Grafene e sue applicazioni. La scoperta del grafene. La nanotecnologia nel mondo moderno

Relativamente recentemente è apparso nella scienza e nella tecnologiaun nuovo campo chiamato nanotecnologia. Le prospettive per questa disciplina non sono solo vaste. Sono grandi. Una particella chiamata "nano" è un valore pari a un miliardesimo di qualsiasi valore. Tali dimensioni possono essere confrontate solo con le dimensioni di atomi e molecole. Ad esempio, un miliardesimo di metro è chiamato nanometro.

La direzione principale del nuovo campo della scienza

La nanotecnologia si riferisce a quelle chemanipolare la materia a livello di molecole e atomi. A questo proposito, quest'area della scienza è anche chiamata tecnologia molecolare. Qual è stato l'impulso per il suo sviluppo? La nanotecnologia nel mondo moderno è apparsa grazie a una conferenza di Richard Feynman. In esso, lo scienziato ha dimostrato che non ci sono ostacoli alla creazione di cose direttamente dagli atomi.

Uno strumento per una manipolazione efficacele particelle più piccole erano chiamate assemblatore. È una nanomacchina molecolare che può essere utilizzata per costruire qualsiasi struttura. Ad esempio, un assemblatore naturale può essere chiamato ribosoma che sintetizza le proteine ​​negli organismi viventi.

La nanotecnologia nel mondo moderno non lo èsolo un'area di competenza separata. Rappresentano un vasto campo di ricerca direttamente correlato a molte scienze fondamentali. Questi includono fisica, chimica e biologia. Secondo gli scienziati, sono queste scienze che riceveranno l'impulso più potente per lo sviluppo sullo sfondo della prossima rivoluzione nanotecnica.

Ambito di applicazione

È impossibile elencare tutte le sfere dell'attività umana in cui la nanotecnologia viene utilizzata oggi a causa di un elenco molto impressionante. Quindi, con l'aiuto di questo campo della scienza, vengono prodotti:

- dispositivi progettati per la registrazione ultra densa di qualsiasi informazione;
- varie apparecchiature video;
- sensori, celle solari, transistor semiconduttori;
- informazione, informatica e tecnologie dell'informazione;
- nanoimprinting e nanolitografia;
- dispositivi di accumulo di energia e celle a combustibile;
- applicazioni per la difesa, lo spazio e l'aviazione;
- bio-strumentazione.

In un campo scientifico come la nanotecnologia, inLa Russia, gli Stati Uniti, il Giappone e un certo numero di stati europei ricevono sempre più finanziamenti ogni anno. Ciò è dovuto alle vaste prospettive di sviluppo di quest'area di ricerca.

La nanotecnologia in Russia si sta sviluppando secondoObiettivo del programma federale, che prevede non solo grandi costi finanziari, ma anche una grande quantità di lavoro di progettazione e ricerca. Per raggiungere i compiti prefissati, gli sforzi di vari complessi scientifici e tecnologici sono combinati a livello di società nazionali e transnazionali.

Nuovo materiale

La nanotecnologia ha consentito agli scienziati di produrreuna lastra di carbonio è più dura del diamante e ha uno spessore di un solo atomo. È costituito da grafene. È il materiale più sottile e durevole dell'intero universo, che consente all'elettricità di passare molto meglio del silicio dei chip dei computer.

La scoperta del grafene è considerata realeun evento rivoluzionario che permetterà di cambiare molto nella nostra vita. Questo materiale ha proprietà fisiche così uniche che cambia radicalmente la comprensione di una persona della natura di cose e sostanze.

Storia della scoperta

Il grafene è un cristallo bidimensionale.La sua struttura è un reticolo esagonale costituito da atomi di carbonio. Gli studi teorici sul grafene sono iniziati molto prima di ottenere i suoi campioni reali, poiché questo materiale è la base per la costruzione di un cristallo di grafite tridimensionale.

Nel 1947 P.Wolles ha sottolineato alcune delle proprietà del grafene, dimostrando che la sua struttura è simile ai metalli, e alcune caratteristiche sono simili a quelle delle particelle ultrarelativistiche, dei neutrini e dei fotoni privi di massa. Tuttavia, il nuovo materiale presenta anche alcune differenze significative che lo rendono unico in natura. Ma la conferma di queste conclusioni è stata ottenuta solo nel 2004, quando Konstantin Novoselov e Andrei Geim hanno ottenuto per la prima volta il carbonio allo stato libero. Questa nuova sostanza, chiamata grafene, è stata una grande scoperta da parte degli scienziati. Puoi trovare questo elemento in una matita. La sua asta di grafite è composta da molti strati di grafene. Come fa una matita a lasciare un segno sulla carta? Il fatto è che, nonostante la forza degli strati che compongono il nucleo, ci sono legami molto deboli tra loro. Si disintegrano molto facilmente al contatto con la carta, lasciando un segno durante la scrittura.

Utilizzando nuovo materiale

Secondo gli scienziati, i sensori basati sugrafene, sarà in grado di analizzare la forza e le condizioni degli aerei, oltre a prevedere i terremoti. Ma solo quando un materiale con proprietà così sorprendenti lascerà le pareti dei laboratori, diventerà chiaro in quale direzione andrà lo sviluppo dell'applicazione pratica di questa sostanza. Oggi, chimici, fisici e ingegneri elettronici sono già interessati alle capacità uniche del grafene. Dopotutto, con pochi grammi di questa sostanza, puoi coprire un'area pari a un campo da calcio.

Grafene e sue potenziali applicazioniconsiderato nella produzione di satelliti leggeri e aeromobili. In quest'area, il nuovo materiale può sostituire le fibre di carbonio nei materiali compositi. La nanosostanza può essere utilizzata al posto del silicio nei transistor e la sua introduzione nella plastica gli darà conduttività elettrica.

Il grafene e le sue applicazioni sono considerati inproblemi di fabbricazione del sensore. Questi dispositivi, realizzati sulla base del materiale più recente, saranno in grado di rilevare le molecole più pericolose. Ma l'uso di polvere da nanosostanze nella produzione di batterie elettriche aumenterà notevolmente la loro efficienza.

Il grafene e le sue applicazioni sono discusse inoptoelettronica. Il nuovo materiale renderà una plastica molto leggera e resistente, i contenitori da cui manterranno il cibo fresco per diverse settimane.

È previsto anche l'uso del grafenerealizzare un rivestimento conduttivo trasparente necessario per monitor, pannelli solari e turbine eoliche più durevoli e resistenti alle sollecitazioni meccaniche.

Le migliori attrezzature sportive, impianti medici e supercondensatori saranno realizzati sulla base di nanomateriali.

Anche il grafene e la sua applicazione sono rilevanti per:

- dispositivi elettronici ad alta frequenza ad alta potenza;
- membrane artificiali che separano due liquidi in un serbatoio;
- migliorare le proprietà di conducibilità di vari materiali;
- creazione di un display a diodi luminosi organici;
- padronanza di una nuova tecnica di sequenziamento accelerato del DNA;
- miglioramenti ai display a cristalli liquidi;
- creazione di transistor balistici.

Utilizzo nell'industria automobilistica

Secondo i ricercatori, lo specificola capacità energetica del grafene si avvicina a 65 kWh / kg. Questa cifra è 47 volte superiore a quella delle batterie agli ioni di litio ormai così diffuse. Gli scienziati hanno utilizzato questo fatto per creare una nuova generazione di caricabatterie.

Accumulatore grafene-polimero - dispositivo, acon l'aiuto del quale l'energia elettrica viene trattenuta nel modo più efficiente possibile. I ricercatori di molti paesi ci stanno attualmente lavorando. Gli scienziati spagnoli hanno compiuto progressi significativi in ​​questa materia. La batteria grafene-polimero creata da loro ha una capacità energetica centinaia di volte superiore a quella delle batterie esistenti. Viene utilizzato per equipaggiare veicoli elettrici. Un'auto con una batteria al grafene può percorrere migliaia di chilometri senza fermarsi. Non occorrono più di 8 minuti per ricaricare un veicolo elettrico quando la risorsa energetica è esaurita.

Schermi touch

Gli scienziati continuano a esplorare il grafene creandoallo stesso tempo cose nuove e ineguagliabili. Così, il nanomateriale di carbonio ha trovato la sua applicazione nella produzione di display touchscreen con una grande diagonale. In futuro potrebbe apparire un dispositivo flessibile di questo tipo.

Gli scienziati hanno ottenuto un foglio di grafene rettangolareforma e lo trasformò in un elettrodo trasparente. È lui che partecipa al funzionamento del display touch, distinguendosi per la sua durata, maggiore trasparenza, flessibilità, rispetto dell'ambiente e basso costo.

Ottenere grafene

Dal 2004, quando è stato scoperto il nanomateriale più recente, gli scienziati hanno imparato una serie di metodi per la sua preparazione. Tuttavia, i più basilari sono i modi:

- esfoliazione meccanica;
- crescita epitassiale nel vuoto;
- raffreddamento chimico perofase (processo CVD).

Il primo di questi tre metodi è il massimosemplice. La produzione di grafene mediante esfoliazione meccanica consiste nell'applicazione di una speciale grafite sulla superficie adesiva di un nastro isolante. Dopodiché, la base, come un foglio di carta, inizia a piegarsi e piegarsi, separando il materiale desiderato. Quando si utilizza questo metodo, il grafene si ottiene della massima qualità. Tuttavia, tali azioni non sono adatte per la produzione di massa di questo nanomateriale.

Quando si utilizza il metodo di crescita epitassialevengono utilizzati sottili wafer di silicio, il cui strato superficiale è il carburo di silicio. Quindi questo materiale viene riscaldato a una temperatura molto elevata (fino a 1000 K). Come risultato di una reazione chimica, gli atomi di silicio vengono separati dagli atomi di carbonio, il primo dei quali evapora. Di conseguenza, il grafene puro rimane sul piatto. Lo svantaggio di questo metodo è la necessità di utilizzare temperature molto elevate alle quali può avvenire la combustione di atomi di carbonio.

Nel modo più affidabile e semplice utilizzatoper la produzione in serie di grafene, è il processo CVD. È un metodo in cui si verifica una reazione chimica tra un rivestimento di catalizzatore metallico e gas idrocarburici.

Dove viene prodotto il grafene?

Oggi, la più grande azienda che produce il nuovo nanomateriale si trova in Cina. Il nome di questo produttore è Ningbo Morsh Technology. Ha iniziato la produzione di grafene nel 2012.

Il principale consumatore del nanomateriale è la tecnologia Morsh di Chongqing. Utilizza il grafene per realizzare pellicole trasparenti conduttive che vengono inserite nei display touchscreen.

Una società relativamente nota di recente Nokiaha depositato un brevetto per una matrice fotosensibile. Questo elemento, così necessario per i dispositivi ottici, contiene diversi strati di grafene. Tale materiale, utilizzato sui sensori della fotocamera, aumenta notevolmente la loro sensibilità alla luce (fino a 1000 volte). Allo stesso tempo, si osserva anche una diminuzione del consumo di elettricità. Una buona fotocamera per smartphone conterrà anche grafene.

Ricezione a casa

Il grafene può essere prodotto in casa? Si scopre di sì! Devi solo prendere un frullatore da cucina con una potenza di almeno 400 watt e seguire la metodologia sviluppata dai fisici irlandesi.

Come fare il grafene a casa?Per fare questo, 500 ml di acqua vengono versati nella ciotola del frullatore, aggiungendo al liquido 10-25 millilitri di qualsiasi detersivo e 20-50 grammi di piombo tritato. Quindi il dispositivo dovrebbe funzionare da 10 minuti a mezz'ora, fino a quando appare una sospensione di fiocchi di grafene. Il materiale risultante avrà un'elevata conduttività, che gli consentirà di essere utilizzato negli elettrodi delle fotocellule. Anche il grafene prodotto in casa può migliorare le proprietà della plastica.

Ossidi nanomateriali

Gli scienziati stanno esplorando attivamente una tale struttura.grafene, che ha attaccato gruppi funzionali e / o molecole contenenti ossigeno all'interno o ai bordi della rete di carbonio. È l'ossido della nano-sostanza più dura ed è il primo materiale bidimensionale a raggiungere la fase di produzione commerciale. Gli scienziati hanno realizzato campioni centimetrici da nano e microparticelle di questa struttura.

Quindi, l'ossido di grafene in combinazione conIl carbonio diofilizzato è stato recentemente ottenuto da scienziati cinesi. Questo è un materiale molto leggero, un cubo di un centimetro è tenuto sui petali di un piccolo fiore. Ma allo stesso tempo, la nuova sostanza, che contiene ossido di grafene, è una delle più dure al mondo.

Applicazioni biomediche

L'ossido di grafene ha una proprietà unicaselettività. Ciò consentirà a questa sostanza di trovare applicazioni biomediche. Quindi, grazie al lavoro degli scienziati, è diventato possibile utilizzare l'ossido di grafene per la diagnosi del cancro. Le proprietà ottiche ed elettriche uniche del nanomateriale consentono di rilevare un tumore maligno nelle prime fasi del suo sviluppo.

Inoltre, l'ossido di grafene consente la somministrazione mirata di farmaci e diagnostica. Sulla base di questo materiale, vengono creati biosensori di assorbimento che indicano molecole di DNA.

Applicazione industriale

Vari assorbenti di ossido di grafene possonoessere utilizzato per disattivare gli oggetti artificiali e naturali contaminati. Inoltre, questo nanomateriale è in grado di trattare le acque sotterranee e superficiali, nonché i terreni, eliminandoli dai radionuclidi.

I filtri di ossido di grafene possono fornirecamera super pulita in cui vengono prodotti componenti elettronici per scopi speciali. Le proprietà uniche di questo materiale ti permetteranno di penetrare nelle sottili tecnologie della sfera chimica. In particolare, può essere l'estrazione di metalli radioattivi, dispersi e rari. Pertanto, l'uso dell'ossido di grafene consentirà di estrarre l'oro da minerali poveri.