Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего

Графен и его создатели. Справка

Будучи открытым всего несколько лет назад (в 2004 г.) учеными Константином Новоселовым и Андреем Геймом, работающими ныне в Манчестерском университете, графен быстро завоевал право называться материалом — преемником кремния, так как вскоре после начала его интенсивного изучения стало понятно, что по многим параметрам он превосходит наиболее широко используемый полупроводник.

Благодаря своим свойствам, графен считается следующим поколением материалов, которые найдут свое применение в наноэлекронике. Он позволит существенно повысить скорость работы вычислительных машин, снизить их энергопотребление и нагревание в ходе работы, сделать их легкими. Графен также может быть использован в качестве замены тяжелых медных проводов в авиационной и космической индустрии, а также в широком наборе гибких электронных устройств, прототипы которых разрабатываются в наши дни.

Главный из существующих в настоящее время способов получения графена основан на механическом отщеплении или отшелушивании слоев графита.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего Он позволяет получать наиболее качественные образцы с высокой подвижностью носителей. Этот метод не предполагает использования масштабного производства, поскольку это ручная процедура.

Другой известный способ — метод термического разложения подложки карбида кремния гораздо ближе к промышленному производству.

Поскольку графен впервые был получен только в 2004 г., он еще недостаточно хорошо изучен и привлекает к себе повышенный интерес. Данный материал не является просто кусочком других аллотропных модификаций углерода: графита, алмаза – из-за особенностей энергетического спектра носителей он проявляет специфические, в отличие от других двумерных систем, электрофизические свойства.

Согласно расчетам, микроэлектронные чипы на основе графена должны быть легче, производительнее, стабильнее в работе, должны потреблять меньше электроэнергии и меньше ее количество рассеивать в виде тепла. Наибольшая сложность в создании готовых электронных устройств на основе графена до сих пор заключалась в технической сложности получения углеродного листа больших размеров и отсутствия технологий манипуляций с ним.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего

В июне 2010 г. в Nature Nanotechnology была опубликована статья группы исследователей из Кореи и Японии, которые впервые сумели использовать углеродный наноматериал графен для создания сенсорного экрана с большой диагональю, что может приблизить появление гибких дисплеев и солнечных батарей и позволит существенно снизить их стоимость.

Ученые впервые сумели показать, что манипуляции с графеном возможны по принципам стандартной роликовой технологии, используемой, например, при печати газет и журналов. В своей работе они сумели получить большой лист графена, используя метод реакционного химического осаждения углеводородного сырья на гладкую пластину из меди. После этого с помощью роликов ученые покрыли графен слоем специального клейкого полимера, а медную подложку растворили травлением.

На следующем этапе ученые с помощью все той же роликовой технологии при нагревании перенесли графен с клейкой поверхности полимера на обычный пластик, используемый, например, для производства бутылок прохладительных напитков.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего Авторы публикации показали, что таким образом можно нанести несколько слоев графена друг на друга.

Полученный таким образом прямоугольный графеновый лист с диагональю 76 см ученые сумели превратить в прозрачный электрод для сенсорного дисплея. Такой дисплей, в отличие от современных аналогов, где в качестве прозрачного проводника используется оксид индия-олова, отличаются долговечностью, гибкостью, повышенной прозрачностью и, что наиболее важно, низкой стоимостью и экологичностью производства.

Создатели графена:

Метод создания графеновой ткани адаптировали для массового производства

Волокна хлопковой ткани, покрытые частицами из восстановленного оксида графена

Nazmul Karim et al. / ACS Nano, 2017

Ученые разработали метод создания электропроводных тканей с восстановленным оксидом графена, пригодный для массового производства.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего Предполагается, что технология позволит производить около 150 метров ткани в минуту, сообщается в исследовании, опубликованном в журнале ACS Nano.

Ученые уже много лет пытаются создавать устройства и материалы на основе графена. Но, как правило, они получаются дорогими и слабо приспособленными к реальному применению из-за того, что для их производства применяются сложные многоступенчатые методы.

Исследователи под руководством нобелевского лауреата Константина Новоселова научились создавать электропроводные ткани с восстановленным оксидом графена простым и масштабируемым методом. Для начала с помощью часто применяемого метода Хаммерса создается оксид графена. Затем он восстанавливается под действием дитионита натрия до восстановленного оксида графена, который имеет аналогичную графену структуру, но отличатся от него наличием дефектов и невосстановленных участков.

Поскольку обычно восстановленный оксид графена из-за своей гидрофобности в водных растворах стремится к агрегации в большие частицы, ученые стабилизировали его, присоединив полистеренсульфонат.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего В результате авторы получили коллоидный раствор плоских частиц восстановленного оксида графена со средней толщиной 2,2 нанометра и шириной 4,86 микрометров.

Схема производства графеновой ткани

Nazmul Karim et al. / ACS Nano, 2017

Для нанесения таких частиц на ткань ученые использовали широко распространенный в текстильной промышленности метод. Ткань пропускается через емкость с раствором материала для нанесения, а затем высушивается в специальной установке, причем весь процесс происходит на конвейере и непрерывно для всей длины полотна.

Пропитывание ткани коллоидным раствором графеновых частиц

Nazmul Karim et al.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего / ACS Nano, 2017

Исследователи проверили нанесение раствора частиц на хлопковую ткань. Они пропитывали ее в течение нескольких секунд, а затем высушивали при 100 градусах Цельсия в течение пяти минут. После этого они исследовали ткань с помощью сканирующего электронного микроскопа и выяснили, что после нанесения частицы равномерно оседают на волокна ткани. Также авторы протестировали износостойкость такой ткани. Оказалось, что ее электропроводность падает после мытья или сильных сгибаний, но не до нуля, а постепенно, по мере увеличения количества таких процедур.

Исследователи предложили использовать проводимость такой ткани для создания носимых сенсоров, и продемонстрировали, как изменяется ее сопротивление при сгибании руки с закрепленным на ней фрагментом ткани. Они считают, что при использовании промышленного оборудования один станок сможет производить до 150 метров такой ткани в минуту.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего

Недавно исследователи создали нити для «умной одежды» на основе другой аллотропной модификации углерода — нанотрубок. Особенность таких нитей заключается в том, что при растяжении они вырабатывают электрический ток. Исследователи продемонстрировали светодиод, который работает от растяжения всего одной нити.

Григорий Копиев

Создание экологичных смазок, модифицированных графеном — Нефтехимия и газохимия

Приводится методика модифицирования пластичной смазки графеном.

Введение
Пластичные смазки широко используются в различных машинах и механизмах, а также в резьбовых соединениях для уменьшения износа и трения, например при бурении нефтяных и газовых скважин.
Широкое применение смазок приводит к тому, что ежегодно миллионы тонн смазочных материалов сбрасываются в окружающую среду в результате утечек и замены отработанного смазочного материала.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего
Некоторые из этих отходов устойчивы к биодеградации и являются угрозой для окружающей среды.
Таким образом, существуют 2 основные проблемы у производителей смазочных материалов:

  • поиск возобновляемых сырьевых ресурсов,
  • создание материалов, которые являются биоразлагаемыми [1, 2].

Как известно, пластичные смазки состоят из жидкой основы (дисперсионной среды), твердого загустителя (дисперсной фазы) и различных добавок или присадок.
Для улучшения эксплуатационных свойств в состав смазок вводят присадки различного функционального назначения и твердые добавки.
Таким образом, смазки представляют собой сложные многокомпонентные системы, основные свойства которых определяются свойствами дисперсионной среды, дисперсной фазы, присадок и добавок.
В качестве дисперсионной среды смазок используют различные смазочные масла и жидкости.
В смазках, работающих в экстремальных условиях, применяют кремнийорганические жидкости, сложные эфиры, фтор- и фторхлоруглероды, полифениловые эфиры.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего
Применение таких смазок ограничено прежде всего их высокой стоимостью.
В отдельных случаях в качестве дисперсионной среды применяют растительные масла, например касторовое, но в этих случаях возникают проблемы, связанные с низкими трибологическими характеристиками этих смазок.
Высокой биоразлагаемостью и низкой токсичностью обладают сложные эфиры на базе синтетического или растительного сырья [3].
Вполне вероятно, что структура сложных эфиров, близкая к природным соединениям, способствует высокой биоразлагаемости, поскольку микробы в процессах своей жизнедеятельности используют вещества только со знакомым химическим строением.
Многие эксплуатационные характеристики смазок зависят от свойств не только дисперсной среды, но и от загустителя.
Диапазон применения смазок будет сильно зависеть от температур плавления и разложения загустителя, степени его растворимости в масле и величины его концентрации в композиции.
От природы загустителя зависят антифрикционные и защитные свойства, водостойкость, коллоидная, механическая и антиокислительная стабильности смазок.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего

На наш взгляд, при создании экологически безопасных смазок весьма перспективными материалами являются такие производные графита, как графен и оксид графена.

Данное предположение основано на том, что графен и оксид графена одновременно являются эффективными загустителями, то есть дисперсной фазой и присадкой, которая существенно улучшает трибологические характеристики смазки.

Нами экспериментально установлено, что добавки в индустриальное масло И-20А 7–8 % многослойного или 10–12 % малослойного графена, который производит ООО «НаноТехЦентр» (г. Тамбов), приводят к образованию консистенции, идентичной консистенции пластичной смазки.

С другой стороны, добавки 0,1 % графена в пластичные смазки Солидол-Ж и Литол-24 снижают коэффициент трения скольжения в 1,5 — 2 раза [4].

Кроме того, результаты экспериментальных исследований [5] показывают, что 1- слойный графен выдерживает порядка 6400 циклов скольжения, сохраняя очень низкое значение коэффициента трения скольжения, а 3 — 4- слойный графен выдерживает 47  000 циклов.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего

Таким образом, на практике смазки, модифицированные многослойным графеном, по всей видимости, будут работать более продолжительный срок, сохраняя высокие трибологические показатели.

По нашим предположениям, в процессе эксплуатации под воздействием сдвиговых напряжений, возникающих в смазке, находящейся в малом зазоре между поверхностями пары трения, происходит постепенное уменьшение количества слоев многослойного графена.

В ряде исследований [6–8] экспериментально доказано, что графен, в том числе многослойный, улучшает не только трибологические характеристики материалов, но и их прочностные свойства.

Следует отметить, что равномерность распределения графена в пластичной смазке существенно влияет на ее трибологические характеристики [9].

Целью настоящей работы является разработка методики модифицирования пластичной смазки многослойным графеном и определение трибологических характеристик этой смазки.

Экспериментальная часть

Многослойный графен был выбран в качестве модификатора по 2м основным причинам:

  • относительно низкая себестоимость производства;
  • продолжительное действие антифрикционных свойств.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего

ООО «НаноТехЦентр» производит многослойный графен (15 — 25 слоев) [10] в виде водной пасты или суспензии, не содержащих добавки поверхностно-активных веществ (ПАВ).
Поскольку многослойный графен в отличие от малослойного получают эксфолиацией интеркалированного графита в роторно-импульсном аппарате, а не в ультразвуковой установке, его себестоимость намного ниже.


На рис. 1 показаны изображения многослойного графена в сканирующем (SEM) и просвечивающем (TEM) электронном микроскопе.

Прежде всего исследовали влияние многослойного графена на трибологические характеристики базового масла И-20.

В базовое масло добавляли водную суспензию многослойного графена из расчета, что после удаления воды в сушильном шкафу массовая концентрация графена будет составлять 0,1 — 0,5 %. После удаления воды проводили гомогенизацию смеси в роторном смесителе, схема которого показана на рис. 2.

Смеситель состоит из цилиндрического корпуса 1 и ротора 2, установленного в корпусе и соединенного с приводом вращения 3.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего

Внутренний диаметр цилиндрического корпуса Ø 60 мм, а высота ротора — 20 мм.

За счет использования сменных роторов зазор между цилиндрическими поверхностями корпуса и ротора составлял 0,1 — 0,05 мм.

Скорость вращения ротора варьировалась приводом 3 в диапазоне 20 — 150 c-1.

Смесь подавалась в цилиндрический корпус шприцом 4 с объемной производительностью  0,3 — 0,6 см3 /cек.

Цикл обработки смеси повторяли от 2 до 5 раз.

Для сравнения аналогичные образцы готовили с углеродными нанотрубками и графитом.

Модифицирование пластичной смазки проводили в 2 этапа.

  • на 1 этапе готовили графеновый концентрат, с содержанием многослойного графена от 7 до 8 % по массе,
  • на 2 этапе смешивали графеновый концентрат с базовой пластичной смазкой.

Массовое содержание концентрата варьировалось в диапазоне 0,7 — 7 %, что соответствовало концентрации графена в пластичной смазке  0,05 — 0,5 %.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего
Гомогенизацию смазки с графеном проводили на роторном смесителе при геометрических и режимных параметрах, указанных выше.
В процессе модифицирования смазки графеном установлено, что все трибологические характеристики улучшаются при увеличении циклов обработки в роторном смесителе.
Наилучшие характеристики достигаются в результате 3х циклов обработки.
Последующая обработка повышает эксплуатационные свойства всего на 2 — 3 %.
Учитывая данное обстоятельство, обработку смазки проводили 3 раза.
Трибологические исследования проводили по ГОСТ 9490 — 75 и определяли:

  • несущую способность — по критической нагрузке PK;
  • предельную нагрузку — по нагрузке сваривания PС;
  • противоизносные свойства — по диаметру пятна износа DИ.

Испытания по определению противоизносных свойств смазочных материалов проводились на 4-шариковой машине трения с микропроцессором модели TE 82 производства компании Phoenix Tribology Ltd.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего , Великобритания (рис. 3а).

Диаметр пятна износа замеряли с помощью микрометрической цифровой головки, встроенной в микроскоп Mitutoyo.

Узел трения 4-шариковой машины представляет собой пирамиду из 4х контактирующих друг с другом стальных шариков.

3 нижних шарика закрепляют неподвижно в чашке машины с испытуемым смазочным материалом (рис. 3б).

Верхний шарик, закрепленный в шпинделе машины, вращается относительно 3х нижних под заданной нагрузкой с частотой вращения 1460 ± 70 мин-1.

После проведения испытания с помощью микроскопа измеряли диаметр пятна износа каждого из 3х нижних шариков, среднее арифметическое от суммы полученных значений является диаметром пятна износа испытуемого образца.

Результаты и обсуждение

Результаты по изменению противоизносных свойств масел с различными нанонаполнителями приведены в табл. 1.

Из таблицы 1 видно, что только графен способствует снижению диаметра пятна износа.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего

Уменьшение Ø пятна износа наблюдалось при концентрации графена в масле начиная с 0,1 %.

Максимальное уменьшение диаметра пятна износа на 33 % было зафиксировано при концентрации многослойного графена 0,25 %.

При дальнейшем увеличении концентрации до 0,5 % уменьшение диаметра пятна износа не зафиксировано.

Поскольку при концентрации графена 0,1 %, диаметр пятна износа уменьшился на 30%, было принято решение при модифицировании резьбовых смазок добавлять в них 0,1 % многослойного графена.

Следует отметить, что эта концентрация намного ниже по сравнению с диалкилдитиофосфатом цинка, дозировка которого составляет до 2 масс. %.

Результаты по изменению трибологических свойств пластичных смазок с различными наполнителями приведены в табл. 2.

Как видно из табл. 2 наилучшие результаты по всем показателям получены при добавлении к комплексной кальциевой смазке 0,1 % многослойного графена.

Диаметр пятна износа уменьшился на 50 %, индекс задира увеличился почти в 2,9 раза, несущая способность увеличилась в 3,8 раза.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего

Необходимо отметить, что смазка с 0,1 % многослойного графена не уступает смазкам, содержащим одновременно цинк, медь, графит и свинец в концентрациях до 30 %.

Графен является не только экологически безопасным материалом, но и способствует поглощению вредных примесей из жидких сред, в частности свинца [11, 12].

В работе [9] получили снижение коэффициента трения скольжения при использовании смазки, содержащей всего 0,05 % графена, что подтверждает целесообразность проведения дальнейших исследований по модифицированию пластичных смазок графеном.

Заключение

Разработана методика модифицирования пластичной смазки многослойным графеном.

Установлено, что при добавлении к пластичным смазкам многослойного графена в количестве порядка 0,1 % по массе существенно улучшаются все трибологические характеристики.

Основными преимуществами присадки на базе многослойного графена являются:

  • низкие рабочие концентрации,
  • простота стабилизации алкилсукцинимидами в отличие от графита и дисульфида молибдена,
  • совместимость с трансмиссионными маслами,
  • низкая токсичность.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего

Таким образом, использование многослойного графена является одним из перспективных путей промышленного производства экологически безопасных и относительно недорогих пластичных смазок.
Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки в приоритетных областях научно-технического комплекса России на 2014 — 2020 годы» (Государственный договор № 14.577.21.0253, 2017, «Уникальный идентификатор прикладных научных исследований» RFMEFI57717X0253).

Список литературы

1. Kreivaitis R., Padgurskas J., Spruogis B., Gumbyte M. Investigation of environmentally friendly lubricants // Environmental engineering The 8th International Conference. 2011, Vilnius, Lithuania. P. 174–177.

2. Петров Н.А., Вакилов А.Ф. Исследование экологически безопасной смазочной добавки для буровых растворов // Нефтегазовое дело: электрон. науч. журн. 2017. № 1. С. 6–20.

3. Karmakar G., P. Ghosh P., Sharma B.K. Chemically modifying vegetable oils to prepare green lubricants // Lubricants.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего 2017. V. 5. P. 1–17.

4. Al-Saadi D.A.Y., Pershin V.F., Salimov B. N., Montaev S.A. Modification of graphite greases graphene nanostructures // J. Friction Wear. 2017. V. 38. P. 418–422.

5. Berman D., Deshmukh S.A. Extraordinary macroscale wear resistance of one atom thick graphene layer // Adv. Funct. Mater. 2014. V. 24. P. 6640–6646.

6. Mindivan F. Effect of graphene nanoplatelets (GNPs) on tribological and mechanical behaviors of polyamide 6 (PA6) // Tribol. Ind. V. 39. P. 277–282.

7. Jia Z., Chen T., Wang J., Ni J., Li H., Shao X. Synthesis, characterization and tribological properties of Cu/reduced graphene oxide composites // Tribol. Int. 2015. № 88. P. 17–124.

8. Guo Y., Zhang S. The tribological properties of multi-layered graphene as additives of PAO2 oil in steel–steel contacts // Lubricants. 2016. V. 4. P. 30–41.

9. Sawyer W.G., Argibay N., Burris D.L., Krick B.A. Mechanistic studies in friction and wear of bulk materials // Ann.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего Rev. Mater. Res. 2014. V. 44. P. 395–427.

10. Много- и малослойные ГНП. http://www.nanotc.ru/
producrions/162-gnp-3

11. Кучерова А.Е., Буракова И.В., Бураков А.Е., Брянкин К.В. Изотермы адсорбции ионов свинца (II) графеновыми нанокомпозитами // Вестник ТГТУ. 2017. № 4. С. 698–706.

12. Kucherova A., Burakova I., Burakov A.. Graphene materials for lead (II) extraction: an equilibrium study // MATEC Web of Conferences. 2017. V. 1

Положением листов внутри многослойного графена научились управлять — Наука

ТАСС, 4 декабря. Нобелевские лауреаты Андрей Гейм и Константин Новоселов вместе с коллегами разработали методику, благодаря которой можно точно управлять положением листов графена или других плоских материалов, наложенных друг на друга. Это открывает дорогу для применения «муарового» графена в электронике, пишут ученые в статье для научного журнала Science Advances.

Графен – это материал из одиночного слоя атомов углерода, которые соединены между собой структурой химических связей, напоминающих структуру пчелиных сот.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего За получение и изучение первых образцов графена присудили Нобелевскую премию по физике 2010 года – награду получили выходцы из России Константин Новоселов и Андрей Гейм.

Изучение графена показало, что и у отдельных его листов, и многослойных конструкций из этого двумерного материала и других веществ с похожей структурой, есть экзотические свойства. К примеру, два года назад физики из США склеили два кусочка графена под определенным углом, получив узор, похожий на муаровый, и случайно превратили графен в экзотический изоляторо-сверхпроводник.

При таком положении листов графена атомы углерода начинают сильно влиять на то, как электроны движутся внутри всей этой конструкции. Поэтому если повернуть один из листов графена на определенный угол, то носители тока начинают двигаться без потерь энергии, подобно парам электронов в сверхпроводниках. При небольших отклонениях от этого угла из-за взаимодействий электронов возникает непреодолимый барьер для других частиц. Такое вещество физики называют «изолятором Мотта».Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего

«Прищепка» для графена

Все эти формы «муарового» графена можно использовать для решения множества практических задач. Но пока этому мешает одна простая проблема. Дело в том, что все подобные структуры приходится собирать вручную. Чтобы правильно совместить друг с другом слои графена или других двумерных материалов, приходится проходить через множество проб и ошибок.

Это не мешает экспериментам, но сильно их замедляет. При этом промышленное использование муарового графена остается очень дорогим или просто невозможным. Гейм, Новоселов и их коллеги решили эту проблему. Они разработали технологию, с помощью которой листы графена можно вращать уже после их соединения друг с другом.

Ученые выяснили, что этого можно добиться, если использовать три очень простых ингредиента – стеклянную пластинку, соединенную с ней полусферу из желеобразного кремнийорганического полимера полидиметилсилоксана, а также пленку из оргстекла, нанесенную на поверхность графенового «бутерброда» при помощи электронного микроскопа.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего

Чтобы управлять положением верхнего слоя графена или любого другого плоского материала, достаточно поднести стекло к образцу и приложить его к пленке из оргстекла. В результате полусфера сцепится с пленкой подобно вакуумной присоске или прищепке, после чего она поменяет свой цвет, что можно легко заметить при помощи микроскопа или любых других оптических инструментов.

Когда это произойдет, положением верхней прослойки «муарового» материала можно легко управлять, сдвигая стекло в стороны или поворачивая на произвольный угол. Как показали первые опыты физиков, подобным образом можно менять положение листов графена и поворачивать их неограниченное число раз. Благодаря этому производством муарового графена можно гораздо проще управлять.

Чтобы показать, что этот подход работает, Гейм, Новоселов и их коллеги склеили случайным образом три листа из двух разных двумерных материалов, графена и нитрида бора. После этого они прикрепили к ним оргстекло и идеально совместили их друг с другом, получив уникальный двойной муаровый узор.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего Природу и свойства этого материала физикам еще предстоит изучить.

«Благодаря этой методике мы можем управлять физическими свойствами подобных конструкций прямо на месте. То есть мы можем использовать их для создания наноустройств с экзотическими характеристиками. К примеру, мы предполагаем, что ее можно будет использовать в изучении двумерных квазикристаллов, а также сверхпроводящих и изолирующих свойств «муарового» графена», – заключил один из авторов работы, профессор Манчестерского университета Артем Мищенко.

С помощью графена создан генератор «бесконечной» энергии

Физики из Университета Арканзаса разработали схему на основе графена, которую условно можно считать «вечным двигателем» — генератором бесконечной и чистой энергии. В этом нет противоречия законам термодинамики. Энергию научились добывать из теплового движения атомов углерода.

Как выяснилось в ходе эксперимента, под действием никогда не прекращающегося хаотического теплового движения внутри графена одиночно закреплённая пластинка этого вещества толщиной в один атом углерода медленно колеблется и изгибается.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего

Фактически это вариант одной из версии микроэлектромеханических устройств (MEMS), которые промышленность научилась выпускать и, так или иначе, пристроила к делу, включая создание генераторов электричества из механических колебаний. Но никто ещё не рискнул создать генератор на основе улавливания колебаний теплового движения атомов, что считалось невозможным.

Чтобы колебания графена и полученный в результате этого переменный ток был преобразован в постоянный ток, физики из Арканзаса предложили схему с двумя диодами. Поставленный эксперимент доказал, что схема генерирует добавочную мощность на нагрузке. Как считают учёные, миллионы подобных схем на кристалле могут стать источником маломощного питания автономных систем, датчиков и другого.

«Мы перенаправили ток в цепи и превратили его во что-то полезное. Следующая цель команды — определить, можно ли хранить постоянный ток в конденсаторе для последующего использования.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего Эта цель требует миниатюризации схемы и нанесения ее на кремниевую пластину или кристалл. Если бы миллионы этих крошечных схем могли быть построены на микросхеме размером 1 на 1 миллиметр, они могли бы служить заменой маломощной батареи», — сказал один из авторов исследования профессор физики Пол Тибадо (Paul Thibado).

Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

создание, свойства и перспективы применения»

«Тонкие пленки из суспензии фторированного графена: создание, свойства и перспективы применения»


«Тонкие пленки из суспензии фторированного графена: создание, свойства и перспективы применения»

НазваниеКандидатская диссертация на тему: «Тонкие пленки из суспензии фторированного графена: создание, свойства и перспективы применения»
СоискательКуркина Ирина Ивановна
Диссертационный советДиссертационный Совет Д 002.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего 063.02
Специальность01.04.07 — Физика конденсированного состояния
Дата опубликования диссертации на сайте19.08.2019
Дата объявления о защите26.09.2019
Дата защиты27.01.2020
Статус защита состоялась

Научный руководительАнтонова Ирина Вениаминовна, доктор физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник, Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения
ОппонентАлексеев Николай Игоревич, доктор физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им.В.И.Ульянова (Ленина)
ОппонентЧернозатонский Леонид Александрович, доктор физ.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего -мат. наук, главный научный сотрудник, Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля
Ведущая организацияИнститут физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук. ИФМ УрО РАН
Ссылка на объявлениеhttps://www.gpi.ru/ru/news/dissertation-defences/zashita-dissertacii-kf-mn-kurkina-irina-ivanovna/
Ссылка на ВАКhttps://vak.minobrnauki.gov.ru/advert/100043294
Файлы

Please enable JavaScript

Your browser is out-of-date!

Update your browser to view this website correctly.

Update my browser now

×

Зачем России графен — 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.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего 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.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего 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.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего ). 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.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего 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.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего 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.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего 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.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего 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.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего 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.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего 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.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего 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

4 отличных метода изготовления графена в домашних условиях, вместе с основами графена

Что такое графен?

Графен — однослойный углеродный полимер.

Графен состоит из чистого углерода. Это материал, в котором атомы углерода расположены в один слой, образуя сотовый узор.
Следует подчеркнуть, что этот слой углерода имеет толщину всего один атом, хотя некоторые авторы считают до десяти слоев углерода графеном.
Если бы мы наложили друг на друга десять или более слоев графена, полученное вещество называлось бы графитом, что мы и используем в грифелях карандашей.

Термин графен был придуман Ханс-Петером Бёмом. Некоторые ученые называют графен термином «полупроводник с нулевой запрещенной зоной».
Он также известен под вариантами написания, такими как графен и графен, но они неверны для английского языка, хотя они могут быть действительными на других языках.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего


Если вы хотите создать свой собственный графен, прокрутите вниз до раздела «Как сделать графен в домашних условиях» или
посетите отдельную страницу только с инструкциями по изготовлению графена.Вы, вероятно, захотите прокрутить вниз, если уже слышали о создании графена с помощью DVD-привода Lightscribe, но вам нужно немного оксида графита в качестве отправной точки.
Если вы хотите инвестировать в графен или технологии, связанные с графеном, ознакомьтесь с разделом «Как инвестировать в графен».

Открытие графена

Графен был теоретически предсказан Филлипом Р. Уоллесом в его работе под названием «Band Theory of Graphite», опубликованной в Physical Review в 1947 году.Графен был открыт в 2003 году Андре Геймом и Костей Новоселовым в Манчестерском университете, а результаты были опубликованы в 2004 году.
За эту работу они были удостоены Нобелевской премии 2010 года.
Чтобы прояснить это, хотя графен успешно выращивался на различных монокристаллических подложках с 1970-х годов,
Только в 2003 году графен был наконец выделен в свободной форме.Создание графена: мировое состязание за лидерство в технологиях будущего Интересно знать, что использовали обычные липкие
лента для производства небольшого количества графена.Это очень важно, потому что электрические и физические свойства графена значительно различаются, когда он находится в свободном состоянии.
в отличие от привязки к поддерживающей кристаллической структуре.

Свойства графена

Графен обладает рядом очень интересных свойств. Как мы узнали, графен представляет собой сотовую структуру, состоящую исключительно из атомов углерода.
Мы делаем все возможное, чтобы объяснить эти свойства простым языком. Если вы хотите сами увидеть цифры вместе с нашими источниками, пожалуйста,
посетите нашу страницу о свойствах графена.Эта страница может пригодиться
если вы занимаетесь научным исследованием или просто хотите узнать, где найти точную информацию. Если иное не отмечено,
Основное внимание в этой статье уделяется графену свободной формы.

Электронная транспортная система и подвижность электронов

Очень важным свойством графена является его уникальная электронная транспортная система и, как следствие, высокая подвижность электронов.
Подвижность электронов описывает, насколько быстро электрон может двигаться через материал.Металлы и полупроводники представляют особый интерес из-за их использования в электронике.

Скорость электронов ограничена взаимодействиями с кристаллической решеткой.
С точки зрения непрофессионала, когда электрон движется через материал,
он сталкивается с атомами, составляющими материал, и эти столкновения замедляют электрон, ограничивая его максимальную скорость (тем самым нагревая материал,
создавая кошмары для инженеров, работающих над этим).
В действительности, конечно, немного сложнее, но этого приближения достаточно для нашего обсуждения.

Хотя кремний, который является основой современной микроэлектроники, имеет подвижность электронов 2 / Vs,
графен имеет подвижность электронов 200000 см 2 / Вс, что почти в 200 раз выше, чем у кремния. Это означает, что электроны движутся через графен намного быстрее.

Графен превосходит кремний по скорости

Судя только по этому факту, теоретически электронные устройства на основе графена могут работать почти в 200 раз быстрее, чем обычные устройства на основе кремния.Исследователям IBM удалось достичь частоты отсечки до 280 ГГц в графеновом полевом транзисторе с длиной затвора 40 нм.
Ученые ожидают увидеть в 2013 году частоты отсечки графеновых полевых транзисторов до 600 ГГц.
в то время как теоретический предел составляет примерно до 10 ТГц, если длина затвора сохраняется на уровне нескольких нм.
Для сравнения, кремний-германиевые (SiGe) транзисторы достигают максимальной рабочей частоты ниже 100 ГГц.
Будем надеяться, что прорыв в области графена поддержит закон Мура.

Низкое сопротивление

Еще одно свойство графена, тесно связанное с высокой подвижностью электронов, — это его низкое удельное сопротивление.Удельное сопротивление листа графена 10 -6 Ом * см. Чтобы увидеть это число в перспективе,
удельное сопротивление графена ниже удельного сопротивления серебра при комнатной температуре.
Кстати, при комнатной температуре серебро было материалом с самым низким удельным сопротивлением, известным ученым — то есть до появления графена.

Почему графен в свободной форме лучше?

Графен свободной формы действует как волновод для электронов. Это означает, что они могут свободно течь без столкновений,
со скоростью примерно 1/10 скорости света в вакууме.Однако, когда графен выращивается на такой подложке, как SiO2,
подвижность его электронов уменьшается в пять раз. Снижение подвижности электронов является следствием чувствительных электронных орбиталей графена,
которые меняют форму при контакте с другими материалами.
Вот почему ученые исследуют способы более эффективного производства графена в свободной форме и взаимодействия с ним.

Графен, вероятно, пока звучит как довольно крутой материал. Если вы заинтересованы в создании собственного графена,
прочтите, как сделать графен, или просто продолжайте читать, информация находится ниже на странице.

Графеновые транзисторы и графеновая логика

Транзисторы в цифровых схемах имеют два различных состояния:
ВКЛ и ВЫКЛ (транзисторы на самом деле имеют несколько разных состояний, кроме ВКЛ и ВЫКЛ, но эти два представляют основной интерес в этом обсуждении).
Чистый графен создает проблемы, проводя значительный ток даже в выключенном состоянии.
Графен проводит ток в выключенном состоянии, потому что это полупроводник с нулевой запрещенной зоной.
Полупроводник с нулевой запрещенной зоной не нуждается во внешнем электрическом поле, чтобы стать проводящим.Результат: графеновые логические элементы обладают высокой рассеиваемой статической мощностью — они потребляют энергию как при включенном, так и при выключенном устройстве.
Есть два подхода к решению этой проблемы: уменьшить длину затвора или использовать легированный графен.

Графен можно легировать так же, как и кристалл кремния. При легировании ионами калия подвижность электронов может быть уменьшена до 20 раз.
В таких случаях желательным эффектом является контролируемое снижение подвижности электронов.
Необходимы дополнительные исследования для определения оптимальных допантов и их концентраций.

Самовосстанавливающиеся свойства

Одно интересное свойство графена — самовосстановление. Это означает, что если мы удалим атом углерода из любого места внутри листа графена,
а затем подвергнуть лист воздействию атомов углерода или некоторых углеродсодержащих молекул, одна из них идеально встанет на место,
заполнение отверстия, созданного удаленным атомом углерода, и вписывание в шестиугольный узор.
Способность к самовосстановлению имеет большое значение для нанотехнологий, поскольку единственный случайный ион может пробить дыру в наноструктуре, делая ее бесполезной.Если наноструктура может самовосстановиться, она сможет противостоять суровым воздействиям окружающей среды.

Теплопроводность

Графен — очень хороший проводник тепла. Фактически, он настолько эффективно проводит тепло, что вы можете разрезать кубик льда.
с помощью листа графена. Графен поглощает тепло ваших пальцев, когда вы его держите, и передает и концентрирует тепло в небольшом
область контакта графенового «лезвия» со льдом. Лед мгновенно тает, и по мере его таяния выделяется все больше и больше тепла.
передается из вашей руки через графен и, наконец, на лед, растапливая его дальше.

Относительная прочность материала по отношению к весу

Легкий материал на основе графена.

Этот захватывающий новый материал — один из самых прочных материалов, известных науке. Благодаря одноатомной толщине,
графен может быть упакован в небольшой объем, сохраняя при этом чрезвычайно большую площадь поверхности.
Один квадратный метр (10,7 квадратных футов) графена весит менее 1 миллиграмма. Это делает его материалом с превосходным соотношением веса к площади и площади к объему по сравнению с другими материалами с высокой удельной площадью.Несмотря на то, что углеродный слой очень прочный, его толщина составляет всего один атом, и он легко ломается. Это делает работу с графеном непростой задачей.
сложная задача. Ученые разработали материалы на основе графена, которые используют уникальные свойства графена, делая его достаточно толстым, чтобы
выдерживают гораздо более высокие нагрузки.

Как купить графен?

Графен доступен у ряда торговых посредников онлайн и офлайн. Цена на графен на данный момент не очень привлекательная: около 300 долларов (ок.250 евро)
на 1 грамм чистого нанопорошка графена, отфильтрованного 3 нм. Конечно, ожидается, что цена на графен будет снижаться по мере увеличения числа производителей. В качестве альтернативы,
если вы хотите зарабатывать деньги, а не тратить их, взгляните на статью «Как инвестировать в графен».

Оказывается, многие читатели хотят сделать графен дома, поэтому вот спойлер: можно создавать небольшие количества.
самодельного графена! Однако, хотя это возможно, сделать значительные суммы непросто.Фактически, на момент написания этой статьи
ученые до сих пор не знают, как эффективно производить графен в больших количествах и с высоким качеством,
потому что технологические процессы еще не разработаны.
Тем не менее, изготовление графеновых листов своими руками в небольших количествах довольно тривиально.

Биты, которые вы сможете изготовить в домашних условиях, будут иметь длину всего несколько нанометров,
так что забудьте о макроскопических листах или полосах графена. Самый большой кусок графена, который вы можете сделать самостоятельно, — это
около 0.25мм 2 (но их будет много). Это не намного больше, чем площадь восклицательного знака на этой веб-странице!
В промышленных целях ученые создают транзисторы с длиной затвора менее 25 нм … так что ваш кусок размером с точку
графен, хотя он кажется вам ничтожно маленьким, может быть использован для изготовления сотен транзисторов.
Все еще заинтересованы в создании графена? Отлично, читайте дальше!

Метод 1: липкая лента

Первый способ DIY — использовать графитовый карандаш, чтобы нанести толстый слой графита.
на бумагу.Затем обычной липкой лентой снимите с бумаги слой графита. Используйте другой кусок липкой
скотч, чтобы удалить слой графита с первой липкой ленты. Затем используйте третий кусок неиспользованной липкой ленты, чтобы удалить слой с
второй кусок липкой ленты и т. д. Со временем слои графита будут становиться все тоньше и тоньше, и вы получите графен,
который является однослойным графитом в строгом смысле слова, двухслойным или многослойным графитом (который в некоторых случаях действует почти как графен).Несмотря на то, что этот способ изготовления графена является лишь подтверждением концепции, метод липкой ленты работает.
Это требует терпения и времени, но это метод «сделай сам», который манчестерская группа использовала в 2004 году.
И помните, они на самом деле получили Нобелевскую премию за свою работу, так что с липкой лентой не стоит связываться!

Метод 2: кухонный блендер

Группа ученых опубликовала свою статью 20 апреля 2014 года, в которой они описывают, как сделать графен, используя подход
называется жидким отшелушиванием сдвигом.Вы можете найти аннотацию статьи
здесь, но полная статья находится за платным доступом.

Отшелушивание со сдвигом в жидкости начинается с заливки порошкообразных кристаллов в жидкость, а затем с помощью миксера со сдвигом для разделения (расслоения)
слои материала из хрусталя. Жидкость, которая используется в таких процессах, выбирается так, чтобы мелкие частицы графена не
снова слипаются, и в результате получается жидкая суспензия графена. Затем суспензия может быть высушена для получения нанофлексов графена или
его можно было бы напрямую использовать в более поздних технологических процессах, таких как создание графеновых покрытий и другие.

Итак, как сделать графен дома с помощью этого метода? Что ж, вы можете заменить ножничный миксер кухонным блендером.
(поскольку смешивание со сдвигом — это модное слово для высокотехнологичного смешивания), а вместо специальных жидкостей вы можете использовать воду и средство для мытья посуды.
Моющее средство добавляется так, чтобы частицы не слипались, и действует как поверхностно-активное вещество. Прекрасным источником графитового порошка являются графитовые карандаши.
Просто припудрите несколько грифелей карандашей и добавьте порошок в раствор моющего средства, затем перемешайте некоторое время.Если у вас нет доступа к
специальные микроскопы и другое оборудование, вы, вероятно, не сможете подтвердить наличие графена в вашем растворе моющего средства, но есть
быстрое практическое правило, которое вы можете использовать для оценки размера частиц. Вообще говоря, если частицы графена
слишком большие, они опустятся на дно сосуда, а если они меньше, они будут плавать наверху. Наночастицы настолько малы, что
они будут подвешены в воде, и это то, к чему вы стремитесь, если хотите получить графен.После того, как вы сделаете достаточно графена
частиц, вы можете отфильтровать суспензию и дать ей высохнуть.

При этом, хотя этот метод изготовления графена был описан в упомянутой выше статье и сработал для исследователей,
не слишком увлекайтесь тем, что делаете это дома таким образом. Это беспорядочно и создает очень маленькие нано-чешуйки графена, не то, что нужно.
хвастайтесь перед друзьями, если только у вас в подвале нет лаборатории высоких технологий и вы не собираетесь использовать их для изготовления графеновых транзисторов.С другой стороны,
эта технология вместе с
Отшелушивание жидкой фазы с помощью ультразвуковой обработки может определить, как графен будет производиться в будущем в промышленных условиях, из-за его масштабируемости.

Метод 3: Устройство записи DVD — подход к технологии LightScribe

Для изготовления графена этим методом требуется компьютерный DVD-привод с технологией LightScribe, а также немного оксида графита.
Вы можете получить оксид графита у производителя, или вы можете сделать немного оксида графита дома для
этот эксперимент.Если вы хотите узнать, как сделать оксид графита в домашних условиях, прокрутите вниз до следующего раздела

Оксид графита водорастворим, поэтому после смешивания с водой осторожно перелейте его на DVD.
диск. Убедитесь, что раствор оксида графита равномерно распределен по пластиковой поверхности диска. После решения
После высыхания и образования пленки оксида графита на диске, поместите диск в привод DVD пленкой вниз.
Используйте программное обеспечение LightScribe, чтобы прожечь слой оксида.Области пленки, контактирующие с
лазерный луч превратится в графен. Лазерный луч вызывает химическое восстановление, которое восстанавливает оксид графита до графена.
Полученный слой графена следует осторожно снять с диска и разрезать на кусочки подходящего размера.
шт. Эти кусочки можно использовать непосредственно для создания графенового суперконденсатора!
Это, пожалуй, самый простой способ сделать графен дома, но он предполагает, что у вас есть доступ к
оксид графита и привод Laserscribe.

Один читатель предположил, что DVD-лазер LightScribe можно заменить простой ксеноновой вспышкой. Если у вас есть фото-вспышка,
вы также можете попробовать этот подход и сообщить нам о результатах в разделе «Контакты в домене нашего сайта». Еще один совет: НЕ делайте этого
если вас не устраивает аннулирование гарантии на записывающее устройство DVD.

Метод 4: Образование пленки на границе раздела гептан-вода

Нефть на воде.

Это новейший рецепт графена своими руками, который мы слышали до сих пор.Он включает в себя немного физики жидкости, чтобы сначала объяснить, что здесь происходит.
Если вы нальете в воду нерастворимую в воде жидкость, она либо будет плавать на поверхности воды, либо вода будет плавать на ней,
в зависимости от того, тяжелее (более плотно) или легче (менее плотно) добавленная жидкость, чем вода. Типичный пример — плавающая нефть.
поверх воды (см. изображение).

Одна группа ученых [1] обнаружила, что графен можно получить, залив два растворителя, которые
не смешивать вместе, например, гептан и воду, в стакан и добавлять мелко измельченный графитовый порошок и помещать его в ванну для обработки ультразвуком.Вы можете купить гептан в большинстве магазинов химии, вода легко доступна (рекомендуется использовать дистиллированную воду),
и вы можете легко получить графитовые палочки в художественных магазинах. Ультразвуковая ванна необходима, но это не редкость на ebay и т.п.
Полученный графен имеет толщину от одного до четырех слоев и химически стабилен. Его можно извлечь и положить на чистую стеклянную пластину,
или любой другой субстрат.

Графен на границе раздела вода-гептан.

Идея состоит в том, чтобы смешать тонкоизмельченный графит с водой и гептаном (соотношение воды и гептана 1: 1) и некоторое время обработать ультразвуком.Что происходит дальше, так это то, что чешуйки графита отслаиваются на границе раздела воды и гептана, и графен фактически начинает «подниматься вверх».
вверх по стеклянным стенкам флакона. Если гидрофильный субстрат, такой как предметное стекло, вводится через границу раздела, тонкая пленка
графена также будет подниматься по стенкам слайда. Затем стеклянное предметное стекло можно извлечь, и после высыхания у вас останется
стекло с графеновым покрытием. Если вы используете полиэтиленовый флакон, полученный графен не будет взбираться по стенкам флакона, но вы можете
по-прежнему извлекайте его с помощью предметного стекла из стекла или другого гидрофильного материала.Результат показан на изображении справа.

Графен на стекле.

Конечный продукт этого процесса создания графена показан на изображении слева.
Графен нанесен в виде тонкой пленки на обе стороны стеклянной пластины.
и его легкие светопоглощающие свойства можно увидеть, посмотрев сквозь него
(Графен поглощает около 2,3% видимого света). Объяснение процесса состоит в том, что
графен самостоятельно собирается из мелких отслоившихся чешуек на границе раздела воды и гептана, потому что поверхность
напряжение графена (54.8 мН / м) почти прямо между поверхностным натяжением воды (72,9 мН / м) и гептана (20,1 мН / м).
Толщина графеновой пленки ограничена капиллярными силами на границе раздела, и избыток графена просто упадет до
дно флакона. Формирование толстых агрегатов подавляется за счет диффузии и потребности в энергии, необходимой для
сформировать новый слой. Для получения дополнительной информации, пожалуйста, обратитесь к исходному документу [1]

Это, возможно, самый простой способ сделать дома графен в виде листа произвольно большого размера.Другие методы создают только графен
хлопья, но эти хлопья, возможно, могут быть использованы вместо чешуек графита в этом методе в качестве стадии очистки.
Попробуйте и дайте нам знать, как это происходит!

Как сделать оксид графита в домашних условиях?

Заявление об ограничении ответственности

Чтобы сделать графен дома описанным выше методом DVD, вам понадобится оксид графита. Вы можете купить оксид графита
из различных источников, в том числе в Интернете, или вы можете попробовать сделать оксид графена самостоятельно.В этом тексте мы объясним, как вы можете сделать
оксид графена в домашних условиях. Процедура относительно проста, и большинство ингредиентов можно купить без рецепта.
Однако учтите, что это НЕ безопасная процедура, и следование этому руководству может привести к взрывам, пожарам и серьезным травмам.
По понятным причинам, если вы решите сделать это самостоятельно, соблюдайте меры предосторожности при работе с кислотами и взрывчатыми веществами.
Фактически, мы считаем, что, если вы не являетесь лицензированным химиком, вам лучше покупать оксид графена, чем
пытаюсь сделать это дома.Мы предлагаем этот текст только как образовательный ресурс. Переходя к чтению
следующий текст, вы подтверждаете, что понимаете риски работы с химическими веществами, перечисленными в тексте, и имеете полный
понимание всех химических реакций и опасностей, которые они представляют для вашего здоровья и безопасности. Чтобы избежать дыма и возгорания,
Проведите этот эксперимент на открытом воздухе в контролируемой, хорошо вентилируемой среде. Несмотря на то, что позаботились о
убедитесь, что в тексте нет ошибок, мы не несем ответственности за возможные ошибки, оставшиеся в тексте.

Если у вас есть доступ к лаборатории и вы делаете это для проекта или эксперимента, напишите нам и расскажите, как все прошло.
Мы хотели бы включить сюда вашу историю успеха.

Введение

Оксид графита известен уже почти 150 лет. Впервые он был подготовлен в 1859 году. В процесс внесены улучшения.
с тех пор, и многие исследователи в этой области прокомментировали потенциальные опасности и риски, связанные с первоначальной процедурой, как
описанный Б.Броди, который первым открыл процесс. Описанный здесь метод занимает около 2 часов при температуре ниже 45 градусов.
по Цельсию, если у вас есть доступ к центрифуге. Если вы этого не сделаете, то лишняя вода испарится из контейнера примерно через день.

Порядок действий

Смешайте 100 г порошкообразного графита с 50 г нитрата натрия в 2,3 литрах технической серной кислоты. Обязательно смешайте ингредиенты
в герметичном контейнере, намного превышающем необходимый, помещенном в ледяную баню с температурой 0 градусов Цельсия в качестве меры безопасности.Контейнер должен быть
объемом не менее 15-20 литров.

ОСТОРОЖНОСТЬ! Добавьте в смесь 300 г перманганата калия, постоянно перемешивая ингредиенты. НЕ добавляйте все 300 г за раз.
Вместо этого осторожно добавляйте перманганат калия грамм за граммом, чтобы смесь не нагревалась выше 20 градусов по Цельсию! ОСТОРОЖНОСТЬ!
Перманганат калия — мощный окислитель, который при контакте окрашивает кожу и другие органические материалы, такие как одежда.
При смешивании с серной кислотой образуется взрывоопасный оксид марганца, поэтому необходимо соблюдать все меры безопасности! Убедитесь, что максимум
температура не превышена.

После добавления перманганата в смесь снимите ледяную баню и доведите температуру до 35 градусов по Цельсию.
Точно и осторожно поддерживайте эту температуру в течение 30 минут. На этом этапе смесь загустеет, и количество выделенного
газ уменьшится. Примерно через 20 минут ожидайте, что смесь будет коричневато-серой и пастообразной консистенции.

ОСТОРОЖНОСТЬ! По прошествии 30 минут медленно и осторожно добавьте в смесь 4,8 л воды, помешивая.Добавление
вода вызовет экзотермическую реакцию, которая повысит температуру смеси почти до 100 градусов по Цельсию, и
при бурной реакции будет выделено большое количество газа! Поддерживайте температуру 98 градусов по Цельсию еще 15 минут.
ОСТОРОЖНОСТЬ! Теперь смесь станет коричневого цвета.

После поддержания температуры в течение 15 минут разбавьте смесь теплой водой до 14 литров жидкости. Добавить 3%
перекись водорода, чтобы уменьшить количество оставшегося перманганата.После добавления перекиси водорода смесь должна стать яркой.
желтый.

Отфильтруйте смесь, пока она еще теплая. Фильтр приобретет желто-коричневый цвет. Промыть фильтровальную лепешку трижды, всего 14 литров.
теплой воды. Полученный оксид графита диспергируют в 32 литрах воды. Чтобы получить сухой оксид графита, вам понадобится мощный
центрифуга. Поскольку это, вероятно, недоступно, нагрейте воду, содержащую оксид графита, до 40 градусов по Цельсию и подождите, пока вода не испарится.Лучше всего подойдет широкая емкость, так как большая площадь будет способствовать испарению.

Оксид графита более высокого качества, полученный таким образом, будет иметь ярко-желтый цвет, в то время как оксид графита более низкого качества приобретет
от зеленого до черного оттенка. Вы можете использовать этот оксид графита в водном растворе для проведения домашних экспериментов с дисками Lightscribe.

Дополнительная литература

Для вашего удобства мы предоставляем оригинальную бумагу.
где описан этот процесс.Мы использовали эту бумагу в качестве основы для нашего руководства о том, как сделать оксид графита в домашних условиях.
В случае сомнений следуйте указаниям из этого документа вместо указаний, изложенных на нашем веб-сайте.
Есть также несколько видеороликов на Youtube, которые показывают весь процесс, и они также могут быть ценным ресурсом.

Мы хотели бы поблагодарить нашего посетителя Геру, которая связалась с нами и указала на опечатку в тексте.

CVD Graphene — Создание графена с помощью химического осаждения из паровой фазы
— Графенея

Существуют разные способы создания или изоляции монослоев графена, но, безусловно, наиболее популярным способом в настоящее время является использование процесса, называемого химическим осаждением из паровой фазы.Химическое осаждение из паровой фазы или CVD — это метод, с помощью которого можно производить графен относительно высокого качества, потенциально в больших масштабах. Процесс CVD достаточно прост, хотя необходимо некоторое специальное оборудование, а для создания графена хорошего качества важно строго придерживаться установленных правил, касающихся объемов газа, давления, температуры и продолжительности времени.

Процесс CVD

Проще говоря, CVD — это способ нанесения газообразных реагентов на подложку.CVD работает путем объединения молекул газа (часто с использованием газов-носителей) в реакционной камере, которая обычно имеет температуру окружающей среды. Когда объединенные газы вступают в контакт с подложкой внутри реакционной камеры (которая нагревается), происходит реакция, которая создает пленку материала на поверхности подложки. Затем отходящие газы откачиваются из реакционной камеры. Температура субстрата является основным условием, определяющим тип реакции, поэтому очень важно, чтобы температура была правильной.

Во время процесса CVD на подложку обычно наносится очень небольшое количество покрытия с очень низкой скоростью, часто описываемой в микронах толщины в час. Процесс аналогичен физическому осаждению из паровой фазы (PVD), с той лишь разницей, что прекурсоры представляют собой твердые соединения, а не газы, и поэтому процесс немного отличается. Твердое соединение или соединения испаряются, а затем осаждаются на подложку посредством конденсации.

Преимущества использования CVD для нанесения материалов на подложку заключаются в том, что качество получаемых материалов обычно очень высокое.Другие общие характеристики CVD-покрытий включают непроницаемость, высокую чистоту, мелкозернистость и повышенную твердость по сравнению с другими методами нанесения покрытий. Это обычное решение для нанесения пленок в полупроводниковой промышленности, а также в оптоэлектронике из-за низких затрат по сравнению с высокой чистотой создаваемых пленок.

Несмотря на то, что существует ряд различных форматов CVD, большинство современных процессов подразделяются на две категории, разделенные рабочим давлением химического осаждения из паровой фазы: LPCVD и UHVCVD.LPCVD (CVD низкого давления) — это процедура CVD, выполняемая при давлении ниже атмосферного. Это низкое давление помогает предотвратить нежелательные реакции и обеспечить более равномерную толщину покрытия на основе. UHVCVD (CVD в сверхвысоком вакууме) — это процесс, при котором CVD проводят при чрезвычайно низких атмосферных давлениях; обычно в районе 10-6 Паскалей.

Недостатки использования химического осаждения из паровой фазы для создания покрытий материалов состоят в том, что газообразные побочные продукты процесса обычно очень токсичны.Это связано с тем, что используемые газы-предшественники должны быть очень летучими, чтобы реагировать с субстратом, но не настолько летучими, чтобы их было трудно доставить в реакционную камеру. Во время процесса CVD токсичные побочные продукты удаляются из реакционной камеры потоком газа для надлежащей утилизации.

Фундаментальные процессы создания графена CVD

CVD-графен создается в два этапа: пиролиз предшественника материала с образованием углерода и формирование углеродной структуры графена с использованием диссоциированных атомов углерода.Первая стадия, пиролиз до диссоциированных атомов углерода, должна проводиться на поверхности подложки, чтобы предотвратить осаждение кластеров углерода (сажи) во время газовой фазы. Проблема заключается в том, что пиролитическое разложение предшественников требует экстремальных уровней тепла, и поэтому для снижения температуры реакции необходимо использовать металлические катализаторы.

Вторая фаза создания углеродной структуры из диссоциированных атомов углерода также требует очень высокого уровня тепла (более 2500 градусов Цельсия без катализатора), поэтому на этой стадии обязательно наличие катализатора для снижения температуры, необходимой для реакции. происходить примерно до 1000 градусов по Цельсию.Проблема с использованием катализаторов заключается в том, что вы эффективно вводите больше соединений в реакционную камеру, что будет влиять на реакции внутри камеры. Одним из примеров этих эффектов является то, как атомы углерода растворяются в определенных субстратах, таких как никель, во время фазы охлаждения.

Все это означает, что жизненно важно, чтобы процесс CVD был очень строго скоординирован, и чтобы на каждом этапе процесса вводились средства контроля, чтобы гарантировать, что реакции происходят эффективно, и что качество производимого графена является наивысшим достижимым.

Проблемы, связанные с созданием CVD-графена

Чтобы создать однослойный или несколько слоев графена на подложке, ученые должны сначала преодолеть самые большие проблемы с методами, которые наблюдались до сих пор.

Первая серьезная проблема заключается в том, что, хотя можно создать высококачественный графен на подложке с использованием CVD, успешное отделение или отслаивание графена от подложки было своего рода камнем преткновения. Причина этого в первую очередь в том, что взаимосвязь между графеном и подложкой, на которой он «выращен», еще полностью не изучена, поэтому нелегко добиться разделения, не повредив структуру графена или не повлияв на свойства материала.Способы достижения этого разделения различаются в зависимости от типа используемого субстрата. Часто ученые могут решить растворить субстрат во вредных кислотах, но этот процесс обычно влияет на качество производимого графена, поэтому в настоящее время изучаются другие методы.

Один альтернативный метод, который был исследован, включает создание графена CVD на медной (Cu) подложке (в этом примере Cu используется в качестве катализатора в реакции). Во время химического осаждения из паровой фазы происходит реакция между медной подложкой и графеном, которая создает высокий уровень гидростатического сжатия, связывая графен с подложкой.Тем не менее, было показано, что можно внедрить слой оксида меди (который является механически и химически слабым) между графеном и медной подложкой, чтобы снизить это давление и дать возможность относительно легко удалить графен (также в этом случае Например, субстрат можно использовать повторно).

Ученые также изучали возможность использования полиметилметакрилата (ПММА) в качестве поддерживающего полимера для облегчения переноса графена на альтернативную подложку. С помощью этого метода графен покрывается ПММА, а предыдущая подложка протравливается.Затем покрытый графен становится достаточно прочным, чтобы переноситься на другую подложку без повреждения материала. Другие опорные полимеры, которые были протестированы, включают термоотталкивающую ленту и ПДМС (полидиметилсилоксан). Однако было показано, что ПММА является наиболее эффективным при переносе графена без чрезмерного повреждения.

Еще одно серьезное препятствие — создание полностью однородного слоя графена на подложке. Этого трудно достичь, поскольку на кинетическую динамику переноса газа влияют диффузия и конвекция, а это означает, что эти значения изменяются в пространстве реакционной камеры, что, в свою очередь, влияет на химические реакции на подложке.Кроме того, из-за динамики жидкости может произойти истощение реагентов к тому времени, когда газ достигнет дальнейших концов субстрата, а это означает, что никакой реакции не произойдет. Некоторые ученые сообщили, что преодолели эту проблему, изменив концентрацию газов, а также внедрив методы нанесения покрытия центрифугированием.

Текущие и возможные решения

С точки зрения преодоления этих проблем, ученые разрабатывают более сложные методы и руководящие принципы, которым нужно следовать, чтобы создать максимально возможное качество графена.Одним из вводных способов уменьшения воздействия этих проблем является обработка субстрата до того, как произойдет реакция. Медную подложку можно химически обработать, чтобы снизить каталитическую активность, увеличить размер зерен Cu и изменить морфологию поверхности, чтобы облегчить рост чешуек графена, которые содержат меньше дефектов.

Этот момент обработки подложки перед осаждением будет исследоваться еще долгое время, поскольку мы постепенно узнаем, как модифицировать структуру графена в соответствии с различными приложениями.Например, для эффективного использования графена в сверхпроводниках необходимо легирование материала для создания запрещенной зоны. Этот процесс потенциально может быть чем-то, что выполняется на подложке перед нанесением, а не обработкой материала после CVD.

Сделайте графен на кухне с мылом и блендером

Джейкоб Арон

Чудо-материал, который вы можете сделать в своем блендере

(Изображение: Science Picture Co / Science Photo Library)

Сначала насыпьте немного графитового порошка в блендер.Добавьте воду и жидкость для мытья посуды и перемешайте на высокой скорости. Поздравляю, вы только что сделали чудо-материал графен.

Этот удивительно простой рецепт теперь является самым простым способом массового производства чистого графена — листов углерода толщиной всего в один атом. Было предсказано, что этот материал произведет революцию в электронной промышленности благодаря своим необычным электрическим и тепловым свойствам. Но до сих пор производство высококачественного графена в больших количествах было трудным — лучшие лабораторные методы позволяют обходиться менее чем полграмма в час.

Реклама

«Есть компании, производящие графен с гораздо более высокими темпами, но качество не является исключительным», — говорит Джонатан Коулман из Тринити-колледжа в Дублине в Ирландии.

Команда Коулмана наняла Томас Свон, химическую фирму из Консетта, Великобритания, чтобы придумать что-нибудь получше. Из предыдущей работы они знали, что можно вырезать графен из графита, формы углерода, найденной в грифеле карандаша.Графит, по сути, состоит из листов графена, сложенных вместе, как колода карт, и, сдвинув его правильно, можно разделить слои.

Карбоновый смузи

Команда поместила графитовый порошок и растворяющую жидкость в лабораторный миксер и запустила его в режим вращения. Анализ с помощью электронного микроскопа подтвердил, что они производили графен со скоростью около 5 граммов в час. Чтобы выяснить, насколько хорошо этот процесс масштабируется, они опробовали различные типы двигателей и растворители.Они обнаружили, что кухонный блендер и жидкость для мытья посуды Fairy Liquid тоже подойдут.

«Если вы используете блендер, зачем использовать модное дорогое поверхностно-активное вещество? Почему бы не использовать простейшее из существующих поверхностно-активных веществ, и я думаю, это Fairy Liquid », — говорит Коулман.

Тем не менее, Коулман говорит, что вы, возможно, не захотите пробовать это дома. Точное количество жидкости для мытья посуды зависит от свойств графитового порошка, таких как гранулометрический состав зерен и от того, загрязняют ли образец какие-либо материалы, кроме углерода.Их можно определить только с помощью современного лабораторного оборудования. Этот метод также не преобразует весь графит в графен, поэтому два материала должны быть впоследствии разделены.

«Это забавный эксперимент, но далеко не уедешь», — говорит Колман. «Вы могли бы сделать черную жидкость, полную графена, но что делать дальше?» Вместо этого, по расчетам команды, эта технология масштабируется до промышленного уровня — чан емкостью 10 000 литров с правильным двигателем может производить 100 граммов в час. Томас Свон уже начал работу над пилотной системой.

Полезные дефекты

Коулман воодушевлен научным потенциалом дешевого графена в большом количестве. Например, предыдущий лабораторный эксперимент показал, что добавление графена к одному из типов полиэстера повысило его прочность на 50 процентов, поскольку графен является одним из самых прочных известных материалов. Новый метод производства позволит получить достаточно графена, чтобы его можно было использовать в промышленных процессах, которые обычно требуют килограммов сырья.

Андреа Феррари из Кембриджского университета говорит, что возможность производить большие количества высококачественного графена полезна, но не обязательна для всех приложений.Графен с дефектами легче связывается с другими молекулами, что делает его пригодным для разработки батарей или композитных материалов.

Тем не менее, простота метода перекликается с первоначальным выделением графена Андре Геймом и Константином Новоселовым в Университете Манчестера. Они использовали липкую ленту и карандаш — метод, который принес им Нобелевскую премию в 2010 году.

«Наши первоначальные планы по расширению масштабов в ретроспективе были ужасно сложными, и в этом не было необходимости», — говорит Коулман.«Возможно, мы плохо понимаем, насколько простыми могут быть вещи».

Справка журнала & двоеточие; Материалы природы, DOI и двоеточие; 10.1038 / nmat3944

Еще по этим темам:

«Волшебный» угол графена и создание неожиданных топологических квантовых состояний

Электроны населяют странный и перевернутый мир. Эти бесконечно маленькие частицы никогда не перестали удивлять и загадывать, несмотря на то, что ученые изучали их более века.Теперь, в еще более удивительном повороте, физики обнаружили, что при определенных условиях взаимодействующие электроны могут создавать так называемые «топологические квантовые состояния». Это открытие, недавно опубликованное в журнале Nature, имеет большой потенциал для революции в электротехнике, материаловедении и особенно в компьютерных науках.

Топологические состояния материи — особенно интригующие классы квантовых явлений. Их исследование сочетает квантовую физику с топологией, которая является разделом теоретической математики, изучающим геометрические свойства, которые можно деформировать, но не изменить по сути.Топологические квантовые состояния впервые привлекли внимание общественности в 2016 году, когда три ученых — Дункан Холдейн из Принстона, профессор математической физики Томаса Д. Джонса из Принстона и профессор физики Университета Шермана Фэирчайлда, вместе с Дэвидом Таулесом и Майклом Костерлицем — были удостоены Нобелевской премии. Премия за работу по раскрытию роли топологии в электронных материалах.

Группа физиков под руководством Принстона обнаружила, что при определенных условиях взаимодействующие электроны могут создавать так называемые «топологические квантовые состояния», что имеет значение для многих технологических областей исследований, особенно информационных технологий.Чтобы получить желаемый квантовый эффект, исследователи поместили два листа графена друг на друга, причем верхний слой был скручен под «магическим» углом 1,1 градуса, что создает муаровый узор. На этой диаграмме показан сканирующий туннельный микроскоп, отображающий скрученный под магическим углом двухслойный графен.

Изображение любезно предоставлено Кевином Наколлсом

«Последнее десятилетие стало свидетелем большого ажиотажа по поводу новых топологических квантовых состояний электронов», — сказал Али Яздани, профессор физики из Принстона в 1909 году и старший автор исследования.«Большая часть того, что мы обнаружили за последнее десятилетие, было сосредоточено на том, как электроны приобретают эти топологические свойства, не думая о том, что они взаимодействуют друг с другом».

Но, используя материал, известный как двухслойный графен, закрученный под магическим углом, Яздани и его команда смогли исследовать, как взаимодействующие электроны могут вызывать удивительные фазы материи.

Замечательные свойства графена были открыты два года назад, когда Пабло Харилло-Эрреро и его команда из Массачусетского технологического института (MIT) использовали его для создания сверхпроводимости — состояния, в котором электроны текут свободно без какого-либо сопротивления.Открытие сразу же было признано новой материальной платформой для исследования необычных квантовых явлений.

Яздани и его коллеги-исследователи были заинтригованы этим открытием и решили продолжить изучение тонкостей сверхпроводимости.

Но то, что они обнаружили, привело их к другому и неизведанному пути.

«Это был замечательный обходной путь, который появился из ниоткуда», — сказал Кевин Наколлс, ведущий автор статьи и аспирант по физике.«Это было совершенно неожиданно, и мы заметили то, что должно было иметь важное значение».

Следуя примеру Ярилло-Эрреро и его команды, Яздани, Наколлс и другие исследователи сосредоточили свое исследование на скрученном двухслойном графене.

«Это действительно чудо-материал», — сказал Наколлс. «Это двумерная решетка из атомов углерода, которая является отличным проводником электричества и является одним из самых прочных кристаллов из известных».

Графен производится обманчиво простым, но кропотливым способом: объемный кристалл графита, тот же самый чистый графит в карандашах, расслаивается с помощью липкой ленты, чтобы удалить верхние слои, пока, наконец, не достигнет слоя углерода толщиной в один атом с атомами расположены в виде плоской сотовой решетки.

Чтобы получить желаемый квантовый эффект, исследователи из Принстона, следуя работе Ярилло-Эрреро, поместили два листа графена друг на друга, причем верхний слой был слегка наклонен. Это скручивание создает муаровый узор, который напоминает обычный французский текстильный узор и назван в его честь. Однако важным моментом является угол, под которым расположен верхний слой графена: ровно 1,1 градуса, «магический» угол, вызывающий квантовый эффект.

«Это такой странный сбой в природе, — сказал Наколлс, — что нужно достичь именно этого угла.«Например, наклон верхнего слоя графена под углом 1,2 градуса не дает никакого эффекта.

Исследователи создали чрезвычайно низкие температуры и создали слабое магнитное поле. Затем они использовали машину, называемую сканирующим туннельным микроскопом, которая полагается на технику, называемую «квантовое туннелирование», а не на свет, для наблюдения за атомным и субатомным миром. Они направили проводящий металлический наконечник микроскопа на поверхность скрученного под магическим углом графена и смогли обнаружить уровни энергии электронов.

Они обнаружили, что графен под магическим углом изменил движение электронов по листу графена. «Это создает условие, которое заставляет электроны иметь одинаковую энергию», — сказал Яздани. «Мы называем это« плоской лентой »».

Когда электроны имеют одинаковую энергию — находятся в материале с плоской полосой — они очень сильно взаимодействуют друг с другом. «Это взаимодействие может заставить электроны делать много экзотических вещей», — сказал Яздани.

Исследователи обнаружили, что одной из таких «экзотических» вещей было создание неожиданных и спонтанных топологических состояний.

«Это скручивание графена создает правильные условия для создания очень сильного взаимодействия между электронами», — пояснил Яздани. «И это взаимодействие неожиданно способствует тому, что электроны организуются в серию топологических квантовых состояний».

Исследователи обнаружили, что взаимодействие между электронами создает топологические изоляторы: уникальные устройства, внутренняя часть которых не проводит электричество, но края которых обеспечивают непрерывное и беспрепятственное движение электронов.Эта диаграмма изображает различные изолирующие состояния графена с магическим углом, каждое из которых характеризуется целым числом, называемым «числом Черна», которое различает разные топологические фазы.

Изображение любезно предоставлено Кевином Наколлсом

В частности, они обнаружили, что взаимодействие между электронами создает так называемые топологические изоляторы. Это уникальные устройства, которые действуют как изоляторы внутри, а это означает, что электроны внутри не могут свободно перемещаться и, следовательно, не проводят электричество.Однако электроны на краях могут свободно перемещаться, что означает, что они проводящие. Кроме того, благодаря особым свойствам топологии электроны, протекающие по краям, не сталкиваются с какими-либо дефектами или деформациями. Они текут непрерывно и эффективно обходят ограничения, такие как мелкие дефекты поверхности материала, которые обычно препятствуют движению электронов.

В ходе работы экспериментальная группа Яздани объединила двух других принстонцев — Андрея Берневига, профессора физики, и Бяо Лянь, доцента физики, — чтобы понять физический механизм, лежащий в основе их открытий.

«Наша теория показывает, что в этой системе сочетаются два важных компонента — взаимодействия и топология, — которые в природе в основном кажутся отделенными друг от друга», — сказал Бернвиг. Эта связь создает состояния топологического изолятора, которые наблюдались экспериментально.

Хотя область квантовой топологии относительно нова, она может изменить информатику. «Люди много говорят о его значении для квантовых вычислений, где вы можете использовать эти топологические квантовые состояния для создания более совершенных типов квантовых битов», — сказал Яздани.«Мотивация того, что мы пытаемся сделать, состоит в том, чтобы понять, как квантовая информация может быть закодирована внутри топологической фазы. Исследования в этой области создают захватывающую новую науку и могут иметь потенциальное влияние на развитие квантовых информационных технологий ».

Яздани и его команда продолжат исследования, чтобы понять, как взаимодействия электронов вызывают различные топологические состояния.

«Взаимодействие между топологией и сверхпроводимостью в этой материальной системе весьма увлекательно, и мы попытаемся понять это позже», — сказал Яздани.

Помимо Яздани, Наколлса, Берневига и Лиана, участниками исследования были соавторы Мюнчул О и Диллон Вонг, научные сотрудники, получившие докторскую степень, а также Кенджи Ватанабе и Такаши Танигучи из Национального института материаловедения в Японии.

«Сильно коррелированные изоляторы Черна в закрученном под магическим углом двухслойном графене» Кевина П. Наколлса, Мюнчула О, Диллона Вонга, Бяо Лиана, Кенджи Ватанабе, Такаши Танигучи, Б. Андрея Берневига и Али Яздани, были опубликованы дек.14 в журнале Nature (DOI: 10.1038 / s41586-020-3028-8). Эта работа была в первую очередь поддержана инициативой EPiQS Фонда Гордона и Бетти Мур (GBMF4530, GBMF9469) и Министерством энергетики (DE-FG02-07ER46419 и DE-SC0016239). Другая поддержка экспериментальной работы была предоставлена ​​Национальным научным фондом (Центры материаловедения и инженерии через Принстонский центр сложных материалов (NSF-DMR-1420541, NSF-DMR-1904442) и EAGER DMR-1643312), ExxonMobil через Центр Андлингера по энергии и окружающей среде в Принстоне, Принстонская инициатива по катализу, Инициатива по элементарной стратегии, проводимая Министерством образования, культуры, спорта, науки и технологий Японии (JPMXP0112101001, грант JSPS KAKENHI JP20H0035 и CREST JPMJCR15F3), Принстонский центр исследований Теоретическая наука в Принстонском университете, Фонд Саймонса, Фонд Паккарда, Фонд Шмидта для инновационных исследований, Фонд BSF Israel в США (2018226), Управление военно-морских исследований (N00014-20-1-2303) и Глобальные сетевые фонды Принстона.

Электричество превращает мусор в графен | Наука

Электрический толчок в мгновение ока дает обильное количество графена.

Джефф Фитлоу / Университет Райса

Автор Роберт Ф. Сервис

Наука обычно не берет в сказки.Но Румпельштильцхен, магический чертенок, прядущий из соломы в золото, был бы впечатлен последним химическим волшебством. Исследователи из Университета Райса сообщают сегодня в журнале Nature , что они могут уничтожить практически любой источник твердого углерода, от пищевых отходов до старых автомобильных шин, и превратить его в графен — листы атомов углерода, которые ценятся для различных применений, от высокопрочного пластика до гибкого. электроника. Современные методы позволяют получать крошечные количества графена с идеальной картинкой или до тонны менее ценных фрагментов графена; новый метод уже производит граммы в день почти нетронутого графена в лаборатории, и теперь исследователи увеличивают его количество до килограммов в день.

«Эта работа является новаторской с научной и практической точки зрения», поскольку она обещает сделать графен достаточно дешевым, чтобы использовать его для укрепления асфальта или краски, — говорит Рэй Боуман, химик из Техасского университета в Далласе. «Хотел бы я подумать об этом». Исследователи уже основали новую стартап-компанию Universal Matter, чтобы коммерциализировать процесс превращения отходов в графен.

С тонкими до атома листами атомов углерода, расположенными как проволочная сетка, графен прочнее стали, проводит электричество и тепло лучше, чем медь, и может служить непроницаемым барьером, предотвращающим ржавление металлов.Но с момента открытия в 2004 году высококачественный графен — либо отдельные листы, либо всего несколько сложенных слоев — остается дорогим в производстве и очистке в промышленных масштабах. Это не проблема для создания миниатюрных устройств, таких как высокоскоростные транзисторы и эффективные светодиоды. Но современные методы, которые производят графен путем осаждения его из пара, слишком дороги для многих приложений большого объема. А подходы с более высокой пропускной способностью, такие как отслаивание графена от кусков минерального графита, приводят к образованию пятен, состоящих из 50 слоев графена, которые не идеальны для большинства приложений.

Графен бывает разных форм. Отдельные листы, которые идеально подходят для электроники и оптики, можно выращивать с помощью метода, называемого химическим осаждением из газовой фазы. Но производит только крошечные количества. Для больших объемов компании обычно используют метод, называемый жидким отшелушиванием. Они начинаются с кусков графита, которые представляют собой просто множество уложенных друг на друга слоев графена. Затем они используют кислоты и растворители, а также механическое измельчение для срезания хлопьев. Такой подход обычно производит крошечные пластинки, каждая из которых состоит из 20-50 слоев графена.

В 2014 году Джеймс Тур, химик из Райса, и его коллеги обнаружили, что они могут создать чистую форму графена — каждый кусок толщиной всего в несколько слоев — удаляя с помощью лазера форму аморфного углерода, называемого углеродной сажей. Короткие импульсы нагревали углерод до температуры более 3000 кельвинов, разрывая связи между атомами углерода. По мере того, как облако углерода остывало, оно объединялось в наиболее стабильную из возможных структур — графен. Но этот подход по-прежнему давал лишь крошечные качества и требовал много энергии.

Два года назад Луонг Суан Дуй, один из аспирантов Тура, прочитал, что другие исследователи создали металлические наночастицы, воздействуя на материал электричеством, создавая тот же кратковременный выброс тепла, что и лежал в основе успеха подхода с использованием лазерного графена. «Мне было интересно, могу ли я использовать это для нагрева источника углерода и производства графена», — говорит Дай. Итак, он налил каплю сажи в прозрачный стеклянный флакон и подал на него 400 вольт примерно на 200 миллисекунд. Изначально у него было барахло. Но после небольшой настройки ему удалось создать яркую желтовато-белую вспышку, показывающую, что температура внутри флакона достигала около 3000 кельвинов.Химические тесты показали, что он произвел графен.

Оказалось, что это тип графена, который идеально подходит для массового использования. По мере того как атомы углерода конденсируются с образованием графена, они не успевают сложиться в регулярную структуру, как в графите. В результате получается материал, известный как турбостатический графен, со слоями графена, перемешанными под всеми углами друг над другом. «Это хорошо, — говорит Дай. При добавлении к воде или другим растворителям турбостатический графен остается во взвешенном состоянии, а не слипается, позволяя каждой частичке материала взаимодействовать с любым композитом, к которому он добавлен.

«Это сделает его очень хорошим материалом для приложений», — говорит Моника Крачун, физик-материаловед из Университета Эксетера. В 2018 году она и ее коллеги сообщили, что добавление графена в бетон более чем вдвое увеличивает его прочность на сжатие. Команда Тура увидела примерно такой же результат. Когда они добавили к бетону всего 0,05% по весу графена, произведенного мгновенно, прочность на сжатие выросла на 25%; графен, добавленный к полидиметилсилоксану, обычному пластику, повысил его прочность на 250%.

Эти результаты могут возродить усилия по использованию графена в широком диапазоне композитов. Исследователи из Италии недавно сообщили, что добавление графена в асфальт резко снижает его склонность к разрушению и более чем вдвое увеличивает срок его службы. В прошлом году итальянская компания Iterchimica начала испытания 250-метрового участка дороги в Милане, вымощенного асфальтом с графеновыми шипами. Испытания в другом месте показали, что добавление графена в краску значительно улучшает коррозионную стойкость.

Эти приложения потребуют тонны высококачественного графена.К счастью, отправная точка для флэш-графена вряд ли может быть дешевле или более доступной: практически любое органическое вещество, включая кофейную гущу, пищевые отходы, старые шины и пластиковые бутылки, можно испарить, чтобы получить материал. «Мы превращаем мусор в графен», — говорит Дай.

* Исправление, 28 января, 11:40: в этой статье изначально говорилось, что графен, добавленный в бетон, измеряется по объему, а не по весу.

У нас наконец-то появится способ массового производства графена

Чудо-материал для всех

Провозглашенный чудесным 2D-материалом будущего, графен имеет замечательные применения.Графен представляет собой слой графита толщиной в один атом, сделанный из элементарного углерода. Уникальные свойства графена обусловлены расположением в нем атомов углерода, которые плотно упакованы и расположены по двухмерной гексагональной структуре, называемой бензольным кольцом.

Раньше производство графена считалось слишком дорогим. Теперь физики из Университета штата Канзас, возможно, нашли способ массового производства графена по дешевке, и все, что для этого нужно, — это три простых шага и использовать только три простых материала: углеводородный газ, кислород и свечу зажигания.

В методе, который ведущий изобретатель Крис Соренсен уже применил и на который получил патент, используется ограниченная детонация углеродсодержащих материалов. По сути, вы помещаете кислород и ацетилен или газообразный этилен в камеру, где должна произойти сдерживаемая детонация с использованием свечи зажигания. После детонации образуется графен, и процесс прост, малозатратен и может быть легко расширен для промышленного использования.

«Мы открыли жизнеспособный способ получения графена», — сказал Соренсен.«У нашего процесса много положительных качеств, начиная с экономической целесообразности, возможности крупномасштабного производства и отсутствия вредных химикатов. Что может быть лучшим свойством из всех, так это то, что энергия, необходимая для получения грамма графена с помощью нашего процесса, намного меньше, чем при других процессах, потому что все, что требуется, — это одна искра ».

Помимо этого, метод Соренсена производит, так сказать, объемный графен. «Настоящее очарование нашего эксперимента в том, что мы можем производить графен в количестве граммов, а не миллиграммов», — сказал исследователь Арджун Непал.Этот метод был открыт случайно, когда графен был произведен в качестве непреднамеренного побочного продукта во время работы команды над аэрозольными гелями из углеродной сажи.

Многообразие использования графена

Как упоминалось выше, уникальное расположение атомов углерода в графене дало этому чудо-материалу, так сказать, сверхспособности. Он очень гибкий и в то же время более жесткий, чем алмаз. Это также сверхпроводник, способный пропускать электричество быстрее, чем любое другое известное вещество. Он также очень хорошо проводит тепло, примерно в 10 раз лучше, чем медь.Графен также показал высокую биосовместимость и способен поглощать 2,3% белого света. И в довершение всего, графен невероятно прочен.

Обладая всеми этими свойствами, графен нашел свое применение во множестве исследований, изучающих возможные применения. Они варьируются от электроники до бытовых гаджетов, медицины и биомеханики. Популярное применение — электроника. Например, есть графеновая наклейка, которая может продлить срок службы батареи смартфона. Также существует текстиль на основе графена, который может стать будущим носимых технологий.И, конечно же, гибкие экраны.

Медицинские применения графена столь же замечательны. В сочетании с дурацкой замазкой графен использовался в качестве сердечного монитора. Его биосовместимость сделала графен безопасным материалом для мозговых электродов. Кроме того, эластомер графена может произвести революцию в робототехнике и протезировании.

Список можно продолжить. Благодаря этому рентабельному методу производства графена эти приложения теперь могут быть доступны для нас в ближайшее время.

Как читатель футуризма, мы приглашаем вас присоединиться к Singularity Global Community, форуму нашей материнской компании для обсуждения футуристической науки и технологий с единомышленниками со всего мира.Присоединяйтесь бесплатно, зарегистрируйтесь сейчас!

POSCO возглавляет создание экосистемы графена для удовлетворения растущего спроса

[Getty Image Bank]

СЕУЛ — Крупнейшая сталелитейная группа Южной Кореи POSCO возглавит создание графеновой экосистемы в юго-восточном промышленном порту Пхохан в сотрудничестве с исследовательскими группами и высокотехнологичным стартапом Graphene Square, чтобы удовлетворить растущий спрос в области полупроводников. электроника, электрические батареи и композиты.

POSCO заявила, что подписала деловое соглашение с городом Пхохан, Научно-исследовательским институтом промышленных наук и технологий (RIST), Университетом науки и технологий Пхохана (POSTECH) и Graphene Square, которая разрабатывает системы для массового производства крупногабаритных материалов. Масштабный графен, синтезированный методом химического осаждения из паровой фазы (CVD), является эффективным способом производства высококачественного графена в довольно больших масштабах.

RIST поддерживает проектирование для создания объектов массового производства. POSTECH поддерживает анализ продуктов с нанесением графена.Национальный институт технологий наноматериалов стандартизирует международные методы аутентификации для графенов и прикладных продуктов. Graphene Square создаст демонстрационный завод по производству прототипов.

Графен — это кристаллический аллотроп углерода с двумерными свойствами. Одиночный тонкий слой графита представляет собой прозрачный и гибкий проводник, который имеет большие перспективы для использования в различных материалах и устройствах, включая солнечные элементы, светодиоды, сенсорные панели и смарт-окна или телефоны.Графен можно химически переработать в различные формы.

В мае 2020 года Государственный Корейский научно-исследовательский институт химической технологии (KRICT) открыл путь для массового производства высококачественного промышленного графена, сотовой решетки атомов углерода атомного масштаба, в порошковой форме без обработки графита.