Если вы в последнее десятилетие или около того были близко к научному журналу, вы натолкнулись на некую форму превосходной степени о графене - двумерном чудо-материале, который обещает преобразовать все, от компьютеров до биомедицины.
О приложениях графена много говорят из-за нескольких замечательных свойств. Он в 1 миллион раз тоньше человеческого волоса, но в 200 раз прочнее стали. Он гибкий, но может действовать как идеальный барьер и отличный проводник электричества. Сложите все это вместе, и вы получите материал с множеством потенциально революционных приложений.
Что такое графен?
Графен представляет собой углерод, но в сотовой решетке толщиной в один атом. Если вы вернетесь к своим старым урокам химии, вы вспомните, что материалы, полностью состоящие из углерода, могут иметь совершенно разные свойства в зависимости от того, как расположены его атомы (разные аллотропы). Например, графит в грифеле карандаша мягкий и темный по сравнению с твердым и прозрачным алмазом в вашем обручальном кольце. Искусственные углеродные структуры ничем не отличаются; Бакминстерфуллерен в форме шара действует иначе, чем спиральные углеродные нанотрубки.
Графен состоит из листа атомов углерода в гексагональной решетке. Из вышеперечисленного он наиболее близок по форме к графиту, но в то время как этот материал сделан из двумерных листов углерода, удерживаемых слой за слоем слабыми межмолекулярными связями, графен имеет толщину всего в один лист. Если бы вы смогли отделить от графита один слой углерода высотой в один атом, у вас был бы графен.
Слабые межмолекулярные связи в графите делают его мягким и хлопьевидным, но сами углеродные связи надежны. Это означает, что лист, состоящий исключительно из этих углеродных связей, является прочным - примерно в 200 раз прочнее, чем самая прочная сталь, и в то же время является гибким и прозрачным.
Графен теоретизировался долгое время и случайно производился в небольших количествах с тех пор, как люди использовали графитовые карандаши. Однако его главная изоляция и открытие связаны с работой Андре Гейма и Константина Новоселова в 2014 году в Манчестерском университете. Сообщается, что двое ученых провели «эксперименты в пятницу вечером», где они проверяли идеи вне своей дневной работы. Во время одной из таких сессий исследователи использовали скотч, чтобы удалить тонкие слои углерода с куска графита. Это новаторское исследование в конечном итоге привело к коммерческому производству графена.
После того, как в 2010 году они выиграли Нобелевскую премию по физике, Гейм и Новоселов подарили диспенсер с лентой Нобелевскому музею.
Для чего можно использовать графен?
Важно отметить, что ученые разрабатывают всевозможные материалы на основе графена. Это означает, что, вероятно, лучше думать о «графенах» так же, как мы думаем о пластмассах. По сути, появление графена может привести к появлению совершенно новой категории материалов, а не только одного нового материала.
См. Также Что такое турбулентность? Ответ на один из вопросов физики на миллион долларов: «Алмазный дождь», обнаруженный на Уране, был воссоздан на Земле - и он может помочь решить наш растущий энергетический кризис. Квантовые вычисления достигли совершеннолетия.Что касается приложений, исследования проводятся в самых разных областях, от биомедицины и электроники до защиты растений и упаковки пищевых продуктов. Возможность изменять поверхностные свойства графена, например, может сделать его выдающимся материалом для доставки лекарств, в то время как проводимость и гибкость материала могут предвещать новое поколение схем сенсорных экранов или складных носимых устройств.
Тот факт, что графен способен образовывать идеальный барьер для жидкостей и газов, означает, что его также можно использовать с другими материалами для фильтрации любого количества соединений и элементов, включая гелий, который чрезвычайно трудно блокировать. Это имеет ряд применений в промышленности, но также может оказаться очень полезным для защиты окружающей среды, связанной с фильтрацией воды.
Многофункциональные свойства графена открывают двери для огромного количества применений композитов. Несмотря на то, что было много размышлений о том, как это может улучшить уже существующие технологии, постоянное развитие в этой области в конечном итоге приведет к появлению совершенно новых областей, которые ранее были невозможны. Можем ли мы увидеть появление целого нового класса аэрокосмической техники? А как насчет оптических имплантатов дополненной реальности? Судя по всему, мы это узнаем в 21 веке.
