Учёными найден способ дешёвого производства графена

Энергия

Седьмая задача — обеспечение доступа к недорогостоящим, надежным, устойчивым и современным источникам энергии для всех. Из-за легкости, проводимости и прочности на растяжение графен может сделать экологичную энергию более эффективной и дешевой.

Например, графеновые композиты можно было бы использовать для создания более универсальных солнечных панелей. Исследователи из Массачусетского технологического института говорят, что «при помощи графена возможно сделать гибкие, недорогие и прозрачные солнечные элементы, которые могут превратить практически любую поверхность в источник электроэнергии». Благодаря графеновым композитам также возможно создание больших и легких ветровых турбин.

Кроме того, графен уже используется для улучшения традиционных литий-ионных батарей, которые обычно используются в бытовой электронике. Проводятся также исследования графеновых аэрогелей для хранения энергии и суперконденсаторов. Все это понадобится для крупномасштабного хранения чистой энергии.

За следующие десять лет графен почти наверняка найдет множество применений в реальном мире и не только поможет ООН и ее участникам достичь поставленных целей SDG, но и улучшит все в нашем мире, от сенсорных экранов до МРТ-аппаратов и транзисторов.

В Кембридже начинается производство графена в промышленных масштабах

  • Графеновый прорыв
  • Секрет фирмы
  • Материал будущего

Графеновый прорыв

Основанная выходцами из Кембриджского университета компания Paragraf сейчас выпускает только графеновые пластины диаметром не более 20 см. В будущем британский стартап планирует использовать их для производства транзисторов.

Технология позволит наладить массовое производство сверхмощных процессоров, которые по скорости в 10 раз превзойдут традиционные кремниевые аналоги. Первую партию электронных устройств с графеновыми элементами Paragraf обещает выпустить уже в ближайшие месяцы.

Разработанные компанией пластины также можно будет применять для создания химических и электрических датчиков. Использование уникального углеродного материала повысит их чувствительность в 30 раз.

Как отмечают представители стартапа в пресс-релизе, Paragraf превзошел всех конкурентов в области производства графена. Наладить выпуск пластин такого диаметра без потери качества прежде не удавалось никому — ни университетам, ни крупным корпорациям, в том числе Samsung, Intel и IBM.

При этом в настоящее время, чаще всего для лабораторных экспериментов используют графеновые хлопья, поскольку производить их намного проще.

Секрет фирмы

Компания не поясняет, какой именно метод производства она использует. На сайте Paragraf описаны возможные сценарии применения графена для создания тачскринов, солнечных панелей и датчиков. Но для технологии используются лишь абстрактные описания.

«Инновационный подход Paragraf позволяет воплотить в жизнь великие идеи из научной фантастики», — отмечают создатели проекта.

Непрозрачный подход к разработкам не мешает Paragraf получать инвестиции. В начале 2018 года стартап привлек £2,9 млн ($3,9 млн). Большую часть денег вложила структура Кембриджского университете Cambridge Enterprise, которая финансирует проекты сотрудников вуза.

Всего в Paragraf работает 16 человек. За четыре года существования компания успела оформить восемь патентов.

Материал будущего

Революционный двумерный материал открыли в 2004 году. Тогда же ученые отметили уникальные свойства графена. По прочности он в 200 раз превосходит сталь и проводит электричество в 10 раз эффективнее, чем медь. По электропроводности графен также в 250 раз превосходит кремний.

Пока углеродный материал не получил широкого распространения, поскольку его производство обходится слишком дорого. Также ученые пока пытаются найти оптимальные сценарии применения графена и подобрать подходящий форм-фактор. Для этого они создают графеновые наноленты, «пластилин», чернила, кристаллы и даже «торты».

Появляется все больше фирм, которые ищут практическое применение материалу в своих нишах. Например, уже сегодня выпускают куртки, создают батареи на основе графена, а в будущем из него планируют выпускать целые фюзеляжи самолетов. опубликовано econet.ru  

Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.

Цели в области устойчивого развития

  1. Повсеместная ликвидация нищеты во всех её формах
  2. Ликвидация голода, обеспечение продовольственной безопасности и улучшение питания и содействие устойчивому развитию сельского хозяйства
  3. Обеспечение здорового образа жизни и содействие благополучию для всех в любом возрасте
  4. Обеспечение всеохватного и справедливого качественного образования и поощрение возможности обучения на протяжении всей жизни для всех
  5. Обеспечение гендерного равенства и расширение прав и возможностей всех женщин и девочек
  6. Обеспечение наличия и рациональное использование водных ресурсов и санитарии для всех
  7. Обеспечение доступа к недорогостоящим, надежным, устойчивым и современным источникам энергии для всех
  8. Содействие неуклонному, всеохватному и устойчивому экономическому росту, полной и производительной занятости и достойной работе для всех
  9. Создание прочной инфраструктуры, содействие обеспечению всеохватной и устойчивой индустриализации и внедрению инноваций
  10. Снижение уровня неравенства внутри стран и между ними
  11. Обеспечение открытости, безопасности, жизнестойкости и устойчивости городов и населенных пунктов
  12. Обеспечение рациональных моделей потребления и производства
  13. Принятие срочных мер по борьбе с изменением климата и его последствиями
  14. Сохранение и рациональное использование океанов, морей и морских ресурсов в интересах устойчивого развития
  15. Защита, восстановление экосистем суши и содействие их рациональному использованию, рациональное управление лесами, борьба с опустыниванием, прекращение и обращение вспять процесса деградации земель и прекращение процесса утраты биологического разнообразия
  16. Содействие построению миролюбивых и открытых обществ в интересах устойчивого развития, обеспечение доступа к правосудию для всех и создание эффективных, подотчетных и основанных на широком участии учреждений на всех уровнях
  17. Укрепление средств достижения устойчивого развития и активизация работы механизмов глобального партнерства в интересах устойчивого развития

Сложно? Возможно. Но у ученых, кажется, есть ответ. Всего одно слово: графен. Футуристический материал с растущим набором потенциальных применений.

Графен состоит из плотно соединенных атомов углерода, выстроенных в решетке толщиной в один атом. Это делает его самым тонким веществом в мире, которое при этом в 200 раз прочнее стали, гибкое, растяжимое, самовосстанавливающееся, прозрачное, проводящее и даже сверхпроводящее. Квадратный метр графена весом всего в 0,0077 грамма может выдерживать четыре килограмма нагрузки. Это удивительный материал, что, впрочем, не удивляет ученых и технических специалистов.

Заголовки, рекламирующие графен как чудо-материал, регулярно появлялись на протяжении последних десяти лет, и переход от обещания к реальности слегка затянулся. Но это логично: чтобы новый материал нашел себя во всех сферах жизни, требуется время. Между тем эти годы исследования графена дали нам длинный список причин не забывать о нем.

С тех пор как графен впервые выделили в 2004 году в Манчестерском университете — и эта работа заслужила Нобелевскую премию в 2010 году — ученые по всему миру находили все новые способы использования и, что важно, создания графена. Одним из главных факторов, сдерживающих широкое распространение графена, было масштабное производство дешевого графена

К счастью, в этом направлении были предприняты семимильные шаги.

В прошлом году, к примеру, группа из Канзасского государственного университета применила взрывы для синтеза больших количеств графена. Ее метод прост: заполните камеру ацетиленом или этиленом и кислородом. Используйте свечу зажигания автомобиля для детонации. Соберите образовавшийся по итогу графен. Ацетилен и этилен состоят из углерода и водорода, и когда водород поглощается при взрыве, углерод свободно связывается с самим собой, образуя графен. Этот метод эффективен, потому что все, что требуется, это одна искра.

Сможет ли этот метод начать графеновую революцию, как считают некоторые, еще предстоит узнать. Что очевидно, так это то, что вместе с наступлением этой революции начнут решаться многие проблемы. Например…

Почему литий – это прошлое?

Литий-ионный аккумулятор имеет множество недостатков, несмотря на то, что он сейчас невероятно распространен: 

  • небольшой ресурс циклов заряда-разряда (до 1000);
  • саморазряд при комнатной температуре до 10% за год;
  • высокая температура сокращает срок эксплуатации;
  • медленная зарядка;
  • малый пиковый ток до 10С (13 Ампер);
  • при взаимодействии с кислородом может загореться и взорваться.

Как вы думаете: почему Apple не кладет к своим смартфонам зарядные устройства более 5 Вт? А потому, что чем быстрее будет заряжаться аккумулятор, тем больше он будет нагреваться. Именно высокие температуры приводят к уменьшению циклов и объема аккумулятора, а Apple старается заботиться о сроке службы своих гаджетов, поэтому это жертва ради более долгой эксплуатации смартфонов.  

Итак, что можно сделать с помощью графена?

Физики говорят, что мы скоро сможем делать электронику, которая будет быстрее, легче и тоньше, чем что-либо созданное на кремниевой основе. Еще одна возможность — долговечные батареи, которые будут работать даже в воде.

Графеновые транзисторы, закрепленные на кусочке прозрачного пластика.  Графен не только самый прочный материал в мире, но и самый податливый.

В 2011 году научные сотрудники Северо-Западного университета Бостона создали комбинированную батарею на основе графена и кремния. По их словам, она заряжается за 15 минут и работает более недели. В сообщении Американского химического общества от 2012 года говорится, что достижения в работе с графеном приведут к созданию мобильных телефонов, тонких как лист бумаги.

Доктор Виджаяраван строит на основе графена датчики газа, света и наличия жизни гораздо меньших размеров, чем это было возможно до сих пор. Меньше двух недель назад исследователи из Института продвинутых технологий Samsung при Университете Сонгюнгван заявили, что в Samsung уже разработали технологию создания графеновых транзисторов. Это означает, что Samsung готов к производству гибких дисплеев для электроники следующего поколения, говорится в их заявлении.

Журналист Extreme Tech Себастьян Энтони утверждает, что это может означать прорыв в промышленном применении графена. Samsung не единственная компания, ведущая исследования в этой области. В IBM, Nokia и SanDisk тоже экспериментируют с материалом для создания транзисторов, датчиков и устройств хранения данных.

Профессор Колумбийского университета Джеймс Хон говорит, что его лабораторные исследования доказали, что графен может растягиваться на 20%, сохраняя свою электропроводность. «Знаете, что еще может растягиваться на 20%? Резина», — поясняет он. — «Для сравнения, основа современной микроэлектроники, кремний, может растягиваться только на 1% до появления трещин».

Ко всему этому, графен еще и дешев. Если вы приведете пример чего-то современного из области электроники, скорее всего, это можно улучшить при помощи графена.

В 2013 году исследователи из Калифорнийского университета в Беркли сделали аудиоколонки, которые передавали звук с качеством наушников Sennheiser и были гораздо меньше. Графен не окисляется, будучи погруженным в жидкость, в отличие от других проводников. Благодаря этому устройства из графена могут имплантироваться в живые организмы.

Другими словами, когда вы купите гаджет, имплантирующийся в вас и следящий за состоянием здоровья, он будет сделан из графена. Есть и другие сферы для его применения. В 2013 году Фонд Билла и Мелинды Гейтс заплатил за разработку презерватива на графеновой основе — тонкого, легкого и непроницаемого.

Автопроизводители изучают возможности создания кузовов из графена, которые будут не только сверхпрочными, но и работать как солнечные батареи. Авиакомпании занимаются такими же разработками. Ко всему прочему, международная команда ученых в Массачусетском технологическом институте уже изучает возможности графена в строительстве квантовых компьютеров, которые будут превосходить традиционную кремниевую архитектуру так же, как интегральные микросхемы в свое время превзошли классические транзисторы.

Графеновая революция видео

  Следующая >

Похожие материалы:

  • 23/12/2017 — Графеновый аккумулятор — новая технология зарядки смартфонов
  • 12/06/2014 — Японская компания разработала новый углеродный аккумулятор

Новые материалы по этой тематике:

  • 19/01/2020 — Madiatek Helio G70 — обзор и характеристики процессора для Redmi 9, Antutu, GeekBench, сравнение со Snapdragon 665
  • 15/01/2020 — Почему нас обманывают, предлагая 48 МП, 64 и 108 МП камеры? Обзор всех сенсоров и их разоблачение

Старые материалы по этой тематике:

  • 11/01/2020 — Mediatek Dimensity 800 — новый мощный чипсет для смартфонов среднего класса — обзор, характеристики, в каких смартфонах появится
  • 21/12/2019 — Snapdragon 865 — первые результаты тестов процессора в Antutu 8 и GeekBench 5, сравнение с Apple A13 и Snapdragon 855 Plus
  • 16/12/2019 — Мобильные процессоры 2020 — большой обзор всех мобильных чипов, которые будут работать в смартфонах в новом году
  • 14/12/2019 — Зачем нужны флагманские процессоры с невероятной мощностью в современных смартфонах?
  • 14/12/2019 — Snapdragon 765G — сравнение с Kirin 810 и Exynos 980 в бенчмарке Antutu — какой из процессоров оказался лучшим?
  • 13/12/2019 — MediaTek Dimensity 1000 (MT6889) — большой обзор процессора, характеристики, сравнение со Snaodragon 855+ и 865, показатели Antutu и GeekBench
  • 10/12/2019 — «>Snapdragon 765 и 765G — полные характеристики, особенности и возможности, показатели Antutu и GeekBench, сравнение со Snapdragon 730, список смартфонов

Следующая страница >>

Как графен изменит будущий мир гаджетов

Уже сегодня на рынке представлены некоторые товары, содержащие в себе графеновые элементы. Например, всем известные наушники Xiaomi Mi Pro HD. В их структуре используются графеновые мембраны. Разработчики утверждают, что такие мембраны идеально передают мельчайшие детали звучания.

Наушники Xiaomi Mi Pro HD 

В ноябре 2017 года Samsung Electronics объявила о разработке новых аккумуляторов для смартфонов, которые смогут заряжаться всего за 12 минут, в отличие от обычных, которые заряжаются около часа-двух. Также компания Samsung занимается исследованиями, которые направлены на упрощение производства графена. Считается, что это приведет к появлению электроники миниатюрных размеров. Специалисты компании работают над созданием мобильных телефонов размером с банковскую пластиковую карточку. Графен может заменить кремний, используемый при производстве микросхем, который существенно ограничивает габариты микросхем.  

Сегодня для производства прозрачных сенсорных дисплеев используется индий-оловянный оксид (ITO). У этого материала есть недостаток – он очень хрупкий. Графен этого недостатка лишен.

На основе графена созданы сверхчувствительные сенсоры, биосенсоры, миниатюрные конденсаторы высокой емкости, модуляторы излучения, прозрачные сенсорные экраны с диагональю более 80 см, компания IBM создала транзисторы на основе графена с быстродействием в 100 ГГц.

Что такое графен?

Графен – одна из аллотропных форм углерода с гексагональной структурой. Графен был открыт в 2004 Андреем Геймом и Константином Новоселовым из Манчестерского университета. За это открытие Гейм и Новоселов были награждены Нобелевской премией по физике в 2010 году.

Еще в конце 1980-х годов член-корреспондент НАН Украины Владимир Литовченко с сотрудниками исследовал появление запрещенной зоны в деформированных ультратонких графитовых пленках (которые теперь принято рассматривать как многослойный графен).

Только представьте себе невероятно легкую пластину толщиной в атом, которая в 200 раз крепче стали. Только этим удивительные свойства графена не ограничиваются. Графен также может быть гибким, прозрачным, а его электропроводность превышает электропроводность меди. Простыми словами: графен – это углеродная пленка толщиной в 1 атом, которая сделана из того же материала, что и обычные графитовые карандаши. 

Недостатки графена

Недостаток графена заключается в том, что его очень сложно производить. До сих пор ученым удавалось изготавливать его лишь в небольших количествах. Самый большой размер графита, созданного человеком – не больше, чем размер кредитной карточки. До недавнего времени ученые даже не могли изготовить его за пределами лаборатории. 

Для того чтобы сделать кусок графена размером с кредитную карточку, ученные подогревают масло сои до 800 C на листе из никеля. Это заставляет углерод упорядочиться в тонкую пластину графена. Однако это пока никак не решает проблему масштабирования. При попытке получить большие по размерам листы графена, материал получался низкого качества. Однако эта проблема баланса чистоты и размера графеновых материалов напоминает аналогичную проблему получения чистого кремния, которая была решена несколько лет назад. Мы думаем, что в скором будущем человечество решит и эту задачку.  

Графеновый прорыв

графен

Однако наука не стоит на месте, и учёные постоянно работают над различными способами получения графена в промышленных масштабах.

На сегодняшний день придумано уже несколько различных видов получения графена в промышленных масштабах. Я не буду их здесь описывать, т.к. эта статья не для физиков, а для того, чтобы вы просто узнали о новом материале, который в ближайшее время станет одним из самых популярных на нашей планете.

Напишу лишь про самые известные способы получения графена:

  • Изготовление разновидности оксида графена в виде хлопьев, применяемой при производстве электропроводящих красок, а также различных сортов композитных материалов;
  • Получение плоского графена G, из которого делаются компоненты электронных устройств;
  • Выращивание материала того же типа, применяемого в качестве неактивных компонентов.

В зависимости от способа получения фрагментов графена, они могут применяться для самых различных целей, а именно:Графен, полученный путём механического отслаивания, в основном, предназначается для исследований, что объясняется невысокой подвижностью носителей свободного заряда;

Где уже сегодня применяется графен

применение графена

Сегодня уже можно купить обувь, изготовленную с использованием графена. Идея создания износостойкой обуви возникла у британского бренда inov-8.

Samsung Galaxy Note 10 первым в мире получит графеновый аккумулятор, который будет полностью заряжаться примерно за 15 минут.

Американская компания Fisker работает над новым электромобилем, который вместо привычных аккумуляторов будет оборудован суперконденсаторами на основе графена.

Графеновые кости. Исследователи из команды Стефани Сидлик из Университета Карнеги-Меллона протестировали новый состав графена, который биоразлагаемый, имитирует кость, привлекает стволовые клетки и, в конечном итоге, улучшат процесс восстановления скелетов у животных. Планируется использовать графен в ортопедической медицине.

Ученые создали из графена самовосстанавливающееся антикоррозийное покрытие.

Куртка из графена. Совсем недавно фирма Fast Company выпустила первую в мире куртку с применением графена, который ранее для этих целей практически не использовался. Причем инновационный материал в данном случае применяется не только ради того, чтобы выделиться на фоне конкурентов, но и для согревания, охлаждения пользователя и некоторых других полезных свойств в зависимости от ситуации.

Огнеупорные обои на основе графена. В состав таких обоев входят нити гидроксиапатита и особые термодатчики из оксида графена. Именно они и предупреждают о возникшем пожаре. Время отклика таких датчиков составляет всего 2 секунды, и сохраняют работоспособность они более 5 минут, а это очень и очень хороший результат. За разработку отвечают специалисты из Шанхайского института керамики под руководством Чжи-Чао Ксионга.

Гибкий дисплей, включающий графен в электронику пикселей, был успешно продемонстрирован Кэмбриджским центром графена и Plastic Logic. Это первый раз, когда графен используется в гибком устройстве на базе транзисторов.

Предложен способ лечения рака с помощью графена и лазера. 33 мыши получили раковую опухоль на правом плече; после этого 17-ти из них была сделана инъекция графена, а остальные остались для контроля. Через сутки после инъекции опухоли десяти инъецированных и десяти неинъецированных мышей были облучены лазером с длиной волны 808 нм, на которой графен поглощает свет особенно хорошо. Таким образом, ученые работали с одной опытной («графен + облучение») группой и тремя контрольными («только графен», «только облучение» и «ни того, ни другого»).Опухоли опытных мышей буквально сгорели — температура на поверхности тела в месте облучения подскочила на 50° (у контрольных мышей — всего на 2°). На следующий день рак у этих мышей исчез, оставив после себя только характерный черный шрам, который заметно уменьшился спустя неделю после облучения. За все те 40 дней, что продолжалось исследование, у этих мышей не было обнаружено никаких признаков возвращения опухоли.

Майкл Лизанти (Michael Lisanti) и Аравинд Виджаярагхаван (Aravind Vijayaraghavan) опубликовали в журнале Oncotarget результаты экспериментов с оксидом графена, которые демонстрируют его действие в качестве антиракового агента, селективно нацеленного на раковые стволовые клетки. В комбинации с существующими методами лечения это может привести к сокращению опухолей, а также предупреждению распространения рака и его рецидивов.

Похожие новости

19/03/2020

​Ученые Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН, Новосибирского государственного университета, Новосибирского государственного технического университета и Национального университета Чао Тунг (Тайвань) разработали и сравнили элементы резистивной памяти — мемристоры на основе нитрида кремния, синтезированные с помощью двух разных технологий.

467

17/03/2020

Тематика этих исследований — разработка энергонезависимой резистивной памяти, быстродействие и информационная емкость которой во много раз превышает характеристики флэш-памяти. Материалом для изготовления тестовых элементов новой памяти послужил нестехиометрический оксид кремния (SiOx).

319

14/05/2019

​​Институт физики полупроводников им. А. В. Ржанова появился в результате объединения Института физики твердого тела и полупроводниковой электроники и Института радиофизики и электроники. С тех пор ИФП СО РАН остается признанным за рубежом и в России лидером в области создания и производства новых высокотехнологичных материалов, интегратором крупных научно-производственных проектов и коммуникационной площадкой для ученых, преподавателей, представителей индустриального и бизнес-сообщества.

971

03/09/2017

​2017 год стал для Института теплофизики СО РАН годом перемен — здесь впервые за 20 лет сменился директор. Коллектив одного из крупнейших академических институтов энергетического профиля России возглавил доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН Дмитрий Маркович.

2151

07/02/2018

 Институт физики полупроводников им А. В. Ржанова СО РАН и АО «Экран-оптические системы» подписали соглашение о сотрудничестве, в рамках которого в институт будет поставлено промышленное оборудование для производства полупроводниковых гетероструктур — необходимого компонента электронной базы современных телекоммуникационных систем, систем связи и цифровой экономики.

1453

04/01/2019

​Александр Васильевич Латышев родился 4 января 1959 года в г. Булаево Северо-Казахстанской области. В 1981 году окончил Новосибирский госуниверситет по специальности «физика». Далее — в Институте физики полупроводников им.

967

09/04/2019

​Ученые Новосибирского государственного университета (НГУ) займутся исследованием свойств органических полупроводников (материалов, используемых в электронике), чтобы повысить эффективность используемых сейчас электронных дисплеев, сообщил ТАСС руководитель лаборатории органической оптоэлектроники НГУ Евгений Мостович.

1316

23/08/2019

С самого своего рождения микро- и наноэлектроника развивается такими бешеными темпами, как никакая другая отрасль. И все это происходит буквально на наших глазах. К примеру, каждые два года мы в принципе должны выбрасывать свои сотовые телефоны и покупать новые, потому что элементная база реально меняется в два раза.

816

19/07/2019

Иногда путь перспективных, казалось бы, технологий в повседневную реальность тернист. Достаточно вспомнить управляемый термоядерный синтез. Особенно обидно, когда речь идет о спасении человеческих жизней, а методика лечения многие десятилетия остается экспериментальной.

553

Выводы

Подытоживая все вышенаписанное и учитывая все преимущества и недостатки этого материала можно сказать только одно – графен является материалом будущего, который улучшит почти все электронные гаджеты. Литий в ближайшие годы еще останется на верхушке, но время новой технологии уже почти наступило. Те нововведения, которые придут к нам вместе с графеном, принесут улучшения абсолютно по всем параметрам. Кроме всего прочего, он имеет менее негативное влияние на окружающую среду, так как всем известно, что литий при его неправильной утилизации наносит вред нашей планете не меньше, чем добыча нефти или газа, поэтому пришло время это изменить. 

Ссылка на основную публикацию