Когда падает ваш смартфон или машина попадает в аварию, либо терпит крушение самолёт – понимаешь, что важные вещи должны быть сделаны из самых лучших материалов. Представьте как было бы здорово, если бы, попадая в жесткую аварию, ваш автомобиль не ломался, а вместо этого отскакивал бы как пружина назад! Скажете, что это фантастика? Ну а я вам скажу, что это дело не очень далекого будущего!
За последние десятилетия мы слышали множество заявлений ученых об открытии новых материалов таких как графен, которые якобы, перевернут все с ног на голову и навсегда изменят наш мир в лучшую сторону. Но идет время, год за годом проходят десятилетия, а ничего казалось бы, эти материалы не меняют. Почему же воз и ныне там?
Дело в том, что для любого материала совершенно нормально, когда есть временной разрыв между его открытием и началом активного внедрения. Для того чтобы начать повсеместно применять материал, нужно полностью представлять все его свойства, нужно знать как его посчитать, как он будет себя вести под воздействием тех или иных факторов и конечно же, нужно понять как его можно массово и эффективно производить. Всё это занимает немало времени и именно поэтому то, что было изобретено еще в середине двадцатого века только сейчас становится действительно массовым. Например, первый пластик вообще был получен еще в 1855 году, но никто не мог понять как удешевить его производство, на это ушло много времени, потому только сто лет спустя он начал более-менее широко применяться. Ну а по-настоящему массовым пластик стал только в последние десятилетия. Из него изготавливается буквально все, он просто нереально повлиял на нашу жизнь.
Важность освоения работы с новыми материалами всегда являлась решающей для научно-технического прорыва, ведь не зря мы отмечаем целые этапы в истории человечества по ним: каменный, медный, бронзовый, железные века. Ну а нынешний цифровой мир стал возможен только благодаря тому, что мы научились использовать кремний в электронике. Иными словами, если вам нужен новый научно-технический прорыв - начните применять новый материал. И вот про то, какие материалы станут массовыми в ближайшие десятилетия и как они повлияют на наш мир, я вам сейчас и расскажу.
Раз уж упомянули графен то с него и начнем. К тому же, он имеет славу самого перспективного материала на планете. По сути, графен это плоский лист из атомов углерода, первый из открытых двухмерных кристаллов, возможность существования которых долгое время вызывало сомнение.
Его впервые получили два британских ученых российского происхождения в 2004 году, за что позже им дали Нобелевскую премию. Чудеса этот материал показывает пока только в лаборатории. Количество патентов изобретений, связанных с ним, просто зашкаливает. В графен верит весь мир. Несколько лет назад Евросоюз вложил в изучении графена миллиард евро. Помимо этого, в исследования вкладываются крупнейшие корпорации, такие как Samsung, IBM, Sony и Intel. По некоторым данным, суммарно на такие разработки выделено во всем мире свыше 10 миллиардов долларов.
Пока что внедрение графена сегодня сдерживает его высокая стоимость и сложность производства, но ученые без устали ищут возможности упрощения и удешевления процесса, чтобы начать производить графен в массовых количествах и при этом качественно. Но что же нас ждёт, когда это наконец произойдет?
Потенциальные сферы применения графена, по крайней мере в теории, практически безграничны, поскольку он обладает очень многими полезными свойствами. Например, этот материал в 200 раз прочнее стали, имеет невероятную электропроводность, а также в 10 раз большую теплопроводность по сравнению с медью – проводником, который массово используется при производстве самой разной электроники.
Добавьте сюда высокую прозрачность графена и это открывает возможности для гаджетов будущего, например контактных линз, на которые можно передавать изображение, как в фантастических фильмах.
Благодаря этому материалу мы сможем делать кузова машин в 200 раз прочнее стали, да и не только! Прочность космических и морских кораблей, подводных лодок и самолетов выйдут на совершенно иной уровень! Графен, помимо небывалой прочности, как уже было сказано, обладает самой высокой подвижностью носителей заряда среди всех известных материалов. Это делает его перспективным для использования в самых различных отраслях, в частности, как будущую основу наноэлектроники, возможную замену кремния в микросхемах.
Построенные на базе графена различные химические и электрические датчики будут в 30 раз точнее тех, что создаются на базе более традиционных материалов, также можно будет создавать батарейки, чья удерживающая способность будет в 10 раз превосходить современные модели.
Графен может раз и навсегда решить вопросы с нехваткой чистой воды на планете. По подсчетам ООН, дефицит воды затрагивает более 40 процентов мирового населения и по прогнозам будет расти. Фильтры на основе графена вполне могли бы стать решением. Джиро Абрахам из Манчестерского университета помог разработать масштабируемые сито из графенового оксида для фильтрации морской воды, то есть возможно, благодаря графену, никакой угрозы нехватки пресной воды в будущем не будет, ведь вода в морях и океанах, которая может быть опреснена дешевым методом, никогда не закончится.
Кроме того, исследователи разработали графеновые фильтры, которые могут отфильтровать что угодно, по размерам превышающее один нанометр.
Они говорят, что их фильтры могут быть использованы для фильтрации химических веществ, вирусов или бактерий в жидкостях. Их можно использовать для очистки воды, молочных продуктов или вина. Ну или для производства фармацевтических препаратов.
Графен также может помочь в борьбе с изменением климата и его последствиями. Одним из главных виновников изменения климата, конечно, является чрезмерное количество углекислого газа, выделяющегося в атмосферу.
Графеновые мембраны могли бы улавливать эти выбросы. Ученые из университета Южной Каролины, университетах Ханьянг в Южной Корее, самостоятельно разработали фильтры на основе графена, которые могут использоваться для отделения нежелательных газов от промышленных коммерческих и жилых выбросов. Генри Фоли из университета Миссури утверждал, что эти открытия стали чем-то вроде святого грааля. С их помощью мир мог бы остановить рост СО2 в атмосфере, особенно сейчас, когда мы преодолели важный показатель в 400 частей на миллион.
А что насчет медицины? Множество людей по всему миру не имеют доступа к адекватному здравоохранению, но графен может перевернуть и этот вопрос вверх дном. Прежде всего, высокая механическая прочность графена делает его идеальным материалом для замены частей тела, таких как кости. И благодаря своей проводимости, он может заменить части тела, которые требуют электрического тока, например органы и нервы.
Ученые из Мичиганского технологического университета работают над применением 3d принтеров для печати нервов на основе графена и эта команда разрабатывает биосовместимые материалы, используя графен для проведения электричества. Графен также можно использовать для создания биомедицинских датчиков для обнаружения болезней вирусов и других токсинов.
Китайские ученые даже создали датчик, способный обнаруживать всего одну раковую клетку!
Невероятно сильно графен может повлиять на инфраструктуру. Композиты, усиленные графеном и другие строительные материалы могут приблизить нас к этой цели. Недавние исследования показали, что чем больше добавляется графена, тем лучше становится композит. Это значит, графен можно добавлять к строительным материалам, бетону, алюминию, что сделает их прочнее и легче.
Даже сферу энергетики графен в силах изменить. 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 даже можно использовать для улучшения традиционных литий-ионных батарей, что уже и делается. Водители получат аккумуляторы на электрокары, которые способны будут проехать тысячи километров на одном заряде.
Проводятся также исследования графеновых аэрогелей для хранения энергии и суперконденсаторов - все это понадобится для крупномасштабного хранения чистой энергии.
У графена есть и минусы, но его плюсы - высокая прочность, возможность точно рассчитать нужное количество слоев и другие факторы, оставляют ему славу самого перспективного материала на планете.
Есть надежда, что простые листики углерода толщиной в один атом, могут изменить нашу жизнь сильнее, чем когда-то железо и пластик. За следующие 10 лет графен почти наверняка найдет множество применений в реальном мире.
Если Вам понравилась статья - ставьте "нравится" и подписывайтесь на канал, чтобы не пропустить ничего интересного и познавательного!