Salīdzinoši nesen zinātnē un tehnoloģijā ir parādījusies jauna joma, ko sauc par nanotehnoloģiju. Šīs disciplīnas izredzes ir ne tikai plašas. Viņi ir grandiozi. Daļiņa, ko sauc par "nano", ir vērtība, kas vienāda ar vienu miljardo daļu no vērtības. Šādus izmērus var salīdzināt tikai ar atomu un molekulu izmēriem. Piemēram, nanometrs ir viena miljardā daļa no metra.
Jaunās zinātnes nozares galvenais virziens
Nanotehnoloģijas ir tās, kas manipulē ar vielu molekulu un atomu līmenī. Šajā sakarā šo zinātnes jomu sauc arī par molekulāro tehnoloģiju. Kāds bija stimuls tās attīstībai? Nanotehnoloģijas mūsdienu pasaulē parādījās, pateicoties lekcijai, kurā zinātnieks pierādīja, ka nav šķēršļu radīt lietas tieši no atomiem.
Rīku efektīvai manipulācijai ar mazākajām daļiņām sauca par montētāju. Šī ir molekulāra nanomašīna, ar kuru jūs varat izveidot jebkuru struktūru. Piemēram, dabisko montētāju var saukt par ribosomu sintezējošu proteīnu dzīvos organismos.
Mūsdienu pasaulē nanotehnoloģijas nav tikai atsevišķa zināšanu joma. Tie pārstāv plašu pētniecības jomu, kas ir tieši saistīta ar daudzām fundamentālajām zinātnēm. Starp tiem ir fizika, ķīmija un bioloģija. Pēc zinātnieku domām, tieši šīs zinātnes saņems visspēcīgāko stimulu attīstībai uz gaidāmās nanotehniskās revolūcijas fona.
Pielietojuma zona
Nav iespējams uzskaitīt visas cilvēka darbības sfēras, kurās pašlaik tiek izmantotas nanotehnoloģijas, jo ir ļoti iespaidīgs saraksts. Tātad ar šīs zinātnes jomas palīdzību tiek ražoti:
Ierīces, kas paredzētas īpaši blīvai jebkuras informācijas ierakstīšanai;
- dažāda video tehnika;
- sensori, pusvadītāju tranzistori;
- informācija, skaitļošana un informācijas tehnoloģijas;
- nanoimprintings un nanolitogrāfija;
- enerģijas uzkrāšanas ierīces un kurināmā elementi;
- aizsardzības, kosmosa un aviācijas lietojumi;
- bioinstrumentācija.
Ar katru gadu arvien vairāk finansējuma tiek piešķirts tādai zinātnes nozarei kā nanotehnoloģijas Krievijā, ASV, Japānā un vairākās Eiropas valstīs. Tas ir saistīts ar plašajām perspektīvām šīs pētniecības jomas attīstībai.
Nanotehnoloģijas Krievijā attīstās saskaņā ar mērķtiecīgo federālo programmu, kas paredz ne tikai lielas finanšu izmaksas, bet arī lielu projektēšanas un pētniecības darbu apjomu. Lai īstenotu izvirzītos uzdevumus, nacionālo un transnacionālo korporāciju līmenī tiek apvienoti dažādu zinātnes un tehnoloģiju kompleksu spēki.
jauns materiāls
Nanotehnoloģijas ir ļāvušas zinātniekiem izgatavot oglekļa plāksni, kas ir cietāka par dimantu un ir tikai viena atoma bieza. Tas sastāv no grafēna. Šis ir plānākais un izturīgākais materiāls visā Visumā, kas pārraida elektrību daudz labāk nekā datoru mikroshēmu silīcijs.
Grafēna atklāšana tiek uzskatīta par īstu revolucionāru notikumu, kas daudz ko mainīs mūsu dzīvē. Šim materiālam ir tik unikālas fizikālās īpašības, ka tas radikāli maina cilvēka izpratni par lietu un vielu būtību.
Atklājumu vēsture
Grafēns ir divdimensiju kristāls. Tās struktūra ir sešstūra režģis, kas sastāv no oglekļa atomiem. Grafēna teorētiskie pētījumi sākās ilgi pirms tā faktisko paraugu iegūšanas, jo šis materiāls ir pamats trīsdimensiju grafīta kristāla konstruēšanai.
Jau 1947. gadā P. Volless norādīja uz dažām grafēna īpašībām, pierādot, ka tā struktūra ir līdzīga metāliem, un dažas īpašības ir līdzīgas ultrarelativistisku daļiņu, neitrīno un bezmasas fotonu īpašībām. Tomēr jaunajam materiālam ir dažas būtiskas atšķirības, kas padara to unikālu pēc būtības. Bet apstiprinājums šiem secinājumiem tika saņemts tikai 2004. gadā, kad oglekli brīvā stāvoklī pirmo reizi ieguva Konstantīns Novoselovs. Šī jaunā viela, ko sauca par grafēnu, bija nozīmīgs zinātnieku atklājums. Šo elementu var atrast zīmulī. Tās grafīta stienis sastāv no daudziem grafēna slāņiem. Kā zīmulis atstāj pēdas uz papīra? Fakts ir tāds, ka, neskatoties uz to slāņu izturību, kas veido stieni, starp tiem ir ļoti vājas saites. Saskaroties ar papīru, tie ļoti viegli sadalās, rakstot atstājot pēdas.
Jauna materiāla izmantošana
Pēc zinātnieku domām, sensori, kuru pamatā ir grafēns, varēs analizēt lidmašīnas spēku un stāvokli, kā arī paredzēt zemestrīces. Bet tikai tad, kad materiāls ar tik pārsteidzošām īpašībām pametīs laboratoriju sienas, kļūs skaidrs, kādā virzienā virzīsies šīs vielas praktiskā pielietojuma attīstība. Līdz šim fiziķi, kā arī elektronikas inženieri jau ir sākuši interesēties par grafēna unikālajām iespējām. Galu galā tikai daži grami šīs vielas var aptvert laukumu, kas vienāds ar futbola laukumu.
Grafēns un tā pielietojumi, iespējams, tiek apsvērti vieglo pavadoņu un lidmašīnu ražošanā. Šajā jomā jaunais materiāls spēj aizstāt nanovielu, ko var izmantot silīcija vietā tranzistoros, un tā ievadīšana plastmasā piešķirs tai elektrovadītspēju.
Grafēns un tā pielietojumi tiek ņemti vērā arī sensoru ražošanā. Šīs ierīces, kuru pamatā ir jaunākais materiāls, spēs noteikt visbīstamākās molekulas. Bet nanovielu pulvera izmantošana elektrisko akumulatoru ražošanā ievērojami palielinās to efektivitāti.
Grafēns un tā pielietojumi tiek aplūkoti optoelektronikā. Jaunais materiāls veidos ļoti vieglu un izturīgu plastmasu, kuras trauki uzturēs pārtiku svaigu vairākas nedēļas.
Paredzams, ka grafēna izmantošana arī radīs caurspīdīgu vadošu pārklājumu, kas nepieciešams monitoriem, saules paneļiem un vēja turbīnām, kas ir stiprāki un izturīgāki pret mehānisko spriegumu.
Pamatojoties uz nanomateriālu, tiks iegūts labākais sporta inventārs, medicīniskie implanti un superkondensatori.
Grafēns un tā pielietojums attiecas arī uz:
Augstas frekvences lieljaudas elektroniskās ierīces;
- mākslīgās membrānas, kas atdala divus šķidrumus tvertnē;
- dažādu materiālu vadītspējas īpašību uzlabošana;
- displeja izveide uz organiskām gaismas diodēm;
- jaunas paātrinātas DNS sekvencēšanas tehnoloģijas izstrāde;
- šķidro kristālu displeju uzlabojumi;
- ballistisko tranzistoru izveide.
Automobiļu izmantošana
Pēc pētnieku domām, grafēna īpatnējais enerģijas patēriņš tuvojas 65 kWh/kg. Šis rādītājs ir 47 reizes augstāks nekā tagad tik plaši izplatītās litija jonu baterijas. Zinātnieki izmantoja šo faktu, lai izveidotu jaunas paaudzes lādētājus.
Grafēna-polimēra akumulators ir ierīce, ar kuras palīdzību elektroenerģija tiek saglabāta pēc iespējas efektīvāk. Šobrīd darbu pie tā veic daudzu valstu pētnieki. Spānijas zinātnieki šajā ziņā ir panākuši ievērojamu progresu. Viņu radītā grafēna-polimēra akumulatora enerģijas ietilpība ir simtiem reižu lielāka nekā esošajām akumulatoriem. To izmanto elektrisko transportlīdzekļu aprīkošanai. Automašīna, kurā tā ir uzstādīta, bez apstāšanās var nobraukt tūkstošiem kilometru. Elektromobiļa uzlāde prasīs ne vairāk kā 8 minūtes, kad enerģijas resurss būs izsmelts.
Skārienekrāni
Zinātnieki turpina pētīt grafēnu, vienlaikus radot jaunas un nepārspējamas lietas. Tātad oglekļa nanomateriāls ir atradis savu pielietojumu ražošanā, kas ražo skārienjutīgus displejus ar lielu diagonāli. Nākotnē var parādīties arī šāda veida elastīga ierīce.
Zinātnieki ieguva taisnstūrveida grafēna loksni un pārvērta to par caurspīdīgu elektrodu. Tas ir tas, kurš piedalās skārienekrāna darbībā, vienlaikus atšķiras ar izturību, palielinātu caurspīdīgumu, elastību, videi draudzīgumu un zemām izmaksām.
Grafēna iegūšana
Kopš 2004. gada, kad tika atklāts jaunākais nanomateriāls, zinātnieki ir apguvuši vairākas tā ražošanas metodes. Tomēr vissvarīgākās no tām ir metodes:
mehāniskā pīlings;
- epitaksiālā augšana vakuumā;
- ķīmiskā fāzes dzesēšana (CVD process).
Pirmā no šīm trim metodēm ir visvienkāršākā. Grafēna ražošana ar mehānisku pīlingu ir īpaša grafīta uzklāšana uz izolācijas lentes līmējošās virsmas. Pēc tam pamatne, tāpat kā papīra lapa, sāk saliekties un atlocīties, atdalot vēlamo materiālu. Izmantojot šo metodi, grafēns ir visaugstākās kvalitātes. Tomēr šādas darbības nav piemērotas šī nanomateriāla masveida ražošanai.
Izmantojot epitaksiālās augšanas metodi, tiek izmantotas plānas silīcija vafeles, kuru virsmas slānis ir silīcija karbīds. Turklāt šis materiāls tiek uzkarsēts ļoti augstā temperatūrā (līdz 1000 K). Ķīmiskās reakcijas rezultātā silīcija atomi tiek atdalīti no oglekļa atomiem, no kuriem pirmie iztvaiko. Rezultātā uz plāksnes paliek tīrs grafēns. Šīs metodes trūkums ir nepieciešamība izmantot ļoti augstas temperatūras, kurās var notikt oglekļa atomu sadegšana.
Visdrošākā un vienkāršākā metode, ko izmanto grafēna masveida ražošanai, ir CVD process. Tā ir metode, kurā notiek ķīmiska reakcija starp metāla katalizatora pārklājumu un ogļūdeņraža gāzēm.
Kur tiek ražots grafēns?
Līdz šim lielākais uzņēmums, kas ražo jauno nanomateriālu, atrodas Ķīnā. Šī ražotāja nosaukums ir Ningbo Morsh Technology. Grafēna ražošana sākās 2012. gadā.
Galvenais nanomateriāla patērētājs ir Chongqing Morsh Technology. Tas izmanto grafēnu, lai ražotu vadošas caurspīdīgas plēves, kas tiek ievietotas skārienjutīgajos displejos.
Salīdzinoši nesen plaši pazīstamā kompānija Nokia iesniedza patentu gaismjutīgai matricai. Šis elements, kas ir tik nepieciešams optiskām ierīcēm, satur vairākus grafēna slāņus. Šāds materiāls, ko izmanto kameru sensoros, ievērojami palielina to gaismas jutību (līdz 1000 reizēm). Vienlaikus vērojams arī elektroenerģijas patēriņa samazinājums. Labā viedtālruņa kamerā būs arī grafēns.
Nokļūšana mājās
Vai ir iespējams izgatavot grafēnu mājās? Izrādās, ka jā! Jums vienkārši jāņem virtuves blenderis, kura jauda ir vismaz 400 vati, un jāievēro īru fiziķu izstrādātā metodika.
Kā mājās pagatavot grafēnu? Lai to izdarītu, blendera traukā ielej 500 ml ūdens, šķidrumam pievienojot 10-25 mililitrus jebkura mazgāšanas līdzekļa un 20-50 gramus sasmalcināta svina. Pēc tam ierīcei jādarbojas no 10 minūtēm līdz pusstundai, līdz parādās grafēna pārslu suspensija. Iegūtajam materiālam būs augsta vadītspēja, kas ļaus to izmantot fotoelementu elektrodos. Arī mājās ražotais grafēns var uzlabot plastmasas īpašības.
nanomateriālu oksīdi
Zinātnieki arī aktīvi pēta šādu grafēna struktūru, kurā oglekļa tīkla iekšpusē vai gar malām ir pievienotas skābekli saturošas funkcionālās grupas un/vai molekulas. Tas ir cietākās nanovielas oksīds un pirmais divdimensiju materiāls, kas sasniedzis komerciālās ražošanas stadiju. No šīs struktūras nano- un mikrodaļiņām zinātnieki izgatavoja centimetru lielus paraugus.
Tādējādi Ķīnas zinātnieki nesen ieguva grafēna oksīdu kombinācijā ar diofilizētu oglekli. Šis ir ļoti viegls materiāls, kura centimetru kubs tiek turēts uz neliela zieda ziedlapiņām. Taču tajā pašā laikā jaunā viela, kas satur grafēna oksīdu, ir viena no cietākajām pasaulē.
Biomedicīnas pielietojums
Grafēna oksīdam ir unikāla selektivitātes īpašība. Tas ļaus šai vielai atrast biomedicīnas pielietojumu. Tātad, pateicoties zinātnieku darbam, kļuva iespējams izmantot grafēna oksīdu vēža diagnostikai. Nanomateriāla unikālās optiskās un elektriskās īpašības ļauj atklāt ļaundabīgu audzēju tā attīstības sākumposmā.
Grafēna oksīds arī ļauj mērķtiecīgi piegādāt zāles un diagnostiku. Pamatojoties uz šo materiālu, tiek izveidoti sorbcijas biosensori, kas norāda uz DNS molekulām.
Rūpnieciskais pielietojums
Piesārņotu mākslīgo un dabas objektu dekontaminācijai var izmantot dažādus sorbentus uz grafēna oksīda bāzes. Turklāt šis nanomateriāls spēj apstrādāt pazemes un virszemes ūdeņus, kā arī augsnes, attīrot tās no radionuklīdiem.
Grafēna oksīda filtri var nodrošināt īpaši tīras telpas, kurās tiek ražotas īpašas nozīmes elektroniskās sastāvdaļas. Šī materiāla unikālās īpašības ļaus jums iekļūt ķīmiskās sfēras smalkajās tehnoloģijās. Jo īpaši tā var būt radioaktīvo, pēdu un reto metālu ieguve. Tādējādi grafēna oksīda izmantošana ļaus iegūt zeltu no nabadzīgām rūdām.
Grafēns ir revolucionārs 21. gadsimta materiāls. Tā ir spēcīgākā, vieglākā un elektrību vadošākā oglekļa savienojuma versija.
Grafēnu atrada Mančestras Universitātē strādājošie Konstantīns Novoselovs un Andrejs Geims, par ko Krievijas zinātniekiem tika piešķirta Nobela prēmija. Līdz šim grafēna īpašību izpētei desmit gadu garumā ir atvēlēti aptuveni desmit miljardi dolāru, un klīst baumas, ka tas var lieliski aizstāt silīciju, īpaši pusvadītāju nozarē.
Tomēr šim oglekli saturošajam materiālam līdzīga divdimensiju struktūra ir prognozēta arī citiem ķīmisko elementu periodiskās tabulas elementiem, un nesen tika pētītas vienas no šīm vielām ļoti neparastas īpašības. Un šo vielu sauc par "zilo fosforu".
Lielbritānijā strādājošie krievu pamatiedzīvotāji Konstantīns Novoselovs un Andrejs Geims 2004. gadā radīja grafēnu - caurspīdīgu oglekļa slāni viena atoma biezumā. Kopš tā brīža gandrīz nekavējoties un visur mēs sākām dzirdēt slavinošus odes par daudzām pārsteidzošām materiāla īpašībām, kam ir potenciāls mainīt mūsu pasauli un atrast to pielietojumu dažādās jomās, sākot no kvantu datoru ražošanas līdz filtri tīra dzeramā ūdens iegūšanai. Ir pagājuši 15 gadi, bet pasaule grafēna ietekmē nav mainījusies. Kāpēc?
Visas mūsdienu elektroniskās ierīces informācijas pārraidei izmanto elektronus. Tagad pilnā sparā rit kvantu datoru attīstība, ko daudzi uzskata par tradicionālo ierīču turpmāku aizstāšanu. Tomēr ir vēl viens, ne mazāk interesants attīstības veids. Tā saukto fotonisko datoru izveide. Un nesen pētnieku grupa no Ekseteras universitātes () atklāja daļiņu īpašību, kas varētu palīdzēt izstrādāt jaunas datoru shēmas.
Grafēna šķiedras zem skenējošā elektronu mikroskopa. Tīrs grafēns tiek reģenerēts no grafēna oksīda (GO) mikroviļņu krāsnī. Mērogs 40 µm (pa kreisi) un 10 µm (pa labi). Foto: Jieun Yang, Damien Voiry, Jacob Kupferberg / Rutgers University
Grafēns ir oglekļa 2D modifikācija, ko veido viena oglekļa atoma biezs slānis. Materiālam ir augsta izturība, augsta siltumvadītspēja un unikālas fizikālās un ķīmiskās īpašības. Tam ir visaugstākā elektronu mobilitāte no visiem zināmajiem materiāliem uz Zemes. Tas padara grafēnu par gandrīz ideālu materiālu dažādiem lietojumiem, tostarp elektronikai, katalizatoriem, akumulatoriem, kompozītmateriāliem utt. Lieta ir maza – iemācīties iegūt kvalitatīvus grafēna slāņus rūpnieciskā mērogā.
Ķīmiķi no Rutgers universitātes (ASV) ir atraduši vienkāršu un ātru metodi augstas kvalitātes grafēna ražošanai, apstrādājot grafēna oksīdu parastā mikroviļņu krāsnī. Metode ir pārsteidzoši primitīva un efektīva.
Grafīta oksīds ir oglekļa, ūdeņraža un skābekļa savienojums dažādās proporcijās, kas veidojas, grafītu apstrādājot ar spēcīgiem oksidētājiem. Lai atbrīvotos no atlikušā skābekļa grafīta oksīdā un pēc tam iegūtu tīru grafēnu divdimensiju loksnēs, ir vajadzīgas ievērojamas pūles.
Grafīta oksīdu sajauc ar spēcīgiem sārmiem un materiāls tiek vēl vairāk reducēts. Rezultātā tiek iegūtas monomolekulāras loksnes ar skābekļa atlikumiem. Šīs loksnes parasti sauc par grafēna oksīdu (GO). Ķīmiķi ir mēģinājuši dažādus veidus, kā noņemt lieko skābekli no GO ( , , , ), bet GO (rGO), kas samazināts ar šādām metodēm, joprojām ir ļoti nesakārtots materiāls, kas ir tālu no īsta tīra grafēna, kas iegūts ar ķīmisko tvaiku pārklāšanu (CVD).
Pat tās nesakārtotajā formā rGO var būt noderīgs enerģijas nesējiem ( , , , , ) un katalizatoriem ( , , , ), taču, lai maksimāli izmantotu grafēna unikālas īpašības elektronikā, jums jāapgūst, kā lai iegūtu tīru augstas kvalitātes grafēnu no GO.
Ratgersa universitātes ķīmiķi piedāvā vienkāršu un ātru veidu, kā samazināt GO līdz tīram grafēnam, izmantojot 1–2 sekunžu mikroviļņu impulsus. Kā redzams no grafikiem, grafēns, kas iegūts ar “mikroviļņu samazināšanu” (MW-rGO), pēc savām īpašībām ir daudz tuvāks tīrākajam grafēnam, kas iegūts, izmantojot CVD.
MW-rGO fizikālās īpašības salīdzinājumā ar senatnīgo grafēna oksīdu GO, reducētu grafēna oksīdu rGO un ķīmisko tvaiku nogulsnēšanos (CVD) grafēnu. Parādītas tipiskas GO pārslas, kas uzklātas uz silīcija substrāta (A); rentgenstaru fotoelektronu spektroskopija (B); Ramana spektroskopija un kristāla izmēra (L a) attiecība pret maksimuma attiecību l 2D /l G Ramana spektrā MW-rGO, GO un CVD.
MW-rGO elektroniskās un elektrokatalītiskās īpašības salīdzinājumā ar rGO. Ilustrācijas: Rutgers University
Tehniskais process MW-rGO iegūšanai sastāv no vairākiem posmiem.
- Grafīta oksidēšana ar modificēto Hummers metodi un tā šķīdināšana uz viena slāņa grafēna oksīda pārslām ūdenī.
- Veiciet atkausēšanu, lai padarītu materiālu jutīgāku pret mikroviļņu apstarošanu.
- GO pārslu apstarošana parastajā 1000W mikroviļņu krāsnī 1-2 sekundes. Šīs procedūras laikā GO tiek ātri uzsildīts līdz augstai temperatūrai, notiek skābekļa grupu desorbcija un lieliska oglekļa režģa strukturēšana.
Transmisijas elektronu mikroskopa attēli parāda grafēna lokšņu struktūru ar skalu 1 nm. Kreisajā pusē ir viena slāņa rGO ar daudziem defektiem, tostarp skābekļa funkcionālajām grupām (zilā bultiņa) un caurumiem oglekļa slānī (sarkanā bultiņa). Centrā un labajā pusē ir ideāli strukturēts divslāņu un trīsslāņu MW-rGO. Foto: Rutgers University
MW-rGO lieliskās strukturālās īpašības, ja to izmanto lauka efekta tranzistoros, ļauj palielināt maksimālo elektronu mobilitāti līdz aptuveni 1500 cm 2 /V·s, kas ir salīdzināms ar izcilu mūsdienu augstas elektronu mobilitātes tranzistoru veiktspēju.
Papildus elektronikai MW-rGO ir noderīgs katalizatoru ražošanā: tas uzrādīja ārkārtīgi zemu Tafel koeficienta vērtību, kad to izmantoja kā katalizatoru skābekļa evolūcijas reakcijā: aptuveni 38 mV desmitgadē. MW-rGO katalizators arī palika stabils ūdeņraža evolūcijas reakcijā, kas ilga vairāk nekā 100 stundas.
Tas viss liecina par lielisku potenciālu grafēna izmantošanai rūpniecībā, kam ir samazināts mikroviļņu līmenis.
Pētījuma raksts "Augstas kvalitātes grafēns, reducējot mikroviļņu krāsnī ar šķīdumu eksfoliētu grafēna oksīdu" publicēts 2016. gada 1. septembrī žurnālā Zinātne(doi: 10.1126/science.aah3398).
Grafēns pieder pie unikālu oglekļa savienojumu klases, kam ir ievērojamas ķīmiskās un fizikālās īpašības, piemēram, lieliska elektrovadītspēja, apvienojumā ar pārsteidzošu vieglumu un izturību.
Tiek pieņemts, ka laika gaitā tas spēs aizstāt silīciju, kas ir mūsdienu pusvadītāju ražošanas pamatā. Šobrīd šajā savienojumā ir droši nostiprinājies “nākotnes materiāla” statuss.
Materiāla īpašības
Grafēns, kas visbiežāk sastopams ar apzīmējumu "G", ir divdimensiju oglekļa forma, kurai ir neparasta struktūra atomu veidā, kas savienoti sešstūra režģī. Tajā pašā laikā tā kopējais biezums nepārsniedz katra no tiem izmēru.
Lai skaidrāk saprastu, kas ir grafēns, ieteicams iepazīties ar tādām unikālajām īpašībām kā:
- Rekordaugsta siltumvadītspēja;
- Materiāla augsta mehāniskā izturība un elastība, simtiem reižu augstāka par to pašu rādītāju tērauda izstrādājumiem;
- nesalīdzināma elektrovadītspēja;
- Augsta kušanas temperatūra (vairāk nekā 3 tūkstoši grādu);
- Necaurlaidība un caurspīdīgums.
Par grafēna neparasto uzbūvi liecina tik vienkāršs fakts: apvienojot 3 miljonus grafēna lokšņu sagatavju, kopējais gatavā produkta biezums būs ne vairāk kā 1 mm.
Lai saprastu šī neparastā materiāla unikālās īpašības, pietiek atzīmēt, ka pēc savas izcelsmes tas ir līdzīgs parastajam slāņainajam grafītam, ko izmanto zīmuļu svinā. Tomēr, pateicoties īpašajam atomu izvietojumam sešstūra režģī, tā struktūra iegūst īpašības, kas raksturīgas tik cietam materiālam kā dimants.
Izdalot grafēnu no grafīta, šajā procesā izveidotajā atomu biezajā plēvē tiek novērotas tā “brīnišķīgākās” īpašības, kas raksturīgas mūsdienu 2D materiāliem. Mūsdienās ir grūti atrast šādu tautsaimniecības jomu, lai kur šis unikālais savienojums tiktu izmantots un kur tas netiek uzskatīts par daudzsološu. Īpaši tas ir redzams zinātnes attīstības jomā, kuras mērķis ir apgūt jaunas tehnoloģijas.
Kā nokļūt
Šī materiāla atklāšanu var datēt ar 2004. gadu, pēc kura zinātnieki ir apguvuši dažādas tā iegūšanas metodes, kas ir parādītas zemāk:
- Ķīmiskā dzesēšana, ko īsteno ar fāzu transformāciju metodi (to sauc par CVD procesu);
- Tā sauktā "epitaksiālā augšana", ko veic vakuumā;
- "Mehāniskās pīlinga" metode.
Apskatīsim katru no tiem sīkāk.
Mehānisks
Sāksim ar pēdējo no šīm metodēm, kas tiek uzskatīta par vispieejamāko neatkarīgai izpildei. Lai mājās iegūtu grafēnu, ir nepieciešams secīgi veikt šādas darbību sērijas:
- Vispirms jums ir jāsagatavo plāna grafīta plāksne, kas pēc tam tiek piestiprināta pie speciālas lentes līmējošās puses;
- Pēc tam tas salokās uz pusēm un pēc tam atkal atgriežas sākotnējā stāvoklī (tā gali ir šķīrušies);
- Šādu manipulāciju rezultātā ir iespējams iegūt dubultu grafīta slāni uz lentes līmējošās puses;
- Ja šo darbību veiksiet vairākas reizes, būs viegli panākt nelielu uzklātā materiāla slāņa biezumu;
- Pēc tam uz silīcija oksīda substrāta tiek uzklāta līmlente ar šķeltām un ļoti plānām kārtiņām;
- Rezultātā plēve daļēji paliek uz pamatnes, veidojot grafēna slāni.
Šīs metodes trūkums ir grūtības iegūt pietiekami plānu noteikta izmēra un formas plēvi, kas būtu droši nostiprināta uz šim nolūkam rezervētajām pamatnes daļām.
Pašlaik lielākā daļa ikdienas praksē izmantotā grafēna tiek ražots šādā veidā. Pateicoties mehāniskai pīlingam, ir iespējams iegūt diezgan augstas kvalitātes savienojumu, taču šī metode ir pilnīgi nepiemērota masveida ražošanas apstākļiem.
Rūpnieciskās metodes
Viens no rūpnieciskajiem veidiem, kā iegūt grafēnu, ir tā audzēšana vakuumā, kura īpašības var attēlot šādi:
- Tās ražošanai tiek ņemts silīcija karbīda virsmas slānis, kas vienmēr atrodas uz šī materiāla virsmām;
- Pēc tam iepriekš sagatavoto silīcija plāksni uzkarsē līdz salīdzinoši augstai temperatūrai (apmēram 1000 K);
- Sakarā ar šajā gadījumā notiekošajām ķīmiskajām reakcijām tiek novērota silīcija un oglekļa atomu atdalīšanās, kurā pirmais no tiem nekavējoties iztvaiko;
- Šīs reakcijas rezultātā uz plāksnes paliek tīrs grafēns (G).
Šīs metodes trūkumi ietver nepieciešamību pēc augstas temperatūras apkures, kas bieži rada tehniskas grūtības.
Visdrošākā rūpnieciskā metode, lai izvairītos no iepriekš aprakstītajām grūtībām, ir tā sauktais "CVD process". Kad tas tiek īstenots, notiek ķīmiska reakcija, kas notiek uz metāla katalizatora virsmas, kad to apvieno ar ogļūdeņraža gāzēm.
Visu iepriekš apspriesto pieeju rezultātā ir iespējams iegūt tīrus divdimensiju oglekļa alotropus savienojumus tikai viena atoma bieza slāņa veidā. Šīs veidošanās iezīme ir šo atomu savienošana sešstūra režģī, jo veidojas tā sauktās "σ" un "π" saites.
Elektrisko lādiņu nesējiem grafēna režģī ir raksturīga augsta mobilitātes pakāpe, kas ir daudz augstāka nekā citiem zināmiem pusvadītāju materiāliem. Šī iemesla dēļ tas spēj aizstāt klasisko silīciju, ko tradicionāli izmanto integrālo shēmu ražošanā.
Uz grafēna bāzes izgatavotu materiālu praktiskās pielietošanas iespējas ir tieši saistītas ar tā ražošanas īpatnībām. Pašlaik ir daudzas metodes, kā iegūt tās atsevišķos fragmentus, kas atšķiras pēc formas, kvalitātes un izmēra.
No visām zināmajām metodēm izceļas šādas pieejas:
- Dažādu grafēna oksīdu ražošana pārslu veidā, ko izmanto elektriski vadošu krāsu ražošanā, kā arī dažādu šķiru kompozītmateriālus;
- Plakana grafēna G iegūšana, no kura tiek izgatavotas elektronisko ierīču sastāvdaļas;
- Tā paša veida audzēšanas materiāls, ko izmanto kā neaktīvus komponentus.
Šī savienojuma galvenās īpašības un tā funkcionalitāti nosaka substrāta kvalitāte, kā arī materiāla īpašības, ar kuru tas tiek audzēts. Tas viss galu galā ir atkarīgs no izmantotās ražošanas metodes.
Atkarībā no šī unikālā materiāla iegūšanas metodes to var izmantot dažādiem mērķiem, proti:
- Mehāniskās pīlinga rezultātā iegūtais grafēns galvenokārt paredzēts pētniecībai, kas skaidrojams ar brīvo lādiņnesēju zemo mobilitāti;
- Ja grafēnu iegūst ķīmiskās (termiskās) reakcijas rezultātā, to visbiežāk izmanto, lai izveidotu kompozītmateriālus, kā arī aizsargpārklājumus, tintes un krāsvielas. Brīvo nesēju mobilitāte ir nedaudz lielāka, kas ļauj to izmantot kondensatoru un plēves izolatoru ražošanai;
- Ja šī savienojuma iegūšanai izmanto CVD metodi, to var izmantot nanoelektronikā, kā arī sensoru un caurspīdīgu lokanu plēvju ražošanā;
- Grafēns, kas iegūts ar "silīcija vafeles" metodi, tiek izmantots tādu elektronisko ierīču elementu ražošanai kā augstfrekvences tranzistori un tamlīdzīgi komponenti. Brīvo lādiņnesēju mobilitāte šādos savienojumos ir maksimāla.
Uzskaitītās grafēna īpašības ražotājiem paver plašu redzesloku un ļauj koncentrēt spēkus tā ieviešanai šādās daudzsološās jomās:
- Alternatīvās mūsdienu elektronikas jomās, kas saistītas ar silīcija komponentu nomaiņu;
- vadošajās ķīmiskās ražošanas nozarēs;
- Izstrādājot unikālus izstrādājumus (piemēram, kompozītmateriālus un grafēna membrānas);
- Elektrotehnikā un elektronikā (kā "ideāls" vadītājs).
Turklāt uz šī savienojuma bāzes var izgatavot aukstos katodus, akumulatorus, kā arī īpašus vadošus elektrodus un caurspīdīgus plēves pārklājumus. Šī nanomateriāla unikālās īpašības sniedz tam plašas iespējas to izmantot progresīvās izstrādēs.
Priekšrocības un trūkumi
Uz grafēna bāzes izgatavotu produktu priekšrocības:
- Augsta elektriskās vadītspējas pakāpe, kas ir salīdzināma ar to pašu parastā vara indikatoru;
- Gandrīz ideāla optiskā tīrība, kuras dēļ tas absorbē ne vairāk kā divus procentus no redzamās gaismas diapazona. Tāpēc no ārpuses tas novērotājam šķiet gandrīz bezkrāsains un neredzams;
- Mehāniskā izturība ir augstāka par dimantu;
- Elastība, kurā viena slāņa grafēns ir pārāks par elastīgo gumiju. Šī kvalitāte ļauj viegli mainīt plēvju formu un vajadzības gadījumā tās izstiept;
- Izturība pret ārējām mehāniskām ietekmēm;
- Nesalīdzināma siltumvadītspēja, kuras ziņā tā ir desmit reizes pārāka par to pašu varu.
Šī unikālā oglekļa savienojuma trūkumi ietver:
- Neiespējamība iegūt rūpnieciskai ražošanai pietiekamā apjomā, kā arī sasniegt augstas kvalitātes nodrošināšanai nepieciešamās fizikāli ķīmiskās īpašības. Praksē ir iespējams iegūt tikai nelielus grafēna lokšņu fragmentus;
- Rūpnieciskie izstrādājumi pēc to īpašībām visbiežāk ir zemāki par paraugiem, kas iegūti pētniecības laboratorijās. Tos nav iespējams sasniegt ar parasto industriālo tehnoloģiju palīdzību;
- Augstas ar darbaspēku nesaistītas izmaksas, kas būtiski ierobežo tā ražošanas un praktiskā pielietojuma iespējas.
Neskatoties uz visām šīm grūtībām, pētnieki neatsakās no mēģinājumiem izstrādāt jaunas tehnoloģijas grafēna ražošanai.
Noslēgumā jāsaka, ka šī materiāla izredzes ir vienkārši fantastiskas, jo to var izmantot arī modernu īpaši plānu un elastīgu sīkrīku ražošanā. Turklāt, pamatojoties uz to, ir iespējams izveidot modernu medicīnisko aprīkojumu un zāles, kas spēj cīnīties ar vēzi un citām izplatītām audzēju slimībām.
Video
