Новые материалы всегда коренным образом изменяли жизнь человечества. Создание железного оружия привело к возникновению профессиональных армий и новых центров цивилизации. А в 20 веке пластик во многом изменил промышленность. Он сильно потеснил дерево, металл и даже ткань.
Сейчас человечество вновь стоит на пороге величайших изменений. Двумерные материалы способны совершить промышленный переворот. Наиболее изученный из них – это графен.
Как создавался графен.
Андрей Гейм и Константин Новосёлов открыли людям мир двумерных материалов, существование которых ранее считалось невозможным. Своё первое детище учёные Манчестерского университета назвали графеном. Исходным материалом для него послужил графитовый стержень «простого» карандаша.
Чтобы достичь слоя всего в 1 атом, будущим Нобелевским лауреатам пришлось хорошо постараться. При помощи клейкой ленты учёные постепенно снимали слои графита. Пока не остался последний слой, нужной толщины.
Бывшие выпускники МФТИ доказали всему учёному миру что всё гениальное просто.
Полученный ими материал обладает очень низким коэффициентом поглощения света (всего 3 %). Поэтому графен представляет собой прозрачный лист атомов углерода.
Научно-техническая гонка.
Подобные материалы способны изменить мир, поэтому крупные компании поспешили включить в свои стратегии графеновую продукцию. Ведь из него можно делать практически всё.
Графен в 300 раз крепче нержавеющей стали. Он обладает самой высокой электропроводностью и теплопроводностью и прекрасно интегрируется с имеющимися технологиями.
Китай, ведущие европейские страны, Америка и даже Южная Корея вкладывают в исследования графена миллиарды долларов. Россия не отстаёт от них, тем более, что один из отцов графена сотрудничает с МФТИ.
В РФ есть всё, чтобы сделать мировую графеновую революцию: самое современное оборудование и специалисты.
Для российских учёных настало благоприятное время. Государство инвестирует в развитие фундаментальных и прикладных наук. Благодаря проекту Минобороны «Наука и университеты» молодые специалисты имеют возможность реализовать свои идеи. У России есть большой шанс оказаться в лидерах по производству графеновой продукции.
Графен в современной продукции.
Уже сейчас можно купить товары с добавлением графена. Это моторные масла, снижающие износ двигателя, сверхпрочные автомобильные шины, сверхлёгкие теннисные ракетки и суперэластичные кроссовки. Новый материал обладает самой высокой эластичностью. Он не рвётся при растяжении до 30%. Добавление графена улучшаются свойства любого материала.
Графеновая верхняя одежда, оснащенная светодиодами, способна менять цвет, при воздействии тока небольшой силы.
Будущее графена в авиации и космической отрасли.
Высокую электропроводность графена собираются использовать в авиации для борьбы с обледенением. Корпус лайнера, созданный с добавлением двумерного материала, позволит пропускать через него ток небольшой силы. Обшивка при этом будет подогреваться, а лёд – таять.
Эту технологию можно использовать и в космической отрасли. Ведь спутники испытывают ещё более высокие колебания температур.
Двумерные материалы в компьютерах и гаджетах.
Двумерные материалы найдут применение в высокотехнологических устройствах. Вскоре могут появиться графеновые транзисторы. Полупроводники используются в телевизорах, компьютерах и телефонах. От их числа зависит вычислительная мощность устройств.
По закону Мура невозможно до бесконечности наращивать число транзисторов на компьютерном чипе. Значит, чтобы увеличить мощность агрегатов, нужно улучшить качество полупроводниковых элементов, а не их количество.
Добиться этого помогут наноразмерные материалы на основе графена. Над созданием графеновых транзисторов работают учёные из МФТИ. Они экспериментируют с узким графеном.
Некоторые производители смартфонов уже сейчас применяют двумерные материалы в своих продуктах. Китайцы используют графен для отведения тепла от вычислительной платы.
Следующая цель – создание прозрачных и гибких гаджетов. Сверхтонкие и сверхпрочные смартфоны и планшеты можно будет сворачивать в трубочку. Прототипы уже разрабатываются.
Корпуса таких смартфонов будут служить их батареей. Человечество сможет отказаться от тяжелых, взрывоопасных и трудноутилизируемых литий-ионных аккумуляторов.
Графеновые аккумуляторы.
В настоящее время создаются твердые электролиты. За их основу берётся сверхпрочная керамика, полимеры и графен. Такие батареи не будут воспламеняться, и по своим свойствам они превзойдут аккумуляторы с жидким электролитом.
В МФТИ уже работают над созданием графеновых аккумуляторов. В этом направлении российские учёные опережают зарубежных коллег. Но до конечного продукта ещё далеко. Предположительно к 2030 году в России смогут создать образец, достойный массового производства.
Чипы на основе графена.
Одно из важных свойств графена, полезных для человечества в его высокотехнологическом будущем – это его биосовместимость. Ведь мы приближаемся к эре киборгов. Учёные уже сейчас работают над созданием нейроинтерфейсов – устройств, способных связать человека и компьютер.
Компания Илона Маска уже разработала металлические электроды, которые могут вживляться в мозг. Но металл подвержен коррозии. Графен лишён этого недостатка. Поэтому устройства, состоящие из графена, будет легче вживлять в человеческий организм.
Для создания чипов подойдёт краска на основе графеновой пыли. С её помощью можно нарисовать плату на 3d принтере, которая будет работать не хуже обычной. Или даже вытатуировать её на коже. «Нарисованный» чип свяжет владельца с его гаджетами и будет следить за состоянием его здоровья. Он покажет температуру, пульс, артериальное давление.
Как двумерные материалы помогут искать вирусы и микроорганизмы.
Чип из двумерного материала может сигнализировать о появлении разных микроорганизмов и даже вирусов. Такое свойство обнаружил молодой учёный из МФТИ Георгий Ермолаев в процессе изучения дисульфида молибдена – ещё одного двумерного материала.
Его свойства меняются в зависимости от подготовки материала. Учёный приметил некоторую закономерность. Тёмный кситон невидим, а при появлении вируса, он становится светлым, и его можно заметить. Это правило действует в случаях с органическими соединениями.
Такое свойство поможет обнаруживать вирусы и вовремя принимать меры по защите.
Регулярно появляются новые двумерные материалы. Они способны принести величайшую пользу экономике страны. Государство понимает это и всячески поощряет эксперименты молодых специалистов.