Grafeeni ja sen sovellukset. Grafeenin löytö. Nanoteknologia nykymaailmassa

Tieteessä ja tekniikassa ilmestyi suhteellisen äskettäinuusi ala nimeltä nanoteknologia. Tämän tieteenalan näkymät eivät ole vain valtavat. Ne ovat valtavia. "Nano"-niminen hiukkanen on määrä, joka vastaa yhtä miljardisosaa arvosta. Tällaisia ​​kokoja voidaan verrata vain atomien ja molekyylien kokoihin. Esimerkiksi nanometri on metrin miljardisosa.

Uuden tieteenalan pääsuunta

Nanoteknologiat ovat niitämanipuloida ainetta molekyylien ja atomien tasolla. Tässä suhteessa tätä tieteenalaa kutsutaan myös molekyyliteknologiaksi. Mikä oli sen kehityksen sysäys? Nanoteknologia nykymaailmassa ilmestyi Richard Feynmanin luennon ansiosta. Siinä tiedemies osoitti, että asioiden luomiselle suoraan atomeista ei ole esteitä.

Keinot tehokkaaseen manipulointiinPienimmät hiukkaset kutsuttiin kokoonpanoksi. Tämä on molekyylinanokone, jolla voit rakentaa minkä tahansa rakenteen. Esimerkiksi luonnollista kokoajaa voidaan kutsua ribosomiksi, joka syntetisoi proteiineja elävissä organismeissa.

Nanoteknologia nykymaailmassa ei olevain erillinen tietoalue. Ne edustavat laajaa tutkimusalaa, joka liittyy suoraan moniin perustieteisiin. Näitä ovat fysiikka, kemia ja biologia. Tiedemiesten mukaan juuri nämä tieteet saavat voimakkaimman sysäyksen kehitykseen tulevan nanoteknologisen vallankumouksen taustalla.

soveltamisalansa

On mahdotonta luetella kaikkia ihmisen toiminnan aloja, joilla nanoteknologiaa nykyään käytetään, johtuen erittäin vaikuttavasta luettelosta. Joten tämän tieteenalan avulla tuotetaan seuraavat:

- laitteet, jotka on suunniteltu kaiken tiedon erittäin tiheään tallentamiseen;
- erilaiset videolaitteet;
- anturit, aurinkokennot, puolijohdetransistorit;
- tieto, tietojenkäsittely ja tietotekniikka;
- nanoimprinting ja nanolitografia;
- energian varastointilaitteet ja polttokennot;
- puolustus-, avaruus- ja ilmailusovellukset;
- bioinstrumentointi.

Tällaisella tieteenalalla, kuten nanoteknologia, inVenäjälle, Yhdysvalloille, Japanille ja useille Euroopan maille myönnetään vuosittain yhä enemmän rahoitusta. Tämä johtuu tämän tutkimusalueen laajoista kehitysnäkymistä.

Nanoteknologia Venäjällä kehittyy sen mukaankohdennettu liittovaltion ohjelma, joka tarjoaa paitsi suuria taloudellisia kustannuksia, myös suuren määrän suunnittelu- ja tutkimustyötä. Määrättyjen tehtävien saavuttamiseksi erilaisten tieteellisten ja teknologisten kompleksien ponnistelut yhdistetään kansallisten ja monikansallisten yritysten tasolla.

Uutta materiaalia

Nanoteknologia on antanut tutkijoille mahdollisuuden tehdätimanttia kovempi hiililevy ja vain yhden atomin paksuus. Se koostuu grafeenista. Tämä on koko maailmankaikkeuden ohuin ja vahvin materiaali, joka siirtää sähköä paljon paremmin kuin tietokonesirujen pii.

Grafeenin löytöä pidetään todellisenavallankumouksellinen tapahtuma, joka muuttaa paljon elämässämme. Tällä materiaalilla on niin ainutlaatuisia fyysisiä ominaisuuksia, että se muuttaa radikaalisti ihmisen ymmärrystä asioiden ja aineiden luonteesta.

Discovery-historia

Grafeeni on kaksiulotteinen kide.Sen rakenne on kuusikulmainen hila, joka koostuu hiiliatomeista. Grafeenin teoreettiset tutkimukset alkoivat kauan ennen oikeiden näytteiden tuotantoa, koska tämä materiaali on kolmiulotteisen grafiittikiteen rakentamisen perusta.

Vuonna 1947 P.Wallace korosti joitakin grafeenin ominaisuuksia osoittaen, että sen rakenne on samanlainen kuin metallien, ja jotkut ominaisuudet ovat samanlaisia ​​kuin ultrarelativististen hiukkasten, neutriinojen ja massattomien fotonien ominaisuudet. Uudessa materiaalissa on kuitenkin myös tiettyjä merkittäviä eroja, jotka tekevät siitä ainutlaatuisen luonteeltaan. Mutta vahvistus näille päätelmille saatiin vasta vuonna 2004, kun Konstantin Novoselov ja Andrei Geim saivat ensimmäisen kerran hiiltä vapaassa tilassa. Tästä uudesta aineesta, jota kutsutaan grafeeniksi, tuli tutkijoiden suuri löytö. Löydät tämän elementin kynästä. Sen grafiittisauva koostuu useista grafeenikerroksista. Miten lyijykynä jättää jäljen paperille? Tosiasia on, että sauvan muodostavien kerrosten lujuudesta huolimatta niiden välillä on erittäin heikkoja yhteyksiä. Ne hajoavat erittäin helposti joutuessaan kosketuksiin paperin kanssa jättäen jälkiä kirjoitettaessa.

Uuden materiaalin käyttö

Tutkijoiden mukaan anturit perustuvatgrafeeni, pystyy analysoimaan lentokoneen vahvuuden ja kunnon sekä ennustamaan maanjäristyksiä. Mutta vasta kun materiaali, jolla on niin hämmästyttäviä ominaisuuksia, poistuu laboratorioiden seinistä, käy selväksi, mihin suuntaan tämän aineen käytännön soveltamisen kehitys menee. Nykyään kemistit, fyysikot ja elektroniikkainsinöörit ovat jo kiinnostuneet grafeenin ainutlaatuisista ominaisuuksista. Loppujen lopuksi vain muutama gramma tätä ainetta voi peittää jalkapallokentän verran alueen.

Grafeeni ja sen mahdolliset sovelluksetotetaan huomioon kevyiden satelliittien ja lentokoneiden tuotannossa. Tällä alueella uusi materiaali voi korvata hiilikuituja komposiittimateriaaleissa. Nanoainetta voidaan käyttää piin sijasta transistoreissa, ja sen lisääminen muoviin antaa sille sähkönjohtavuuden.

Grafeenia ja sen sovelluksia käsitellään myösanturien valmistukseen liittyviä kysymyksiä. Nämä uusimpaan materiaaliin perustuvat laitteet pystyvät havaitsemaan vaarallisimmat molekyylit. Mutta nanoainejauheen käyttö sähköakkujen tuotannossa lisää merkittävästi niiden tehokkuutta.

Grafeenia ja sen sovelluksia käsitellään julkaisussaoptoelektroniikka. Uudesta materiaalista tulee erittäin kevyt ja kestävä muovi, jonka astiat pitävät ruoan tuoreena useita viikkoja.

Grafeenin käyttöä odotetaan myösläpinäkyvän johtavan pinnoitteen tuotanto, jota tarvitaan monitoreihin, aurinkopaneeleihin ja vahvempiin ja mekaanista rasitusta kestävämpiin tuuliturbiineihin.

Parhaat urheiluvälineet, lääketieteelliset implantit ja superkondensaattorit valmistetaan nanomateriaalien pohjalta.

Grafeeni ja sen käyttö ovat merkityksellisiä myös:

- korkeataajuiset suuritehoiset elektroniset laitteet;
- keinotekoiset kalvot, jotka erottavat kaksi nestettä säiliössä;
- erilaisten materiaalien johtavuusominaisuuksien parantaminen;
- näytön luominen orgaanisille valodiodeille;
- uuden teknologian hallitseminen nopeutettua DNA-sekvensointia varten;
- nestekidenäyttöjen parannukset;
- ballististen transistorien luominen.

Auton käyttö

Tutkijoiden mukaan erityistäGrafeenin energiaintensiteetti lähestyy 65 kWh/kg. Tämä luku on 47 kertaa korkeampi kuin nykyään niin yleisillä litiumioniakuilla. Tutkijat käyttivät tätä tosiasiaa luodakseen uuden sukupolven latureita.

Grafeenipolymeeriakku on laite, jokajoka auttaa säilyttämään sähköenergian mahdollisimman tehokkaasti. Tällä hetkellä sen parissa työskentelevät tutkijat useista maista. Espanjalaiset tutkijat ovat saavuttaneet merkittävää menestystä tässä asiassa. Heidän luomansa grafeenipolymeeriakun energiakapasiteetti on satoja kertoja suurempi kuin olemassa olevien akkujen. Sitä käytetään sähköajoneuvojen varustamiseen. Grafeeniakulla varustettu auto voi ajaa tuhansia kilometrejä pysähtymättä. Sähköajoneuvon lataaminen kestää enintään 8 minuuttia, kun energiaresurssi on lopussa.

Kosketusnäytöt

Tutkijat jatkavat grafeenin tutkimista luodenSamaan aikaan uusia ja ennennäkemättömiä asioita. Näin ollen hiilinanomateriaali on löytänyt sovelluksensa suuren diagonaalisen kosketusnäyttöjen valmistuksessa. Tulevaisuudessa tämän tyyppinen joustava laite saattaa ilmestyä.

Tutkijat ovat saaneet suorakaiteen muotoisen grafeenilevynmuotoon ja muutti sen läpinäkyväksi elektrodiksi. Hän on mukana kosketusnäytön käytössä, samalla kun hänet erottaa kestävyys, lisääntynyt läpinäkyvyys, joustavuus, ympäristöystävällisyys ja alhaiset kustannukset.

Grafeenin saaminen

Vuodesta 2004 lähtien, jolloin uusin nanomateriaali löydettiin, tutkijat ovat hallitseneet useita menetelmiä sen valmistamiseksi. Kuitenkin alkeellisimmat niistä ovat seuraavat menetelmät:

- mekaaninen kuorinta;
- epitaksiaalinen kasvu tyhjiössä;
- kemiallinen perifaasijäähdytys (CVD-prosessi).

Ensimmäinen näistä kolmesta menetelmästä on enitenyksinkertainen. Grafeenin valmistukseen mekaanisella kuorimalla levitetään erityistä grafiittia eristenauhan liimapintaan. Tämän jälkeen pohja, kuten paperiarkki, alkaa taipua ja taipua erottamalla halutun materiaalin. Tätä menetelmää käytettäessä saatu grafeeni on korkealaatuisinta. Tällaiset toimet eivät kuitenkaan sovellu tämän nanomateriaalin massatuotantoon.

Käytettäessä epitaksiaalista kasvumenetelmääkäytetään ohuita piikiekkoja, joiden pintakerros on piikarbidia. Seuraavaksi tämä materiaali kuumennetaan erittäin korkeassa lämpötilassa (jopa 1000 K). Kemiallisen reaktion seurauksena piiatomit erottuvat hiiliatomeista, joista ensimmäiset haihtuvat. Tämän seurauksena puhdasta grafeenia jää levylle. Tämän menetelmän haittana on tarve käyttää erittäin korkeita lämpötiloja, joissa hiiliatomien palaminen voi tapahtua.

Luotettavin ja yksinkertaisin käytetty menetelmägrafeenin massatuotantoon on CVD-prosessi. Se on menetelmä, jossa metallikatalyyttipinnoitteen ja hiilivetykaasujen välillä tapahtuu kemiallinen reaktio.

Missä grafeenia tuotetaan?

Nykyään suurin uutta nanomateriaalia valmistava yritys sijaitsee Kiinassa. Tämän valmistajan nimi on Ningbo Morsh Technology. Hän aloitti grafeenin tuotannon vuonna 2012.

Nanomateriaalin pääasiallinen kuluttaja on Chongqing Morsh Technology. Se käyttää grafeenia johtavien läpinäkyvien kalvojen tuottamiseen, jotka asetetaan kosketusnäyttöihin.

Suhteellisen hiljattain tunnettu Nokiahaki patentin valoherkälle matriisille. Tämä optisille laitteille niin välttämätön elementti sisältää useita grafeenikerroksia. Tämä kameraantureissa käytetty materiaali lisää merkittävästi niiden valoherkkyyttä (jopa 1000 kertaa). Samaan aikaan sähkönkulutus laskee. Hyvä älypuhelimen kamera sisältää myös grafeenia.

Kuitti kotona

Onko mahdollista valmistaa grafeenia kotona? Osoittautuu kyllä! Sinun tarvitsee vain ottaa keittiösekoitin, jonka teho on vähintään 400 W, ja seurata irlantilaisten fyysikkojen kehittämää menetelmää.

Kuinka tehdä grafeenia kotona?Kaada tätä varten tehosekoittimen kulhoon 500 ml vettä lisäämällä nesteeseen 10-25 millilitraa mitä tahansa pesuainetta ja 20-50 grammaa murskattua lyijyä. Seuraavaksi laitteen tulisi toimia 10 minuutista puoleen tuntiin, kunnes grafeenihiutaleista muodostuu suspensio. Tuloksena olevalla materiaalilla on korkea johtavuus, mikä mahdollistaa sen käytön valokennoelektrodeissa. Myös kotona valmistettu grafeeni voi parantaa muovin ominaisuuksia.

Nanomateriaalien oksidit

Tiedemiehet tutkivat aktiivisesti tällaista rakennettagrafeeni, johon hiiliverkoston sisällä tai sen reunoja pitkin on kiinnittynyt happea sisältäviä funktionaalisia ryhmiä ja/tai molekyylejä. Se on kovimman nanoaineen oksidi ja ensimmäinen kaksiulotteinen materiaali, joka on saavuttanut kaupallisen tuotannon vaiheen. Tutkijat tekivät sentin kokoisia näytteitä tämän rakenteen nano- ja mikrohiukkasista.

Siten grafeenioksidi yhdistettynäkiinalaiset tutkijat saivat äskettäin diofilisoitua hiiltä. Tämä on erittäin kevyt materiaali, jonka senttimetrin kuutio pidetään pienen kukan terälehdissä. Mutta samalla uusi grafeenioksidia sisältävä aine on yksi maailman kovimmista.

Biolääketieteen sovellus

Grafeenioksidilla on ainutlaatuinen ominaisuusvalikoivuus. Tämä mahdollistaa tämän aineen löytämisen biolääketieteelliseen käyttöön. Siten tiedemiesten työn ansiosta on tullut mahdolliseksi käyttää grafeenioksidia syövän diagnosoinnissa. Nanomateriaalien ainutlaatuiset optiset ja sähköiset ominaisuudet mahdollistavat pahanlaatuisen kasvaimen havaitsemisen sen varhaisessa kehitysvaiheessa.

Grafeenioksidi mahdollistaa myös lääkkeiden ja diagnostiikan kohdennetun toimituksen. Tämän materiaalin perusteella luodaan sorptiobiosensorit, jotka osoittavat DNA-molekyylejä.

Teollinen sovellus

Erilaisia ​​grafeenioksidiin perustuvia sorbenttejakäyttää saastuneiden ihmisen ja luonnon esineiden puhdistamiseen. Lisäksi tämä nanomateriaali pystyy käsittelemään maanalaisia ​​ja pintavesiä sekä maaperää ja puhdistamaan ne radionuklideista.

Grafeenioksidisuodattimet voivat tarjotatilan superpuhtaus, jossa erikoiskäyttöisiä elektronisia komponentteja valmistetaan. Tämän materiaalin ainutlaatuiset ominaisuudet antavat meille mahdollisuuden tunkeutua kemian alan hienovaraisiin teknologioihin. Erityisesti tämä voi olla radioaktiivisten, hivenmetallien ja harvinaisten metallien uuttaminen. Siten grafeenioksidin käyttö mahdollistaa kullan uuttamisen heikkolaatuisista malmeista.