10 способов применения графена, которые изменят вашу жизнь

Он прочный, он гибкий и он уже здесь: после долгих лет исследований и экспериментов графен приходит в нашу жизнь, а именно – в продукты, которыми мы пользуемся каждый день. В скором времени графен изменит мир смартфонов, аккумуляторов, спортивной экипировки, суперкаров и сверхпроводников. Свойства этого материала настолько невероятные, что некоторые люди даже считают, что графен достался нам от инопланетных кораблей, оставленных на нашей планете задолго до появления человечества.

Это, конечно же, фантастика, но потенциал графена не может не рождать подобные теории заговора. Прошло более 60 лет с тех пор, как ученые и производители электроники впервые попытались раскрыть всю мощь нового материала, однако его практическое применение стало реальным только сейчас. Новости о технологических прорывах в этой области не прекращаются, и очередной всплеск инфоповодов по этой теме состоялся в ходе недавней выставки мобильной электроники MWC 2018. Далее речь пойдет о 10 способах использования графена, которые изменят вашу жизнь в обозримом будущем.

Миниатюрные УФ-сканеры

Обычная одежда спасает нас от вредных ультрафиолетовых лучей, но зачастую этого бывает недостаточно, особенно в жарких солнечных странах. Проблема будет решена с помощью небольшого гибкого УФ-сканера, который может крепиться на кожу, как обычный пластырь, либо изначально встраиваться в одежду. Когда этот сканер определит, что вы слишком долго находитесь под прямыми солнечными лучами, он отправит соответствующее уведомление на смартфон, предупредив вас об опасности.

Умные стельки для атлетов

Производители обуви и спортивных товаров также делают большую ставку на графен. Сегодня уже существуют носки и стельки, распознающие силу давления в той или иной области подошвы. Но подавляющее большинство таких продуктов оснащены всего несколькими датчиками, графен позволяет разместить более 100 датчиков, которые никак не повлияют на вес обуви. Прототипы высокотехнологичных стелек существуют уже сегодня, они изготовлены из специальной пены и измеряют давление с точностью до миллиграмма.

Графеновый крио-кулер для охлаждения базовых станций 5G

Всем модулям беспроводной связи при увеличении объема передаваемых данных требуется все больше охлаждения, иначе оборудование перегреется. Таким образом, многократное повышение пропускной способности в приближающихся 5G-сетях. Разработанный в Швеции компактный охлаждающий насос способен понижать температуру базовых станций вплоть до -150 градусов, поддерживая стабильный сигнал.

Аудиотехника

Хотя впервые графен был получен в Университете Манчестера, исследования данного материала ведутся по всему миру, а наибольшее число патентов по использованию графена принадлежит Китаю. Неудивительно, что крупнейший производитель электроники в этой стране стал одним из первых брендов, внедривших графен в свои продукты. Так, Xiaomi Mi Pro HD являются наушниками с графеновой диафрагмой, которая позволяет передавать более громкий, чистый и насыщенный звук. Также у Xiaomi есть терапевтический пояс PMA A10 из ткани, покрытой графеном.

Самые эффективные в мире солнечные батареи

В Италии ученые разрабатывают солнечную батарею на основе графена и органических кристаллов. Такая технология позволяет делать солнечные ячейки более крупными, что повышает эффективность сбора энергии и удешевляет производство в 4 раза.

Графеновые самолеты

В авиации вес – это все, от него напрямую зависит стоимость полета. Именно поэтому Ричард Брэнсон (и другие, менее известные люди) предсказывают полный переход коммерческих авиакомпаний на гораздо более легкий и прочный графен уже в ближайшее десятилетие. И это не просто слова – к примеру, Airbus уже не первый год активно занимается этим направлением.

Чехлы для смартфонов

Чехлы со встроенной батареей так и не прижились на рынке, а проблема быстро разряжающихся мобильных аккумуляторов никуда не делась. Чехлы с задней панелью из графена смогут намного эффективнее охлаждать смартфон, прибавляя до 20% ко времени работы батареи в вашем мобильном устройстве.

Супертонкие электронные книги

На MWC 2017 компания FlexEnable продемонстрировала построенную на основе графена полноцветную пиксельную матрицу для энергоэффективных дисплеев и дисплеев с электронными чернилами. Такие экраны будут иметь толщину обычной бумаги. К тому же, эти матрицы будут гибкими, что избавляет от необходимости использования толстого защитного стекла.

Автомобили

Графен раскрывает широкие перспективы для автомобилестроения, в частности для электромобилей. Дело в том, что с изготовленные из графена транспортные средства обладают меньшим весом и большей жесткостью кузова, что позволяет им быстрее ускоряться и расходовать значительно меньше электроэнергии.

Сверхбыстрые зарядки

Что, если бы вы могли зарядить свой смартфон на 100% за 5 минут? Именно столько времени требуется зарядному устройству от Zap & Go. И хотя тестовый прототип имел емкость всего 750 мАч, этот результат не может не впечатлять. А в следующем году инженеры компании обещают снизить этот показатель до 15-20 секунд. Тем временем, в Huawei разработали обычные литий-ионные батареи, которые благодаря применению графена могут работать на температурах до 60^оС, что на 10 превышает показатель стандартных аккумуляторов на 10 градусов, что продлевает срок эксплуатации батареи почти в 2 раза.

Графеновая гонка. Как графен может изменить нашу жизнь?

2021 год был объявлен в России Годом науки и технологий, а месяц июнь, согласно календарному плану Года, посвящен новым производственным технологиям и материалам. Сегодня мы поговорим об одном из таких новых перспективных материалов — графене.

Графен — самый тонкий материал из когда-либо обнаруженных. Впервые он был выделен в начале нулевых, а в 2010 году выпускникам МФТИ, сотрудникам Манчестерского университета Андрею Гейму и Константину Новоселову за это открытие присудили Нобелевскую премию по физике. Есть много идей, как можно применить этот тонкий и чрезвычайно прочный материал, о котором так много говорят в последние годы.

Слой углерода толщиной в один атом

Толщина графена составляет всего один атом — это самый тонкий материал в мире, его можно назвать двумерным объектом. Представьте обычный грифель карандаша, которым вы пишете — он состоит из нескольких миллионов слоев графена, и, по сути, 

графит  в карандаше — это уложенные друг на друга слои графена. Поэтому каждый из нас хотя бы раз в жизни держал графен в руках. Материал был обнаружен Геймом и Новоселовым, когда они изучали проводимость графита. Приклеив скотч к куску графита, ученым удалось получить один слой графена.

Идея отделить слой графена от графита с помощью скотча пришла к ученым спонтанно. Скотч, с помощью которого образцы графита готовят для работы на сканирующем туннельном микроскопе, после процедуры обычно отправляется в мусорное ведро. Однако Новоселов и Гейм решили найти куску скотча с остатками тонкого слоя материала другое применение — за это впоследствии их в шутку окрестили garbage scientists (мусорные ученые).

Фото: https://donschool86.ru

В возможность отделить один слой никто не верил. Семьдесят лет назад Лев Ландау и Рудольф Пайерлс доказали, что таких материалов существовать не может: силы взаимодействия между атомами должны смять их в гармошку или свернуть в трубочку, пишет Forbes. Однако графен оказался исключением из этого правила. 

Практическое применение

Графену приписывают множество самых разнообразных практических применений. Его возможно использовать для создания имплантов для мозга, он может применяться в системе охлаждения для спутников, графен можно превратить в сверхпроводник; полезен он и в быту: например, в качестве краски для волос. Уже сегодня графен применяется в электронике, медицине: работы по нейродевайсам и биосенсорам ведутся с 2008 года — но когда графеновую биоэлектронику начнут массово применять на практике, пока трудно сказать.

Этот материал особо ценится за его прочность и упругость. А еще графен очень прозрачный: его прозрачность составляет 97%.

«Сейчас есть много идей о том, как можно применять графен. Были идеи, что получится его использовать в качестве транзистора, как замена элементной базы современной электроники. Но это, насколько я знаю, не пошло, и теперь пытаются использовать его упругие свойства. Если сравнить атомарный слой углерода (чем по своей сути графен и является) и атомарный слой, скажем, алюминия, то мы увидим, что жесткость графена будет как минимум в десять раз выше. Так как графен одноатомный, то он спокойно пропускает свет, то есть вы видите через него всё. С другой стороны, он достаточно прочный, чтобы обеспечить необходимую защиту от каких-то механических воздействий. Поэтому графен можно применять как прозрачный, но прочный экран для предохранения жидкокристаллических дисплеев, например. Его прочность может быть полезной для создания гибких небьющихся экранов, городских строений и др.

, возможно, он станет будущим строительным материалом для космических кораблей, общественного транспорта и т.д.», — рассказывал в интервью «Научной России»  заместитель директора Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН Игорь БУРМИСТРОВ.

Нобелевские лауреаты К. Новоселов (слева) и А. Гейм. Источник фото: https://panorama.pub/

Некоторые эксперты считают, что графен даже может спровоцировать новый скачок в развитии человеческой цивилизации. Кремниевая эра скоро закончится, говорят ученые, ведь кремневая элементная база, на которой создается современная техника, уже подходит к своему  технологическому и физическому пределу, и в этом смысле графен может стать отличной альтернативой. Использование графена в электронике поможет создать более мощные компьютеры и системы. В мире его уже используют для создания гибких мобильных телефонов. 

В свое время освоение металлов кардинально изменило жизнь людей — ту же судьбу пророчат графену, называя его самым загадочным и многообещающим новым материалом будущего, который способен произвести революцию в энергетике. Графен дает возможность получать энергию совершенно новым способом. Этот материал обладает возможностью пропускать позитивно заряженные  атомы водорода, при том, что он непроницаем для других газов, в том числе и для самого водорода. Это открывает перед учеными невероятные перспективы по созданию топливных элементов на основе водорода. Так, например, можно будет  собирать в таких элементах водород из воздуха, а затем получать с помощью графена электричество и воду, практически не порождая никаких отходов.

Куртка из графена. Фото: https://fainaidea.com/

В прошлом году физики из США показали, что графен можно использовать для сбора энергии: он способен вырабатывать энергию с помощью окружающей среды. Учеными из Университета Арканзаса была разработана схема, способная улавливать тепловое движение графена и преобразовывать его в электрический ток.

«Энергосберегающая схема, основанная на графене, может быть встроена в чип для обеспечения чистой, безграничной, низковольтной энергии для небольших устройств или датчиков», — отметил Пол Тибадо, профессор физики, участвовавший в эксперименте.  

Графен может быть использован для создания квантовых компьютеров, благодаря этому материалу такие компьютеры могут стать компактнее. У графена могут быть и более общедоступные применения, например в дизайне одежды. Вещи из графена, легкие и плотные, уже сегодня можно найти на мировых рынках.

Графеновое будущее 

Разработки на основе графена уже близки к массовому внедрению в экономику, считает  член-корреспондент РАН, научный руководитель Корпоративного энергетического университета Евгений Аметистов. При этом в графеновой гонке Россия отнюдь не лидирует, и наши технологии далеки от совершенства.

В рамках программы финансирования науки (2014-2020 гг.) Евросоюз выделил один миллиард евро на запуск производства графена в промышленных масштабах. Проект объединяет 23 страны и 142 научно-исследовательских коллективов и промышленных партнёров. Не так давно, в 2015 году, в Манчестере открылся Национальный графеновый институт, строительство которого финансировали Европейский фонд регионального развития и правительство Великобритании.

Однако  более половины мировых публикаций и заявок на патенты в области графена сегодня принадлежит Китаю, где действует так называемый Инновационный альянс графеновой промышленности.

А как обстоят дела в России? По числу исследований графена Россия сегодня находится на 14-м месте в мире, пишет российский деловой еженедельник «Эксперт». Причем процент российских научных публикаций по теме графена падает, отмечает издание: в 2000-е годы он составлял 5,6%, а в 2021 — только 2,3%. 

Исследованиями графена в России занимаются свыше 30 организаций, среди них различные институты Российской академии наук, МГУ им. М.В. Ломоносова, предприятия ГК «Роскомос», частные фирмы. В нашей стране есть свой Институт графена, на базе которого впервые в России была создана установка полупромышленного типа для производства чистого (почти 100%) графена.

Графеновый чип. Фото: http://www.inmesolgenerator.ru

«Сейчас идет своеобразная графеновая гонка. Наши позиции изначально были очень хорошими, поскольку традиционно Россия сильна в плане фундаментальной физики. Конечно, мы немного упустили тот момент, когда мир рванул вперед», — рассказывал директор центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Валентин Волков на Международной конференции по двумерным материалам в г. Сочи.

Уже сегодня в России графеновые и графеноподобные материалы применяют для повышения ударной прочности экспериментальных образцов карбидокремниевой брони для ударных вертолетов и военных шлемов, при производстве солнечных панелей, используют в составе литий-ионных аккумуляторов и т.д. Однако массовое применение графена — вопрос будущего.

Фотографии в материале, включая фото на главной странице сайта: https://ru.123rf.com

Битва за графен-2: коммерческое применение

11 сентября 2017 г.

org/BreadcrumbList»>
• Технологии

• Алексей Арсенин Автор
• Юрий Стебунов Автор

Фото John Tlumacki / The Boston Globe via Getty Images

После того как в 2004 году был открыт первый двумерный материал графен, в мире начался настоящий графеновый бум. Крупнейшие страны разворачивают большие государственные программы в гонке за лидерство в области графеновых технологий

Помимо фундаментальных исследований коллективы по всему миру активно работают над прикладными разработками — целым классом устройств и материалов нового типа, которые могут быть созданы благодаря необычным свойствам нового материала. В одном только Китае, по данным Jiangnan Graphene Research Institute (Китай), число заявок на патенты с применением графена к сентябрю 2016 года превысило 50 000. Чем обусловлен такой интерес к двумерному материалу и что сдерживает выход графеновых технологий на массовый рынок — в новом материале серии «Битва за графен».

• Битва за графен: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего

Тонны графена

Если вы решите разобраться, как устроена графеновая отрасль, то неизбежно наткнетесь на десятки коммерческих отчетов, которые оценивают объемы рынка и ранжируют страны по количеству производимого ими графена. Например, эксперты предрекают, что емкость рынка графена к 2027 году будет составлять 3800 тонн в год. Поэтому, исследуя графеновый рынок, неспециалист может решить, что речь идет о мешках, бочках или вагонах с графеном — о больших объемах двумерного материала, в производстве которого соревнуются Китай, США, весь Евросоюз и другие страны. Разумеется, это не так. Сам по себе графен не стоит рассматривать как продукцию для экспорта, и обогатиться на нем нельзя. Производство графена будет расти, что неизбежно приведет к снижению его стоимости, ведь получить сам графен не проблема. Если первые эксперименты были выполнены на небольших чешуйках графена, которые отслаивались от графита с помощью клейкой ленты, то сейчас удается получать высококачественный графен большой площади осаждением в печи при высокой температуре на медную фольгу — это достаточно просто и дешево. Основой для синтеза графена также являются углеводородные газы или даже нефть. Например, совсем недавно ученым из США удалось разработать способ получения графена из ацетилена — природного газа. Сейчас графен уже продается менее чем за один евро за квадратный сантиметр, а к 2022 году, по прогнозам одной из крупнейших компаний-производителей графена, будет стоить меньше евроцента за квадратный сантиметр. То есть квадратный метр графена обойдется исследователям менее чем в сто евро.

Рынок графеновых технологий

По последним данным, в мире насчитывается 142 организации, которые производят графен. Однако в действительности рынок графена — это не килограммы «графенового сырья», а технологии на его основе: прикладные разработки и патенты. Дело в том, что графен, как и другие двумерные материалы, можно комбинировать друг с другом, получая принципиально новые свойства. Так, например, применение графена и оксида графена в биочипах, технология создания которых существует уже несколько лет, позволяет в десятки раз увеличить их чувствительность. Использование графена в качестве одного из фоточувствительных элементов матриц камер позволяет в сотни раз увеличить их чувствительность и существенно расширить их спектральный диапазон.

Возможности таких комбинаций, как отмечает прозванный отцом графена Андрей Гейм, практически безграничны, и вряд ли все из них мы сможем реализовать в перспективе хотя бы ближайших пятидесяти лет. Внедрение графена в различные устройства дает колоссальные перспективы. Но именно здесь пока нет однозначных результатов.

Технологии в массы

Действительно, массовых графеновых технологий, несмотря на серьезные финансовые вливания в эту область, до сих пор не появилось. Основная сложность с широкомасштабным применением графена — создание работающего устройства. Графен — двумерный материал, и использовать его в трехмерном мире достаточно сложно. Совмещение технологий производства графена с существующими технологиями микроэлектроники и других отраслей промышленности позволит создать целый класс новых продуктов, но как раз это сейчас и составляет основную трудность. Выращенный графен можно переносить на ту или иную подложку вручную, но это плохо соотносится с технологиями массового производства. Именно над проблемой интеграции графена в различные устройства работают многие ученые и исследовательские центры: ведутся исследования по низкотемпературному росту графена на различных подложках и разрабатываются автоматизированные технологии его переноса. На решение этой проблемы, например, нацелен графеновый центр в Самсунге. Этой проблемой занимаемся и мы на Физтехе в сотрудничестве с датской компанией Newtec. Ее решение — лишь вопрос времени, а потому, если еще пару лет назад в мире был определенный скепсис по части прикладных разработок на основе графена, то сейчас это уже ничем не сдерживаемый оптимизм.

Применения

Сейчас уже с уверенностью можно сказать: во всех устройствах будущего в том или ином виде будет присутствовать графен или другой двумерный материал. Перечислить все потенциальные применения графена невозможно. Его можно совместить даже биологическими организмами. Например, ученым Университета Тренто (Италия) и Центра по разработкам с использованием графена Кембриджского университета удалось «накормить» графеном пауков, после чего те стали производить паутину, которая оказалась в несколько раз прочнее обычной. Похожую работу провели китайские исследователи, скормив графен шелкопряду и получив прочную шёлковую нить, которая проводит электричество и может быть использована, например, в носимой электронике.

В одном из своих интервью Андрей Гейм высказывал мысль, что выделять какую-то одну наиболее перспективную область применения даже вредно: «Поле [применений] настолько велико, что сосредоточение в одном из направлений приведет к ослаблению развития в целом». Так или иначе, вы можете быть уверены: в камерах ваших телефонов, в ваших очках или умных контактных линзах, любой гибкой носимой электронике, умных настенных покрытиях, в разрабатываемых сейчас биосенсорах и нейроинтерфейсах и многом другом, не говоря о новых функциональных материалах для любых применений, например, в авиастроении или оборонной сфере — будет графен. Есть области, где этот двумерный материал используется уже сейчас. Теннисисты Новак Джокович, Энди Мюррей и Мария Шарапова играют ракетками, содержащими графен, а Билл Гейтс финансирует создание прочных и тонких графеновых презервативов. Научные конференции сопровождаются шоурумами, где стартапы и лидеры индустрии представляют свои последние разработки. Например, на выставке Mobile World Congress в фервале 2017 года был представлен концепт автомобиля с корпусом из графенового пластика. А в марте на Женевском автосалоне был презентован китайский  электромобиль на основе графеновых батарей, который планирует конкурировать с Tesla. И количество приложений будет только расти.

• Применения графена (видео)

Прогнозы рынка

Вложения в исследования графена — это вложения в светлое будущее, пусть пока и без четкого понимания, каким оно будет. Именно поэтому сейчас так сложно спрогнозировать объемы рынка через несколько лет, по текущим прогнозам, рынок графена в течение десятилетия вырастет в 30-100 раз. Но он может вырасти и в тысячи раз — достаточно только появиться умным контактным линзам с графеном, запустить в серийное производство быстрозаряжающиеся аккумуляторы или разработать любую другую технологию, которую представить сейчас мы не можем. Так же, как когда-то не могли представить, как разовьется рынок лазеров или компьютерной техники.

Двумерный мир

Материалы на основе графена изменят мир, потому что они сами по себе — это уже другой мир, двумерный. Хотя будет это не революционным новшеством, а, как подчеркивает Андрей Гейм, медленной диффузией материала в нашу повседневную жизнь. Рисуя эти картины светлого будущего, нужно ответить на неизбежный вопрос: где же во всем этом Россия, родина нобелевских лауреатов, получивших премию за передовые опыты с графеном? Если в области фундаментальных исследований у нас есть определенные результаты, то о лидерстве в области прикладных разработок говорить пока не приходится, хотя именно конкретные технологические решения будут формировать основную часть рынка графена в ближайшем будущем. О том, что поможет нашей стране не упустить место под солнцем графеновых технологий — в следующем материале серии.

• Алексей Арсенин

  Автор

• Юрий Стебунов

  Автор

#высокие технологии #Новые материалы #графен

Рассылка Forbes

Самое важное о финансах, инвестициях, бизнесе и технологиях

Графен в электронике: сегодня и завтра

Графен у всех на слуху, однако не все четко представляют себе, что это за материал и как он применяется в настоящее время.

В данном обзоре, не претендующем на всеохватность этой бурно развивающейся сейчас темы, представлена информация об этом материале и областях его применения.  

Общие сведения

Графен был экспериментально обнаружен в 2004 г. двумя английскими учеными российского происхождения — Андреем Геймом и Константином Новосёловым, за что они вскоре получили Нобелевскую премию по физике. Графен представляет собой слой атомов углерода, соединенных в гексагональную двумерную кристаллическую решетку. Это, по сути, пленка углерода толщиной в один атом, имеющая строго упорядоченную кристаллическую структуру. Графен можно считать развернутой в плоскость одностенной нанотрубкой или двумерным фуллереном, или же отдельно взятым атомарным слоем из множества таких слоев, составляющих монокристалл пиролитического графита.  

Структура графена  

Слой графита толщиной в один атом обладает рядом ценных свойств: отличается высокой стабильностью, в т. ч. и при комнатной температуре, а также высокой тепло- и электропроводностью. Подвижность электронов в графене в 10—20 раз выше, чем в арсениде галлия. Из этого материала можно создавать чипы, пригодные для работы на терагерцовых частотах. Хотя монослои графита обладают такой же подвижностью носителей зарядов при комнатной температуре, как и нанотрубки, однако для него, в общем случае, применима обычная, отработанная годами планарная технология. К тому же, благодаря двумерной структуре управляющий ток может быть легко увеличен за счет изменения ширины проводящего канала.

Проводник или полупроводник?

На пути создания графеновой электроники остается еще много препятствий, в т.ч. невозможность выращивания больших графеновых пластин, высокая стоимость материала и трудности с управлением его проводимостью. В частности, еще недостаточно разработаны способы получения полупроводников из графена — до сих пор графен и его производные известны только в виде проводников и изоляторов.

Недавно был получен полупроводниковый материал на основе графена, в котором атомы кислорода заключены в гексагональную структуру графена. По замыслу исследователей, в ходе нагрева оксида графена в вакууме должен был выделиться кислород и получиться многослойный графен. Однако при повышении температуры атомы углерода и кислорода стали выстраиваться в упорядоченную структуру моноокиси графена, не существующего в естественном виде.

Исследователи демонстрируют атомную структуру моноокиси графена

Полученный материал обладает полупроводниковыми свойствами и имеет широкие перспективы применения в производстве электроники. Меняя температуру нагрева, исследователи получили четыре новых материала, которые были отнесены к категории GMO. В настоящее время определяется устойчивость моноокиси графена и возможность масштабировать этот материал для производства.

Ранее было открыто другое интересное свойство графена, которое заключается в том, что определяющую роль в формировании свойств графена играет материал, на котором он выращивается. В частности, если подложку, на которой будет выращена структура, активировать кислородом, то полученный лист графена будет обладать свойствами полупроводника, если водородом – то свойствами металла. «Варьируя химический состав подложки, мы можем управлять природой графена, наделяя его свойствами полупроводника или металла», — сообщил Сарож Наяк (Saroj Nayak), профессор кафедры физики и астрономии Ренсселарского политехнического института.

Управление током в графене: нитрид бора может статью ключом к графеновой микроэлектронике

Графен — самый тонкий в мире материал. Почти единственным на сегодняшний день принципиальным препятствием для его применения является невозможность управления электронным потоком по графену. Например, до сих пор не удалось найти способ остановить ток в графене: на атомарном уровне работают законы квантовой механики, которые сильно отличаются от тех, что действуют на макроуровне. Электроны в слое графена проходят сквозь препятствия (т. н. туннельный эффект, применяемый также в некоторых радиоэлектронных приборах), а не отскакивают от них, как это происходит в макромире. Недавно было обнаружено, что при наложении слоя графена на слой нитрида бора возникает новая гексагональная структура, которая определяет путь прохождения электронов по образцу.

Один из способов создания графенового двоичного триггера. Квадратная графеновая ячейка разбивается на два треугольных участка. Электроны отражаются, когда напряжения имеют разную полярность, и проходят, когда напряжения одинаковы.

Этот факт может стать ключом к созданию нового типа электронных устройств, отличающихся малым размером и низким энергопотреблением. Из-за этой особенности контролировать распространение электронов по слою очень сложно. Недавние исследования показали, что при наложении пленки нитрида бора на слой графена удается задержать некоторые электроны. Это первый шаг на пути решения проблемы.

Нитрид бора имеет сходную с графеном структуру, однако является диэлектриком. Пленки из нитрида бора можно использовать также для улучшения электрических свойств графена. Они предотвращают флуктуации электронного заряда.

Формирование гексагональной структуры при наложении нитрида бора на графен

Если менять угол между кристаллическими решетками, количество электронов, которые не могут проходить сквозь решетку, увеличивается. Коэффициент задержания зависит от размера гексагонального рисунка, который возникает при угловом смещении одного из слоев (аналогичный эффект – возникновение муарового рисунка при наложении линейчатых структур). По сути, этот рисунок является картой электрического потенциала.

Размер рисунка в зависимости от угла наложения: а – слишком мелкий, б – правильный

В настоящее время идет процесс изучения различных графеновых структур с помощью сканирующего туннельного микроскопа, который позволяет получить изображение сверхрешетки и измерить ее размер. Если гексагональный рисунок слишком мелкий, образец отбраковывается. Примерно 10-20% образцов показывают желаемый эффект. Если данный процесс удастся автоматизировать, будет создана графеновая микроэлектроника.

Псевдомагнитные свойства графена

Группа физиков из Университета в Арканзасе ведет разработки в несколько ином ключе. Они предлагают управлять потоком электронов с помощью изменения механического напряжения в материале.

Было замечено, что если приложить к графеновой пленке механическое усилие, ее электрические свойства изменятся так, как будто материал поместили в магнитное поле. Чтобы использовать данное свойство, необходимо научиться контролировать механическое напряжение.

Исследователи из Университета в Арканзасе провели следующий эксперимент. Они натянули графеновые мембраны на тонкие квадратные рамки и просканировали поверхность графена туннельным микроскопом с помощью постоянного тока. В сканирующем туннельном микроскопе для создания карты рельефа поверхности используется электрический ток очень малой величины. Чтобы поддерживать ток на постоянном уровне в процессе сканирования рельефа поверхности, микроскоп данного типа меняет напряжение на кончике туннельного зонда, когда он передвигается вверх-вниз. Было замечено, что при этом форма мембраны также изменялась – мембрана изгибалась и стремилась приблизиться к щупу. Форма мембраны изменялась в зависимости от заряда между щупом и мембраной. Изменяя напряжение на щупе, можно управлять механическим напряжением мембраны.

В свободном состоянии графеновые мембраны имеют бугристую форму. Это является препятствием для их применения в электронных устройствах, поскольку на изломах проводимость мембраны резко падает.

Для более полного понимания этого свойства было проведено исследование теоретической системы, содержащей графеновые мембраны. Ученые сопоставили величину механического напряжения и рассчитали расположение щупа микроскопа относительно мембраны. Оказалось, что взаимодействие между мембраной и щупом зависит от расположения щупа. По этим данным можно рассчитать псевдо-магнитное поле для заданного напряжения и механического усилия.

Из-за того, что мембрана ограничена квадратной рамкой, напряженность поля меняется с положительной на отрицательную. Для создания неосциллирующего поля требуется изготовить треугольную ячейку. Возможно, именно она позволит найти способ управлять псевдомагнитными свойствами графена.

Примеры применения графена

В настоящее время в области применения графена ведутся разработки в следующих направлениях:

Высокочастотные транзисторы. Подвижность электронов в графене гораздо больше, чем в кремнии, поэтому цифровые элементы из графена обеспечивают более высокую частоту работы. Некоторые компании уже заявляли об успехах в этой области. Так, транзисторы IBM работают на частоте 26 ГГц и имеют размер около 240 нм. Поскольку между размерами транзистора и его производительностью существует обратная зависимость, увеличение рабочей частоты достигается с за счет уменьшения его размеров.

Строение графенового транзистора

Микросхемы памяти. Прототип нового типа запоминающего устройства состоит всего из 10 атомов графена. Во время лабораторных тестов группе профессора Джеймса Тура из американского Университета Райс удалось создать кремниевые модули, на которых были размещены 10 атомарных слоев графена. В итоге графеновый слой получил толщину около 5 нм. Исследователи говорят, что в новых экспериментальных модулях базовые ячейки хранения информации примерно в 40 раз меньше ячеек, используемых в самых современных 20-нм модулях NAND-памяти. Данная технология потенциально способна во много раз увеличить емкость модулей памяти. Кроме того, данные запоминающие устройства способны выдерживать сильное радиационное излучение и температуру до 200°C, сохраняя всю информацию.

Ячейка флэш-памяти на основе графена

Еще одно преимущество разработки заключается в беспрецедентной экономичности расхода энергии. Для хранения данных модули памяти используют два исходных состояния — нейтральное (выключенное) и заряженное (включенное). Для того, чтобы закодировать 1 бит информации в графеновых модулях требуется в миллион раз меньше энергии, чем для кодирования того же бита в кремниевых чипах.

Электроды для суперконденсаторов. Проводимость графеновых электродов превышает 1700 См/м, тогда как у электродов на активированном угле она составляет лишь 10–100 См/м. Благодаря высокой механической прочности LSG-электроды могут использоваться в суперконденсаторах без связующих элементов или токоприемников, что упрощает конструкцию и снижает себестоимость изготовления суперконденсаторов.

Графеновый суперконденсатор (ионистор)

Исследователи из Калифорнийского университета Лос-Анджелеса и Калифорнийского института наносистем (California NanoSystems Institute) продемонстрировали высокопроизводительные электрохимические конденсаторы на основе графена, которые сохраняют превосходные электрохимические параметры при больших механических нагрузках. Статья на эту тему в марте была опубликована в журнале Science.

Устройства, изготовленные с использованием гравированных лазером графеновых электродов, характеризуются очень высокой плотностью энергии в разных электролитах, высокой плотностью мощности и поцикловой стабильностью. Более того, эти суперконденсаторы сохраняют отличные электрохимические свойства при больших механических нагрузках, благодаря чему их можно будет применять в мощных и гибких электронных устройствах.

Недорогие дисплеи для портативных устройств. Графен можно использовать вместо ITO (оксида индия-олова) в электродах для OLED-дисплеев. Во-первых, это позволяет снизить стоимость дисплея, а во-вторых, упрощает его утилизацию за счет прекращения использования металлических элементов.

Дисплей, изготовленный с применением графена

Кроме того, было установлено, что графен пропускает до 98% света. Это значительно выше показателя пропускания лучших материалов из ITO (82-85%). Графен обладает высокой электропроводностью, что позволяет использовать его для создания прозрачных электродов, управляющих поляризацией и состоянием жидких кристаллов.

Другая группа исследователей недавно установила, что несколько слоёв графена, нагретые при температуре 300-400°C в присутствии порошкового хлорида железа (FeCl3) приводит к интеркаляции слоёв графена и хлорида железа. Электроны из хлорида железа увеличивают число носителей заряда в слоях графена, а результате чего поверхностное сопротивление слоя падает до 8,8 Ом на квадрат при видимой прозрачности материала 84%. Новый материал имеет хорошую долговременную и температурную стабильность и во много раз лучше по характеристикам, чем сравнимые слои ITO: при том же поверхностном сопротивлении последний имеет прозрачность лишь 75%, а при той же прозрачности — сопротивление в 40 Ом на квадрат.

Гибкое прозрачное устройство отображения (дисплей с печатной платой) станет возможным изготовить на основе графена.

Аккумуляторы для автомобилей на водородном топливе. С помощью графеновых пленок можно увеличить энергию связи атомов углерода. Это позволит увеличить емкость, либо уменьшить вес аккумуляторов.

Датчики для диагностики заболеваний. В основе работы этих датчиков лежит тот факт, что молекулы, чувствительные к некоторым болезням, присоединяются к атомам углерода в графеновом слое. В датчике используется графен, молекулы ДНК и флуоресцентные молекулы. Флуоресцентные молекулы соединяются с одиночной ДНК, которая в свою очередь связывается с графеном. Когда другая одиночная молекула ДНК связывается с ДНК, присоединенной к слою графена, и формируется двойная ДНК, которая свободно передвигается по графену, увеличивая уровень излучения.

Принцип распознавания поврежденных ДНК

Охлаждение электронных схем. Недавно созданный композитный материал на основе графена и меди нашел применение в качестве наиболее эффективного и недорогостоящего средства охлаждения электронных устройств. Теплопроводность композита составляет 460 Вт/(м·K), тогда как у меди она равна 380 Вт/(м·K).

Композит осаждается на охлаждаемую поверхность электрохимическим способом в виде пленки толщиной 200 мкм. Уже разработана схема переоснащения оборудования для изготовления медно-графенового теплоотвода.

Элементы с малым удельным весом и высокой прочностью. Добавление в эпоксидный композит графена обеспечивает более высокую удельную прочность элементов, поскольку графен прочно связывается с молекулами полимеров.

Вместо заключения

Нет сомнений, что когда эти и другие разработки будут доведены до конца, наше представление об электронике коренным образом изменится. Как? Например, так, как показано в следующем видеоролике:

Его создатели, правда, не учли, что к тому времени и одежда будет сделана с применением углеволокна и графена и будет выглядеть совсем по-другому. 🙂

Читайте также:

Химически модифицированный графен для новой электроники
У графена появился соперник — графин
Новые возможности суперконденсаторов с графеновыми электродами
Графеновые микросхемы толщиной в один атом углерода могут создаваться крупносерийно
Графен можно выращивать дешево
Ученые создали первую в мире графеновую память
Найден способ управления свойствами графена
Графеновый транзистор разогнали до 26 ГГц
Исследователи создали моноокись графена для будущей электроники
Для лучшего охлаждения кристаллов придуман композит меди и графена

Зачем России графен — Ведомости

Это только один эпизод эпической битвы за патенты между гигантами технологической индустрии Samsung Electronics и Apple за лидерство на мировом рынке смартфонов / Андрей Гордеев / Ведомости

На этой неделе исследовательское подразделение Samsung Electronics представило новый тип литийионных аккумуляторов, которые можно будет заряжать за рекордные 12 минут – секрет в особых наночастицах, покрытых слоем графена, двумерного углерода, за открытие уникальных свойств которого выпускники МФТИ, сотрудники Университета Манчестера Андрей Гейм и Константин Новоселов получили в 2010 г. Нобелевскую премию по физике. Это только один эпизод эпической битвы за патенты между гигантами технологической индустрии Samsung Electronics и Apple за лидерство на мировом рынке смартфонов – в том числе за патенты на технологии с использованием подобных графену двумерных материалов, новости о применении которых появляются фактически каждую неделю. Apple, например, недавно получила патент на акустические диафрагмы с графеном для использования в устройствах следующих поколений, а патентный портфель Samsung уже настолько широк, что можно говорить о целой линейке будущих продуктов с графеном.

Интерес крупных компаний к графену логичен: его уникальные физико-химические свойства позволяют создавать на его основе самые разные технологии. На наших глазах совершается новая технологическая революция – графеновая, однако Россия в нее пока не включилась.

Масштаб интереса ученых к графену описывается огромным количеством публикаций в мировых научных журналах: менее чем за 14 лет с момента его открытия вышло около 130 000 работ. Свойства этого материала открывают новые возможности для фундаментальных исследований, однако конкретно в случае графена особенно интересны их коммерческие перспективы. Значительный рост числа патентов, в которых предлагается использовать графен, говорит о том, что мир уже вступает в эру применения новых материалов. Согласно мультидисциплинарной базе данных Scopus, включающей записи пяти ведущих патентных ведомств, на сегодня в мире зарегистрировано более 50 000 заявок и патентов с упоминанием графена. Больше половины принадлежит Китаю – и его доля продолжает расти, следом в группе лидеров находятся Южная Корея, США, Япония и Тайвань. Любопытно, что в Китае по числу заявок лидируют национальные университеты, в Южной Корее – корейские коммерческие компании, а в США – частный бизнес, как американский, так и иностранный.

Лидерство Китая неудивительно. Развитие индустрии новых материалов там поддерживается на государственном уровне – в рамках планов тринадцатой китайской пятилетки (2016−2020 гг. ). Ожидается, что двумерные материалы в целом и графен в частности будут играть решающую роль в модернизации традиционных и создании новых отраслей промышленности Китая. Для координации исследований и разработок и внедрения их в промышленность в далеком по меркам графена 2013 году был создан Инновационный альянс графеновой промышленности Китая, по оценкам которого на Китай в будущем будет приходиться до 80% мировой графеновой индустрии.

Китай не одинок: графен в качестве одного из самых перспективных материалов ближайшего будущего рассматривают практически все ведущие азиатские экономики. Миллиардные вложения в эту область делают и на Западе. В Евросоюзе координация исследований в области графена, взаимодействие научных организаций и индустриальных партнеров идут в рамках десятилетнего пилотного проекта Graphene Flagship стоимостью 1 млрд евро. В США в 2017 г. была создана Национальная графеновая ассоциация, объединившая предпринимателей, исследователей, разработчиков и производителей, инвесторов, венчурных капиталистов и государственные учреждения для стимулирования инноваций, продвижения и коммерциализации продуктов и технологий на основе графена. В консультативный совет ассоциации входят представители Apple, IBM, Cisco, а также два наших соотечественника – выпускника МФТИ: генеральный директор одного из ведущих производителей графена в мире Graphene 3D Lab Inc. (среди клиентов – Apple и NASA) Елена Полякова и профессор Свободного университета Берлина Кирилл Болотин.

Мир графена вообще славен российскими именами. Помимо Гейма и Новоселова графеном занимаются множество российских ученых с мировыми именами: Александр Баландин (Калифорнийский университет в Риверсайде), Дмитрий Басов (Колумбийский университет), Леонид Левитов (Массачусетский технологический институт), Виктор Рыжий (МФТИ), Владимир Фалько (директор Национального института графена, Университет Манчестера) и др. Но практически все заметные достижения россиян в области двумерных материалов получены за рубежом: в России выстроенная госполитика в отношении таких перспективных исследований отсутствует. За рубежом поддержка проводится не просто за счет создания научных лабораторий и профессорских позиций в ведущих университетах, а посредством открытия национальных исследовательских центров, которые совмещают научные исследования с практическими разработками, – такие центры есть в Китае, США, Великобритании, Японии, Южной Корее, Сингапуре, Малайзии, Бразилии и Южной Африке. Чтобы оценить, насколько такая модель поддержки оправдывает себя, достаточно сравнить показатели публикационной активности и востребованности научных публикаций России и Сингапура в целом и отдельно Сингапурского центра двумерных материалов: по части графеновых исследований один центр в небольшом городе-государстве оказывается в несколько раз эффективнее всей российской науки.

Россия, несмотря на отсутствие сколько-нибудь выраженного интереса к этой области со стороны государства, по общему числу публикаций о графене находится на 14-м месте мирового рейтинга – в сложившихся условиях весьма достойный результат. В нашей стране исследования с графеном сосредоточены по большей части в стенах Академии наук и в нескольких лабораториях ведущих вузов – участников Проекта 5-100. В МФТИ исследования и разработки в этой области ведутся в Центре фотоники и двумерных материалов.

В России пока не осознали масштаба влияния новых материалов на высокотехнологичную промышленность. Но есть ли у нас в принципе производство, которое было бы заинтересовано в таких исследованиях? Да, в области наноэлектроники, где использование графена открывает очень большие перспективы, наши шансы на лидерство уже минимальны. Но для сохранения позиций в авиационной, ракетно-космической и оборонной промышленности России необходимо обратить внимание на двумерные материалы. Американские гиганты Boeing и Lockheed Martin уже стали одними из ведущих разработчиков новых технологий на основе графена, а европейские Airbus и Thales называются в числе основных выгодоприобретателей общеевропейской программы Graphene Flagship. Манчестерский институт графена совместно с Институтом аэрокосмических технологий Великобритании разработали долгосрочную программу прикладных исследований графена в аэрокосмической сфере, которая будет запущена в конце 2017 г. Boeing 787 Dreamliner уже сейчас на 50% состоит из композитных материалов, что позволило снизить расход топлива на 30%. И вытеснение традиционных для авиастроения материалов теперь уже за счет использования двумерных материалов будет продолжаться.

Графен также может быть использован в ключевой для России области нефте- и газодобычи: ведущие нефтесервисные компании мира изучают и патентуют графенсодержащие жидкости, которые могут быть использованы в буровых растворах для управления толщиной и свойствами фильтрационной корки. Ряд компаний предлагают использовать графен для изготовления полимерных труб и функциональных покрытий для нефте- и газопроводов. Двумерные материалы открывают большие перспективы для развития возобновляемой энергетики за счет разработки прозрачных солнечных батарей и сверхъемких аккумуляторов. Это вынуждает нефтедобывающие компании (например, Repsol, Statoil и Petronas) диверсифицировать риски, инвестируя в графеновые технологии. В частности, испанская Repsol c 2013 г. является инвестором ведущего европейского производителя графена Graphenea. Арабские Эмираты на государственном уровне вложились в создание инновационного инжинирингового графенового центра в Манчестере. Центр будет носить имя национальной компании ОАЭ Masdar, инвестирующей в возобновляемые источники энергии и чистые технологии.

Также двумерные материалы имеют большой потенциал применения в автомобилестроении, робототехнике и легкой промышленности. Это строительный материал для различных устройств и датчиков, которые могут обеспечить работу интернета вещей. И просто фантастическим видится применение двумерных материалов в области биомедицинских приложений: возможности in vivo мониторинга состояния организма, направленной стимуляции и высокоточной регистрации активности нейронов головного мозга. Это позволит создать принципиально новые технологии нейропротезирования и нейроинтерфейсов, которые смогут напрямую передавать информацию из мозга человека в компьютер и наоборот.

В разные периоды развития цивилизации человек учился обрабатывать камень, работать с металлами и полупроводниками. Теперь пришло время работы с двумерными материалами вообще и с графеном в частности – и важно не растратить его попусту. В этом смысле у графена есть важное преимущество. Для работы с ним и, что гораздо важнее, для получения на его основе коммерчески перспективных технологий далеко не всегда требуется дорогостоящее научное оборудование. Экспериментальные образцы Гейм и Новоселов получили, отшелушивая одноатомные слои от кусочка графита при помощи обычного скотча. Этот метод они используют в своих лабораториях и по сей день: так удается получать и другие двумерные материалы самого высокого качества. Конечно, передовые лаборатории оснащены самыми современными приборами, а исследования проводятся в помещениях с минимальным числом пылинок в воздухе, но при этом значительная часть прикладных разработок может выполняться в условиях, доступных большинству исследователей во всем мире.

Сейчас, когда в России говорят о будущем, мы слышим в основном об искусственном интеллекте, блокчейне, криптовалютах и квантовых технологиях. Графен же у нас подобен Золушке, которая, как мы помним, была самой скромной и недооцененной, но при этом самой талантливой из своих сестер. Безусловно, роль информационных технологий в ближайшем будущем будет только расти, однако одни лишь они не могут решить всех задач, которые стоят перед человечеством. В новом дивном мире, где важную роль будет играть индустрия двумерных материалов, Россия тоже может занять достойное место. Главное – осознать этот факт сейчас, пока и у нас еще есть шансы на графеновое будущее.

Авторы – директор центра фотоники и двумерных материалов МФТИ; научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ

Графен в медицине

Ксения Рыкова для ПостНауки

Биоэлектроник Дмитрий Киреев о графеновых устройствах для лечения и диагностики заболеваний и их преимуществах перед кремниевыми девайсамиВ проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

В 2010 году Андрей Гейм и Константин Новоселов получили Нобелевскую премию за «новаторские эксперименты, касающиеся двухмерного материала графена». С тех пор физики и химики по всему миру начали исследовать свойства нового материала и находить им все новые практические применения. Графен используется для создания электронных чипов, сенсоров для газов, мембран для очищения воды. С появлением графена начался новый этап развития медицинских технологий и биоэлектроники.

Свойства графена

Графен — это двумерный материал, аллотропная модификация углерода. В случае графена атомы углерода выстроены в шестигранную структуру и формируют слой толщиной в один атом — это и есть графен. Такую структуру он приобретает за счет sp2-гибридизации. На внешней оболочке атома углерода расположены четыре электрона: при sp2-гибридизации три из них вступают в связь с соседними атомами, а четвертый находится в состоянии, которое образовывает энергетические зоны. Поэтому из-за sp2-гибридизации графен обладает уникальными электрическими свойствами и прекрасно проводит электрический ток. Графен также имеет впечатляющие механические свойства: он гибкий, тонкий и на 97% прозрачный.

Теоретические работы доказывают, что графен очень жесткий и стойкий к механическому воздействию. В то же время, если положить его на подложку из мягкого материала, он примет его свойства. Эти характеристики полезны в биоэлектронике, в рамках которой ученые разрабатывают устройства для применения в живых организмах. В этой области приоритет отдается мягким материалам, более совместимым с тканями организма. Кремний и твердые металлы, которые используются в обычной электронике, для этого плохо подходят. С 2008 года появляются работы по графеновым нейродевайсам и биосенсорам: ученые исследуют возможности нового материала и уже достигают ощутимых результатов в этой области [1] [2].

Гексагональная решётка — идеальная кристаллическая структура графена

 // wikipedia.org

---

Нейродевайсы: считывание активности нейронов

На основе уникальных свойств графена можно делать нейродевайсы, считывающие активность нейронов. Базовый элемент таких устройств — графеновый (амбиполярный, полевой) транзистор, через который протекает ток, если приложить напряжение. Разработчики биоэлектроники делают чипы, на которых размещают графеновые транзисторы на гибких подложках. Поверх этого чипа выращивают нейрональные клетки. Примерно через три недели, когда клетки достаточно вырастают, они взаимодействуют между собой и спонтанно возбуждаются, производят импульс. На поверхности клетки изменяется заряд — быстро и незначительно, на десятки милливольт. Этот поверхностный заряд влияет на проводимость графена за счет эффекта поля, то есть нейрональный импульс изменяет ток на всем транзисторе. Ученые считывают его и тем самым видят активность нейронов. Нейродевайсами занимаются в Center for Microelectronics Research в Техасском университете в Остине, а также в Institute of Bioelectronics в Юлихском исследовательском центре в Германии. Технология работает в лабораторных условиях, сейчас на ее основе ученые из Техасского университета изготавливают девайсы, которые можно имплантировать в мозг. Несколько таких устройств уже создали другие исследовательские группы, они смогли протестировать их in vivo на мышах и крысах [3].

В перспективе эту технологию можно применять и для людей. Нейродевайсы могут облегчить жизнь людям с болезнью Паркинсона, которые часто сталкиваются с тремором, непроизвольным сокращением мышц. Чтобы регулировать судороги, пациентам имплантируются мультиэлектродные массивы, которые глубоко стимулируют головной мозг электрическими импульсами. При наступлении судорог пациент нажимает кнопку на мини-девайсе, и через электрод поступает несколько сигналов в часть мозга, которая отвечает за заболевание.

Проблема стандартных мультиэлектродных массивов в том, что они сделаны из твердого кремния. Имплантировать кремниевое устройство в мозг — все равно что пытаться поместить гвоздь в мягкую конфету. Организм реагирует на кремниевую электронику как на инородное тело. Вокруг таких устройств формируются глиальные клетки, с помощью которых мозг пытается защитить нейроны и вытолкнуть чужеродный предмет. Поэтому стимуляторы меняют каждые 2–5 лет. На основе графена можно разрабатывать совсем другие девайсы — гибкие, тонкие и мягкие. Клетки апробируют такое устройство, защитная реакция не запустится. Тогда девайсы можно будет менять намного реже — раз в несколько десятков лет.

Облегчение болезни Паркинсона — далеко не единственная область применения графеновых нейродевайсов. Они будут полезны исследователям, работающим с любыми нейродегенеративными заболеваниями. Большинство из них до сих пор недостаточно изучены: ученым не хватает данных о том, как работает человеческий мозг. Сейчас для таких наблюдений тоже используют кремниевые устройства, так что более эффективные графеновые девайсы заменят их и в исследовательских задачах. 

Сенсоры: определение биомаркеров

Другая область применения графена — создание сенсоров, которые определяют  биомаркеры. Таким образом можно измерять нейрональные биорецепторы, ДНК, иммуноглобулин, биомаркеры, связанные с раком или сердечно-сосудистыми заболеваниями. Это дает врачам новые возможности для диагностики заболеваний.

 

Устройства для биосенсоров тоже работают на графеновых транзисторах, но они устроены сложнее. Графен — это углеродная решетка в одной плоскости. Чтобы сделать биосенсор, молекула должна взаимодействовать с графеном. Для этого нужно построить его двух- или трехуровневую функционализацию — присоединить к графену несколько химических групп. Для начала графен функционализируется с пиреном — химическим соединением с формулой C16h20, (циклическим полиароматическим углеводородом). Эту молекулу уже можно функционализировать с другими: например, добавить к ней глюкозооксидазу, и в результате получится биосенсор для глюкозы. Когда глюкоза приблизится к глюкозооксидазе, эти два элемента вступят в химическую реакцию. Она спровоцирует изменение тока в графеновом транзисторе, которое ученые могут наблюдать и делать выводы об уровне биомаркера в организме. Группа корейских исследователей встроила глюкозный сенсор в мультифункциональные контактные линзы — они определяют уровень глюкозы на основе состава слезы. В 2017 году эту технологию испытали на кроликах. Совсем недавно российская группа создала биосенсоры на основе графена, позволяющие измерять токсины, в частности охратоксин А, считающийся одним из самых опасных. В перспективе все эти технологии позволят точнее диагностировать заболевания и отслеживать их течение.

 

Миф о токсичности графена

На любых конференциях неминуемо поднимается вопрос потенциальной токсичности графена. Каждый раз ученым приходится объяснять, что это не совсем так. Графен можно производить несколькими способами. Один из них — это простое размешивание графита или углерода в воде, в результате которого получаются маленькие частицы с латеральными размерами графена меньше ста нанометров. Графен такого вида действительно опасен для клеток: в 2010-х годах исследователи Ахаван и Гадери опубликовали работу, которая доказывала, что мелкие частицы проходят через клеточную мембрану и убивают клетку.

В современной биоэлектронике используется высококачественный графен, выращенный методом химического осаждения из газовой фазы. Он представляет собой однородный слой атомов на очень большой площади — до 100 на 100 миллиметров. Потом разработчики уменьшают его до порядка 100 на 100 микрометров и закрепляют на подложке. В этом случае он не может проявить токсичность, потому что не плавает среди клеток. Более того, есть несколько работ, в рамках которых ученые выращивали клетки поверх графена на подложке и на обычном стекле и сравнивали результаты. Выяснилось, что клетки растут гораздо активнее именно на графене. Графен — биосовместимый материал, ведь это обычный углерод.

Предусиление сигнала: проблема передачи данных на расстоянии

Один из недостатков графена для электроники — это отсутствие запрещенной зоны — такой области значений, которыми не могут обладать электроны в веществе. В графене у электронов произвольная энергия. Он слишком хорошо проводит ток, поэтому на его основе нельзя сделать классический транзистор с положениями 1 и 0, наличием и отсутствием тока. Графеновый транзистор никогда не закрывается: он просто проводит ток либо хорошо, либо плохо. Из-за этого он не выполняет логические операции, с которыми справляются классические кремниевые транзисторы. Для современной графеновой электроники это значительная проблема.

 

Биоэлектрические потенциалы, создаваемые нейрональными клетками вокруг мембраны, довольно слабые: от десяти до двухсот микровольт в зависимости от клетки, ширины щели между ней и графеном и прочих факторов. Передавать их на расстояние нескольких метров без потерь практически невозможно:  электромагнитные волны от других устройств заглушают слабый сигнал. На основе графена нельзя построить транзисторы, которые будут выполнять логические операции для усиления сигнала. Оптимальным решением будет использовать графен для измерения и создавать дополнительные транзисторы из других 2D-материалов. Они позволят предусилить сигнал от 10 микровольт до 10 милливольт, которые можно проводить без потерь на 10 километров. Это важная задача и для обычной электроники, и для медицинских девайсов. Предусиление сигнала позволит сделать все технологии беспроводными и взаимодействовать с устройствами через транзисторные системы.

Перспективы практического применения графена

Сложно сказать, когда графеновую биоэлектронику начнут широко применять на практике. Ученые испытывают нейродевайсы, биосенсоры и другие исследовательские проекты в лабораторных условиях. Чтобы вывести их на уровень медицинского применения, нужно развивать индустрию производства графеновых устройств. Для исследований обычно изготавливают от 10 до 100 аппаратов. Медицинская практика требует гораздо больших масштабов: нужны тысячи и миллионы таких устройств. Сейчас кажется, что перспектива практического применения пока далеко за горизонтом, но через 5–10 лет можно будет сказать нечто более определенное. Исследовательские группы экспериментируют с графеном в разных направлениях, применяют его для решения многих задач. Пока сложно однозначно выделить перспективные подходы, на это нужно время и инвестиции, которые помогут развивать уже имеющиеся исследования.

применений графена: для чего используется графен?

Графен представляет собой слой атомов углерода толщиной в один атом, расположенных в виде сот. Графен считается самым тонким, прочным и наиболее проводящим материалом в мире как для электричества, так и для тепла. Все эти свойства интересны исследователям и предприятиям по всему миру, поскольку графен может революционизировать целые отрасли — в области электричества, электропроводности, производства энергии, аккумуляторов, датчиков и многого другого.

Механическая прочность

Графен — самый прочный материал в мире, и его можно использовать для повышения прочности других материалов. Десятки исследователей продемонстрировали, что добавление даже незначительного количества графена к пластику, металлу или другим материалам может сделать эти материалы намного прочнее или легче (поскольку вы можете использовать меньшее количество материала для достижения той же прочности).

Такие усиленные графеном композитные материалы могут найти применение в аэрокосмической отрасли, строительных материалах, мобильных устройствах и многих других областях.

Термические применения

Графен является наиболее теплопроводным материалом, обнаруженным на сегодняшний день. Поскольку графен также прочен и легок, это означает, что он является отличным материалом для изготовления решений для распределения тепла, таких как радиаторы или пленки для рассеивания тепла. Это может быть полезно как в микроэлектронике (например, чтобы сделать светодиодное освещение более эффективным и долговечным), так и в более крупных приложениях — например, в термопленках для мобильных устройств. Например, в последних смартфонах Huawei используются термопленки на основе графена.

Аккумулирование энергии

Поскольку графен является самым тонким материалом в мире, у него чрезвычайно высокое отношение площади поверхности к объему. Это делает графен очень перспективным материалом для использования в батареях и суперконденсаторах. Графен может использоваться для аккумуляторов и суперконденсаторов (и даже топливных элементов), которые могут хранить больше энергии и заряжаться быстрее.

Преимущества графеновых аккумуляторов

Покрытия, датчики, электроника и многое другое

Графен имеет большие перспективы для дополнительных применений: антикоррозийные покрытия и краски, эффективные и точные датчики, более быстрая и экономичная электроника, гибкие дисплеи, эффективные солнечные батареи, более быстрое секвенирование ДНК, доставка лекарств и многое другое.

Графен является таким прекрасным и основным строительным блоком, что кажется, что любая промышленность может извлечь выгоду из этого нового материала. Время покажет, где графен действительно окажет влияние, или другие новые материалы окажутся более подходящими.

Последние новости о применении графена:

Производитель средств индивидуальной защиты, MCR Safety, недавно представил CT1071, новую защитную перчатку уровня покроя «E», изготовленную из графеновых волокон. Он предлагает выбор различных покрытий, предназначенных для различных задач и условий работы. CT1071 имеет оболочку 15-го калибра, специально разработанную для использования преимуществ сверхлегкого характера новых волокон. Это перчатка Cut Level «E», но, как сообщается, она на 25% легче, чем аналогичные перчатки, обеспечивающие уровень защиты. Он также разработан, чтобы быть удобным и легким в носке.

Изображение

Поскольку это волокно не смешивается со стеклом или сталью, высокий уровень защиты от порезов сохраняется на протяжении всего срока службы перчатки. Отсутствие разрывов волокон означает высокую износостойкость, высокий комфорт и отсутствие раздражения. Прозрачное покрытие Nitrile Micro-Foam обеспечивает улучшенное сцепление даже в маслянистых условиях.

Читать полностью Опубликовано: 22 сентября 2022 г.

Martinrea International, глобальный автомобильный поставщик легких конструкций и силовых установок с добавленной стоимостью (сотрудничающий с NanoXplore), был назван лауреатом премии Automotive News PACE Award 2022 на церемонии награждения 19 сентября..

Компания Martinrea получила признание за свои тормозные магистрали с GrapheneGuard, которые считаются первым применением графена в автомобильных тормозных магистралях. Мартинреа осознал потенциал графена и разработал революционную технологию покрытия GrapheneGuard, которая включает графен в нейлон. Разработка GrapheneGuard представляет собой слияние инноваций в области материаловедения и технологического проектирования, благодаря чему на автомобильном рынке появилось покрытие для тормозных магистралей, которое, как сообщается, обладает непревзойденными свойствами. Материал может обеспечить снижение веса до 25 процентов, одновременно демонстрируя превосходную прочность, лучшую защиту от истирания и повышенную химическую стойкость, и все это при использовании современного производственного оборудования и процессов.

Читать полностью Опубликовано: 21 сентября 2022 г.

Sparc Technologies недавно объявила о заключении соглашения о стратегическом партнерстве с Технологическим университетом Квинсленда (QUT), которое будет поддерживать долгосрочное партнерство и обязательства между сторонами, предоставляя Sparc преимущественное право отказа от коммерциализации технологий, разработанных на основе проектов, которые Sparc реализует совместно с QUT. Соглашение также обеспечивает основу для долгосрочного сотрудничества, в соответствии с которым Sparc и QUT соглашаются работать вместе для определения и реализации новых проектов.

Одновременно с подписанием Соглашения о стратегическом партнерстве Sparc совместно с QUT начал проект по разработке процесса производства твердого углерода с использованием недорогих зеленых биоотходов из устойчивых источников, предназначенный для производства натрий-ионных аккумуляторов. Твердые углеродные материалы будут охарактеризованы и протестированы в формате ионно-натриевых элементов на объектах QUT мирового класса для разработки и тестирования аккумуляторов, включая Национальный центр тестирования аккумуляторов и Центральный аналитический исследовательский центр (CARF).

Читать полностью Опубликовано: 16 сент. 2022 г.

Skeleton Technologies объявила, что поставит свои суперконденсаторы с «изогнутым графеном» для станций метро
, которые испанский производитель CAF поставит в город Гранада, Испания.

Компания CAF Power & Automation со штаб-квартирой в Доностии, Сан-Себастьян (Испания), сотрудничает со Skeleton Technologies с прошлого года. После успешного тендера, испанский производитель был выбран Metro de Granada для поставки 8 новых единиц для городской сети, которые будут добавлены к 15 ранее поставленным единицам, которые составляют 9 единиц.0065 в настоящее время находится в эксплуатации.

Читать полностью Опубликовано: 15 сентября 2022 г.

Компания

Applied Graphene Materials (AGM) подписала соглашение о поставках с мировым лидером в области автомобильной детализации для эксклюзивно разработанного решения на основе графена. Утверждается, что партнерство с неназванным «глобальным известным брендом» представляет собой важную веху для AGM в секторе ухода за автомобилем, где компания уже объявила о выпуске нескольких продуктов с более мелкими участниками.

AGM заявила, что ее новый партнер продвигает инновации на рынке и теперь лидирует в поставках высокопроизводительных продуктов для автомобильной детализации и отделки. Добавление технологии дисперсии нанопластин графена Genable от AGM в системы ухода за автомобилем может значительно улучшить барьерные свойства восков, полиролей и отделочных спреев для автомобилей, добавила компания.

Читать полностью Опубликовано: 15 сентября 2022 г.

Ученые из израильского Института науки Вейцмана в сотрудничестве с группами из Манчестерского университета и Калифорнийского университета в Ирвине показали, что электронная жидкость может течь через материалы без какого-либо электрического сопротивления, тем самым полностью устраняя фундаментальный источник сопротивления, который формирует окончательный предел для баллистических электроны. Этот результат может открыть двери для улучшенных электронных устройств, которые не нагреваются так сильно, как существующие технологии.

Когда электроны движутся по электрическим проводам, они теряют часть своей энергии, которая расходуется впустую в виде тепла. Этот нагрев является серьезной проблемой в повседневной электронике. Нагрев происходит из-за того, что электрические проводники никогда не бывают идеальными и имеют сопротивление для протекания электрического тока. Как правило, это сопротивление возникает из-за рассеяния протекающих электронов на несовершенствах материала-хозяина. Но само собой разумеется, что идеальный проводник, лишенный каких-либо недостатков, будет иметь нулевое сопротивление. Однако, даже если проводник идеально чист и не имеет дефектов, сопротивление не исчезает. Вместо этого появляется новый источник сопротивления, известный как сопротивление Ландауэра-Шарвина. В электрическом проводнике электроны движутся по квантовым каналам, подобно автомобилям на шоссе. Подобно шоссейным дорогам, каждый электронный канал имеет конечную способность проводить электроны, ограниченную квантом проводимости. Для данного проводника число квантовых каналов конечно и определяется его физической шириной. Таким образом, даже совершенное электронное устройство, лишенное каких-либо недостатков, никогда не будет иметь бесконечной проводимости. Он всегда будет иметь сопротивление. В отсутствие взаимодействий между электронами это сопротивление Ландауэра-Шарвина неизбежно, устанавливая фундаментальную нижнюю границу нагрева компьютерных микросхем, которая становится еще более серьезной по мере того, как транзисторы становятся меньше.

Читать полностью Опубликовано: 14 сентября 2022 г.

Компания Zentek недавно объявила о заключении соглашения о производстве и поставках с компанией Viva Healthcare Packaging (Canada) Ltd. лидеры по производству хирургических масок в Канаде с объемом производства от 15 до 20 миллионов единиц в месяц.Партнерство между Zentek и VMedCare позволит создать поставщик полностью изготовленных в Канаде масок с усовершенствованной системой ZenGUARD™ для канадского рынка9.0003

В соответствии с Соглашением Zentek поставит спанбонд с покрытием ZenGUARD™ компании VMedCare, которая будет нести ответственность за производство и упаковку хирургических масок ZenGUARD™. Объединенные группы продаж Zentek и VMedCare будут работать вместе, чтобы обеспечить продажи хирургических масок с улучшенными характеристиками ZenGUARD™.

Читать полностью Опубликовано: 12 сентября 2022 г.

Слоистые двойные гидроксиды Ni-Co (СДГ) рассматриваются как перспективные материалы для псевдоконденсаторных электродов. Исследователи из Чоннамского национального университета и Корейского института науки и технологий (KIST) недавно провели исследование, посвященное использованию гибрида оксида графена (GO) и одностенных углеродных нанорогов (SWCNH) в качестве эффективной платформы для материалов покрытия LDH для суперконденсаторов. электроды.

Изображение

Команда объяснила, что новый материал электродов суперконденсатора на основе Ni-Co LDH и GO/SWCNHs может быть потенциальным выбором для применения в псевдоконденсаторах благодаря его превосходным электрохимическим свойствам и простоте производства, что идеально подходит для различных коммерческих и промышленных приложений.

Читать полностью Опубликовано: 11 сентября 2022 г.

Исследователи из Национального института криогеники и изотопных технологий ICSI-Rm в Румынии применили микроволновые процессы для легирования йодом и восстановления оксида графена для производства функционализированных электрокатализаторов реакции органического восстановления топливных элементов. Команда решила использовать микроволновые процессы из-за их многочисленных преимуществ, таких как сокращение потребления энергии, времени и затрат.

Процесс, разработанный командой, основан на более быстром, простом, экономичном и эффективном протоколе в условиях атмосферного давления. В мягких условиях микроволновый процесс, описанный в исследовании, синтезирует из оксида графена подобную холсту структуру йода/восстановленного оксида графена. Таким образом, была разработана недорогая и эффективная альтернатива катализаторам на основе платины.

Читать полностью Опубликовано: 08 сент. 2022 г.

Haydale начала поставлять южнокорейскому разработчику пластмасс NeoEnpla функционализированные графеновые нанопластины (GNP) для использования в пищевой упаковке. Функционализированный с использованием запатентованной Haydale технологии HDPlas®, термопластик с улучшенными характеристиками GNP был использован для производства первых образцов пакетов с застежкой-молнией для хранения пищевых продуктов и биоразлагаемых пластиковых пакетов.

LLDPE и LDPE (полиэтилен низкой плотности) широко используются в пищевой упаковке и идеально подходят для хранения пищевых продуктов благодаря их высокой устойчивости к влаге, разрывам и химическим веществам. Сообщается, что пакеты с застежкой-молнией с усиленным графеном показали увеличение прочности на растяжение на 31% по сравнению с сумками с застежкой-молнией без графена LLDPE (линейный полиэтилен низкой плотности). Кроме того, повышенная механическая прочность пакетов с графеновой застежкой-молнией позволяет уменьшить вес пластика, уменьшая толщину пленки с 9От 0 мкм до 60 мкм на мешок.

Читать полностью Опубликовано: 07 сентября 2022 г.

60 Использование графена — Полное руководство по (потенциальным) применениям графена в 2019 году

Графен, называемый чудо-материалом, занял свое место в глобальной индустрии спешки. Сегодня во всем мире наблюдается значительный рост графеновой лихорадки. Графен — это материал, состоящий из чистого углерода, похожий на графит, но с характеристиками, которые делают его необычайно легким и прочным. Лист графена площадью один квадратный метр весит 0,77 миллиграмма. Его прочность в 200 раз выше, чем у стали, а плотность аналогична плотности углеродного волокна.

Все это позволяет выдерживать высокие изгибающие усилия без разрушения. Это один из самых проводящих электричество и тепло материалов, что делает его идеальным материалом для электроники и многих других отраслей промышленности. Для многих экспертов графен — это материал будущего. Его научное определение можно считать несколько сложным, но правда в том, что свойства этого материала открывают новые горизонты в мире технологий.

Введение

Его применение практически безгранично и обещает произвести революцию во многих областях: от электроники и вычислительной техники до строительства и даже здравоохранения. Вы можете найти почти все области применения графена в этом списке — некоторые из них уже коммерциализированы, некоторым нужны годы, чтобы материализоваться.

Напоминание : Графен не зря называют «чудо-материалом» . Об этом есть десятки исследований, которые еще не опубликованы, но завтра могут изменить мир. С другой стороны, некоторые из потенциальных приложений, которые мы здесь перечисляем, могут быть опровергнуты в будущем. По этой причине мы не можем утверждать, что этот список включает все применения графена, но, несомненно, это один из наиболее полных списков применений графена, которые вы можете найти в Интернете.

Отказ от ответственности: Содержание этого поста или любого другого связанного материала предназначено только для информационных целей и не должно восприниматься как медицинский или технический совет.

• Приложения Graphene в Энергетическая индустрия : Пункты 1-6
• Приложения Graphene’s в : Предметы 7-22

  10101535. 34

• Graphene’s Applications in Food Industry : Items 35-39
• Graphene’s Applications in Sports : Items 40-45
• Other Applications of Graphene : Items 46 -60

Применение графена в энергетике

1. Графен в солнечных элементах

Идея разработки более легких, гибких и прозрачных свойства и способность нести ток был проблемой. Использовался оксид индия-олова, потому что он был прозрачным, однако он не был гибким, поэтому ячейка должна была оставаться жесткой.

В 2017 году исследователям из Массачусетского технологического института удалось успешно применить графен на солнечной батарее. Когда они сравнили графеновый солнечный элемент с другими, изготовленными из алюминия и оксида индия и олова, они увидели, что он так же хорош, как элемент ITO, и немного хуже, чем алюминиевый, с точки зрения плотности тока и эффективности преобразования энергии. Однако ожидается, что прозрачная ячейка будет работать хуже, чем непрозрачная ячейка на основе алюминия.

Хотя электрические свойства не были прорывом, был разработан гибкий и прозрачный солнечный элемент, который можно установить на любую поверхность (автомобили, одежда, бумага, мобильные телефоны и т. д.). Более того, другие ученые пытаются выяснить, могут ли графеновые солнечные батареи генерировать энергию из капель дождя, что теоретически выглядит возможным.

Чтобы получить дополнительную информацию, вы можете прочитать Использование графена в солнечных батареях.

2. Аккумуляторы из графена

Литий-ионные аккумуляторы с улучшенным графеном демонстрируют невероятные характеристики, такие как более длительный срок службы, более высокая емкость и более быстрое время зарядки, а также гибкость и легкость, поэтому их можно использовать в носимой электронике.

Чтобы получить дополнительную информацию, вы можете прочитать Литий-ионные батареи в сравнении с графеновыми батареями.

3. Графен на атомных электростанциях

Тяжелая вода, используемая на атомных электростанциях для охлаждения реакторов, является дорогостоящей в производстве и вызывает миллионы тонн выбросов CO2 во время производства. Исследователи из Манчестерского университета обнаружили, что существует более экологичный и недорогой метод производства тяжелой воды: графеновые мембраны. Руководитель группы д-р Лозада-Идальго считает, что это нововведение чрезвычайно важно, и его внедрение в ядерную отрасль произойдет в ближайшее время, хотя эта отрасль обычно скептически относится к новым технологиям.

Чтобы получить дополнительную информацию, вы можете прочитать статью «Графен для атомных электростанций».

4. Графен в термоэлектрическом

Эффект Зеебека определяется как термоэлектрический эффект, возникающий при воздействии тепла на один из двух разнородных электрических проводников (или полупроводников) для перемещения электронов из горячей части в более холодную часть. и производить электроэнергию. Однако энергия, генерируемая этим методом, очень мала, обычно измеряется микровольтами. Тем не менее, считается, что его можно использовать для получения выгоды от тепла, выделяемого двигателями, которое практически тратится впустую. Графен можно использовать для увеличения эффекта Зеебека, создаваемого титанатом стронция, почти в 5 раз.

Чтобы получить дополнительную информацию о стратегиях улучшения литий-ионных аккумуляторов,

, вы можете прочитать наш блог.

5. Графен в дистилляции спирта

Физические свойства графена настолько интересны и уникальны, что он пропускает большие молекулы воды, но останавливает молекулы гелия, которые могут просачиваться через стекло. Андре Гейм (один из изобретателей графена) и Рахул Наир из Манчестерского университета попытались запечатать бутылку водки разработанной ими графеновой мембраной и обнаружили, что графен может эффективно дистиллировать этанол даже при комнатной температуре и без вакуума, необходимого для дистилляции. методы. Эта область применения может быть использована в алкогольных напитках, топливе, очистке воды и так далее.

6. Графен в топливных элементах

Даже атомы водорода, известные как самые маленькие атомы, не могут пройти через графен. В другом исследовании сэр Андре Гейм и его команда проверили, блокируются ли протоны графеном или нет. Удивительно, но протоны могли проходить сквозь графен. Это свойство улучшит характеристики топливных элементов за счет снижения перехода топлива, что является серьезной проблемой для топливных элементов, снижающих долговечность и эффективность.

Чтобы получить дополнительную информацию о разработке топливных элементов с помощью нанотехнологий,

, вы можете  прочитать наш блог.

Применение графена в медицине

7. Графен в доставке лекарств

Функционализированный графен можно использовать для доставки химиотерапевтических препаратов к опухолям у онкологических больных. Носители на основе графена лучше воздействуют на раковые клетки и снижают токсичность пораженных здоровых клеток. Доставка лекарств не ограничивается лечением рака, противовоспалительные препараты также переносятся с помощью комбинаций графена и хитозана и дали многообещающие результаты.

8. Графен в лечении рака

Графен также может обнаруживать раковые клетки на ранних стадиях заболевания. Более того, он может остановить их дальнейший рост при многих типах рака, вмешиваясь в правильное формирование опухоли или вызывая аутофагию, которая приводит к гибели раковых клеток.

9. Графен в доставке генов

Доставка генов — это метод, используемый для лечения некоторых генетических заболеваний путем введения чужеродной ДНК в клетки. Для этих целей можно использовать оксид графена, модифицированный полиэтиленимином. Ожидается, что он проявит низкую цитотоксичность, как это было в случае с доставкой лекарств.

10. Графен в фототермической терапии

Фототермическая терапия (ФТТ) — это подход, используемый для устранения аномальных клеток в целевой области тела путем облучения специального агента, создающего тепло, способное разрушить эти клетки. Оксид графена повышает эффективность PTT несколькими способами. Во-первых, его можно использовать для переноса химиотерапевтических препаратов к опухолевым клеткам при одновременном воздействии на них ПТВ. Подобное сочетание химиотерапии и ПТТ более эффективно, чем использование одного из этих подходов по отдельности. Нанокомпозит восстановленного оксида графена (QD-CRGO) можно использовать во время PTT для биовизуализации раковых клеток. Более того, в своем исследовании группа ученых из Техасского технологического института и Техасского университета A&M показала, что использование оксида графена, функционализированного биосовместимым порфирином, в качестве платформы для ПТТ при раке головного мозга убивает больше раковых клеток, чем одно ПТТ, при этом не нанося вреда здоровые клетки.

11. Графен в мониторинге диабета

Ученые из Университета Бата разработали тест для мониторинга уровня глюкозы в крови, который не прокалывает кожу, в отличие от используемых в настоящее время тестов из пальца. Этот пластырь, включающий графеновый датчик, способен воздействовать на небольшую область, содержащую как минимум один волосяной фолликул. Он обнаруживает глюкозу, вытягивая ее из жидкости, присутствующей между клетками. Это не только положит конец болезненным методам контроля уровня сахара в крови, но и, как ожидается, повысит точность результатов.

12. Графен в диализе

Графеновые мембраны используются не только в энергетической, ядерной и пищевой промышленности. Группа исследователей из Массачусетского технологического института показала, что графен можно использовать для фильтрации крови от отходов, наркотиков и химических веществ. Преимущество графена в данном случае в том, что он в 20 раз тоньше традиционных мембран, что приводит к значительному сокращению времени пребывания пациентов на диализе.

13. Графен в имплантации костей и зубов

Гидроксиапатит, форма апатита кальция, представляет собой материал, используемый в качестве синтетического заменителя кости для регенерированных костных и зубных тканей. Графен в сочетании с гидроксиапатитом и хитозаном продемонстрировал увеличение прочности, коррозионной стойкости, гибкости, а также механических и остеогенных свойств заменителя по сравнению с одним ГАп.

14. Графен в тканевой инженерии и клеточной терапии

Графен может лечить не только кости. Было показано, что некоторые формы графена совместимы с остеобластами человека и мезенхимальными клетками человека, демонстрируя сходные свойства с физиологическим микроокружением клеток. Клетки, выращенные этим методом, демонстрировали лучший рост, пролиферацию и дифференцировку, но не влияли на жизнеспособность клеток. Стволовые клетки особенно важны в реинжиниринге тканей для улучшения жизни людей с нейронными расстройствами или нейродегенеративными заболеваниями.

15. Графеновые УФ-датчики

УФ-датчики используются для обнаружения опасных уровней ультрафиолетового излучения, которые могут привести к проблемам с кожей или даже к раку. Однако это не единственное применение УФ-датчиков, они также используются в армии, оптической связи и мониторинге окружающей среды. Сам по себе графен может не обладать высокой светочувствительностью, но в сочетании с другими материалами они создают гибкие, прозрачные, экологически чистые и недорогие УФ-датчики, которые в ближайшем будущем приведут к таким технологиям, как носимая электроника.

16. Графен для мозга

Тайны мозга еще полностью не раскрыты. Технология на основе графена может позволить ученым раскрыть многие неизвестные, записывая электрическую активность мозга. Это новое устройство способно слышать частоты ниже пределов старых технологий и не мешает работе мозга. Помимо исследования того, как работает мозг, технология может помочь ученым понять причины приступов эпилепсии и разработать методы лечения пациентов. Более того, если мы узнаем больше о мозге, это может привести к разработке новых интерфейсов «мозг-компьютер», которые используются во многих областях, включая управление протезами конечностей.

17. Графен в диагностике ВИЧ

Несмотря на все улучшения, современные методы диагностики ВИЧ имеют много недостатков. Они могут либо обнаружить антитела в организме почти через месяц после того, как пациент был инфицирован, либо они могут обнаружить сам вирус, однако эти методы требуют некоторого времени для обработки и более дороги по сравнению с методом антител. Биосенсор из кремния или графена, содержащий наночастицы золота, был разработан Национальным исследовательским советом Испании, который нацелен на p24, антиген, обнаруженный в ВИЧ. Новый метод может обнаружить вирус только через неделю после заражения и на уровнях в 100 000 раз ниже, чем те, которые могут обнаружить текущие тесты. Более того, результаты теста готовы в течение 5 часов после тестирования.

Чтобы получить дополнительную информацию, вы можете прочитать «Самая быстрая диагностика ВИЧ с помощью наночастиц золота и графена».

18. Графеновые биосенсоры

Одним из преимуществ графена является его способность обнаруживать минимальные количества веществ. С его помощью можно обнаружить даже одну молекулу в большом объеме. Биосенсоры из графена, оксида графена или восстановленного оксида графена проявляют сверхчувствительные свойства при обнаружении ДНК, АТФ, дофамина, олигонуклеотидов, тромбина и различных атомов. Есть несколько медицинских компаний, которые уже продают медицинские датчики, изготовленные из графена.

19. Графеновый бактерицид

Графен — великолепный бактерицидный материал, поскольку он предотвращает образование микроорганизмов, таких как бактерии, вирусы и грибки, повреждая их клеточные мембраны между внешними слоями. По сравнению с различными производными графена оксид графена и восстановленный оксид графена демонстрируют наилучшие антибактериальные эффекты. GO также можно использовать в качестве соединения с наночастицами серебра для еще большего усиления антибактериальных свойств.

20. Графен в противозачаточных средствах

Графен обладает всеми свойствами, необходимыми для презервативов: он гибкий, очень прочный и очень тонкий. Исследователи из Манчестерского университета работали над созданием «суперпрезервативов» из графена и латекса. Исследование получило большое финансирование, в том числе от Фонда Билла и Мелинды Гейтс.

21. Графен в общении глухонемых

Группа китайских ученых разработала носимое биоинтегрированное устройство, которое может переводить язык жестов в текст и устную речь. Устройство использует невероятную проводимость и гибкость графена.

22. Графен в сканах тела

В отличие от рентгеновских лучей, Т-волны, которые можно использовать для сканирования тела, безвредны для человеческого организма. Однако есть одна загвоздка. Т-волны, или ТГЦ-излучение, трудно одновременно обнаружить и генерировать. Хорошая новость заключается в том, что с помощью некоторых модификаций и других материалов CVD-графен может успешно обнаруживать ТГЦ-излучение. Это не только приведет к более безопасному сканированию тела, но и к невероятно быстрому интернету в будущем.

Чтобы получить дополнительную информацию о графене в медицине,

, вы можете  прочитать наш блог.

Применение графена в электронике

23. Графен в производстве света электронов, которая увеличивается при движении по графену. Это совпадение позволяет преодолеть световой барьер для электронов и создает свет. Преимущество этого метода по сравнению с традиционными способами генерации света, такими как люминесцентные лампы или светодиоды, заключается в том, что он, как ожидается, будет более эффективным, быстрым, компактным и управляемым, и похоже, что генерация света из графена станет ключевой вехой в разработке еще меньших, более быстрые и эффективные компьютерные чипы.

Чтобы получить больше информации, вы можете прочитать Использование графена в электронике.

24. Графеновые транзисторы

Новые супертранзисторы, заменяющие кремний графеном, могут увеличить скорость компьютеров в тысячу раз по сравнению с современными технологиями. Увеличение скорости компьютеров является важным шагом для улучшения многих технологий, включая, помимо прочего, блокчейн, моделирование космического пространства, роботов и фондовые рынки.

25. Графен в водонепроницаемой электронике

Одной из основных проблем электронных устройств, которых боятся люди, является падение в воду. Вместо того, чтобы закрывать устройство тугими винтами, графен предлагает отличное решение этой проблемы. Инженеры из Университета штата Айова печатают схемы устройства с помощью графеновых хлопьев, потому что графен прозрачен, прочен и проводит электричество. Графеновые чешуйки расположены в определенном порядке, и для их объединения используются непроводящие связующие вещества, которые улучшают проводимость. Как и в большинстве областей применения, графен снова предлагает отличное решение этой проблемы.

26. Графен в носимой электронике

Исследователи ищут новые способы питания носимых устройств. Один из выдающихся способов — гибкие батареи, напечатанные на ткани с графеном. Это позволяет людям носить свои батареи и буквально заряжать свои смартфоны или другие устройства. Если этого удастся достичь, это будет экологически чистый и умный электронный текстиль, способный накапливать энергию. Ношение тяжелых аккумуляторов или зарядных устройств станет историей благодаря изобретению этой удивительной идеи.

27. Графен для сенсорных экранов

Оксид индия-олова (ITO) — коммерческий продукт, используемый в качестве прозрачного проводника для смартфонов, планшетов и компьютеров. Исследователи из Университета Райса разработали тонкую пленку на основе графена для использования в сенсорных экранах. Обнаружено, что тонкая пленка на основе графена превосходит ITO и любые другие материалы с точки зрения производительности, поскольку она имеет более низкое сопротивление и более высокую прозрачность. Таким образом, графен является новым материалом-кандидатом на замену ITO.

28. Графен в гибких экранах

Технологический мир станет одним из величайших бенефициаров стандартизации графена как материала для включения в такие продукты, как смартфоны или планшеты. Это был бы решительный шаг к продвижению в мире смартфонов.

Недавно китайская компания выпустила гибкий смартфон с графеновым сенсорным экраном. Поскольку один слой графена прочный, легкий, прозрачный и очень проводящий, он отвечает всем требованиям для производства смартфонов. Смартфон китайской компании имеет возможность полностью свернуть твист, а его вес составляет всего 200 грамм, что обеспечивает идеальное удобство в использовании. Однако производство графена в промышленных масштабах обходится дорого по сравнению с другими материалами, используемыми в смартфонах. Исследователи ищут способы производства графена с меньшими затратами. Когда эта и некоторые другие проблемы будут решены, в будущем старые телефоны, похоже, будут заменены этими гибкими смартфонами.

Проект Nanografi Greengraphene » Победитель проекта Nanografi Europe Horizon 2020: Green Graphene » ,  производство графена высочайшего качества экологически безопасными методами и с минимальными затратами.

29. Графен в жестких дисках и памяти

Обычно графен не считается магнитным, по крайней мере, в контролируемом или полезном смысле. В 2015 году исследователи из исследовательской лаборатории ВМС США нашли способ превратить графен в надежный и управляемый электромагнитный материал. Если это нововведение будет использовано в жестких дисках, ожидается, что их емкость будет почти в миллион раз больше, чем мы используем сегодня.

30. Графен в эластичных роботах

Группа исследователей разработала гель, чувствительный к свету в ближнем инфракрасном диапазоне, который можно использовать во многих приложениях при создании гибких или эластичных деталей роботов. Змееподобные роботы, созданные с помощью этого метода, способны изменять свою форму без каких-либо внешних сил. Их будущее применение может варьироваться от поисково-спасательных до медицинских операций.

31. Графен как сверхпроводник

Ученые обнаружили, что графен также можно использовать в качестве сверхпроводящего материала. Два слоя графена могут проводить электрон без какого-либо сопротивления. Этого можно добиться, скрутив эти два слоя графена под «магическим углом», который составляет 1,1°. Большинство сверхпроводящих материалов проявляют свои свойства при температурах, близких к абсолютному нулю. Даже высокотемпературные сверхпроводящие материалы по сравнению с обычными могут работать при температуре около -140°C. Другими словами, эти сверхпроводящие материалы требуют огромной энергии для охлаждения. Если графен можно будет использовать в качестве сверхпроводящего материала при температурах, близких к комнатной, произойдет огромная революция во многих областях применения.

32. Графен в оптоэлектронике

Исследователи работают над новым материалом для оптической связи, поскольку с течением времени потребность в энергии и мощности возрастает. Исследование, проведенное в сотрудничестве с различными университетами, показало, что интеграция графена с кремнием может превзойти современную кремниевую фотонную технологию. Как это может превзойти нынешнее состояние искусства? Потому что устройства, сделанные из графена, дешевле, проще и работают на больших длинах волн. Судя по всему, графен представит низкоэнергетическую оптическую телекоммуникацию и многие другие удобные оптические системы.

33. Графен в оптических сенсорах

Благодаря своим супер-свойствам графен сделал много прорывов в промышленности и науке. Исследователи пытались уменьшить свет, чтобы сделать оптические датчики меньше. Недавно Институт фотонных наук (ICFO) в Барселоне в сотрудничестве с командой Graphene Flagship провел исследование, которое объясняет сокращение света до толщины всего в один атом, что многие исследователи считают невозможным. Это открытие приведет к огромному прорыву в сверхмалых оптических датчиках и переключателях.

34. Графеновые датчики безопасности

Одним из первых практических и реальных применений графена были защитные этикетки. Вместо громоздких датчиков, которые используют многие магазины, датчики, изготовленные из графена, меньше по размеру, более эстетичны, способны сгибаться, не вызывая повреждения схемы, и стоят всего пару центов за метку.

Чтобы получить дополнительную информацию об использовании оксида кальция,

, вы можете  прочитайте наш пост в блоге.

Применение графена в пищевой промышленности

35. Графен в пищевой упаковке

Графен также можно использовать в качестве материала покрытия, поскольку он препятствует переносу воды и кислорода. Графеновые мембраны можно использовать в пищевой или фармацевтической упаковке, сохраняя продукты питания и лекарства свежими в течение более длительного времени. Это может показаться простым приложением, но оно может значительно сократить количество пищевых отходов, которые люди выбрасывают каждый день.

Чтобы получить дополнительную информацию о графене в упаковке продуктов питания и напитков,

, вы можете  прочитать наш блог.

36. Графен в очистке воды

Обычно очистка воды не является простым процессом, и осуществимость процесса зависит от того, насколько сильно загрязнена вода. Австралийский ученый нашел недорогой метод очистки воды за один шаг. В качестве фильтра используется графен на основе сои, который также называют «GrapHair». Этот фильтр может сделать даже самую грязную воду пригодной для питья. это эффективнее, дешевле и экологичнее по сравнению с другими методами.

Чтобы получить дополнительную информацию, вы можете прочитать Использование графена в фильтрации воды

37. Графен в опреснении

Приблизительно 97,5% всей воды на планете соленая. Неважно, сколько колодцев мы выкопаем, только 2,5% от общего количества — это пресная вода. Фильтры на основе сеток, использующих графен, дали потрясающие результаты. Университет Манчестера использовал графен для изготовления фильтрующего сита, которое имеет более высокую плотность и пропускает частицы воды, но предотвращает попадание солей.

38. Графен для защиты растений

Графен — отличный материал для сенсоров. Датчики микроразмера можно производить благодаря уникальной структуре графена. Он может определить, опасна ли молекула для окружающей среды. Эти датчики можно использовать в пищевой промышленности, особенно в защите растений. Фермеры могут отслеживать и обнаруживать опасные и вредные газы для урожая, а также определять идеальные участки для роста урожая в зависимости от атмосферных условий и даже уровня влажности и «жажды» растений с помощью графеновых датчиков.

39. Графен для продовольственной безопасности

Исследования, проведенные Университетом Райса США, показали, что лазерно-индуцированный графен можно наносить на различные вещества, такие как дерево, хлеб, кокос и т. д. Это может показаться веществом с узором. на нем напечатано чернилами, но это не так. Лазер науглероживает материал, а науглероженный материал превращается в графен. С помощью этой техники можно получить любой желаемый узор. С помощью этого метода можно решить проблемы, связанные с продовольственной безопасностью.

Чтобы получить дополнительную информацию о применении графена в полимерах,

, вы можете  прочитать наш блог.

Применение графена в спорте

40. Графен в обуви

Кроссовки из графена? Да, хотя в данном случае он не используется в чистом виде, другие композитные материалы используют его. На самом деле утверждается, что подошва из чистого графена может прослужить сотни лет. Университет Манчестера и спортивный бренд Inov-8 разработали обувь с использованием графена, который увеличивает прочность и гибкость подошвы на 50%. Эта обувь более прочная и поглощает удары, которые могут повредить кости и суставы.

41. Графен в шлемах

Идеальный шлем должен быть прочным, ударопрочным, прочным, удобным и легким. Графен невероятно прочный, легкий и гибкий. Его даже используют в пуленепробиваемых жилетах, так что он точно выдерживает удары. Благодаря этим свойствам графен коммерчески используется в мотоциклетных шлемах.

42. Графен в шинах

Графен также используется для изготовления «умных» шин и компонентов спортивных велосипедов. Добавление графена в велосипедные шины, по-видимому, увеличивает сопротивление проколу и скорость, снижает сопротивление качению и делает их легче, прочнее, быстрее и эластичнее.

43. Одежда из графена

Использование волокон графена в тканях обеспечивает антибактериальную и антистатическую одежду, которая может сохранять тепло и блокировать УФ-излучение. Эти ткани можно использовать для создания спортивной одежды для активного отдыха, пижам для детей, отталкивающих почвенные бактерии, или даже домашней мебели, предотвращающей развитие бактерий на ее поверхности.

44.Графеновые ракетки

Графен может улучшить распределение энергии и вес ракетки, одновременно увеличивая скорость и стабильность обслуживания. Производитель теннисного снаряжения Head уже разработал серию коммерчески доступных ракеток, усиленных графеном, под названием «Graphene 360», которые уже используются такими звездами тенниса, как Новак Джокович и Саша Зверев.

45. Графеновые электронные татуировки и фитнес-трекер

Графеновые электронные татуировки (GET) разработаны учеными Техасского университета. Во-первых, они более устойчивы к влаге, обладают большей эластичностью — с возможностью роста или усадки до 40 %, имеют общую толщину 463 ± 30 нм, имеют оптическую прозрачность около 85 %. Они как вторая кожа. Эти татуировки можно использовать для отслеживания частоты сердечных сокращений, температуры, уровня гидратации, насыщения кислородом и даже уровня воздействия ультрафиолета. Области их применения могут варьироваться от фитнес-трекинга до медицины.

Другие области применения графена

46. Графен и шелк

Исследователи в Китае провели исследование по улучшению свойств шелка, который уже имеет отличные характеристики. Тутовые шелкопряды питаются листьями белой шелковицы. Исследователи распылили раствор, содержащий 0,2% графена, на листья и позволили тутовым шелкопрядам съесть эти листья. Результаты были многообещающими, потому что коммерческие шелкопряды, которых кормят листьями, покрытыми графеном, дают в десять раз больше, чем обычный шелкопряд. Хотя неизвестно, сколько графена переваривается тутовыми шелкопрядами, это исследование окажет положительное влияние на умную одежду, которая является горячей темой последних лет.

47. Графен в цементе

Потенциальные области применения графена расширяются с течением времени. Одним из важных потенциальных применений графена является строительная промышленность, потому что графен одновременно прочен и легок, что идеально подходит для строительства. Его можно использовать вместо стали, но прочность и вес – не единственные параметры. Основная проблема графена заключается в том, что трещина в графене распространяется очень быстро, что может привести к катастрофическим отказам. Исследователи пытаются найти способы использования графена в строительстве. Группа исследователей из Университета Эксетера использовала графен в цементе в качестве армирующего материала и провела испытания. В результате был получен в 2,5 раза более прочный и в 4 раза менее водопроницаемый бетон, что доказывает, что графен может быть отличным армирующим материалом в строительстве.

Чтобы получить дополнительную информацию, прочитайте Использование графена в строительстве.

48. Графен в изоляции

Графен можно использовать в качестве сверхпроводника или изоляционного материала, когда два листа графена расположены под магическим углом. Большинство металлических деталей автомобилей, кораблей или самолетов страдают от ржавчины. Когда графен сочетается с краской, он может стать отличным изоляционным материалом для создания поверхностей без ржавчины. Другим применением может быть покрытие кирпичей и камней. Таким образом можно построить водонепроницаемые дома.

Чтобы получить дополнительную информацию, вы можете прочитать Использование графена в строительстве.

49. Графен в динамиках и наушниках

Динамик преобразует электричество в звук, вибрируя мембрану в воздухе. Графен используется для изготовления легких и очень прочных мембран. Более того, в наушниках используется небольшая диафрагма, армированная графеном. GrapheneQ, наушники, разработанные компанией ORA Sound, легче и меньше, и в то же время они могут воспроизводить более громкие и качественные звуки с меньшими затратами энергии.

50. Графен в фотографии

Благодаря своим исключительным свойствам и высокой чувствительности к ультрафиолетовому, видимому и инфракрасному излучению, графен кажется одним из идеальных материалов для развития цифровой фотографии и любой дисциплины, где задействованы оптические модуляторы и фоторецепторы. . Датчики камер, усиленные графеном и квантовыми точками, могут быть меньше и легче, обеспечивая при этом более высокие уровни разрешения, чем любой небольшой датчик до сих пор.

51. Графен в автомобилестроении

Чрезвычайная прочность и твердость графена в сочетании с его гибкостью идеально подходят для создания автомобилей, невосприимчивых к ударам. Кроме того, могут быть созданы и безаварийные транспортные средства. Это приведет к прямому снижению смертности на дорогах. Ожидается, что графеновые автомобили, которые мы увидим в автосалонах в ближайшие десять лет, будут дешевле и легче.

52. Графен в самолетах

Ученые из Великобритании разработали самолет, в котором графен используется в углеродном волокнистом покрытии крыльев самолета. Модель самолета Prospero была легче, так как достаточно было покрыть крылья одним слоем улучшенного композита. Он потребляет меньше топлива, лучше противостоит ударам, а также снижает экологические затраты.

Чтобы получить дополнительную информацию, вы можете прочитать Использование графена в аэрокосмической промышленности.

53. Графеновые краски

Каждый художник прекрасно знает: влажность — враг живописи номер один. Graphenstone — компания, которая производит решения для рисования графеном. Результат? Свет лучше отражается, защищает бочки и подвалы, поглощает 120 граммов CO2 на квадратный метр и способен противостоять коррозии, возникающей при контакте с металлами.

Чтобы получить дополнительную информацию, вы можете прочитать Использование графена в строительстве.

54. Графен в баллистике

Кевлар используется в производстве бронежилетов, касок, защитной одежды и даже оружия. Но графен обладает гораздо большей пластичностью и более безопасен с медицинской точки зрения в случае аварии и попадания в кровоток. Кроме того, композиты из кевлара и графена легче носить и лучше поглощают тепло для защиты волокон по сравнению с самим кевларом.

55. Графен в военном защитном снаряжении

Одно из будущих применений графена предназначено для военной промышленности. В частности, его полезность будет направлена ​​на экранирование и защиту. Его можно использовать для изготовления шлемов, пуленепробиваемых жилетов и многих других аксессуаров. Фактически, это может стать определяющим материалом для будущего полицейских сил и армий.

Чтобы получить дополнительную информацию, вы можете прочитать «Военные применения графена».

56. Графен в тепловом и инфракрасном зрении

Большим достижением, которое мы могли бы увидеть, является разработка графеновых линз, позволяющих видеть в тепловом и инфракрасном диапазоне. Графен позволяет изготавливать такие сверхтонкие устройства со встроенной камерой, которая дает пользователю инфракрасное и тепловое зрение. То, что до сих пор мы видели только в фантастических фильмах.

57. Графен в смазочных материалах для машин

Промышленные машины больше всего страдают от трения, потому что трение отрицательно влияет на долговечность, прочность, эффективность и срок службы машин. Чтобы свести к минимуму эти эффекты, используются твердые или жидкие смазки. В последнее время графен, который имеет бесчисленное множество потенциальных областей применения, начал выделяться в этой области. Почему графен? Потому что он предлагает отличные характеристики трения и износа по сравнению с обычными материалами. Он также может служить твердой или жидкой смазкой. Кроме того, высокая химическая инертность, гладкая и плотно упакованная поверхность делают графен отличным смазочным материалом.

58. Графен для защиты стекла от коррозии

Одной из областей применения графена является то, что его можно использовать в качестве материала покрытия для стекла. Хотя стекло является материалом с высокой устойчивостью к коррозии, оно может подвергаться коррозии в некоторых условиях, таких как высокая влажность или экстремальные значения pH. Кроме того, долговечность стекла может иметь жизненно важное значение в некоторых областях, таких как фармацевтическая или оптическая промышленность. Это предотвращает любой тип отказа, такой как коррозия, окисление, электромагнитное излучение. Графен с высокой прозрачностью и высокой химической инертностью может быть перспективным материалом для защиты стекла.

59. Графен в радиационной защите

Ученые пытались свести радиацию к минимуму, так как она очень опасна для здоровья человека. Для этой цели в качестве материала, экранирующего излучение, можно использовать различные материалы, но существует множество параметров, влияющих на эффективность экранирования. Графен известен как слабый поглотитель излучения, но ученые обнаружили, что он может быть отличным защитным материалом, когда он используется в многослойной форме, представляющей собой графеновые плиты. Графен является выдающимся материалом для этой цели благодаря низкой стоимости производства, легкому весу и высокой эффективности по сравнению с любыми другими экранирующими материалами.

Чтобы получить дополнительную информацию, вы можете прочитать графеновую защиту от радиации.

60. Графен для защиты от коррозии нефтегазовых труб

Подводные трубы, используемые для транспортировки нефти или газа, со временем подвержены коррозии, поскольку CO2 и вода иногда могут проникать через внешние слои. Их ремонт обходится дорого, и если они сломаются из-за коррозии, они высвободят содержимое, которое может быть токсичным для водных организмов. Исследователи из Манчестерского университета и технологической фирмы TWI разработали покрытие из графеновых нанопластинок и протестировали его в условиях температуры и давления, с которыми трубы могут столкнуться под водой. В результате проницаемость CO2 уменьшилась на 90%, а также снижает проницаемость других коррозионно-активных веществ.

Не удалось найти известное вам применение графена? Или видели тот, который устарел и больше не действует? Графен — это новый материал с великолепными свойствами, и каждый день начинаются или проводятся десятки исследований, поэтому мы могли пропустить одно из них.

Для получения дополнительной информации посетите наш Blografi.

18 июля 2019 г. Озге Кутун, Арслан Сафдер, Танер Озипек, Ханде Гюрсель

Применение и использование графена – Graphenea

Применение и использование графена

Графен, широко разрекламированный и теперь известный двумерный аллотроп углерода, является таким же универсальным материалом, как и любой другой, обнаруженный на Земле. Его удивительные свойства как самого легкого и прочного материала по сравнению с его способностью проводить тепло и электричество лучше, чем что-либо еще, означают, что его можно интегрировать в огромное количество приложений. Первоначально это будет означать, что графен используется для улучшения характеристик и эффективности существующих материалов и веществ, но в будущем он также будет разработан в сочетании с другими двумерными (2D) кристаллами для создания еще более удивительных соединений, подходящих еще более широкий спектр приложений. Чтобы понять потенциальные применения графена, вы должны сначала понять основные свойства материала.

Впервые искусственно получен графен; ученые буквально взяли кусок графита и разрезали его слой за слоем, пока не остался только 1 слой. Этот процесс известен как механическое отшелушивание. Полученный в результате монослой графита (известный как графен) имеет толщину всего 1 атом и, следовательно, является самым тонким материалом, который можно создать, не становясь нестабильным при воздействии элементов (температуры, воздуха и т. д.). Поскольку графен имеет толщину всего 1 атом, можно создавать другие материалы, смешивая слои графена с другими соединениями (например, один слой графена, один слой другого соединения, за которым следует еще один слой графена и т. д.). эффективно использовать графен в качестве атомных каркасов, из которых создаются другие материалы. Эти недавно созданные соединения также могут быть превосходными материалами, как и графен, но потенциально могут иметь еще больше применений.

2D Materials

После разработки графена и открытия его исключительных свойств неудивительно, что интерес к другим двумерным кристаллам существенно возрос. Эти другие 2D-кристаллы (такие как нитрид бора, диселенид ниобия и сульфид тантала (IV)) можно использовать в сочетании с другими 2D-кристаллами для почти неограниченного числа применений. Так, например, если вы возьмете составной диборид магния (MgB2), который известен как относительно эффективный сверхпроводник, а затем чередуете его чередующиеся атомные слои бора и магния с отдельными слоями графена, это повысит его эффективность как сверхпроводника. Или, другим примером может быть случай объединения минерального молибденита (MoS2), который можно использовать в качестве полупроводника, со слоями графена (графен является фантастическим проводником электричества) при создании флэш-памяти NAND, чтобы разработать флэш-память, которая будет намного меньше и гибче, чем современные технологии (как было доказано группой исследователей из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) в Швейцарии).

Единственная проблема с графеном в том, что высококачественный графен — отличный проводник, у которого нет запрещенной зоны (его нельзя отключить). Поэтому, чтобы использовать графен для создания будущих наноэлектронных устройств, в него необходимо будет встроить запрещенную зону, что, в свою очередь, уменьшит его подвижность электронов до уровней, наблюдаемых в настоящее время в напряженных кремниевых пленках. По сути, это означает, что в будущем необходимо провести исследования и разработки, чтобы графен заменил кремний в электрических системах в будущем. Однако недавно несколько исследовательских групп показали, что это не только возможно, но и вероятно, и мы рассматриваем месяцы, а не годы, пока это не будет достигнуто хотя бы на базовом уровне. Некоторые говорят, что таких исследований следует избегать, поскольку это сродни превращению графена в нечто, чем он не является.

В любом случае, эти два примера — лишь верхушка айсберга только в одной области исследований, тогда как графен — это материал, который можно использовать во многих областях, включая, помимо прочего, биоинженерию, композитные материалы, энергетические технологии и нанотехнологии.

Приложения

Биологическая инженерия

Биоинженерия, безусловно, будет областью, в которой графен станет жизненно важной частью в будущем; хотя некоторые препятствия необходимо преодолеть, прежде чем его можно будет использовать. Текущие оценки показывают, что только в 2030 году мы начнем широко использовать графен в биологических приложениях, поскольку нам все еще нужно понять его биосовместимость (и он должен пройти многочисленные испытания на безопасность, клинические и нормативные испытания, которые, проще говоря, потребуют очень долгое время). Однако свойства, которые он демонстрирует, предполагают, что он может произвести революцию в этой области несколькими способами. Графен обладает большой площадью поверхности, высокой электропроводностью, тонкостью и прочностью, что делает его хорошим кандидатом для разработки быстрых и эффективных биоэлектрических сенсорных устройств, способных контролировать такие параметры, как уровень глюкозы, уровень гемоглобина, холестерина и даже секвенирование ДНК. В конце концов мы можем даже увидеть искусственный «токсичный» графен, который можно использовать в качестве антибиотика или даже противоракового средства. Кроме того, благодаря своему молекулярному составу и потенциальной биосовместимости его можно использовать в процессе регенерации тканей.

Узнайте больше о новой линейке графеновых полевых транзисторов Graphenea для биосенсоров здесь.

Оптическая электроника

Одной из конкретных областей, в которой мы вскоре начнем использовать графен в коммерческих масштабах, является оптоэлектроника; особенно сенсорные экраны, жидкокристаллические дисплеи (LCD) и органические светоизлучающие диоды (OLED). Чтобы материал можно было использовать в оптоэлектронных приложениях, он должен быть способен пропускать более 90% света, а также иметь электропроводные свойства, превышающие 1 x 106 Ом1м1, и, следовательно, низкое электрическое сопротивление. Графен является почти полностью прозрачным материалом и способен оптически пропускать до 97,7% света. Он также обладает высокой проводимостью, как мы упоминали ранее, и поэтому он будет очень хорошо работать в оптоэлектронных приложениях, таких как сенсорные ЖК-экраны для смартфонов, планшетных и настольных компьютеров и телевизоров.

В настоящее время наиболее широко используемым материалом является оксид индия-олова (ITO), и развитие производства ITO за последние несколько десятилетий привело к созданию материала, который может очень хорошо работать в этом приложении. Однако недавние испытания показали, что графен потенциально способен соответствовать свойствам ITO даже в нынешних (относительно неразвитых) состояниях. Кроме того, недавно было показано, что оптическое поглощение графена можно изменить, регулируя уровень Ферми. Хотя это не кажется большим улучшением по сравнению с ITO, графен демонстрирует дополнительные свойства, которые могут позволить разработать очень умную технологию в оптоэлектронике путем замены ITO графеном. Тот факт, что высококачественный графен обладает очень высокой прочностью на растяжение и является гибким (с радиусом изгиба менее 5-10 мм, необходимых для скручиваемой электронной бумаги), делает почти неизбежным, что вскоре он станет использоваться в этих вышеупомянутых приложениях. .

Что касается потенциальных электронных приложений в реальном мире, мы можем в конечном итоге ожидать появления таких устройств, как электронная бумага на основе графена с возможностью отображения интерактивной и обновляемой информации и гибких электронных устройств, включая портативные компьютеры и телевизоры.

«Графен — это материал, который можно использовать во многих областях, включая биоинженерию, композитные материалы, энергетические технологии и нанотехнологии».

Рекомендуемые товары

GFET-S10
(размер размер 10 мм x 10 мм)
для зондирования
380,00 $

Высококонцентрированный оксид графена (2,5 мас.% (1 см x 1 см)
80,00$

Ультрафильтрация

Еще одним выдающимся свойством графена является то, что он пропускает через себя воду, но почти полностью непроницаем для жидкостей и газов (даже относительно небольших молекул гелия). Это означает, что графен можно использовать в качестве ультрафильтрационной среды, выступающей в качестве барьера между двумя веществами. Преимущество использования графена заключается в том, что он имеет толщину всего в 1 атом и может также использоваться в качестве барьера, который электронным образом измеряет напряжение и давление между двумя веществами (среди многих других переменных). Группе исследователей из Колумбийского университета удалось создать однослойные графеновые фильтры с размером пор всего 5 нм (в настоящее время усовершенствованные нанопористые мембраны имеют размер пор 30–40 нм). Хотя эти размеры пор чрезвычайно малы, поскольку графен очень тонкий, давление во время ультрафильтрации снижается. В то же время графен намного прочнее и менее хрупкий, чем оксид алюминия (в настоящее время используется для фильтрации менее 100 нм). Что это значит? Что ж, это может означать, что графен разработан для использования в системах фильтрации воды, системах опреснения и создания эффективного и экономически более жизнеспособного биотоплива.

Композитные материалы

Графен прочный, жесткий и очень легкий. В настоящее время аэрокосмические инженеры используют углеродное волокно в производстве самолетов, так как оно очень прочное и легкое. Однако графен намного прочнее и легче. В конечном итоге ожидается, что графен будет использован (вероятно, интегрирован в пластики, такие как эпоксидная смола) для создания материала, который сможет заменить сталь в конструкции самолета, повысив эффективность использования топлива, дальность полета и снизив вес. Благодаря своей электропроводности его можно даже использовать для покрытия поверхности самолета, чтобы предотвратить электрические повреждения в результате ударов молнии. В этом примере то же графеновое покрытие можно использовать для измерения скорости деформации, уведомляя пилота о любых изменениях уровней нагрузки, которым подвергаются крылья самолета. Эти характеристики также могут помочь в разработке приложений с высокими требованиями к прочности, таких как бронежилеты для военнослужащих и транспортных средств.

Фотогальванические элементы

Обладая очень низким уровнем поглощения света (около 2,7% белого света), а также высокой подвижностью электронов, графен может использоваться в качестве альтернативы кремнию или ITO при производстве фотогальванических элементов. Кремний в настоящее время широко используется в производстве фотогальванических элементов, но хотя кремниевые элементы очень дороги в производстве, элементы на основе графена потенциально гораздо менее дороги. Когда такие материалы, как кремний, превращают свет в электричество, он производит фотон на каждый произведенный электрон, а это означает, что много потенциальной энергии теряется в виде тепла. Недавно опубликованное исследование доказало, что когда графен поглощает фотон, он фактически генерирует несколько электронов. Кроме того, в то время как кремний способен генерировать электричество из определенных диапазонов длин волн света, графен может работать на всех длинах волн, а это означает, что графен может быть столь же эффективным, если не более эффективным, чем кремний, ITO или (также широко используемый ) арсенид галлия. Гибкость и тонкость означает, что фотоэлектрические элементы на основе графена можно использовать в одежде; для подзарядки мобильного телефона или даже в качестве модернизированных фотогальванических оконных экранов или штор для питания вашего дома.

Хранение энергии

Одной из областей исследований, которая очень хорошо изучается, является накопление энергии. В то время как все области электроники развивались очень быстрыми темпами в течение последних нескольких десятилетий (со ссылкой на закон Мура, который гласит, что количество транзисторов, используемых в электронных схемах, удваивается каждые 2 года), проблема всегда заключалась в хранении энергии. в батареях и конденсаторах, когда он не используется. Эти решения для хранения энергии развиваются гораздо медленнее. Проблема вот в чем: батарея потенциально может хранить много энергии, но ее зарядка может занять много времени, конденсатор, с другой стороны, может заряжаться очень быстро, но не может удерживать столько энергии (сравнительно говоря ). Решение заключается в разработке компонентов для хранения энергии, таких как суперконденсатор или батарея, которые способны обеспечить обе эти положительные характеристики без компромиссов.

В настоящее время ученые работают над расширением возможностей литий-ионных аккумуляторов (путем включения графена в качестве анода), чтобы обеспечить гораздо большую емкость с гораздо лучшим сроком службы и скоростью зарядки. Кроме того, графен изучается и разрабатывается для использования в производстве суперконденсаторов, которые могут заряжаться очень быстро, но при этом могут хранить большое количество электроэнергии. Микросуперконденсаторы на основе графена, вероятно, будут разработаны для использования в приложениях с низким энергопотреблением, таких как смартфоны и портативные вычислительные устройства, и потенциально могут быть коммерчески доступны в течение следующих 5-10 лет. Литий-ионные батареи с усиленным графеном можно использовать в приложениях с гораздо более высоким энергопотреблением, таких как электромобили, или их можно использовать, как литий-ионные батареи сейчас, в смартфонах, ноутбуках и планшетных ПК, но при значительно меньших размерах и весе.

 

 

Graphenea недавно запустила новую услугу в отрасли — GFAB; Изготовление графена. Полностью индивидуальная печать графеновых схем на пластинах размером до 6 дюймов. Свяжитесь с нами сегодня для получения подробной информации или узнайте больше о GFAB здесь.

Графен, 5 эффективных применений, проверенных сегодня

Имея всего один толстый атом, графен теперь является самым тонким веществом в мире. У него много свойств: он проводит электричество, он гибкий и является одним из самых прочных известных материалов на планете. В последние годы гонка ученых и инженеров по применению графеновой технологии в носимых электронных устройствах была замечательной.

Даже если его приложение-убийца еще не найдено, материал, случайно обнаруженный двумя исследователями меняет правила мирового рынка благодаря потенциальному распространению в самых разных областях: от моды, до дизайна, от батарей до так называемых нанотехнологий.

Это может показаться преувеличением, но, бегло взглянув на онлайн-обзоры новостей и научные исследования, становится все более очевидным, что этот материал становится фундаментом для эволюции и роста человека благодаря своим уникальным свойствам.

Он уже находит многочисленные применения в мире велнеса, теннисных ракеток, шлемов, лыж, кроссовок и продуктов питания.

Бесконечно тонкая струйная струя проецирует схемы на любую поверхность, открывая путь для инновационных приложений.

Но в чем выигрышные свойства этого удивительного материала? Почему он становится таким популярным во всех областях применения? Почему наука выбрала его для решения проблем, которые раньше было невозможно решить? Каковы текущие приложения на рынке?

Все происходит из углерода

Аллотропный элемент или соединение, которое может принимать различные формы и проявлять различные физические и химические свойства.

С научной точки зрения графен представляет собой аллотропное состоящее из одного слоя атомов углерода , расположенных в гексагональной решетке, и является основным структурным элементом многих других атомов углерода, таких как графит, алмаз, уголь, углеродные нанотрубки и фуллерены.

В зависимости от расположения атомов углерода получают разные материалы с одинаковой специфичностью. Например, когда атомы углерода связываются в упорядоченную структуру, получается графит, который является минералом, используемым в наконечнике карандашей. Если, с другой стороны, структура, в которой углерод упорядочен, полностью упорядочена, получается алмаз . Недавно появился графен , который имеет упорядоченную структуру атомов, но только 2 измерения.

Открытие этого материала было сделано двумя английскими физиками, Андреем Геймом и Константином Новоселовым из Манчестерского университета, открытие, которое принесло им Нобелевскую премию по физике.

У него есть две основные характеристики, которые отличают его от всех остальных и делают его чрезвычайно интересным: он обладает механической прочностью алмаза и гибкостью пластика. Но многие другие уже обнаружены. Давайте узнаем некоторые из них.

Свойства графена

Исследования по изучению особенностей этого необычного материала все еще ведутся, но некоторые из них, похоже, уже задокументированы наукой.

Электронные свойства: батареи

Используется в качестве основного компонента совершенно нового типа батарей. Эти батареи используются в нескольких секторах, особенно в мобильных телефонах, где они постепенно заменяют литиевые батареи.

Оптические свойства: фотоабсорбент

Несмотря на толщину в один атом, этот материал на основе углерода поглощает только 2,3% светового излучения во всем оптическом спектре.

Термические свойства: проводник тепла

Хотя углерод сам по себе не проводит тепло, макромолекула графена является отличным проводником тепла.

Механические свойства: просто непревзойденные

Самый тонкий материал , самый прозрачный (пропускает 97,7% света) и самый стойкий в мире. По словам его первооткрывателей, один лист графена (то есть лист высотой 1 атом) шириной 1 квадратный метр и весом 0,7 мг потенциально выдержит вес кошки в 4 кг и будет практически невидимым.

Светоотражающие свойства: лампы

Исследователи Columbia Engineering создали лампу, которая работает как обычная лампа накаливания с вольфрамовой нитью, но способна излучать свет благодаря нить накаливания из графена. Чтобы добиться такого результата, ученые нанесли маленькие металлические электроды на полоски графена, невидимые невооруженным глазом. Когда по цепи проходит электрический ток, графен нагревается до 2500 °C, излучая видимый свет.

Графен в одежде и революция Интернета вещей

Непрерывный поиск высокоэффективных, легких и одновременно интеллектуальных материалов подталкивает правительства и промышленность к инвестициям все более крупные суммы денег в новые технологии для одежды и обуви.

Связность и вес, которые позволяет графеновая технология, помогут спортсменам улучшить свои повседневные результаты : от обуви до курток, настоящая революция будет заключаться в том, чтобы работать над улучшением результатов спортсмена благодаря данным, которые можно собирать в реальном времени. время, непосредственно из тела людей, конечно же, благодаря материалам на основе графена.

Специальные чернила с прикрепленными схемами

Скоро электронные устройства можно будет стирать в стиральной машине. Но сначала напечатали прямо на одежде, что сделало электронику полностью пригодной для носки. Секрет может заключаться в чернилах, изготовленных из графена.

Бесконечно тонкий струйный принтер проецирует схемы на любую поверхность, открывая путь для инновационных приложений.

Через несколько лет многие электронные устройства и схемы, которые будут напечатаны непосредственно на одежде, будут сопровождаться этикеткой, указывающей, можно ли их стирать в машине и гладить, что сделает обещание носимой электроники реальностью.

Giacche nanotech

Уже сегодня, например, английский стартап производит спортивных курток из графена , чтобы подчеркнуть, что у этого высокотехнологичного материала есть будущее в моде, и уже сегодня возможны применения, которые улучшают некоторые его свойства. .

По словам производителей, благодаря графену куртка обеспечивает идеальную терморегуляцию: оставленная на некоторое время в тепле и надетая с графеном внутри, она может нагревать тело, равномерно распределяя тепло для приятного эффект пухового одеяла .

Одежда Smart Fiber

Не только куртки: мир обуви также испытает революцию благодаря потенциальному применению графена. В 2018 году на рынок были выпущены первые кроссовки для бега и трейлраннинга с графеновой подошвой.

Новый графеновый каучук помогает обуви быть легче и устойчивее: исследования, проведенные Национальным институтом графена Манчестерского университета, показали, что резиновые подошвы с добавлением графена оказались на 50% более устойчивыми, чем традиционные.

Сверхпрочная обувь

Группа ученых из Эксетерского университета разработала новую технологию создания электронных графеновых волокон для включения в повседневную одежду.

Новая технология была использована для создания графеновых волокон, которые передают технологии, которые могут быть включены в производство одежды. В настоящее время носимую электронику по сути получают путем приклеивания устройств к тканям, что приводит к жесткости изделия и вероятной неисправности.

Исследовательская группа считает, что открытие может произвести революцию в производстве носимых электронных устройств, например, позволяя лучше контролировать состояние здоровья и помогая более точной медицинской диагностике даже во время физической или спортивной деятельности.

Графен в спорте: велосипедные шины, шлемы и теннисные ракетки

Италия вместе с Китаем находится в авангарде масштабного производства изделий из графена.

Компания Colmar из Монцы, например, недавно запустила с графеновыми вставками в коллекции 2018/19, а Vittoria уже несколько лет производит трубчатые и гоночные колеса для велоспорта из резины, в состав которой входит графен для улучшения сцепления, скорости и сопротивления проколу. Графен действует как магнит : вставляя себя между молекулами каучука, он фактически создает связь с ними и сохраняет их более сплоченными.

Посмотреть галерею

Как и в случае с шинами, он действует как магнит на колеса, интегрируясь с углеродом, из которого они сделаны. Будучи чрезвычайно тонким, он наслаивается на пространства, разделяющие молекулы углерода, и создает с ними связь. В результате характеристики карбона с точки зрения жесткости колеса, ударопрочности, снижения веса и рассеивания тепла улучшаются в геометрической прогрессии.

Вот уже несколько лет теннисная спортивная индустрия производит ракетки с графеновыми компонентами, расположенными в стратегических точках для повышения силы, скорости и, прежде всего, легкости .

Dulcis in fundo — Это   съедобный

Последнее открытие, связанное с этим материалом: это , который легко напечатать на еде . Исследователям из двух американских университетов удалось выгравировать съедобные схемы на поверхности продуктов, проложив путь для маркированных продуктов, которые могут помочь нам отслеживать продукты от фермы до наших столов.

Проект, в котором используется так называемый лазерно-индуцированный графен (LIG), представляет собой процесс, который создает «пену, состоящую из небольших чешуек сшитого графена», способную передавать электричество через продукты с высоким содержанием углерода, такие как хлеб, картошка и картон.

Получение, свойства и применение гидрогелей на основе графена

Введение

Графен — новый наноматериал со строгой двухмерной структурой слоев (Geim, 2009).; Ши и др., 2018). Обладая превосходными механическими, высокими электрическими и термическими свойствами, графен является идеальным наполнителем для полимерных нанокомпозитов (Li and Kaner, 2008). Гидрогель представляет собой умеренно сшитый и разветвленный полимер с трехмерной сетчатой ​​структурой (Юк и др. , 2017). Он широко изучается и применяется благодаря способности поглощать большое количество воды, быстро набухать, мягкости, эластичности и биологической совместимости (Smith et al., 2010; Qiu and Park, 2012). Графен продемонстрировал уникальные преимущества в значительном улучшении комбинированных свойств традиционных полимерных гидрогелей (Xu et al., 2010a; Kostarelos and Novoselov, 2014). Графен в гидрогелях играет две роли: гелеобразователь для самосборки в гидрогели и наполнитель для смешивания с небольшими молекулами и макромолекулами для приготовления многофункциональных гидрогелей, которые в совокупности называются гидрогелями на основе графена (GBH) (Wang et al. , 2016; Чжао и др., 2017).

Этот обзор направлен на то, чтобы демистифицировать методы подготовки, аспекты производительности и применения GBH. Будут также рассмотрены дальнейшие разработки и проблемы GBH.

Способы получения и свойства

Метод самосборки

Метод самосборки означает, что базовая структура оксида графена (GO) спонтанно преобразуется в стабильную трехмерную структуру графена при взаимодействии нековалентной связи π-π. Это считается эффективным подходом к изготовлению GBH. Для 3D GBH были разработаны различные методы самосборки, такие как гидротермальный процесс (Liu et al., 2017), химическое восстановление (Sheng et al., 2011) и процесс, индуцированный ионами металлов (Cong et al., 2012). Они могут иметь некоторые уникальные структуры и характеристики, такие как пористая сетчатая структура, сверхнизкая плотность, отличные тепловые свойства и термостабильность (Kuang et al., 2015).

Самособирающийся ГБГ впервые был получен одностадийным гидротермальным методом из раствора ОГ в 2010 г. (Xu et al., 2010a). Влажность ГБГ достигала 97,4% масс., при этом он демонстрировал высокие показатели прочности. Кроме того, электропроводность ГБГ составляла 5·10 ^-3 См/см, а модуль упругости (450-490 кПа) был на несколько порядков выше, чем у традиционных гидрогелей. Трехмерный многофункциональный GBH, который был самостоятельно собран путем объединения листов ДНК и GO, обладал хорошими механическими свойствами, большой способностью адсорбировать краситель и отличной способностью к самоотверждению (Xu et al. , 2010b). Чтобы еще больше улучшить степень восстановления графена для лучшего GBH, некоторые химические восстановители, такие как гидрат гидразина (Zhang and Shi, 2011), щавелевая кислота (Zhang et al., 2012), аскорбиновая кислота (Shi et al., 2014) и др., добавляли к раствору ГО.

По сравнению с традиционным гидрогелем, самосборный GBH обладает повышенной прочностью и превосходными характеристиками накопления энергии. Однако применение чисто самосборных GBH ограничено их относительно низкими механическими свойствами. Поэтому графен, используемый в качестве высококачественного нанонаполнителя для полимерных композиционных гидрогелей, находится в центре внимания современных исследований.

Метод смешанного раствора

Большой проблемой является то, что отдельные листы графена легко вызывают агломерацию в процессе подготовки и нанесения, что приводит к многослойному графиту. По сравнению с графеном на поверхности ОГ имеется много кислородсодержащих групп, что делает ОГ идеальной дисперсией в полярных растворителях (вода, этандиол, ДМФА и т. д.) (Paredes et al., 2008). Стабильная коллоидно-дисперсионная система обычно возникает из-за сильных водородных связей между ГО и водным раствором. В этом случае метод смешанного раствора GO является очень полезной технологией для изготовления GBH.

Гидрогелевый композит графен/желатин был изготовлен путем смешивания раствора графена и желатина (Tungkavet et al., 2015). Отклик модуля накопления явно увеличивался с увеличением концентрации графена от 0 до 0,1%. Максимальный отклик модуля накопления и чувствительность гидрогеля графена/желатина к модулю накопления составляли 1,25 × 10 ⁶ Па и 3,52 соответственно. Гидрогель сульфированного графена (SG)/поливинилового спирта (ПВС), полученный из смешанного раствора SG и ПВС, показал хорошие механические свойства и интеллектуальную адсорбционную способность для катионных красителей по сравнению с обычным гидрогелем чистого ПВС (Li et al., 2015). Прочность на растяжение гидрогеля SG/PVA увеличивалась с увеличением SG, и пик прочности достигал 37,34 кПа при 0,5 мас. % SG.

In-situ Полимеризация

В результате совместного смешения ОГ, мономера-полимера, инициатора и других добавок при определенных условиях происходит in-situ полимеризация мономера-полимера на поверхности ОГ, которая приводит к конечным композитным гидрогелям GO/полимер. Полимеризацию на месте можно разделить на два типа в зависимости от ГО: ОГ с обработкой и без нее. Последний подход заключается в прививке функциональных групп на поверхность GO или снятии слоя нанолистов с GO под действием ультразвука и взаимодействии с другими мономерами. ГО также играет роль сшивающего агента во время реакции. Такие композитные гидрогели ОГ/полимер обладают благоприятной диспергируемостью ОГ и равномерными характеристиками.

Композитный гидрогель ГО/полиакриловая кислота (ПАА) был синтезирован с помощью реакции сшивания ПАА при низкой температуре (Tai et al., 2013). Композитный материал продемонстрировал более отличные характеристики набухания и электрический отклик, чем чистый гидрогель ПАК. Композитный гидрогель GO/полиакриламид (ПАМ) был изготовлен посредством полимеризации акрилонитрила in situ в растворе GO-вода (Liu et al., 2012). Прочность на разрыв гидрогеля ГО/ПАМ была примерно в 4,5 раза выше, чем у чистого гидрогеля ПАМ, а разрывное удлинение было в 30 раз выше, чем у ПАМ, но содержание ГО составляло всего 0,0079.мас.%. Гидрогель ГО/ПАА был приготовлен методом свободнорадикальной полимеризации in situ , инициированной перекисью графена (Liu et al., 2013). Он обладает способностью к самовосстановлению, когда поверхности перелома сохраняют контакт при низкой температуре или даже при комнатной температуре в течение коротких периодов времени. Скорость восстановления гидрогеля может достигать 88% при длительном времени заживления.

Применение

Отличные характеристики GBH основаны на неразрывной синергии между гидрофобностью и π-сопряженной структурой в листах графена. GBH сочетает в себе механическую прочность, электропроводность, адсорбцию, гигроскопичность, водоудержание, контролируемое высвобождение и биосовместимость вместе, и он будет иметь широкие перспективы применения в биомедицинских, суперконденсаторных, водоочистных, абсорбционных красителях, носителях катализаторов и интеллектуальных реакциях для микрожидкостных систем (как показано на рисунке 1).

Рисунок 1 . Приложения ГБХ.

Биоматериалы в области биомедицины

Богатый водой GBH подобен естественным мягким тканям, в дополнение к высокой проводимости, хорошей механической прочности, благоприятной биосовместимости и нековалентным связям между графеном/GO и некоторым полимером (хитозан ( CS), поли(N,N-диметилакриламид) (ПДМАА) и др.), ГБГ привлекают большое внимание в тканевой инженерии. Цзин и др. изучали композитный гидрогель GO/CS, вдохновленный мидиями, который был приготовлен путем включения белка полидофамина (PDA) (Jing et al., 2017). При увеличении концентрации GO до приемлемого значения электропроводность гидрогеля может достигать 1,22 мСм/см. При этом прочность была в 3 раза выше, чем у чистого гидрогеля CS. Что еще более важно, гидрогель GO/CS может улучшать клеточную активность и пролиферацию человеческого энхансера филаментации 1 (HEF1) и кардиомиоцитов (CM).

Тем временем интеллектуальный GBH, полученный из графена/GO и полимера, реагирующего на стимулы (PAA, PVA, поли(N-изопропилакриламид) (pNIPAAm) и т. д.), показал привлекательные перспективы в системе контролируемого высвобождения лекарственных средств из-за огромного специфического площадь GO или графена. Композитный гидрогель графен/Ag (массовое соотношение 1:5), полученный в результате реакции сшивки графена с акриловой кислотой и метиленбисакриламидом, показал хорошую биосовместимость и высокий коэффициент набухания (Fan et al., 2014). Показано значительное ускорение заживления гидрогелем при лечении искусственных ран у крыс. Что еще более важно, композитный гидрогель использовался для облегчения полной реконструкции при заживлении раны в течение 15 дней. Бай и др. приготовили композитный гидрогель GO/PVA и применили его для селективного высвобождения лекарственного средства при физиологическом pH (Bai et al., 2010). Они обнаружили, что 84% витамина B ₁₂ молекул могут диффундировать из гидрогеля в нейтральный раствор PBS (pH = 7,4) через 42 часа. Однако в кислой среде (pH = 1,7) одновременно может высвобождаться только 51% молекул витамина B ₁₂ . Ли и др. успешно изготовили NIR-чувствительный GBH в качестве активного клеточного каркаса с помощью раствора производного pNIPAAm и аргинин-глицин-аспарагиновой кислоты (RGD). GBH, реагирующий на NIR, может эффективно захватывать клетки, но также может высвобождать клетки при стимуляции светом NIR (Li et al., 2013).

Суперконденсатор

Как основные электрохимические компоненты для хранения и высвобождения энергии, суперконденсатор должен обладать высокой удельной емкостью, большой обратимой емкостью и длительным сроком службы. GBH можно использовать в качестве инновационных электродных материалов для суперконденсаторов из-за их уникальной структуры поверхности и превосходных проводящих свойств.

Тан и др. исследовал вязкоупругие свойства и электропроводность самосборных GBH. Они обнаружили, что кажущуюся электропроводность GBH можно контролировать в диапазоне от 0,01 до 6 См/см, что достаточно для многих электрических применений (Tan et al., 2014). Ван и др. подготовленный графен/VO ₂ композитный гидрогель nanobelt с использованием V ₂ O ₅ и GO в качестве прекурсоров. Они обнаружили, что гидрогель графен/VO ₂ обладает большой удельной емкостью (426 Ф/г), хорошими циклическими характеристиками и высокой скоростью (Wang et al., 2013).

Водоподготовка

Бурное развитие нефтехимической промышленности приводит к образованию большого количества промышленных сточных вод, которые содержат значительное количество кислот, солей щелочных металлов, органических растворителей, вредных красителей или ионов тяжелых металлов. Гидрогель обладает хорошей гидрофильностью, при этом он не растворяется в воде. Благодаря уникальной трехмерной сетчатой ​​структуре гидрогель может эффективно поглощать и адсорбировать большое количество химических веществ. Адсорбционные способности и адсорбционная селективность гидрогеля могут быть дополнительно улучшены за счет огромной удельной поверхности и электроотрицательности графена. Таким образом, гидрогель идеально подходит для очистки сточных вод и поглощения красителей.

Гидрогель LA/F/rGO с хорошей амфифобностью был синтезирован гидротермальным процессом при низкой температуре с восстановленным GO, 1H,1H,2H,2H-перфтордекантиолом (PF) и L-аскорбиновой кислотой (LA). Гидрогель обладал высокой селективностью к разделению нефти и воды путем предварительного замачивания (Hu et al., 2018). Донг и др. обнаружили, что гидрогель Fe ₃ O ₄ /ГО/полиакриламид (ПАМ) проявляет превосходные механические свойства, высокую фото-фентоновскую активность и большую адсорбционную способность. Гидрогель получил 9Разложение родамина B (RhB, 20 мг/л) на 0% и снижение химической потребности в кислороде (ХПК, 2840 мг/л) на 72,7% в сточных водах в течение 1 часа при видимом свете (Dong et al., 2018). Органические загрязнители и ионы тяжелых металлов также могут быть одновременно удалены гидрогелем Fe ₃ O ₄ /GO/PAM.

Заключение

Особые свойства графена, такие как высокая электропроводность, высокая теплопроводность и превосходные механические свойства, сделали графен не только гелеобразователем для самосборки в GBH с исключительными электромеханическими характеристиками, но и наполнителем для смесь с малыми молекулами и макромолекулами для приготовления многофункционального GBH. Он полностью использует практическое применение традиционных гидрогелей. В связи с развивающейся тенденцией гидрогеля в последние годы теоретические исследования относительно высоки. Исследователей очень интересуют перспективы применения гидрогеля в биомедицине, тканевой инженерии, суперконденсаторе, очистке воды, абсорбции красителя, носителе катализатора и интеллектуальном ответе для микрофлюидной системы. Однако по сравнению с практическими приложениями, фактические исследования операций очень слабы. Механизм образования гидрогеля графен/ГО в водном растворе и влияющая функция пока не ясны. Разработка и изготовление GBH с новыми структурами и функциями станет серьезной проблемой в будущем.

Вклад авторов

Все перечисленные авторы внесли существенный, непосредственный и интеллектуальный вклад в работу и одобрили ее для публикации.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Эта работа поддерживается Национальным фондом естественных наук Китая (№ гранта 51804169).и 81773580), Лаборатория реакторного топлива и материалов Фонда науки и техники (№ 6142A0604031709), Фонда естественных наук провинции Цзянсу (№ BK20180715), Департамента науки и технологий провинции Гуандун, Китай (грант № 2017A050501032 ) и Программа планирования науки и технологий города Гуанчжоу, Китай (грант № 201707010467).

Ссылки

Bai, H., Li, C., Wang, X., and Shi, G. (2010). Композитный гидрогель на основе оксида графена, чувствительный к pH. Хим. коммун. 46, 2376–2378. doi: 10.1039/c000051e

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Cong, H.P., Ren, XC, Wang, P., and Yu, S.H. (2012). Макроскопические многофункциональные гидрогели и аэрогели на основе графена в процессе самосборки, индуцированной ионами металла. ACS Nano 6, 2693–2703. doi: 10.1021/nn300082k

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Донг, К. , Лу, Дж., Цю, Б., Шен, Б., Син, М. и Чжан, Дж. (2018). Разработка эластичного гидрогеля на основе оксида графена для удаления органических загрязнителей и ионов тяжелых металлов. Заяв. Катализ. Б Окружающая среда. 222, 146–156. doi: 10.1016/j.apcatb.2017.10.011

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Fan Z., Liu B., Wang J., Zhang S., Lin Q., Gong P. и др. (2014). Новая повязка на рану на основе гидрогеля Ag/Graphene полимера: эффективно убивает бактерии и ускоряет заживление ран. Доп. Функц. Матер. 24, 3933–3943. doi: 10.1002/adfm.201304202

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Гейм А.К. (2009). Наука, графен: состояние и перспективы. Наука 324, 1530–1534. doi: 10.1126/science.1158877

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Hu, W., Zhang, P., Liu, X., Yan, B., Xiang, L., Zhang, J., et al. (2018). Амфифобный гидрогель на основе графена в качестве водомасляного сепаратора и материала для забора масла. Хим. англ. Дж. 353, 708–716. doi: 10.1016/j.cej.2018.07.147

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Jing, X., Mi, HY, Napiwocki, B.N., Peng, X.F., and Turng, L.S. (2017). Вдохновленный мидиями электроактивный композитный гидрогель хитозан/оксид графена с быстрым самовосстановлением и восстановлением для тканевой инженерии. Carbon NY 125, 557–570. doi: 10.1016/j.carbon.2017.09.071

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Костарелос К. и Новоселов К. С. (2014). Материаловедение. Изучение интерфейса графена и биологии. Наука 344, 261–263. doi: 10.1126/science.1246736

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Куанг Т. Р., Ми Х. Ю., Фу Д. Дж., Цзин X., Чен Б., Моу У. Дж. и др. (2015). Изготовление пен поли(молочной кислоты)/оксида графена с высокоориентированной и удлиненной клеточной структурой посредством однонаправленного вспенивания с использованием сверхкритического диоксида углерода. Индивидуальный инж. хим. Рез. 54, 758–768. doi: 10.1021/ie503434q

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли, Д., и Канер, Р. Б. (2008). Материаловедение. Материалы на основе графена. Наука 320, 1170–1171. doi: 10.1126/science.1158180

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Ли Х., Фань Дж., Ши З., Лиан М., Тянь М. и Инь Дж. (2015). Получение и характеристика композитного гидрогеля из поливинилового спирта, усиленного сульфированным графеном, и его применение в качестве абсорбента красителей. Полимер (Гильдф). 60, 96–106. doi: 10.1016/j.polymer.2014.12.069

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли, В., Ван, Дж., Рен, Дж., и Цюй, X. (2013). Трехмерный гидрогель на основе оксида графена и полимера: активируемый светом ближнего инфракрасного диапазона активный каркас для обратимого захвата клеток и высвобождения по требованию. Доп. Матер. 25, 6737–6743. doi: 10.1002/adma.201302810

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Лю Дж. , Сонг Г., Хе К. и Ван Х. (2013). Самовосстановление в прочных композитных гидрогелях на основе оксида графена. Макромоль. Быстрое общение. 34, 1002–1007. doi: 10.1002/marc.201300242

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Лю Р., Лян С., Тан X. Z., Ян Д., Ли X. и Ю З. З. (2012). Прочные и хорошо растягивающиеся нанокомпозитные гидрогели на основе оксида графена/полиакриламида. Дж. Матер. хим. 22, 14160–14167. doi: 10.1039/c2jm32541a

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лю Ю., Гао Т., Сяо Х., Го В., Сунь Б., Пей М. и др. (2017). Однореакторный синтез рисоподобных гидрогелей TiO 2 /графена в качестве усовершенствованных электродов для суперконденсаторов и полученных аэрогелей в качестве высокоэффективных адсорбентов красителей. Электрохим. Acta 229, 239–252. doi: 10.1016/j.electacta.2017.01.142

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вильяр-Родиль, С., Мартинес-Алонсо, А., и Таскон, Х. М.Д. (2008). Дисперсии оксида графена в органических растворителях. Ленгмюр 24,10560–10564. doi: 10.1021/la801744a

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Цю, Ю., и Парк, К. (2012). Экологически чувствительные гидрогели для доставки лекарств. Доп. Наркотик Делив. Откр. 64, 321–339. doi: 10.1016/j.addr.2012.09.024

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шэн К. Х., Ю-Си С. У., Чун Л. И. и Ши Г. К. (2011). Высокоэффективные самособирающиеся гидрогели графена, полученные путем химического восстановления оксида графена. Новый углеродный материал. 26, 9–15. doi: 10.1016/S1872-5805(11)60062-0

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Ши, Дж. Л., Ду, В. К., Инь, Ю. X., Го, Ю. Г., и Ван, Л. Дж. (2014). Гидротермальное восстановление трехмерного оксида графена для гибких суперконденсаторов без связующего вещества. Дж. Матер. хим. А 2, 10830–10834. doi: 10.1039/c4ta01547a

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Ши X. , Пэн X., Чжу Дж., Лин Г. и Куанг Т. (2018). Синтез оксида графена, функционализированного DOPO-HQ, в качестве нового и эффективного антипирена и его применение на полимолочной кислоте: тепловые свойства, огнестойкость и механические характеристики. J. Коллоидный интерфейс Sci. 524, 267–278. doi: 10.1016/j.jcis.2018.04.016

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Smith, A.M., Williams, R.J., Tang, C., Coppo, P., Collins, R.F., Turner, M.L., et al. (2010). Fmoc-дифенилаланин самостоятельно собирается в гидрогель благодаря новой архитектуре, основанной на π–π взаимосвязанных β-листах. Доп. Матер. 20, 37–41. doi: 10.1002/adma.200701221

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Tai, Z., Yang, J., Qi, Y., Yan, X. и Xue, Q. (2013). Синтез нанокомпозитного гидрогеля оксид графена-полиакриловая кислота и его свойства набухания и электрочувствительности. RSC Adv. 3, 12751–12757. doi: 10.1039/c3ra22335c

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тан З. , Охара С., Абэ Х. и Найто М. (2014). Синтез и обработка гидрогелей графена для электронных приложений. RSC Adv. 4, 8874–8878. doi: 10.1039/c3ra46856a

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Тунгкавет Т., Ситапан Н., Паттаваракорн Д. и Сириват А. (2015). Композиты гидрогеля графена/желатина с высокой чувствительностью к упругому модулю для использования в качестве электроактивного привода: влияние площади поверхности и напряженности электрического поля. Полимер (Гильдф). 70, 242–251. doi: 10.1016/j.polymer.2015.06.027

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван Х., Йи Х., Чен Х. и Ван Х. (2013). Одноэтапная стратегия создания трехмерных композитных гидрогелей графен/нанопояс VO2 для высокопроизводительных суперконденсаторов. Дж. Матер. хим. А 2, 1165–1173. doi: 10.1039/C3TA13932H

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван Р., Сюй К. и Ли Дж. М. (2016). Высокопроизводительные асимметричные суперконденсаторы: новые гидрогели нанолиста/графена NiOOH и гидрогели чистого графена. Nano Energy 19, 210–221. doi: 10.1016/j.nanoen.2015.10.030

CrossRef Full Text | Google Scholar

Сюй Ю., Шэн К., Ли К. и Ши Г. (2010a). Самособирающийся графеновый гидрогель с помощью одностадийного гидротермального процесса. ACS Nano 4, 4324–4330. doi: 10.1021/nn101187z

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Сюй Ю., Ву К., Сунь Ю., Бай Х. и Ши Г. (2010b). Трехмерная самосборка оксида графена и ДНК в многофункциональные гидрогели. ACS Nano 4, 7358–7362. doi: 10.1021/nn1027104

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Юк, Х., Линь, С., Ма, К., Такаффоли, М., Фанг, Н. X., и Чжао, X. (2017). Гидравлические гидрогелевые приводы и роботы, оптически и акустически замаскированные в воде. Нац. коммун. 8:14230. doi: 10.1038/ncomms14230

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Чжан Л., Чен Г., Хедхили М. Н., Чжан Х. и Ван П. (2012). Трехмерные сборки графена, полученные с помощью нового метода самосборки, вызванного химическим восстановлением. Наношкала 4, 7038–7045. doi: 10.1039/c2nr32157b

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Чжан Л. и Ши Г. (2011). Получение высокопроводящих графеновых гидрогелей для изготовления суперконденсаторов с высокой производительностью. J. Phys. хим. C 115, 17206–17212. doi: 10.1021/jp204036a

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чжао Ю., Чжан Ю., Лю А., Вэй З. и Лю С. (2017). Создание трехмерного графенового гидрогеля, функционализированного гемином, с высокой механической стабильностью и адсорбционной способностью для усиления фотодеградации метиленового синего. Приложение ACS Матер. Интерфейсы 9, 4006–4014. doi: 10.1021/acsami.6b10959

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

40 способов, которыми графен изменит вашу жизнь

Кредит изображения: ICFO (Изображение предоставлено ICFO) Аудиоплеер загружается…

Он мощный, гибкий и существует уже некоторое время. Он долго совершенствовался и развивался в лабораториях, но графен появился на рынке уже пару лет… и это оказывает влияние.

Первая волна продуктов на основе графена используется в мире смартфонов, носимых устройств, аккумуляторов, виртуальной реальности, спортивного инвентаря, суперконденсаторов и суперкаров… и это только начало.

Графен — это материал, который, по мнению , некоторые из , был извлечен из заброшенных космических кораблей, оставленных на Земле инопланетянами много лет назад. Хотя это немного маловероятно, сила этого сверхтонкого, прочного, проводящего и во всех отношениях удивительного материала заслуживает такого заговора.

Прошло уже более 60 лет, как ученые и производители изо всех сил пытались использовать силу этого удивительного материала, но он приближается к революционным изменениям во многих вещах, которые мы используем изо дня в день.

Недавно мы обновили эту страницу, добавив еще 10 способов, которыми графен может изменить вашу жизнь. Тем не менее, ряд этих новых достижений все еще находится на стадии прототипа, а не поступил в продажу.

Хотите знать, почему? Ознакомьтесь с нашей функцией, почему графен занимает так много времени?

Графеновое охлаждение в Huawei Mate 20 X

Huawei Mate 20 X имеет слой графена в своей «суперхолодной системе». Изображение предоставлено: Huawei (Изображение предоставлено Huawei)

Зарождающаяся индустрия графена давно задавалась вопросом, почему крупные технологические фирмы не регулярно коммерциализируют свой «чудо-материал», поэтому включение его в Huawei Mate 20 X — довольно большая новость.

Однако подробностей о том, как графен используется в «суперклассной системе» этого 7,2-дюймового телефона, немного.

Все, что мы знаем, это то, что графеновая пленка (которая великолепно рассеивает тепло благодаря своей структуре) используется в сочетании с испарительной камерой, чтобы поддерживать охлаждение Mate 20 X, даже когда процессор и графический процессор работают на пределе своих возможностей.

Это то, что может случиться часто, поскольку его массивный экран, 7-нм чипсет Kirin 980, 6 ГБ ОЗУ и аккумулятор емкостью 5000 мАч делают Huawei Mate 20 X телефоном, который, вероятно, будет использоваться для интенсивных игр.

Графеновая наноэлектроника

Группа исследователей из Дании занимается исследованиями графеновой наноэлектроники. Изображение предоставлено: Carl Otto Moesgaard (Изображение предоставлено Carl Otto Moesgaard)

Ультратонкий и двумерный графен проводит электрический ток как ничто другое, что теоретически должно означать гораздо более быстрые и энергоэффективные формы электроники. Что сдерживало его, так это проблема ширины запрещенной зоны; как создать графеновый транзистор, который надежно включается и выключается.

Исследователи из DTU Physics в Дании придумали новую технологию «сэндвича» на основе нанолитографии , которая позволяет довести графен до наноразмерных размеров без нарушения его электрических свойств.

«Тот факт, что мы можем адаптировать электронные свойства графена, является большим шагом на пути к созданию новой электроники с чрезвычайно малыми размерами», — говорит исследователь Питер Бёггильд.

Графеновый пластырь для фитнеса

Этот фитнес-пластырь измеряет частоту сердечных сокращений, уровень жидкости в организме и частоту дыхания. Изображение предоставлено: ICFO (Изображение предоставлено ICFO)

Поскольку графен является гибким и чрезвычайно чувствительным к изменениям температуры и света, у графена большое будущее в носимых устройствах. Этот «трансдермальный фитнес-пластырь» от ICFO в Барселоне делает все, что может ваш Fitbit, и даже больше, но в виде наклеивающегося пластыря.

Он измеряет частоту сердечных сокращений, гидратацию и частоту дыхания с большей точностью и меньшим энергопотреблением, чем современные фитнес-браслеты, и подходит для любой поверхности.

К сожалению, пока это только прототип, но ICFO считает, что он может легко подключаться к вашему смартфону и давать вам оповещения, когда вы немного обезвожены… потому что мы так заняты просмотром наших телефонов, что мы забыли отметить, когда мы хотим пить.

Антенны NFC из графена могут войти в историю пластиковых карт. Изображение предоставлено: CNR (Изображение предоставлено CNR)

Одноразовый пластик — это не будущее, но в настоящем он повсюду. Ключ-карты отелей (и бесконтактные банковские карты) в настоящее время изготавливаются из пластика с антенной NFC внутри, в которой используются редкие металлы.

Однако, если вы сделаете эту антенну NFC из графена — материала, который представляет собой не что иное, как углерод, которого много на планете Земля, — и напечатаете ее на переработанной бумаге с использованием графеновых чернил, это означает гораздо меньше отходов.

Наряду с электронными ключами от отелей, которые демонстрирует CNR Италии (открывается в новой вкладке), та же технология может также означать экологичное производство посадочных талонов, концертных браслетов, билетов на поезд и многое другое… со встроенным NFC внутри в качестве бонуса.

Графеновый цемент

Графеновый цемент означает отсутствие необходимости в электрических кабелях. Изображение предоставлено: Italcementi (Изображение предоставлено Italcementi)

Как насчет дома без (дорогой) меди и проводов? Одним из самых популярных экспонатов в графеновом павильоне Mobile World Congress 2019 был «проводящий цемент» Italcementi .

Графен внутри делает его проводящим, поэтому нет необходимости прокладывать электрические кабели в стенах. Но есть и другое, скрытое применение: охлаждение.

В жарких странах стена, которая легко рассеивает тепло, автоматически сделает дом прохладнее без необходимости в дорогостоящем кондиционере. Пропитанный графеном цемент также может означать встроенные проводящие полосы графена вокруг дома для освещения и обогрева полов.

Наушники MediaDevil Artisanphonics CB-01 Nanene

Графен улучшает качество басов. Изображение предоставлено: MediaDevil/Versarien (Изображение предоставлено: MediaDevil/Versarien)

Если вам нужен графен, вы можете получить его прямо сейчас по низкой цене. В продаже у лондонской компании MediaDevil есть наушники Nanene с «улучшенным звуком», произведенные Versarien.

Мембрана диафрагмы в каждом наушнике сделана из графена, поэтому она намного тоньше, но имеет такую ​​же прочность и долговечность, как обычная мембрана.

Однако благодаря своей гибкости им можно лучше управлять, что позволяет улучшить высокие и низкие частоты. Они совместимы с iOS и Android.

Графеновые настольные игры

Графен делает любую поверхность чувствительной к прикосновению и способной светиться. Изображение предоставлено: Novalia / Кембриджский университет (Изображение предоставлено: Novalia / Кембриджский университет)

Как насчет игры в Монополию… со светом? Используя электролюминесцентные чернила, излучающие свет благодаря графену, Novalia и Кембриджский университет разработали демонстрационную настольную игру под названием Homeward Bound, в которую интегрированы сенсорные панели, светящиеся игральные кости и карты «шанс». которые многоязычны.

Он не поступит в продажу, но подчеркивает тот факт, что графеновые чернила можно печатать на картоне, дереве, бумаге (или на чем угодно) для создания умных поверхностей.

Детекторы графеновых газов и «анализаторы воздуха»

Электролюминесцентные чернила могут обнаруживать влагу и газы. Изображение предоставлено: ICN2 (Изображение предоставлено ICN2)

Электролюминесцентные чернила на основе графена были продемонстрированы ICN2 (Каталонский институт нанонауки и нанотехнологий) для работы в качестве детекторов газа.

Прототип ICN2 представляет собой электролюминесцентный дисплей с трафаретной печатью, который может определять все, от уровня влажности до токсичных газов, таких как окись углерода, двуокись углерода или окись азота.

Когда графеновый датчик внутри реагирует на изменения в составе воздуха, он становится проводящим, и загорается свет, интенсивность которого варьируется в зависимости от количества обнаруженного газа.

Тартуский университет в Эстонии также создал Graphene Air Sniffer (GAS), который имеет миниатюрные датчики на основе графена, которые могут обнаруживать очень низкие уровни загрязняющих веществ в воздухе.

Графеновые «суперколпачки» для телефонов

Суперкапсы могут заряжаться и разряжаться с очень высокой скоростью. Изображение предоставлено: Thales/M-SOLV (Изображение предоставлено Thales/M-SOLV)

Поскольку графен прекрасно проводит электричество, его можно использовать для создания аккумуляторов сверхбыстрой зарядки, способных выдерживать токи со скоростью, в десятки раз превышающей ток литиевых аккумуляторов.

Суперконденсаторы или «суперконденсаторы» — это устройства хранения данных, которые могут заряжаться и разряжаться с очень высокой скоростью. Над добавлением графена в течение пяти лет работал аэрокосмический гигант Thales и M-SOLV . новая вкладка).

Новый метод покрытия распылением позволил исследователям увеличить мощность суперконденсаторов в пять раз. Ожидайте запуск продуктов в конце 2019 года..

Умная одежда из графена

Ожидайте все больше и больше электронного текстиля на основе графена. Изображение предоставлено: VTT (Изображение предоставлено VTT)

Думаете, эра носимых устройств означает Fitbits и Apple Watch 4? Если эти громоздкие устройства представляют собой первую волну носимых устройств, возможно, второй будет «умная одежда», работающая на графене.

Поскольку графеновые чернила можно печатать на гибких поверхностях, таких как пластиковые листы, бумага и ткани, можно изготавливать электропроводящую одежду на основе графена, такую ​​как эта футболка Touch Interface от Центра технических исследований Финляндии VTT (opens в новой вкладке).

Работая как емкостные сенсорные электроды, печатная графеновая схема находится внутри футболки, а кнопки снаружи. В сочетании с телефоном или телевизором через Bluetooth это означает, что вы можете ответить на звонок, постукивая по одежде.

Это также может позволить солдатам, пожарным, лыжникам и другим спортсменам отвечать на звонки на ходу, а также облегчить пожилым людям вызов экстренных служб.

Графеновая накладка с УФ-трекингом

Этот графеновый пластырь измеряет воздействие УФ-излучения на кожу. Изображение предоставлено: Jamie Carter

Одежда с защитой от УФ-излучения, которая пропускает часть вредных солнечных лучей на вашу кожу, теперь является обычным явлением, но что, если бы ваша одежда могла на самом деле сказать вам, когда ваша кожа получила достаточное количество УФ-излучения? В этом и заключается идея этого ультратонкого и гибкого сенсора.

«Вы наклеиваете его прямо на кожу, на плавки или на одежду», — говорит профессор Франк Коппенс из ICFO (Институт фотонных наук) в Барселоне. «Он измеряет УФ-индекс и отправляет сигнал на ваш телефон, когда вам нужно уйти с солнца». В настоящее время идет процесс миниатюризации, в будущем этот патч будет еще меньше и будет полностью прозрачным.

Интеллектуальный мониторинг стельки для спортсменов

Вспененный графен в стельке реагирует на изменение давления. Изображение предоставлено: Jamie Carter

Графен также делает большие успехи в умной обуви. Носки и стельки, чувствительные к давлению в режиме реального времени, не новы, но в большинстве таких продуктов в них встроено всего несколько датчиков давления. У этого прототипа их более 100. Способный точно измерить, где ваши ноги касаются подошвы, легкая пена с графеном реагирует на изменения давления — и на точном миллиграммовом уровне.

«Я могу получить качественное число того, насколько каждая точка моей стопы давит на подошву, и составить карту давления обуви в приложении для смартфона», — говорит Ярджан Абдул Самад из Кембриджского графенового центра Университета Кембридж.

Прохладные графеновые туфли

Графеновые туфли избавляют ноги от жары и запаха. Изображение предоставлено: Jamie Carter

Графен может похвастаться отличной теплопроводностью, так куда его лучше положить, как не в жаркое и вонючее место? В этом прототипе графеновой обуви, разработанном Istituto Italiano di Tecnologia, BeDimensional и тосканским сапожником Fadel, графеновые чешуйки добавляются к полиуретану. Конечным результатом является обувь, которая рассеивает на 50% больше тепла, чем обувь, изготовленная только из полиуретана.

Это отличный способ понять значение графена в производственном процессе; обычно это дополнение, а не замена существующих материалов. Еще более поразительно то, что эти графеновые туфли состоят всего из 1% графена.

Самый эффективный солнечный элемент в мире

Графен был использован для изготовления самого эффективного солнечного элемента. Изображение предоставлено: Graphene Flagship

Может ли графен помочь нам более эффективно улавливать солнечную энергию? Первые признаки хорошие: Istituto Italiano di Tecnologia использует графен для создания больших солнечных элементов из перовскита (неорганических кристаллов).

«Графен используется для повышения эффективности и стабильности солнечного элемента», — сказала Беатрис Мартин-Гарсия из IIT, которая сказала TechRadar, что, хотя он не прослужит так долго, как солнечный элемент, сделанный из кремний, версия с добавлением графена уже в четыре раза дешевле в производстве. Это такой же важный фактор потенциального воздействия графена, как и его «магические» качества.

Графеновые интерфейсы мозг-компьютер

Гибкие графеновые цепи могут быть наложены на человеческий мозг. Изображение предоставлено: Валдек Лаур (EU2017EE) / Graphene Flagship

Гибкость графена означает, что его можно использовать в мозговых имплантатах, которые записывают и стимулируют мозговые сигналы на поверхности мозга. «Графен позволяет создавать менее инвазивные нейронные имплантаты нового поколения», — говорит профессор доктор Хосе А. Гарридо, профессор-исследователь ICREA в ICN2.

«Он может быть легко интегрирован в гибкие подложки, имеет очень высокое отношение сигнал/шум, поэтому сохраняет очень высокое качество электрического сигнала, а также сводит к минимуму использование кабелей».

Работа Гарридо в Центре стимуляции речи ICN2 и BrainCom сосредоточена на предоставлении канала связи пациентам с тяжелыми нарушениями речи (такими как инсульты и заболевания двигательных нейронов) путем картирования области мозга, коррелирующей с произношением речи.

Компрессор графенового криоохладителя для 5G

Слои графена позволяют создать эту компактную базовую станцию ​​для 5G. Изображение предоставлено: Jamie Carter

Мобильные антенны и приемники нуждаются во все большем и большем охлаждении, чем выше пропускная способность данных, иначе они перегреваются. Таким образом, значительное увеличение пропускной способности данных, необходимое для базовых станций 5G , является загадкой для телекоммуникационной отрасли. С помощью этого миниатюрного охлаждающего насоса можно довести электронные системы до криогенных температур.

«Мы разработали небольшой компрессор на основе графена, который примерно в десять раз меньше того, что можно сделать из других материалов», — объясняет Ларс Лундгрен из APR Technologies AB, Швеция. Без движущихся частей и с графеном в каждом втором слое он создает давление, необходимое для охлаждения базовых станций примерно до -150 градусов по Цельсию, при этом сигнал 5G остается стабильным. Ericsson и Nokia участвуют.

Графеновые детекторы инфекций

Графен используется для анализа образцов крови за 10 минут. Изображение предоставлено: Джейми Картер

Эпидемия лихорадки Эбола в Западной Африке, впервые зарегистрированная в марте 2014 года, унесла жизни более 11 000 человек в Либерии, Гвинее, Сьерра-Леоне, Нигерии, Мали и США. Так как же нам остановить следующий? Графеновые фотодетекторы, вот как.

Проблема во время эпидемии заключается в том, что анализы крови занимают дни, а людей в таких местах, как аэропорты и центры городов, нужно проверять немедленно. Эта сенсорная платформа, созданная Королевским технологическим институтом KTH в Швеции для работы с крошечной каплей крови, основана на кремниевой фотонике и графеновых фотодетекторах, которые находят определенные молекулярные пары в инфракрасном спектре. По сути, он идентифицирует молекулярный отпечаток конкретного заболевания.

Это то, что уже можно делать в лабораториях, но графен делает его мобильным и очень дешевым, поскольку в нем используются те же процессы производства кремниевых чипов, которые уже используются для чипов для смартфонов. Детектор прикрепляется к смартфону и в течение 10 минут подтверждает, есть ли у кого-то заболевание.

Графеновые наушники

Наушники Xiaomi Mi Pro HD содержат графен. Изображение предоставлено: Xiaomi

Хотя графен был открыт в Манчестерском университете, исследования его потенциального использования стали глобальными: научные лаборатории в Китае зарегистрировали больше патентов, чем в любой другой стране. Поэтому неудивительно, что один из ведущих китайских брендов бытовой электроники одним из первых начал использовать графен в своих продуктах. Наушники Xiaomi Mi Pro HD — это последний продукт Xiaomi, в котором используется графен, хотя его точная роль неясна.

Все, что Xiaomi скажет, это то, что он содержит «25-ступенчатый процесс» графеновую двойную диафрагму, «чтобы сохранить богатые детали и сделать низкие ноты мягкими». Графеновая диафрагма «более пластична на высоких частотах, производит насыщенные, резкие и кристально чистые звуки» и «проводит 100% проходящих через них электрических сигналов». Xiaomi также продает ультратонкий пояс PMA Graphene Smart Therapy Belt A10, в котором используется ткань, пропитанная графеном.

Графеновые плоскости

В авиации вес решает все, а это означает огромные затраты на топливо. Большинство пассажирских авиакомпаний перевозят достаточно топлива не только для того, чтобы выдержать вес самолета и пассажиров, но и для веса самого топлива. Поэтому неудивительно, что такие люди, как сэр Ричард Брэнсон , считают, что все самолеты будут построены из сверхлегкого графена в течение десятилетия.

Гораздо легче и намного прочнее, чем используемые в настоящее время композиты из углеродного волокна, графен привлек внимание компании Airbus, которая является членом исследовательской группы Graphene Flagship и провела в прошлом году симпозиум по инновациям в области графена.

Чехлы для телефонов из графена

NanoCase использует графен для рассеивания тепла. Изображение предоставлено: NanoCase

Чехлы для смартфонов со встроенными батареями для дополнительного заряда просто не прижились, но проблема быстрой разрядки батарей телефонов сохраняется, особенно для опытных пользователей. Cue NanoCase (откроется в новой вкладке) для iPhone X, iPhone 8/8 Plus и iPhone 7/7 Plus, который содержит графеновую панель, которая быстро рассеивает избыточное тепло внутри телефона.

Это продлевает срок службы аккумулятора телефона на 20%, утверждают производители NanoCase. Тем не менее, это поможет вам только в том случае, если вы являетесь добрым пользователем телефона, который так интенсивно использует свой телефон, что он нагревается. Геймеры, обратите внимание.

• 1

Текущая страница: 20 способов, которыми графен изменит вашу жизнь

Следующая страница Еще 20 способов, которыми графен изменит вашу жизнь

Эндрю — независимый журналист, он пишет и редактирует некоторые из ведущих британских изданий о технологиях и образе жизни, включая TrustedReviews, Stuff, T3, TechRadar, Lifehacker и другие.