Этот набирающий популярность материал представляет собой уплощенную форму углерода, организованную в кубическую структуру, и может революционизировать наш мир и состояние современной науки. Его очень широкие свойства дают ему практически неограниченное применение. Благодаря графену могут быть созданы более легкие и прочные материалы, используемые в аэрокосмической, авиационной, автомобильной и строительной отраслях. Он также играет значительную роль в электронике, телекоммуникациях, медицине, охране окружающей среды и т. д. Долгое время графен было трудно достать. В 2008 году его рыночная цена достигла 100 миллионов долларов за 1 см2, что сделало его самым дорогим веществом на Земле.
- Графен представляет собой аллотроп углерода, состоящий из одного слоя атомов, расположенных в двумерной наноструктуре (структура среднего размера между микроскопической и молекулярной структурами) сотовой структуры. Аллотропия – явление нахождения разных разновидностей одного и того же химического элемента в одном и том же агрегатном состоянии, различающихся по физико-химическим свойствам. Аллотропные формы элемента могут отличаться кристаллической структурой или числом атомов в молекуле.
- Углерод способен образовывать множество аллотропов благодаря своей валентности. В природе встречается в больших количествах, в принципе, только в трех аллотропах: графит, алмаз и аморфный углерод (каменный уголь, сажа). Они различаются расположением атомов углерода в кристаллической решетке — в каждой из этих разновидностей атомы углерода связаны по-разному.
- В алмазе каждый из четырех валентных электронов углерода участвует в образовании связи с другим атомом. В графите в образовании таких связей участвуют только три из четырех валентных электронов. В результате алмаз — прозрачный нереакционноспособный изолятор, а графит — черный проводник, подверженный химической модификации.
- Единый слой атомов углерода графита стал предметом интереса ученых. В графите каждый атом углерода соединяется с тремя другими атомами, и все эти связи лежат в одной плоскости, создавая сотовую решетку (атомы углерода объединяются в шестиугольники). Такие слои располагаются один над другим, а расстояние между ними примерно в два с половиной раза превышает длину углерод-углеродной связи. Следовательно, эти слои легко отделить друг от друга. Вот что происходит, когда мы пользуемся карандашом — каждый его след — это отслоившиеся слои графита, а графен — такой отслоившийся слой.
- Можно рискнуть утверждать, что графит образован одиночными плоскостями, слоями толщиной в один атом углерода — графеном, уложенными одна над другой. Термин «графен» появился в 1960-х годах. Между 1961 и 1962 годами Ханс-Петер Бем опубликовал исследование чрезвычайно тонких чешуек графита и назвал их «графеном» для гипотетической однослойной структуры.
- Еще в 19 веке ученые предположили, что графит состоит из слоев. Это было доказано исследованиями только в начале 20 века. В 1947 году Филип Рассел Уоллес написал первое теоретическое описание графена. Однако из-за двумерности графена считалось, что этот тип материала не может функционировать в природе.
- Графен был правильно выделен и охарактеризован в 2004 году Андреем Геймом и Константином Новоселовым из Манчестерского университета. Они изолировали слои графена от графита с помощью обычного скотча. Они помещали кристаллы графита на клейкую ленту и многократно соединяли и разделяли ее различные фрагменты, пока толщина графита не составляла всего один атомный слой. За это открытие оба ученых получили Нобелевскую премию по физике в 2010 году.
- Публикация новаторского эксперимента с двумерным графеном, а также описание удивительно простого метода его получения вызвали настоящую «графеновую золотую лихорадку». Исследования расширились и разбились на множество различных подобластей, изучающих различные уникальные свойства графена — квантовая механика, электрические, химические, механические, оптические, магнитные и т. д.
- С начала 21 века многие компании и исследовательские лаборатории работают над разработкой коммерческих приложений графена. В 2014 году для этой цели в Манчестерском университете был создан Национальный институт графена, два коммерческих производителя начали производство на северо-востоке Англии, а Cambridge Nanosystems — крупномасштабное предприятие по производству графенового порошка на востоке Англии.
- Европейская наука также вносит свой вклад в открытие и революционизацию методов производства графена. Ключевой датой является 2011 год, когда Институт технологии электронных материалов совместно с факультетом физики Варшавского университета подтвердил разработку современной технологии получения больших листов графена очень высокого качества. В 2015 году Лодзинский технологический университет официально показал свое устройство для производства графена из жидкой фазы. Эта технология была запатентована в Европейском союзе и США в 2016 году. Китай и Соединенные Штаты в настоящее время лидируют на рынке графена.
- Графен является желанным материалом из-за его особенностей — свойства и применение графена в современном мире могут полностью произвести революцию в науке и технике. Графен в настоящее время является самым тонким, легким и прочным материалом, открытым человеком. Это отличный проводник электричества и тепла, проводит электричество лучше, чем медь. Он очень гибкий, его можно растянуть до 20%. Он в 100 раз прочнее стали Мембрана из оксида графена (ГО) непроницаема для газов, даже гелия, но полностью проницаема для воды, что может быть использовано, например, при производстве питьевой воды из морской воды. Он почти прозрачен — поглощает около 2,3% света. Обладает бактерицидными свойствами Он может удалить радиоактивное загрязнение
- Хотя графен состоит из элемента, которого много на Земле, затраты на его производство высоки. Это серьезное препятствие для массового применения графена во многих областях. Пока производится лишь небольшое его количество.
- Корейцы в настоящее время являются наиболее продвинутыми в промышленном производстве графена. Графен можно использовать для производства новых типов экранов (сенсорных или жидкокристаллических), панелей солнечных батарей и компьютеров. Все современные устройства основаны на кремниевых полупроводниках, но ожидается, что индустрия скоро подойдет к концу миниатюризации кремниевых систем, и тогда станет необходим графен.
- Европа также ведет передовую работу по графену. Во многих областях применения графена другие страны мира более продвинуты (например, Южная Корея), но поляки разработали способ производства больших листов высококачественного графена. Польша могла бы производить этот материал и экспортировать его в виде сырья или полуфабриката.
- Еще одна потенциальная область применения графена — материаловедение. Графен очень высокого качества можно было бы комбинировать с другими материалами, например, с резиной или пластмассами, что придавало бы этим материалам совершенно разные значения — например, добавление графена к каучуку делало бы его способным проводить тепло.
- Графен можно использовать в области биомедицины для диагностических целей. Он проявляет терапевтический потенциал в качестве носителя лекарств. Он также может найти применение в тканевой инженерии, поскольку обладает антибактериальными свойствами, что делает его подходящим материалом для использования в различных биомедицинских областях, таких как дифференцировка тканей, регенерация и лечение воспалений.
- Графен обладает уникальными «нагревающими» свойствами. Это свойство используется в инновационном методе лечения боли (локальный нагрев тканей до температуры около 80 градусов С вызывает разрушение нервов, ответственных за боль в организме человека). Обезболивающие графеновые грелки, графеновая одежда с подогревом и другие графеновые тепловые устройства уже производятся. Их использование помогает, среди прочего пациенты, страдающие от болей в спине или коленях.
- Научные исследования показали, что графен разрушает раковые клетки. Прилипая к раковым клеткам, он создает вокруг них очень тонкий слой, отсекающий кислород и питательные вещества. Это приводит к гибели раковых клеток.
- Каталонский институт нанонаук и нанотехнологий разработал современный графеновый датчик, используемый при лечении эпилепсии и болезни Паркинсона. Он регистрирует активность мозга на частотах ниже 0,1 Гц. Изучение мозговой активности в таких диапазонах дает большие возможности для прогнозирования вероятности эпилептического припадка и инсульта. Это устройство является биосовместимым и поэтому гарантирует правильное функционирование в организме. Графеновый датчик также может переключаться в режим стимуляции во время работы, что используется при речевой реабилитации.
- У графена есть шанс заменить кремний во многих приложениях. Графен можно использовать для создания микропроцессоров, в тысячу раз более эффективных, чем те, которые мы знаем сегодня. Прозрачность и отличная проводимость делают графен пригодным для производства прозрачных сенсорных дисплеев, а также для производства возобновляемой энергии из фотоэлектрических модулей и ее хранения в высокопроизводительных батареях или суперконденсаторах. Сенсоры из графена способны регистрировать присутствие одной молекулы вредного вещества, благодаря чему их используют, например, в мониторинге или охране окружающей среды.
