экологию. В данной лаборатории, как уже писалось выше, ведутся работы по изучению того, как наночастицы оксида графена ведут себя в воде и каким образом они могут влиять на различные обитающие в воде живые организмы. Данные исследования являются не единственными. Ранее статья на эту тему публиковалась в журнале Environmental Engineering Science. В данной статьей указывалось на то, что графен потенциально может быть токсичен для человека.

Несмотря на все это, данные открытия вряд ли смогут остановить человечество от масштабного использования графена. Данный материал обладает таким набором уникальных характеристик, что заменить его в производстве попросту нечем. Ни один из существующих сегодня сплавов не может похвастаться такой выдающейся прочностью, теплопроводностью и максимальными из всех известных науке материалов электропроводящими характеристиками. Стоит отметить, что подвижность электронов в графеновых структурах почти в 100 раз превышает показатели кремния, на котором в данный момент держится вся электроника на Земле.

По своим физическим свойствам данный материал надежнее стали. А гаджеты, которые могут быть созданы на его основе, будут гораздо более устойчивы к повреждениям, чем те, которыми мы сегодня пользуемся. Однако и это еще не всё: графен может привести человечество к революции в компьютерной индустрии, в 100 раз ускорить скорость доступа к сети Интернет, на несколько порядков повысить мощность различных процессоров. Он в состоянии найти применение в сотне областей современной жизни — в медицине, производстве электричества, укреплении старых зданий.

Область применения данного материала растет по мере того, как различные группы ученых проводят свои исследования и изучают графен, а также область применения данного сверхпрочного материала, который состоит из тонкой углеродной пленки толщиной всего в 1 атом. Компьютерные чипы, транзисторы на его основе, аккумуляторные батареи, приборы, предназначенные для определения последовательности ДНК — это лишь малый перечень того, где можно использовать графен. Недавно ученые открыли, что данный материал можно использовать как очень эффективное антикоррозионное покрытие. Углеродное покрытие из графена является на сегодняшний день самым тонким защитным покрытием.

Ученые из Университета Вандербилта выполнили процедуру осаждения пленки из графена на поверхности никеля и меди. После выполнения данной процедуры материалы были подвергнуты активному воздействию коррозионных веществ. Последующий анализ продемонстрировал ученым, что медь, которая была защищена с помощью пленки графена, разрушалась от коррозии в 7 раз медленнее, чем обыкновенная незащищенная медь, а никель и вовсе разъедался сразу в 20 раз медленнее. Даже в том случае, когда специальная графеновая пленка была нанесена на поверхность материала, а не выращивалась прямо на его поверхности, уровень антикоррозийной защиты по-прежнему оставался очень высоким. На уровне покрытий, выполненных из органических материалов, которые в десятки раз превышали слой графена по толщине.

Конечно, в подавляющем большинстве случаев толщина антикоррозионного покрытия не играет столь большой роли. Особенно хорошо это проявляется на примере нефтедобывающих платформ, морских судов и других крупных металлоконструкций, которые можно просто покрыть густым слоем специальной краски. Однако графен может оказаться незаменимым в тех ситуациях, когда от агрессивных факторов внешней среды надо будет защитить крошечные механизмы и микроскопические узлы современных электромеханических устройств.

Заметили ош Ы бку Выделите текст и нажмите Ctrl+Enter

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector