НАНОТЕХНОЛОГІЯ | Це прозорий, гнучкий і надзвичайно стійкий графен, матеріал майбутнього. Він прозорий, гнучкий, надзвичайно стійкий, водонепроникний, рясний, недорогий і проводить електроенергію краще, ніж будь-який інший відомий метал. Ми говоримо про графен, матеріал, який зачарував вчених та промисловість своїми фантастичними властивостями. Хоча він був синтезований першим […]

арекіпа

Графен

НАНОТЕХНОЛОГІЯ | Це прозорий, гнучкий і надзвичайно стійкий графен, матеріал майбутнього. Він прозорий, гнучкий, надзвичайно стійкий, водонепроникний, рясний, недорогий і проводить електроенергію краще, ніж будь-який інший відомий метал. Ми говоримо про графен, матеріал, який зачарував науковців та промисловість завдяки своїй фантастиці.

НАНОТЕХНОЛОГІЯ | Він прозорий, гнучкий і надзвичайно стійкий
Графен, матеріал майбутнього

Він прозорий, гнучкий, надзвичайно міцний, водонепроникний, рясний, недорогий і проводить електрику краще, ніж будь-який інший відомий метал. Ми говоримо про графен, матеріал, який зачарував вчених та промисловість своїми фантастичними властивостями.

Хоча його вперше було синтезовано в 2004 році, він став популярним у 2010 році, коли його першовідкривачі, дослідники російського походження Андре Гейм (Сочі, 1958) та Костянтин Новоселов (Нижній Тагіл, 1974) отримали Нобелівську премію з фізики. Як тоді вказував Андре Гейм, потенційних застосувань графена настільки багато, що вони навіть не змогли їх перерахувати.

Прототипи акумуляторів, виготовлені з графеновими електродами, в десятки разів довговічніші і заряджаються набагато менше часу
Цей універсальний матеріал дозволить виготовляти електронні пристрої з гнучкими та прозорими екранами та надшвидкими батареями до потужних сонячних панелей, не забуваючи про застосування в аеронавтиці, медицині та інших галузях, які зараз досліджуються. Крім того, це відмінна основа для створення нових матеріалів на замовлення на основі конкретних потреб. Тобто щось на зразок матеріалів по меню.

Вивчення властивостей графену заважає великій кількості вчених по всьому світу, серед яких виділяється внесок іспанських фізиків-теоретиків.

На стадії розробки

Всі говорять про цей матеріал, хоча його мало хто бачив. І це те, що, незважаючи на перспективні програми, він все ще перебуває на стадії розробки. Графен - надзвичайно тонкий лист, виготовлений із вуглецю (товщина всього лише один атом). Графіт, з якого його отримують, той самий, що видобувається з вугільних шахт і використовується для виготовлення олівців, автомобільних гальм або сталі, тому в природі це дуже багата сировина. Щоб отримати графен, ви можете почати з природного графіту (іспанські шахти багаті цим мінералом) або з синтетичного графіту.

Однак головною перешкодою сьогодні є те, що поки що неможливо виготовити графен у великих масштабах, за словами Хесуса де ла Фуенте, директора іспанської компанії Graphenea Nanomaterials, однієї з небагатьох компаній, яка в даний час виробляє цей матеріал. Avanzare та GranphNanotech - ще дві іспанські компанії, які працюють з цим матеріалом.

Існує кілька способів отримання графену. Клейка стрічка (механічне відлущування) була методом, який Гейм вперше використав для її ізоляції, і може бути використана для деяких експериментів, але це не дійсний метод для промисловості. В основному він продається двома способами: у фольгованому та порошковому форматі.

Графеновий лист

Graphenea, що базується в Сан-Себастьяні, є одним із трьох основних виробників графену в аркушах у всьому світі (два його конкуренти - з США): «Це графен високої чистоти і той, що має найкращі властивості. Він використовується для виробництва батарейних електродів, сенсорних екранів, сонячних батарей, високочастотної цифрової та аналогової електроніки або вдосконалених композиційних матеріалів для аеронавтики ", - пояснює Де ла Фуенте в телефонній розмові.

Для його виробництва ми використовуємо не графіт, а газ метан, який трансформується за допомогою технології, яка називається хімічним осадженням парів: "Це одна з великих переваг, оскільки ми не залежамо від жодного мінерального продукту"

Зразок графену на кремнієвому листі. | Графенея
Ціна варіюється залежно від розмірів та властивостей. За останні роки він уже впав наполовину. Графеновий лист коштує від 300 до 1000 євро, що є дуже доступним показником для споживання досліджень, але високим для інших потреб. Де ла Фуенте пояснює, що вони очікують, що ціна буде продовжувати поступово знижуватися, і "в середньостроковій перспективі (близько п'яти років) вона буде дешевшою, ніж кремній, який зараз коштує близько 50 євро". «У міру розвитку ринку ціна буде знижуватися. Виготовлення аркуша коштує практично стільки ж, скільки 100 000 ", - говорить він.

Ця компанія постачає матеріали для своїх клієнтів з літа 2011 року як для дослідницьких центрів, так і для великих компаній. «Ми продаємо 99% своєї продукції за кордон, хоча в Іспанії багато дослідницької діяльності. "Початкові" компанії виконують деякі ініціативи, поки великі компанії чекають ", - пояснює він.

Набагато довговічніші акумулятори

«Графен, який ми продаємо, в основному використовується для тестування. Багато роботи проводиться над накопиченням енергії. В ультраконденсаторах (для автомобілів, електропоїздів та для покращення роботи електричних розподільчих ліній) та в акумуляторах. Показано, що графенові електроди роблять батареї вдесятеро міцнішими ».

Насправді цей матеріал міг би вирішити один із найбільших недоліків смартфонів, акумулятори яких ледве витримують добу. Прототипи батарей, виготовлених з графеновими електродами, в десятки разів довговічніші, ніж у телефонів, що продаються на ринку, і заряджаються значно менше часу (приблизно півгодини).

Однак для того, щоб насолоджуватися цими батареями, знадобиться кілька років. За словами Де ла Фуенте, Nokia (її основний клієнт) не планує комерціалізувати пристрої, виготовлені з графеном, ще протягом п'яти років.

Графен також може бути використаний у телевізорах OLED (органічний світлодіод), які будуть виготовлені з органічних матеріалів і більш стійкі до навколишнього середовища: «Зараз рідкісні землі, такі як індій, використовуються як матеріал, який має дуже великий вплив на навколишнє середовище. Крім того, його ціна помножилася на десять ». Промисловість шукає більш економічний та стійкий замінник, тому графен стає однією з альтернатив.

Що стосується сонячних панелей, Де ла Фуенте пояснює, що мета полягає в тому, щоб досягти ефективності клітин на 42% (тобто перетворити 42% отриманої сонячної енергії в електрику. Ефективність тих, що зараз є на ринку, становить близько 16 %).

Графеновий порошок

Порошок графену застосовується в додатках, для яких потрібен більш дешевий матеріал, наприклад, будівельний композит (його часто змішують з іншими матеріалами). Його властивості не такі хороші, як листовий графен, і він гірше проводить електрику. Попит на цей товар, ціна якого залежить від його чистоти, залишається невеликим. Низькоякісний коштує менше 10 євро за грам, а високоякісний - близько 100 євро.

Графеновий оксид і графеновий порошок. | Графенея.
"Ми також працюємо з надзвичайно конкурентоспроможними вітрильними командами, яким потрібні доповнення до вуглецевих волокон (графен їх покращує)". Також були проведені деякі лабораторні випробування, щоб включити його в будівництво, хоча Де ла Фуенте вважає, що його важко використовувати в цьому секторі, оскільки "потрібні дуже великі обсяги та дешеві ціни".

Вчені також вивчають можливе застосування в медицині. Наприклад, робити біосенсори та виявляти ДНК. "Існує також припущення щодо можливості виготовлення нейрональних імплантатів та регенерації пошкоджених нервових тканин", - говорить Де ла Фуенте, хоча він попереджає, що, навіть якщо ці медичні досягнення будуть досягнуті, їх застосування займе роки.

У свою чергу Ельза Прада, дослідник Мадридського інституту матеріалознавства CSIC, зазначає, що графен може також використовуватися в біоприладах, у бактерицидній упаковці для ліків та харчових продуктів, а також у складі більш легких і стійких композиційних матеріалів (для літаки, машини тощо).

Незважаючи на свої надзвичайні якості, графен не ідеальний. Однак це видається дуже підходящою основою для розробки нових матеріалів, натхненних нею, та включення нових переваг. Я маю на увазі щось на зразок вдосконаленого графену. Однією з останніх розробок у цій галузі є так званий штучний графен, розслідування, нещодавно опубліковане в журналі "Nature", у якому бере участь іспанець Пако Гвінея, один з провідних експертів у галузі графену.

Разом з американськими колегами зі Стенфордського університету (Каліфорнія) досліднику з Мадридського інституту матеріалознавства (CSIC) вдалося виготовити матеріал, який, як він пояснює цій газеті, "дозволяє маніпулювати найбільш екзотичними властивостями графену велика точність ". Так званий штучний графен - це перший крок до синтезу у великих масштабах матеріалів із властивостями, якісно схожими на графен. "Ви можете вивчити властивості, яких ще не спостерігали у справжнього графена, оскільки він не має необхідної чистоти", - говорить він у електронному листі.

Виробництво графену в компанії Graphenea в Сан-Себастьяні.
Цей новий матеріал був виготовлений шляхом розміщення та переміщення молекул оксиду вуглецю на поверхню міді, хоча, за словами Гвінеї, "можуть використовуватися інші метали". На сьогоднішній день "штучний виробляється дорожче, ніж інший графен".

Перш ніж побачити продукти, виготовлені з графену, Гвінея вважає, що потрібно буде "знизити витрати". Дослідник сподівається, "що демонстрація того, що штучний графен може бути виготовлений, призведе до того, що інші групи допоможуть вдосконалити технології виробництва".

Натхненний з інших матеріалів

Серед інших двовимірних матеріалів, які надихнув графен, Ельза Прада виділяє фторографен (двовимірний аналог тефлону з надзвичайними мастильними та ізолюючими властивостями), гексагональний нітрид бору (кристалічний і прозорий ізолятор, великої твердості, який поєднується з графеном покращує свої електромеханічні властивості), дисульфід молібдену (ще один двовимірний кристал з перспективними властивостями для побудови нового класу транзисторів) або силіцен (версія графену з кремнію. Він має деякі спільні властивості з графеном і як перевага може бути легко інтегрована з сучасною електронікою на основі кремнію).

Прада, який працював з Костянтином Новоселовим, одним з відкривачів графену, підкреслює високий рівень іспанської науки при вивченні цього матеріалу: «Іспанський вузол флагманського проекту ЄС є одним з найбільш активних і сприяє фундаментальним дослідженням а також передача цих знань у промисловість ", завдання, яке, якщо буде успішним," передбачатиме значну кількість коштів на дослідження та розробку графенової технології в Іспанії ", додає Прада.

«У ці кризові часи нам доводиться робити ставку на те, щоб стати виробником (а не просто споживачем) рішень та продуктів з потенціалом та попитом. Зокрема, графен може запропонувати нам можливість бути світовими лідерами та експортерами майбутньої технології ", - підсумовує він.