lovesouthernsocial.com

Графен - это материал, обладающий рядом свойств, способных произвести революцию в технологиях.

Изображение OpenClipart-Vectors на Pixabay

Графен представляет собой материал, состоящий из двумерного слоя атомов углерода, расположенных в гексагональные структуры, высота которых эквивалентна высоте атома. Этот материал может быть получен путем извлечения поверхностных слоев графита, распространенного минерала на Земле и одного из наиболее распространенных аллотропов углерода.

Химические связи и толщина графена определяют несколько важных свойств этого элемента, таких как механическое сопротивление, а также теплопроводность и электрическая проводимость. Эти особенности привлекли ученых и технологическую индустрию из-за их безграничных возможностей использования.

Открытие графена

Стабильный двумерный графен был случайно открыт в 2004 году российскими физиками Андре Геймом и Константином Новоселовым. Это открытие принесло исследователям Нобелевскую премию по физике в 2010 году. Однако о существовании этого углеродного аллотропа известно с 1930 года.

Свойства графена

Графен обладает множеством свойств, которые делают его материалом для нескольких технологических применений. Знайте основные свойства этого аллотропа.

Механические свойства

Графен - самый прочный из когда-либо известных материалов. Это сопротивление проистекает из прочных связей, образованных между его атомами углерода. Материалы, широко используемые в гражданском строительстве, такие как сталь, выдерживают лишь треть этого давления.

Еще одно интересное свойство графена - его высокий модуль Юнга, указывающий на то, что этот материал не только обладает прочностью, но и очень эластичен. Следовательно, он может относительно легко вернуться к своему первоначальному размеру.

Небольшие площади каждого углеродного шестиугольника ответственны за высокую непроницаемость графена, который может использоваться как небольшая сетка, способная удерживать газы, которые легко вытекают из их контейнеров, например газообразный водород. Графен не только чрезвычайно прочен, но и очень легкий: его плотность составляет 0,77 г / м², другими словами, он примерно в тысячу раз легче листа бумаги.

электрические свойства

Электроны могут почти свободно распространяться через графен без отклонений и столкновений. Из-за гексагональной структуры углеродных связей электроны движутся внутри этих тонких слоев с релятивистскими скоростями, то есть близкими к скорости света.

При комнатной температуре удельное электрическое сопротивление графена самое низкое. Таким образом, этот элемент можно считать лучшим металлическим проводником.

оптические свойства

Благодаря пропусканию 97,5% падающего света графен становится невидимым невооруженным глазом. Такое оптическое поведение возникает из-за релятивистских свойств электронов в графене. Это означает, что, сложив несколько листов графена, можно получить абсолютно черное тело, способное поглощать почти все падающее на него излучение.

тепловые свойства

Благодаря своим электрическим свойствам графен является отличным проводником тепла. Этот материал способен рассеивать тепло быстрее, чем любой известный материал. Кроме того, некоторые исследования показывают, что его температура плавления составляет 3851 ° C.

Следовательно, основными свойствами и характеристиками графена являются:

• Он чрезвычайно тонкий: это толщина атома;
• Он обладает высокой прочностью: примерно в 200 раз прочнее стали;
• Это гибкий;
• Водонепроницаемый;
• Он прозрачен: пропускает около 97,5% световых лучей;
• Обладает высокой теплопроводностью и электропроводностью: проводит электрическую энергию в 100 раз быстрее, чем медь. Исследования также показали, что скорость, с которой электроны движутся через графен, составляет 1000 км / с (в 60 раз быстрее, чем у кремния);
• Обладает высокой твердостью
• Он имеет меньший эффект Джоуля: он теряет меньше энергии в виде тепла при проведении электронов.

Приложения с графеном

Благодаря своим свойствам и характеристикам графен является одним из наиболее перспективных известных материалов. Его технологические применения обширны, но ограничены возможностями производства этого материала в больших масштабах. Такие устройства, как складные светодиодные экраны, фотоэлектрические элементы, более эффективные транзисторы, суперконденсаторы, радиаторы и аккумуляторы для мобильных телефонов - вот некоторые примеры технологий, разработанных с использованием графена.

Кроме того, графен может применяться в других областях исследований, таких как:

Питьевая вода

Мембраны из графена способны опреснять и очищать морскую воду.

Выбросы CO2

Графеновые фильтры способны снижать выбросы CO2 за счет отделения газов, производимых промышленностью и предприятиями.

обнаружение болезни

Гораздо более быстрые биомедицинские сенсоры основаны на графене и могут обнаруживать болезни, вирусы и другие токсины.

Строительство

Строительные материалы, такие как бетон и алюминий, становятся легче и прочнее с добавлением графена.

Эстетика

Окрашивание волос методом распыления графена выдерживает до 30 стирок.

Микроустройства

Более мелкие и прочные чипы за счет замены кремния графеном

Энергия

Солнечные элементы обладают большей гибкостью, большей прозрачностью и более низкими производственными затратами благодаря использованию графена.

Электроника

Аккумуляторы с улучшенным и быстрым накоплением энергии

Мобильность

Велосипеды могут иметь более прочные шины и рамы весом 350 граммов с использованием графена.

Среди исследований, связанных с графеном, выделяются исследования, связанные с разработкой новых кабелей для передачи данных в Интернете. Согласно опросу, опубликованному журналом Общение с природой, идея состоит в том, чтобы использовать всю скорость, достигаемую электронами в графене - клетки движутся в нем в сотни раз быстрее, чем в используемых в настоящее время кабелях.

Важность графена для Бразилии

Бразилия участвует в технологической гонке в поисках более дешевых и эффективных методов производства графена. Согласно отчету Национального департамента добычи полезных ископаемых (DNPM), рынок графена должен быть одним из самых прибыльных в мире с потенциалом увеличения до 1 триллиона долларов через 10 лет. Кроме того, Бразилия обладает крупнейшими в мире запасами графена.

Цена графена

Из-за сложных способов его получения цена на графен по-прежнему высока. Самые современные методы, позволяющие получать чистые и тонкие слои этого материала, работают с осаждением из паровой фазы на металлические подложки, такие как медные листы.

В настоящее время лист графена размером 2,08 см на 1,54 см может стоить до 275 долларов: в среднем 21 доллар за квадратный дюйм. Однако такие факторы, как примеси и асимметрия, могут резко снизить эту цену. Графен также можно получить из графита: из 1 кг графита, который стоит примерно 1 доллар, можно получить 150 г графена, стоимость которого превышает 15 тысяч долларов.

Любопытства о графене

• Флагманский проект Graphene из Европейского Союза выделил около 1,3 миллиарда евро на исследования, связанные с графеном, приложениями и развитием производства в промышленных масштабах. Всего в этом проекте участвуют 150 учреждений из 23 стран.
• Первый чемодан, разработанный для космических путешествий, имеет в своем составе графен. Его запуск намечен на 2033 год, когда НАСА планирует провести экспедиции на Марс.
• Борофен - новый конкурент графена. Этот материал, открытый в 2015 году, считается улучшенной версией графена, который стал еще более гибким, стойким и проводящим.