Графен - революционният материал, който ще преобрази 21 век
Какво е графен?
Графенът е съставен изцяло от въглерод, както и диамантът и въглищата. За разлика от тези материали, въглеродните атоми, които образуват графен, са поставени в двумерни "ленти", което прави този материал изключително здрав и гъвкав.
Графенът е най-тънкият материал, идентифициран досега - графеновият "лист" е с дебелина само атом, поради което учените казват, че това е първият 2D материал, идентифициран от човечеството. Графенът е по-добър електрически проводник от медта, като е 300 пъти по-силен от стоманата и притежава уникални оптични свойства. Също така, въпреки че е почти прозрачен, графенът е толкова плътен, че дори хелий, най-малкият газов атом, не може да премине през него.
Методът, по който Андре Гейм и Костя Новоселов са получили графен, е изключително прост: двамата изследователи от Университета в Манчестър нанесли лепяща лента върху парче графит, отделяйки се от него, като отлепили лентата от графитни люспи. Използвайки други парчета самозалепваща лента, те отлепиха последователни слоеве графит, изтънявайки люспите. След това лепилната лента се разтваря в ацетон и полученият графитен слой се залепва върху силиконова плоча. Някои люспи, с дебелина само един атом, прикрепени към силициевата плоча.
Графитът е най-известен като материалът, от който е направен моливът, състоящ се от наслагващи се слоеве въглерод. Изследователите изчисляват, че един милиметър графит се състои от около три милиона слоя графен. Моливите създават черна ивица, когато пишат с тях, защото триенето води до отлепване на графитни люспи. Затова професор Гейм заявява, че е много вероятно всички, които някога са писали с молив, да са произвеждали графен, но без да забележат резултата.
Как може да се използва графен?
„Превъзходните свойства на графена оправдават прякора„ чудесен материал “, каза Костя Новоселов, професор, който за пръв път изолира този материал през 2004 г. с Андре Гейм от университета в Манчестър.
Изключителните характеристики на графена правят възможно използването му в безброй полета. Професор Гейм смята, че е невъзможно да се определи най-обещаващата промяна, която може да доведе. „Обхватът на възможните приложения е толкова широк и нараства с такава скорост, че фокусирането върху него би означавало да се подцени степента на продължаващите научни усилия“, каза нобеловият лауреат.
В електрониката графенът може да се използва за производство на свръхбързи транзистори, гъвкави дисплеи или светодиоди. Материалът може да увеличи ефективността на лазерите и фотодетекторите и да трансформира областите на производство и съхранение на енергия, помагайки за модифицирането на много устройства като батерии и слънчеви клетки. Също така, използването на графен в композитни материали би подобрило структурата на крилата на самолета, което би намалило теглото им. В медицината графенът може да се използва за проектиране на изкуствени тъкани и ретини и за транспортиране на лекарства до тъканта, който се нуждае от тях.
„Сензорните екрани, които имат графен като проводящ елемент, могат да бъдат отпечатвани върху много тънка пластмаса вместо стъкло, така че да са леки и гъвкави. Мобилните телефони могат да бъдат тънки като лист хартия и да се огъват толкова лесно, че да се поберат във всеки джоб. Поради изключителната устойчивост на графен, тези телефони биха били много трудни за унищожаване “, обясняват специалистите от Американското химическо общество.
Супратик Гуха, ръководител на подразделението за физически изследвания на IBM, заяви, че специалистите на американската компания работят върху високочестотни транзистори и устройства, базирани на графен, и устройства, които използват терагерцовия регион на електромагнитния спектър. Този регион, разположен между инфрачервените и микровълновите честоти, обещава да предложи многобройни приложения в медицинските изображения и комуникациите на къси разстояния. Тераерцовите вълни преминават през пластмасите и живите тъкани, но досега учените не са успели да ги контролират. „С помощта на графен можем да модулираме и контролираме терагерцово лъчение“, казва Гуха.
Графенът също така може да позволи проектирането на леки и гъвкави слънчеви панели, които могат да покрият всички външни повърхности на сградите, а не само покрива. Графенът поглъща само 2% от светлината, която достига до него, независимо от дължината на вълната. Освен това е много добър електрически проводник. По този начин, ако фотоволтаична клетка се постави между два слоя графен, светлината ще премине през графена и ще докосне фотоволтаичната клетка. Това ще генерира електричество, което ще се транспортира с помощта на графенови слоеве. Комбинацията би позволила създаването на гъвкави слънчеви панели, които могат да се използват по безброй начини: върху автомобили, дрехи, чанти, електронни устройства или на всяка друга повърхност, докосвана от светлина. Така че благодарение на графена слънчевата енергия може да стане много по-лесна за използване и по-широко разпространена, отколкото можем да си представим днес.
Медицината е друга област, която обещава да бъде трансформирана от графен. Тъй като този материал е тънък, гъвкав и устойчив на солените разтвори, които образуват живи тъкани, графенът е идеален материал за проектиране на бионични устройства. За разлика от металните елементи, които издържат само няколко години в човешкото тяло, графеновите устройства могат да се използват цял живот. Освен това, тъй като графенът е електрически проводник, той може да се използва за предаване на електрически импулси към невроните, позволявайки на парализираните хора да си възвърнат контрола върху крайниците след инцидент, който води до нараняване на гръбначния мозък. Същият механизъм може да се използва за управление на изкуствени крайници чрез използване на графен за предаване на електрически сигнали към двигатели, които ги задвижват.
Надпреварата за патенти и извънредни инвестиции в графен
Изключителният потенциал на графена стимулира правителствата и организациите по света да инвестират значителни суми в изследвания върху този материал, от желанието да не пропуснат „графеновата революция“. Професор Андре Гейм изчислява, че повече от 1 милиард долара се изразходват годишно за изследвания върху чудотворни материали.
Откриването на графен доведе до истинска „патентна надпревара“ от компании, университети и други изследователски институции. Анализ на CambridgeIP показва, че от общо 7 351 заявки за патент за графен, регистрирани през 2012 г., 2 204 патента са от Китай, 1 754 от САЩ и 1 160 от Южна Корея. Сред компаниите с най-много патенти са Samsung с 407 и IBM с 134. Европа обаче продължава да играе ключова роля в развитието на графен. „Европа не е била толкова агресивна по отношение на патентите, но тук се провеждат най-важните изследвания в тази област“, каза Луиджи Коломбо, експерт по графени, пред Financial Times.
Великобритания иска да остане център на изследване на графена, поради което правителството на острова реши да похарчи 61 милиона британски лири за създаването на Националния институт за графен, национален изследователски център, който да бъде открит в Манчестър през 2015 г. в Манчестър обявява, че възнамерява този институт да бъде "световен лидер в изследванията на графен". Университетът в Кеймбридж също не е изоставен, обявявайки, че ще отвори Кембриджския център за графен, в който ще бъдат инвестирани 30 милиона паунда.
Европейският съюз наскоро обяви планове за финансиране на проект на стойност милиард евро, посветен на графена и неговите потенциални употреби, който да бъде координиран от професор Яри Кинарет от Техническия университет Чалмърс в Гьотеборг, Швеция. „Можете да разглеждате този огромен фонд като начин да насърчите компаниите да се ангажират по-активно в усилията на европейските университети“, казва Андре Гайм.
Заместник-председателят на Европейската комисия Нили Крос казва: „Историята на графена показва, че в науката все още има удивителни неща. Откриването на този материал беше като чудо. " „От материал, открит с помощта на върха на молив и самозалепваща се лента, днес графенът е близо до раждането на нова индустрия“, добави Крус.
Крус вярва, че този материал ще изиграе изключителна роля в развитието на европейския континент през следващите десетилетия. Ето защо европейският представител стартира сравнение с известната Силициева долина, региона на Калифорния, където работят много успешни технологични компании (включително Apple, Facebook или Google). „Чували ли сте за Силициевата долина? Европа иска да бъде известна като „долината на графена“, заяви Крус в съобщение на европейските власти за инвестиции в изследвания на графен. Изследователите очакват в бъдеще графенът да замести силиция в много области.
Nokia е една от 74-те европейски компании, които формират водещия консорциум Graphene, към който ще отидат средствата от 1 милиард евро, предложени от Европейския съюз. Сред проектите, по които работи финландската компания, е по-лек и изключително издръжлив телефон, който не се загрява. Jani Kivioja, един от изследователите в Изследователския център на Nokia, обяснява широко разпространения ентусиазъм за този необикновен материал: „Започнахме работа с графен през 2006 г. и оттогава определихме много области, където бихме могли да го използваме. Вярвам обаче, че най-важните открития все още не са извършени. Достигнахме критичен праг, но едва сега започва графеновата революция. Индустриалната революция се състоя, след като се научихме да произвеждаме желязо на ниска цена. Тогава имахме силициевата ера. Сега идва графенът ".
Професор Гайм смекчи много високите очаквания на хората към графена, заявявайки, че „обикновено са необходими около 40 години от откриването на нов материал до използването му в продукти за широката публика. Помислете за полимерите: измина известно време от откриването им до момента, в който пластмасата стана повсеместна в живота ни “. Едно нещо изглежда сигурно: графенът ще изиграе изключителна роля в технологичното развитие, което ще характеризира 21 век, революционизирайки най-важните области.