Развитие нанохимии играет ключевую роль в современной науке и технологии, расширяя перспективы человечества в решении глобальных проблем и улучшении существующих разработок в различных областях, от электроники до медицины. Данная статья является помощником в написании научных статей о графене, включая в себя последние данные и полезные ссылки.
Графен стал первым известным истинно двумерным кристаллом. Были более ранние попытки создания двумерных проводящих слоёв (двумерный электронный газ, ДЭГ), из полупроводников управляя шириной запрещённой зоны (минимальной энергией, необходимой для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости). Электроны в графене локализованы в плоскости значительно сильнее.
“Это очень простой материал, просто два листа атомов углерода, склеенных друг с другом. Почему-то при определенных обстоятельствах он превращается в сверхпроводник. Десятки лабораторий по всему миру пытаются понять, как возникает этот эффект”, — рассказывает Али Яздани (Ali Yazdani), профессор из Принстонского университета.
Интерес учёных в изучении данного материала обусловлен, прежде всего, с доступностью и простотой его получения, используя механическое расщепление кристаллов графита. Уникальные свойства графена – высокая проводимость и теплопроводность, прочность, гидрофобность. Также, качество графена для транспортных измерений характеризуется подвижностью, то есть, он обладает поразительной силой отклика носителей тока на приложенное электрическое поле. Эта подвижность подтолкнула к изучениям перспектив использования графена для создания быстродействующих высокочастотных транзисторов. Графен также обладает сильными углеродными ковалентными связями, что обуславливает его инертность по отношению к кислотам и щелочам при комнатной температуре. Однако присутствие определённых химических соединений может привести к легированию графена, улучшая его физические и/или химические свойства.
Таким образом, все вышеперечисленные свойства выделяют графен на фоне других наноматериалов, что привлекает учёных со всего мира исследовать, тестировать его потенциал и возможные его применения в технологии.
История открытия:
Открытие двумерного кристалла, состоящего из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решётку, началась с теоретических исследований до получения реальных образцов материала. Графен является базой для построения теории трёхмерного кристалла графита. Графит является полуметаллом, и, согласно исследованиям Ф. Уоллеса в 1947 году, в зонной структуре графена отсутствует запрещённая зона, а в точках соприкосновения валентной зоны и зоны проводимости энергетический спектр электронов и дырок линеен как функция волнового вектора. Таким спектром обладают безмассовые фотоны и ультрарелятивистские частицы, нейтрино. Из этого был сделан вывод, что эффективная масса электронов и дырок в графене вблизи точки соприкосновения зон равна нулю. Невзирая на сходства фотонов и безмассовых носителей, у графена есть несколько значительных отличий, делающих носители в нём уникальными по физическим свойствам: электроны и дырки являются фермионами (частица или квазичастицы с полуцелым значением спина), и они заряжены. В настоящее время аналогов для безмассовых заряженных фермионов среди элементарных частиц нет.
Методы получения графена:
- Механическое расщепление. При данном методе используется липкая лента и тонкий слой графита. От графита отделяются тонкие пленки до тех пор, пока не получат достаточно тонкий экземпляр, после чего ленту с графеном прижимают к подложке окисленного кремния.
- Метод, основанный на клиньях. В этом методе для получения слоев графена используется клин из монокристаллического алмаза.
- Используя сильные окислители, можно окислить внутренние слои графита, после чего расстояние между слоями увеличивается. Такой оксид графита механически разделяют ультразвуком в водном растворе, так как из-за гидрофильности рафита молекулы воды проникают внутрь, и межслоевое расстояние увеличивается ещё больше. На последнем этапе получившиеся окисленные листы графена восстанавливают в водном растворе смеси гидразина и аммиака, потом удаляют продукты реакции и фильтруют раствор.
Перспективы применения:
Существует несколько сфер систем информационной безопасности, в которых сейчас активно внедряются нанотехнологии, например они позволяют создать:
- Различные разновидности датчиков (определяющие давления в туннелях, датчики обнаружения пожара и т. д.).
- Средства для защиты от террористов (анализаторы и датчики горючих взрывчатых веществ).
- Системы пропускного и паспортного контроля (содержащие нанометки,наночипы с памятью)
Из фактических попыток применения графена в различных науки и технологии можно выделить несколько выдающихся последних открытий.
Ученые СПбГУ создали быстрый и простой способ переработки графитовых анодов из батарей и аккумуляторов. По словам авторов исследования, их технология может быть легко встроена в существующие цепочки по утилизации литийионных элементов питания. Это значительно снизит затраты на производство техники и уменьшит вредное воздействие на природу. Результаты исследования опубликованы в Journal of Environmental Chemical Engineering.
Переработка пришедших в негодность элементов питания имеет большую важность для экологии и экономики. Она позволит снизить выбросы вредных веществ в окружающую среду, извлекать и повторно использовать в промышленности ценные металлы, катодные и анодные материалы.
Самоорганизацию наночастиц графена в потоке жидкости открыли и исследовали ученые ТюмГУ. По их словам, это дает новые возможности применения материала в нефтедобычи, солнечной энергетике и других сферах. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Molecular Liquids.
Полученные данные позволяют лучше управлять поведением нефти внутри скважины с помощью нанофлюидов, вязкостью наножидкостей, подбирая оптимальную рецептуру для трех основных сфер их применения — теплоотведения, нефтедобычи и солнечной энергетики. Ученым удалось подобрать оптимальное соотношение базовой жидкости и графена, дающее снижение вязкости жидких углеводородов на 17 процентов.
Ученые из МГУ разработали мембрану на базе графена, которая беспрепятственно пропускает пары воды, но не дает пройти азоту, метану и прочим газам, что значительно упростит “сушку” природного газа перед его закачкой в трубопроводы. “Рецепт” ее сборки был опубликован в Journal of Membrane Science.
Фильтры и мембраны из подобных материалов могли бы совершить настоящую революцию в промышленности и экономике. Их созданию часто мешает то, что они изготавливаются из дорогостоящих материалов или просто редких компонентов, которые пока можно изготавливать лишь штучным образом. Подобные конструкции из окиси графена, как отмечают ученые, можно применять не только для защиты газовых трубопроводов от накопления в них воды и развития коррозии, но и для повышения эффективности и долговечности различных промышленных установок и машин, где используются пневматические системы.
Примечание: на авторские права не претендую, все права принадлежат правообладателям. Вся информация была взята с открытых источников, статья несёт информационный и ознакомительный характер.