Що тонше волосся, але міцніше сталі?

Автор Аїда Рафат

23 травня 2016 - 14:55

Владімер Шіошвілі, ліцензований під CC BY-SA 2.0 та адаптований за оригіналом.

Уявіть собі матеріал, який міцніший за сталь, прозоріший за скло і тонший за людське волосся. Підказка: це не криптоніт. Аїда Рафат, асистент інженера ConocoPhillips, яка виграла фінал Катару на міжнародному конкурсі наукових комунікацій FameLab.

Що таке графен?

Це найнезвичайніший матеріал, який теоретично повинен бути науковою фантастикою. Він має незліченну кількість застосувань і феноменальних властивостей, і дуже схвилював вчених.

Ця двовимірна диво-речовина походить із простого джерела. Графен - основний будівельний матеріал графіту, основної форми вуглецю та рясного мінералу. Графіт виготовлений з тисяч шарів графену, які складені один на одного. Ми знайомі з ним як з олівцем. Отже технічно кожна людина, яка коли-небудь малювала лінію олівцем, зробила графен.

Як це відкрили вчені?

Випадково. І все це завдяки липкій стрічці. Ще в 2004 році в лабораторії працювали два дослідники з Університету Манчестера, Андре Гейм і Костантин Новоселов. Вони досліджували електричні властивості графіту і вирішили скористатися липкою стрічкою, щоб перевірити, чи не можна відшаровувати більш тонкі пластівці. Вони продовжували відшаровувати дедалі більше шарів від оригінальної розколеної пластівці графіту, поки не зрозуміли, що в результаті вони отримали шар товщиною в один атом. Створеним ними був графен, а згодом за своє відкриття вони виграли Нобелівську премію з фізики 2010 року.

Що робить графен таким особливим?

Графен має дивовижні та унікальні механічні, електричні, теплові та оптичні властивості.

По-перше, це міцно. Раніше люди думали, що двовимірні матеріали просто розвалюються. Але насправді графен - найміцніший матеріал, який коли-небудь випробовувався: приблизно в 200 разів міцніше сталі. Гамак, зроблений з одного квадратного метра графена, витримав би вагу кремезного чотирикілограмового кота, але важив би лише стільки, скільки один з вусів кота, 0,77 мг (приблизно в 100000 разів легший, ніж квадратний метр паперу).

По-друге, незважаючи на надзвичайну міцність, графен зберігає гнучкість та еластичність. Ви можете зігнути його, і це прозоро: обидві дуже важливі функції в електроніці, оскільки це означає, що ви можете використовувати його для створення гнучких, прозорих сенсорних екранів для комп’ютерів та мобільних пристроїв.

По-третє, він блискуче проводить електрику. Насправді, електрони рухаються швидше через графен, ніж через будь-який інший випробуваний матеріал. Вчені можуть “легувати” графен, додаючи до нього хімічно або видаляючи електрони. Чим більше електронів додається до нього, тим більше струму він може виробляти. «Легований» графен може бути навіть кращим у проведенні електрики, ніж мідь.

По-четверте, графен надзвичайно непроникний, тому навіть найдрібніші молекули, такі як гелій, не можуть потрапити в нього. Це може бути дуже важливою особливістю, оскільки це дозволить нам використовувати графен для розділення рідини та газу.

Чим відрізняється будова графена?

Графен має дуже унікальну структуру, як сотові грати атомів вуглецю. Незвичним є те, як ці атоми взаємодіють між собою.

Атом Карбону має шість електронів, з яких чотири сидять біля його зовнішньої оболонки, готові зв’язатися з іншими атомами, утворюючи молекули. Але в графені лише три з цих електронів щільно зв’язуються з сусідніми атомами, створюючи надзвичайно міцний і щільний зв’язок. Четвертий електрон залишається незв'язаним. Ці незв’язані електрони поводяться зовсім інакше, ніж зазвичай. Вони діють як частинки світла або фотони, і насправді рухаються зі швидкістю світла над графеновим листом, надаючи графену його феноменальних електричних властивостей.

Як виглядає графен?

Ми не можемо побачити графен неозброєним оком. Це найтонший матеріал, коли-небудь виявлений. Лист графену в 1000 разів тонший за людське волосся. Насправді вчені, які його виявили, змогли побачити пластівці графену лише тому, що поклали їх на пластину з оксиду кремнію. Якби вони використовували інший матеріал, можливо, навіть не бачили його.

Чи графен вже використовується для чого-небудь?

Багато великих компаній, такі як IBM і Samsung, пильно досліджують графен. Однією з головних проблем, з якими зараз стикається електронна промисловість, є те, що ми розширюємо межі кремнієвих транзисторів (які посилюють і проводять електричні сигнали). Іншими словами, як ми можемо робити все менші та менші кремнієві транзистори, щоб компанії могли виробляти тонші, але потужніші смартфони, планшети та комп’ютери?

Проблема в тому, що ми вже досягли межі того, що ми можемо зробити з кремнієвими транзисторами. Ми просто не можемо зробити їх меншими. Однак у графену є великий потенціал для просування далі і навіть для створення прозорих сенсорних екранів та електроніки.

Це не лише комп’ютери. Одним із сучасних комерційних застосувань для включення графена є тенісні ракетки від компанії HEAD. Здається, ракетка набагато потужніша і набагато легша - дві необхідні речі, які потрібно мати в ідеальній тенісній ракетці!

Для чого ще можна використовувати графен у майбутньому?

Транспортна галузь може змішувати графен із існуючим композитним матеріалом, щоб зробити міцніші, легші літаки та машини. Через свою непроникність графен також може стати чудовим покривним матеріалом для протидії корозії.

Покладіть шар пластику на пластик, і ви отримаєте електропровідний пластик. Або електронна компанія може скористатися гнучкістю графена і використати його для виготовлення планшета, який можна скласти, як газету, або крихітного смарт-телефону, який можна приклеїти до футболки.

Графен може значно покращити термін служби традиційної літієвої батареї, значно скорочуючи час зарядки. Його можна використовувати для накопичення сонячної енергії або для виготовлення суперконденсаторів (гігантських акумуляторів, що використовуються в електромобілях та ліфтах).

Вчені також говорять про використання графенових фільтрів для опріснення, перетворення морської води на питну та як системи доставки ліків для лікування раку.

Запатентований графен?

Патентування графену - одна з найбільш гострих тем у науці. Сам графен не можна запатентувати, оскільки він отриманий з вуглецю - природного матеріалу. Більше того, вчені знали про графен з 20 століття, вони просто не знали, як його виділити.

Однак багато організацій запатентували графенові пристрої та способи отримання графену. Я не знаю, чи збагатилися в результаті два вчені, які відкрили графен. Але вони справді стали надзвичайно відомими і отримали Нобелівську премію. Їх наукова стаття про новаторське відкриття графену була врешті опублікована в Science, а сама стаття була внесена до списку 100 найбільш цитованих статей усіх часів. Це досягнення, про яке мріє кожен науковий дослідник.

Аїда Рафат - інженер-помічник у ConocoPhillips. Ви можете спостерігати, як вона змагається у міжнародному фіналі FameLab 8-9 червня 2016 року.