Το γραφένιο ανήκει σε μια κατηγορία μοναδικών ενώσεων άνθρακα που έχουν αξιόλογες χημικές και φυσικές ιδιότητες, όπως εξαιρετική ηλεκτρική αγωγιμότητα, η οποία συνδυάζεται με εκπληκτική ελαφρότητα και αντοχή.
Αναμένεται ότι με την πάροδο του χρόνου θα μπορέσει να αντικαταστήσει το πυρίτιο, που αποτελεί τη βάση της σύγχρονης παραγωγής ημιαγωγών. Επί του παρόντος, αυτή η ένωση έχει εξασφαλίσει σταθερά την κατάσταση του «υλικού του μέλλοντος».
Χαρακτηριστικά του υλικού
Το γραφένιο, που συναντάται συχνότερα με την ονομασία "G", είναι μια δισδιάστατη μορφή άνθρακα που έχει μια ασυνήθιστη δομή με τη μορφή ατόμων που συνδέονται σε ένα εξαγωνικό πλέγμα. Επιπλέον, το συνολικό του πάχος δεν ξεπερνά το μέγεθος καθενός από αυτά.
Για μια σαφέστερη κατανόηση του τι είναι το γραφένιο, συνιστάται να εξοικειωθείτε με μοναδικά χαρακτηριστικά όπως:
- Ρεκόρ υψηλής θερμικής αγωγιμότητας.
- Υψηλή μηχανική αντοχή και ευκαμψία του υλικού, εκατοντάδες φορές υψηλότερη από τον ίδιο δείκτη για προϊόντα χάλυβα.
- Ασύγκριτη ηλεκτρική αγωγιμότητα.
- Υψηλό σημείο τήξης (πάνω από 3 χιλιάδες μοίρες).
- Αδιαπερατότητα και διαφάνεια.
Η ασυνήθιστη δομή του γραφενίου αποδεικνύεται από αυτό το απλό γεγονός: όταν συνδυάζονται 3 εκατομμύρια φύλλα τεμαχίων γραφενίου, το συνολικό πάχος του τελικού προϊόντος δεν θα είναι μεγαλύτερο από 1 mm.
Για να κατανοήσουμε τις μοναδικές ιδιότητες αυτού του ασυνήθιστου υλικού, αρκεί να σημειώσουμε ότι στην προέλευσή του είναι παρόμοιο με τον συνηθισμένο πολυεπίπεδο γραφίτη που χρησιμοποιείται σε μολυβιού. Ωστόσο, λόγω της ειδικής διάταξης των ατόμων στο εξαγωνικό πλέγμα, η δομή του αποκτά τα χαρακτηριστικά που είναι εγγενή σε ένα τόσο σκληρό υλικό όπως το διαμάντι.
Όταν το γραφένιο απομονώνεται από τον γραφίτη, οι πιο «θαυματουργές» ιδιότητές του, χαρακτηριστικές των σύγχρονων 2D υλικών, παρατηρούνται στο πάχος του ατόμου του φιλμ που προκύπτει. Σήμερα είναι δύσκολο να βρεθεί μια περιοχή της εθνικής οικονομίας όπου χρησιμοποιείται αυτή η μοναδική ένωση και όπου δεν θεωρείται πολλά υποσχόμενη. Αυτό είναι ιδιαίτερα εμφανές στον τομέα της επιστημονικής ανάπτυξης, που στοχεύει στην ανάπτυξη νέων τεχνολογιών.
Μέθοδοι απόκτησης
Η ανακάλυψη αυτού του υλικού μπορεί να χρονολογηθεί από το 2004, μετά το οποίο οι επιστήμονες κατέκτησαν διάφορες μεθόδους για την απόκτησή του, οι οποίες παρουσιάζονται παρακάτω:
- Χημική ψύξη που εφαρμόζεται με τη μέθοδο μετασχηματισμού φάσης (ονομάζεται διαδικασία CVD).
- Η λεγόμενη «επιταξιακή ανάπτυξη», που πραγματοποιείται υπό συνθήκες κενού.
- Μέθοδος «μηχανικής απολέπισης».
Ας δούμε το καθένα από αυτά με περισσότερες λεπτομέρειες.
Μηχανικός
Ας ξεκινήσουμε με την τελευταία από αυτές τις μεθόδους, η οποία θεωρείται η πιο προσιτή για ανεξάρτητη εκτέλεση. Για να αποκτήσετε γραφένιο στο σπίτι, είναι απαραίτητο να εκτελέσετε διαδοχικά τις ακόλουθες σειρές λειτουργιών:
- Πρώτα πρέπει να προετοιμάσετε μια λεπτή πλάκα γραφίτη, η οποία στη συνέχεια προσαρτάται στην κολλητική πλευρά μιας ειδικής ταινίας.
- Μετά από αυτό, διπλώνει στη μέση και στη συνέχεια επιστρέφει στην αρχική του κατάσταση (τα άκρα του απομακρύνονται).
- Ως αποτέλεσμα τέτοιων χειρισμών, είναι δυνατό να ληφθεί ένα διπλό στρώμα γραφίτη στην κολλητική πλευρά της ταινίας.
- Εάν εκτελέσετε αυτήν τη λειτουργία πολλές φορές, δεν θα είναι δύσκολο να επιτευχθεί ένα μικρό πάχος του εφαρμοσμένου στρώματος υλικού.
- Μετά από αυτό, κολλητική ταινία με σπασμένα και πολύ λεπτές μεμβράνες εφαρμόζεται στο υπόστρωμα οξειδίου του πυριτίου.
- Ως αποτέλεσμα, το φιλμ παραμένει εν μέρει στο υπόστρωμα, σχηματίζοντας ένα στρώμα γραφενίου.
Το μειονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι η δυσκολία απόκτησης μιας αρκετά λεπτής μεμβράνης δεδομένου μεγέθους και σχήματος που θα στερεώνεται αξιόπιστα στα καθορισμένα μέρη του υποστρώματος.
Επί του παρόντος, το μεγαλύτερο μέρος του γραφενίου που χρησιμοποιείται στην καθημερινή πρακτική παράγεται με αυτόν τον τρόπο. Λόγω της μηχανικής απολέπισης, είναι δυνατό να ληφθεί μια ένωση αρκετά υψηλής ποιότητας, αλλά για συνθήκες μαζικής παραγωγής αυτή η μέθοδος είναι εντελώς ακατάλληλη.
Βιομηχανικές μέθοδοι
Μία από τις βιομηχανικές μεθόδους για την παραγωγή γραφενίου είναι η καλλιέργεια του σε κενό, τα χαρακτηριστικά του οποίου μπορούν να παρουσιαστούν ως εξής:
- Για την κατασκευή του, λαμβάνεται ένα επιφανειακό στρώμα καρβιδίου του πυριτίου, το οποίο υπάρχει πάντα στις επιφάνειες αυτού του υλικού.
- Στη συνέχεια η προπαρασκευασμένη γκοφρέτα πυριτίου θερμαίνεται σε σχετικά υψηλή θερμοκρασία (περίπου 1000 K).
- Λόγω των χημικών αντιδράσεων που συμβαίνουν σε αυτή την περίπτωση, παρατηρείται ο διαχωρισμός των ατόμων πυριτίου και άνθρακα, στον οποίο το πρώτο από αυτά εξατμίζεται αμέσως.
- Ως αποτέλεσμα αυτής της αντίδρασης, το καθαρό γραφένιο (G) παραμένει στην πλάκα.
Τα μειονεκτήματα αυτής της μεθόδου περιλαμβάνουν την ανάγκη για θέρμανση σε υψηλή θερμοκρασία, η οποία συχνά δημιουργεί τεχνικές δυσκολίες.
Η πιο αξιόπιστη βιομηχανική μέθοδος που αποφεύγει τις δυσκολίες που περιγράφηκαν παραπάνω είναι η λεγόμενη «διαδικασία CVD». Όταν εφαρμόζεται, εμφανίζεται μια χημική αντίδραση στην επιφάνεια του μεταλλικού καταλύτη όταν συνδυάζεται με αέρια υδρογονανθράκων.
Ως αποτέλεσμα όλων των προσεγγίσεων που συζητήθηκαν παραπάνω, είναι δυνατό να ληφθούν καθαρές αλλοτροπικές ενώσεις δισδιάστατου άνθρακα με τη μορφή στρώματος πάχους μόνο ενός ατόμου. Ένα χαρακτηριστικό αυτού του σχηματισμού είναι η σύνδεση αυτών των ατόμων σε ένα εξαγωνικό πλέγμα λόγω του σχηματισμού των λεγόμενων δεσμών «σ» και «π».
Οι φορείς ηλεκτρικού φορτίου στο πλέγμα γραφενίου χαρακτηρίζονται από υψηλό βαθμό κινητικότητας, που υπερβαίνει σημαντικά αυτόν τον δείκτη για άλλα γνωστά υλικά ημιαγωγών. Αυτός είναι ο λόγος που μπορεί να αντικαταστήσει το κλασικό πυρίτιο, που χρησιμοποιείται παραδοσιακά στην παραγωγή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων.
Οι δυνατότητες πρακτικής εφαρμογής υλικών με βάση το γραφένιο σχετίζονται άμεσα με τα χαρακτηριστικά της παραγωγής του. Επί του παρόντος, εφαρμόζονται πολλές μέθοδοι για τη λήψη μεμονωμένων θραυσμάτων του, που διαφέρουν σε σχήμα, ποιότητα και μέγεθος.
Μεταξύ όλων των γνωστών μεθόδων, ξεχωρίζουν οι ακόλουθες προσεγγίσεις:
- Παραγωγή ποικιλίας οξειδίου του γραφενίου με τη μορφή νιφάδων, που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικά αγώγιμων χρωμάτων, καθώς και διαφόρων τύπων σύνθετων υλικών.
- Παρασκευή επίπεδου γραφενίου G, από το οποίο κατασκευάζονται εξαρτήματα ηλεκτρονικών συσκευών.
- Καλλιέργεια του ίδιου τύπου υλικού που χρησιμοποιείται ως ανενεργά συστατικά.
Οι κύριες ιδιότητες αυτής της ένωσης και η λειτουργικότητά της καθορίζονται από την ποιότητα του υποστρώματος, καθώς και από τα χαρακτηριστικά του υλικού με το οποίο καλλιεργείται. Όλα αυτά εξαρτώνται τελικά από τη μέθοδο παραγωγής του που χρησιμοποιείται.
Ανάλογα με τη μέθοδο απόκτησης αυτού του μοναδικού υλικού, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διάφορους σκοπούς, και συγκεκριμένα:
- Το γραφένιο που λαμβάνεται με μηχανική απολέπιση προορίζεται κυρίως για έρευνα, γεγονός που εξηγείται από τη χαμηλή κινητικότητα των φορέων δωρεάν φόρτισης.
- Όταν το γραφένιο παράγεται από μια χημική (θερμική) αντίδραση, χρησιμοποιείται συχνότερα για τη δημιουργία σύνθετων υλικών, καθώς και προστατευτικών επικαλύψεων, μελανιών και βαφών. Η κινητικότητά του των ελεύθερων φορέων είναι κάπως υψηλότερη, γεγονός που καθιστά δυνατή τη χρήση του για την κατασκευή πυκνωτών και μονωτών φιλμ.
- Εάν χρησιμοποιηθεί η μέθοδος CVD για τη λήψη αυτής της ένωσης, μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη νανοηλεκτρονική, καθώς και για την κατασκευή αισθητήρων και διαφανών εύκαμπτων μεμβρανών.
- Το γραφένιο που λαμβάνεται με τη μέθοδο «wafers πυριτίου» χρησιμοποιείται για την κατασκευή στοιχείων ηλεκτρονικών συσκευών όπως τρανζίστορ ραδιοσυχνοτήτων και παρόμοια εξαρτήματα. Η κινητικότητα των φορέων δωρεάν φορτίου σε τέτοιες ενώσεις είναι μέγιστη.
Τα αναφερόμενα χαρακτηριστικά του γραφενίου ανοίγουν ευρείς ορίζοντες για τους κατασκευαστές και τους επιτρέπουν να επικεντρώσουν τις προσπάθειές τους στην εφαρμογή του στους ακόλουθους πολλά υποσχόμενους τομείς:
- Σε εναλλακτικούς τομείς της σύγχρονης ηλεκτρονικής που σχετίζονται με την αντικατάσταση εξαρτημάτων πυριτίου.
- Σε κορυφαίες χημικές βιομηχανίες.
- Όταν σχεδιάζετε μοναδικά προϊόντα (όπως σύνθετα υλικά και μεμβράνες γραφενίου).
- Στην ηλεκτρολογία και την ηλεκτρονική (ως «ιδανικός» αγωγός).
Επιπλέον, από αυτήν την ένωση μπορούν να κατασκευαστούν ψυχρές κάθοδοι, επαναφορτιζόμενες μπαταρίες, καθώς και ειδικά αγώγιμα ηλεκτρόδια και επιστρώσεις διαφανούς φιλμ. Οι μοναδικές ιδιότητες αυτού του νανοϋλικού του παρέχουν ένα ευρύ φάσμα δυνατοτήτων για τη χρήση του σε πολλά υποσχόμενες εξελίξεις.
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα
Πλεονεκτήματα των προϊόντων με βάση το γραφένιο:
- Υψηλός βαθμός ηλεκτρικής αγωγιμότητας, συγκρίσιμος με αυτόν του συνηθισμένου χαλκού.
- Σχεδόν τέλεια οπτική καθαρότητα, χάρη στην οποία απορροφά όχι περισσότερο από δύο τοις εκατό του εύρους ορατού φωτός. Επομένως, από έξω φαίνεται σχεδόν άχρωμο και αόρατο στον παρατηρητή.
- Μηχανική αντοχή ανώτερη από το διαμάντι.
- Ευελιξία, από την άποψη της οποίας το γραφένιο μιας στρώσης είναι ανώτερο από το ελαστικό καουτσούκ. Αυτή η ποιότητα σάς επιτρέπει να αλλάζετε εύκολα το σχήμα των φιλμ και να τα τεντώνετε εάν είναι απαραίτητο.
- Αντοχή σε εξωτερικές μηχανικές επιδράσεις.
- Ασύγκριτη θερμική αγωγιμότητα, από την άποψη της οποίας είναι δεκάδες φορές υψηλότερη από τον χαλκό.
Τα μειονεκτήματα αυτής της μοναδικής ένωσης άνθρακα περιλαμβάνουν:
- Η αδυναμία απόκτησης σε όγκους επαρκείς για βιομηχανική παραγωγή, καθώς και η επίτευξη των φυσικών και χημικών ιδιοτήτων που απαιτούνται για την εξασφάλιση υψηλής ποιότητας. Στην πράξη, είναι δυνατό να ληφθούν μόνο μικρού μεγέθους θραύσματα φύλλων γραφενίου.
- Τα βιομηχανικά κατασκευασμένα προϊόντα είναι συνήθως κατώτερα ως προς τα χαρακτηριστικά τους από τα δείγματα που λαμβάνονται σε ερευνητικά εργαστήρια. Δεν είναι δυνατό να επιτευχθούν χρησιμοποιώντας συνηθισμένες βιομηχανικές τεχνολογίες.
- Υψηλό μη εργατικό κόστος, που περιορίζει σημαντικά τις δυνατότητες παραγωγής και πρακτικής εφαρμογής του.
Παρά όλες αυτές τις δυσκολίες, οι ερευνητές δεν εγκαταλείπουν τις προσπάθειές τους να αναπτύξουν νέες τεχνολογίες για την παραγωγή γραφενίου.
Συμπερασματικά, πρέπει να αναφερθεί ότι οι προοπτικές για αυτό το υλικό είναι απλά φανταστικές, αφού μπορεί να χρησιμοποιηθεί και στην παραγωγή σύγχρονων εξαιρετικά λεπτών και ευέλικτων gadget. Επιπλέον, στη βάση του είναι δυνατή η δημιουργία σύγχρονου ιατρικού εξοπλισμού και φαρμάκων που μπορούν να καταπολεμήσουν τον καρκίνο και άλλες κοινές ασθένειες όγκου.
βίντεο
Το γραφένιο είναι ένα επαναστατικό υλικό του 21ου αιώνα. Είναι η ισχυρότερη, ελαφρύτερη και πιο ηλεκτρικά αγώγιμη έκδοση της ένωσης άνθρακα.
Το γραφένιο ανακαλύφθηκε από τους Konstantin Novoselov και Andrei Geim, που εργάζονταν στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ, για το οποίο απονεμήθηκε το βραβείο Νόμπελ σε Ρώσους επιστήμονες. Μέχρι σήμερα, περίπου δέκα δισεκατομμύρια δολάρια έχουν διατεθεί για την έρευνα των ιδιοτήτων του γραφενίου για δέκα χρόνια και υπάρχουν φήμες ότι θα μπορούσε να είναι μια εξαιρετική αντικατάσταση του πυριτίου, ειδικά στη βιομηχανία ημιαγωγών.
Ωστόσο, δισδιάστατες δομές παρόμοιες με αυτό το υλικό με βάση τον άνθρακα έχουν προβλεφθεί για άλλα στοιχεία του Περιοδικού Πίνακα Χημικών Στοιχείων και οι πολύ ασυνήθιστες ιδιότητες μιας τέτοιας ουσίας έχουν μελετηθεί πρόσφατα. Αυτή η ουσία ονομάζεται «μπλε φώσφορος».
Ο Ρωσικής καταγωγής Konstantin Novoselov και ο Andrey Geim δημιούργησαν το γραφένιο, ένα ημιδιαφανές στρώμα άνθρακα πάχους ενός ατόμου, το 2004. Από εκείνη τη στιγμή, σχεδόν αμέσως και παντού, αρχίσαμε να ακούμε εγκωμιαστικές ωδές για μια ποικιλία από εκπληκτικές ιδιότητες του υλικού, το οποίο έχει τη δυνατότητα να αλλάξει τον κόσμο μας και να βρει την εφαρμογή του σε διάφορους τομείς, από την παραγωγή κβαντικών υπολογιστών στην παραγωγή φίλτρων για καθαρό πόσιμο νερό. Έχουν περάσει 15 χρόνια, αλλά ο κόσμος υπό την επίδραση του γραφενίου δεν έχει αλλάξει. Γιατί;
Όλες οι σύγχρονες ηλεκτρονικές συσκευές χρησιμοποιούν ηλεκτρόνια για τη μετάδοση πληροφοριών. Επί του παρόντος, η ανάπτυξη των κβαντικών υπολογιστών βρίσκεται σε πλήρη εξέλιξη, τους οποίους πολλοί θεωρούν ως μελλοντική αντικατάσταση των παραδοσιακών συσκευών. Ωστόσο, υπάρχει ένας άλλος, όχι λιγότερο ενδιαφέρον τρόπος ανάπτυξης. Δημιουργία των λεγόμενων φωτονικών υπολογιστών. Και πρόσφατα, μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο του Έξετερ () ανακάλυψε μια ιδιότητα σωματιδίων που θα μπορούσε να βοηθήσει στο σχεδιασμό νέων κυκλωμάτων υπολογιστών.
Το γραφένιο γίνεται όλο και πιο ελκυστικό για τους ερευνητές. Αν το 2007 δημοσιεύτηκαν 797 άρθρα αφιερωμένα στο γραφένιο, τότε τους πρώτους 8 μήνες του 2008 υπήρχαν ήδη 801 δημοσιεύσεις. Ποιες είναι οι πιο σημαντικές πρόσφατες έρευνες και ανακαλύψεις στον τομέα των δομών και τεχνολογιών γραφενίου;
Σήμερα, το γραφένιο (Εικ. 1) είναι το λεπτότερο υλικό που είναι γνωστό στην ανθρωπότητα, με πάχος μόνο ενός ατόμου άνθρακα. Μπήκε στα σχολικά βιβλία φυσικής και στην πραγματικότητά μας το 2004, όταν οι ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ Andre Geim και Konstantin Novoselov κατάφεραν να το αποκτήσουν χρησιμοποιώντας συνηθισμένη κολλητική ταινία για να διαχωρίσουν διαδοχικά στρώματα από συνηθισμένο κρυσταλλικό γραφίτη, γνωστό σε εμάς με τη μορφή μολυβιού ( βλέπε Εφαρμογή). Είναι αξιοσημείωτο ότι ένα φύλλο γραφενίου τοποθετημένο σε ένα υπόστρωμα οξειδωμένου πυριτίου μπορεί να προβληθεί με ένα καλό οπτικό μικροσκόπιο. Και αυτό είναι με πάχος μόνο μερικών angstroms (1Å = 10–10 m)!
Η δημοτικότητα του γραφενίου μεταξύ ερευνητών και μηχανικών αυξάνεται μέρα με τη μέρα καθώς έχει εξαιρετικές οπτικές, ηλεκτρικές, μηχανικές και θερμικές ιδιότητες. Πολλοί ειδικοί προβλέπουν στο εγγύς μέλλον την πιθανή αντικατάσταση των τρανζίστορ πυριτίου με πιο οικονομικά και ταχείας δράσης τρανζίστορ γραφενίου (Εικ. 2).
Αν και το μηχανικό ξεφλούδισμα με κολλητική ταινία μπορεί να παράγει στρώματα γραφενίου υψηλής ποιότητας για θεμελιώδη έρευνα, και η επιταξιακή μέθοδος καλλιέργειας γραφενίου μπορεί να προσφέρει τη συντομότερη διαδρομή στα ηλεκτρονικά τσιπ, οι χημικοί προσπαθούν να λάβουν γραφένιο από διάλυμα. Εκτός από το χαμηλό κόστος και την υψηλή απόδοση, αυτή η μέθοδος ανοίγει το δρόμο σε πολλές ευρέως χρησιμοποιούμενες χημικές τεχνικές που θα μπορούσαν να ενσωματώσουν στρώματα γραφενίου σε διάφορες νανοδομές ή να τα ενσωματώσουν με διάφορα υλικά για τη δημιουργία νανοσύνθετων υλικών. Ωστόσο, κατά την παραγωγή γραφενίου με χημικές μεθόδους, υπάρχουν ορισμένες δυσκολίες που πρέπει να ξεπεραστούν: πρώτον, είναι απαραίτητο να επιτευχθεί πλήρης διαχωρισμός του γραφίτη που βρίσκεται στο διάλυμα. δεύτερον, βεβαιωθείτε ότι το απολεπισμένο γραφένιο σε διάλυμα διατηρεί το σχήμα του φύλλου του και δεν τυλίγει ή κολλάει μεταξύ τους.
Πρόσφατα σε έγκριτο περιοδικό ΦύσηΔημοσιεύτηκαν δύο άρθρα από ανεξάρτητες επιστημονικές ομάδες εργασίας, στα οποία οι συγγραφείς κατάφεραν να ξεπεράσουν τις προαναφερθείσες δυσκολίες και να αποκτήσουν φύλλα γραφενίου καλής ποιότητας αιωρούμενα σε διάλυμα.
Η πρώτη ομάδα επιστημόνων - από το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ (Καλιφόρνια, ΗΠΑ) και (Κίνα) - εισήγαγε θειικό και νιτρικό οξύ μεταξύ των στρωμάτων γραφίτη (διαδικασία παρεμβολής, βλέπε ένωση παρεμβολής γραφίτη) και στη συνέχεια θέρμανε γρήγορα το δείγμα στους 1000°C (Εικ. 3α). Η εκρηκτική εξάτμιση των μορίων παρεμβολής παράγει λεπτές (πάχους πολλών νανόμετρων) «νιφάδες» γραφίτη που περιέχουν πολλά στρώματα γραφενίου. Μετά από αυτό, δύο ουσίες, το ελαιούχο και το υδροξείδιο του τετραβουτυλαμμωνίου (HTBA), εισήχθησαν χημικά στον χώρο μεταξύ των στρωμάτων γραφενίου (Εικ. 3β). Το κατεργασμένο με υπερήχους διάλυμα περιείχε φύλλα γραφίτη και γραφενίου (Εικόνα 3γ). Μετά από αυτό, το γραφένιο διαχωρίστηκε με φυγοκέντρηση (Εικ. 3δ).
Την ίδια στιγμή, μια δεύτερη ομάδα επιστημόνων - από το Δουβλίνο, την Οξφόρδη και το Κέιμπριτζ - πρότεινε μια διαφορετική μέθοδο παραγωγής γραφενίου από πολυστρωματικό γραφίτη - χωρίς τη χρήση παρεμβαλλόμενων. Το κύριο πράγμα, σύμφωνα με τους συντάκτες του άρθρου, είναι η χρήση των «σωστών» οργανικών διαλυτών, όπως η Ν-μεθυλ-πυρρολιδόνη. Για να αποκτήσετε γραφένιο υψηλής ποιότητας, είναι σημαντικό να επιλέγετε διαλύτες έτσι ώστε η ενέργεια της επιφανειακής αλληλεπίδρασης μεταξύ του διαλύτη και του γραφενίου να είναι η ίδια όπως για το σύστημα γραφενίου-γραφενίου. Στο Σχ. Το σχήμα 4 δείχνει τα αποτελέσματα της σταδιακής παραγωγής γραφενίου.
Η επιτυχία και των δύο πειραμάτων βασίζεται στην εύρεση των σωστών παρεμβαλλομένων και/ή διαλυτών. Φυσικά, υπάρχουν και άλλες τεχνικές για την παραγωγή γραφενίου, όπως η μετατροπή του γραφίτη σε οξείδιο του γραφίτη. Χρησιμοποιούν μια προσέγγιση που ονομάζεται οξείδωση-απολέπιση-αναγωγή, στην οποία τα βασικά επίπεδα γραφίτη επικαλύπτονται με ομοιοπολικά συνδεδεμένες λειτουργικές ομάδες οξυγόνου. Αυτός ο οξειδωμένος γραφίτης γίνεται υδρόφιλος (ή απλά υγροφιλικός) και μπορεί εύκολα να αποκολληθεί σε μεμονωμένα φύλλα γραφενίου υπό την επίδραση υπερήχων ενώ βρίσκεται σε υδατικό διάλυμα. Το προκύπτον γραφένιο έχει αξιοσημείωτες μηχανικές και οπτικές ιδιότητες, αλλά η ηλεκτρική αγωγιμότητά του είναι αρκετές τάξεις μεγέθους χαμηλότερη από εκείνη του γραφενίου που λαμβάνεται με τη μέθοδο «Scotch tape» (βλ. Παράρτημα). Κατά συνέπεια, τέτοιο γραφένιο είναι απίθανο να βρει εφαρμογή στα ηλεκτρονικά.
Όπως αποδείχθηκε, το γραφένιο, το οποίο ελήφθη ως αποτέλεσμα των δύο προαναφερθέντων μεθόδων, είναι υψηλότερης ποιότητας (περιέχει λιγότερα ελαττώματα στο πλέγμα) και, ως εκ τούτου, έχει υψηλότερη αγωγιμότητα.
Ένα άλλο επίτευγμα ερευνητών από την Καλιφόρνια ήταν πολύ χρήσιμο, οι οποίοι ανέφεραν πρόσφατα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο υψηλής ανάλυσης (μέχρι ανάλυσης 1 Α) με χαμηλή ενέργεια ηλεκτρονίων (80 kV) για άμεση παρατήρηση μεμονωμένων ατόμων και ελαττωμάτων στο κρυσταλλικό πλέγμα γραφενίου. Για πρώτη φορά στον κόσμο, οι επιστήμονες μπόρεσαν να λάβουν εικόνες υψηλής ευκρίνειας της ατομικής δομής του γραφενίου (Εικ. 5), στις οποίες μπορείτε να δείτε με τα μάτια σας τη δικτυακή δομή του γραφενίου.
Οι ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Cornell έχουν προχωρήσει ακόμη περισσότερο. Από ένα φύλλο γραφενίου, κατάφεραν να δημιουργήσουν μια μεμβράνη πάχους μόλις ενός ατόμου άνθρακα και να τη φουσκώσουν σαν μπαλόνι. Αυτή η μεμβράνη αποδείχθηκε αρκετά ισχυρή ώστε να αντέχει την πίεση αερίου πολλών ατμοσφαιρών. Το πείραμα περιελάμβανε τα ακόλουθα. Φύλλα γραφενίου τοποθετήθηκαν σε ένα υπόστρωμα οξειδωμένου πυριτίου με προχαραγμένα κύτταρα, τα οποία, λόγω των δυνάμεων του van der Waals, προσαρτήθηκαν σφιχτά στην επιφάνεια του πυριτίου (Εικ. 6a). Με αυτόν τον τρόπο, σχηματίστηκαν μικροθάλαμοι στους οποίους μπορούσε να συγκρατηθεί το αέριο. Μετά από αυτό, οι επιστήμονες δημιούργησαν μια διαφορά πίεσης εντός και εκτός του θαλάμου (Εικ. 6β). Χρησιμοποιώντας ένα μικροσκόπιο ατομικής δύναμης, το οποίο μετρά την ποσότητα της δύναμης εκτροπής που αισθάνεται ένας πρόβολος κορυφής όταν σαρώνει μια μεμβράνη μόλις λίγα νανόμετρα πάνω από την επιφάνειά της, οι ερευνητές μπόρεσαν να παρατηρήσουν τον βαθμό κοιλότητας-κυρτότητας της μεμβράνης (Εικόνα 6c–e ) καθώς η πίεση κυμαινόταν σε αρκετές ατμόσφαιρες.
Μετά από αυτό, η μεμβράνη χρησιμοποιήθηκε ως μικροσκοπικό τύμπανο για τη μέτρηση της συχνότητας των κραδασμών της όταν αλλάζει η πίεση. Διαπιστώθηκε ότι το ήλιο παραμένει στον μικροθάλαμο ακόμη και σε υψηλή πίεση. Ωστόσο, δεδομένου ότι το γραφένιο που χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα δεν ήταν ιδανικό (είχε ελαττώματα στην κρυσταλλική δομή), το αέριο διέρρευσε σταδιακά μέσω της μεμβράνης. Σε όλο το πείραμα, το οποίο διήρκεσε περισσότερες από 70 ώρες, παρατηρήθηκε μια σταθερή μείωση της τάσης της μεμβράνης (Εικ. 6e).
Οι συγγραφείς της μελέτης υποδεικνύουν ότι τέτοιες μεμβράνες μπορούν να έχουν μεγάλη ποικιλία εφαρμογών - για παράδειγμα, που χρησιμοποιούνται για τη μελέτη βιολογικών υλικών που τοποθετούνται σε διάλυμα. Για να γίνει αυτό, θα αρκεί να καλύψετε ένα τέτοιο υλικό με γραφένιο και να το μελετήσετε μέσω μιας διαφανούς μεμβράνης με μικροσκόπιο, χωρίς φόβο διαρροής ή εξάτμισης του διαλύματος που υποστηρίζει τη ζωή του οργανισμού. Είναι επίσης δυνατό να γίνουν διατρήσεις ατομικού μεγέθους στη μεμβράνη και στη συνέχεια να παρατηρηθεί, μέσω μελετών διάχυσης, πώς μεμονωμένα άτομα ή ιόντα περνούν μέσα από την οπή. Αλλά το πιο σημαντικό, η έρευνα επιστημόνων από το Πανεπιστήμιο Cornell έφερε την επιστήμη ένα βήμα πιο κοντά στη δημιουργία μονοατομικών αισθητήρων.
Η ταχεία αύξηση του αριθμού των μελετών για το γραφένιο δείχνει ότι αυτό είναι πράγματι ένα πολλά υποσχόμενο υλικό για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, αλλά προτού τεθούν σε εφαρμογή, πρέπει να δημιουργηθούν πολλές θεωρίες και πρέπει να γίνουν δεκάδες πειράματα.
Αδιαπέραστες ατομικές μεμβράνες από φύλλα γραφενίου (πλήρες κείμενο διαθέσιμο) // Νανογράμματα. V. 8. Αρ. 8, σελ. 2458–2462 (2008).
Alexander Samardak
Σχετικά πρόσφατα, εμφανίστηκε ένα νέο πεδίο στην επιστήμη και την τεχνολογία, το οποίο ονομάζεται νανοτεχνολογία. Οι προοπτικές για αυτόν τον κλάδο δεν είναι απλώς τεράστιες. Είναι τεράστια. Ένα σωματίδιο που ονομάζεται «νάνο» είναι μια ποσότητα ίση με το ένα δισεκατομμυριοστό μιας τιμής. Τέτοια μεγέθη μπορούν να συγκριθούν μόνο με τα μεγέθη των ατόμων και των μορίων. Για παράδειγμα, ένα νανόμετρο είναι το ένα δισεκατομμυριοστό του μέτρου.
Η κύρια κατεύθυνση του νέου πεδίου της επιστήμης
Οι νανοτεχνολογίες είναι αυτές που χειρίζονται την ύλη σε επίπεδο μορίων και ατόμων. Από αυτή την άποψη, αυτό το πεδίο της επιστήμης ονομάζεται επίσης μοριακή τεχνολογία. Ποια ήταν η ώθηση για την ανάπτυξή του; Η νανοτεχνολογία στον σύγχρονο κόσμο εμφανίστηκε χάρη σε μια διάλεξη στην οποία ο επιστήμονας απέδειξε ότι δεν υπάρχουν εμπόδια στη δημιουργία πραγμάτων απευθείας από άτομα.
Το εργαλείο για τον αποτελεσματικό χειρισμό των μικρότερων σωματιδίων ονομαζόταν συναρμολογητής. Αυτή είναι μια μοριακή νανομηχανή με την οποία μπορείτε να φτιάξετε οποιαδήποτε δομή. Για παράδειγμα, ένας φυσικός συναρμολογητής μπορεί να ονομαστεί ριβόσωμα που συνθέτει πρωτεΐνη σε ζωντανούς οργανισμούς.
Η νανοτεχνολογία στον σύγχρονο κόσμο δεν είναι απλώς ένα ξεχωριστό πεδίο γνώσης. Αντιπροσωπεύουν ένα τεράστιο πεδίο έρευνας που σχετίζεται άμεσα με πολλές βασικές επιστήμες. Αυτά περιλαμβάνουν τη φυσική, τη χημεία και τη βιολογία. Σύμφωνα με τους επιστήμονες, αυτές οι επιστήμες θα λάβουν την πιο ισχυρή ώθηση για ανάπτυξη στο πλαίσιο της επερχόμενης νανοτεχνολογικής επανάστασης.
Περιοχή εφαρμογής
Είναι αδύνατο να απαριθμήσουμε όλους τους τομείς της ανθρώπινης δραστηριότητας όπου χρησιμοποιείται σήμερα η νανοτεχνολογία λόγω της πολύ εντυπωσιακής λίστας. Έτσι, με τη βοήθεια αυτού του πεδίου της επιστήμης παράγονται τα ακόλουθα:
Συσκευές σχεδιασμένες για εξαιρετικά πυκνή καταγραφή οποιασδήποτε πληροφορίας.
- Διάφορος εξοπλισμός βίντεο
- αισθητήρες, τρανζίστορ ημιαγωγών.
- τεχνολογίες πληροφοριών, υπολογιστών και πληροφοριών·
- νανοαποτύπωση και νανολιθογραφία.
- συσκευές αποθήκευσης ενέργειας και κυψέλες καυσίμου.
- εφαρμογές άμυνας, διαστήματος και αεροπορίας·
- βιοοργανισμός.
Κάθε χρόνο διατίθεται όλο και περισσότερη χρηματοδότηση σε ένα τέτοιο επιστημονικό πεδίο όπως η νανοτεχνολογία στη Ρωσία, στις ΗΠΑ, στην Ιαπωνία και σε ορισμένες ευρωπαϊκές χώρες. Αυτό οφείλεται στις ευρείες προοπτικές για την ανάπτυξη αυτού του τομέα έρευνας.
Οι νανοτεχνολογίες στη Ρωσία αναπτύσσονται σύμφωνα με ένα στοχευμένο ομοσπονδιακό πρόγραμμα, το οποίο παρέχει όχι μόνο μεγάλο οικονομικό κόστος, αλλά και μεγάλο όγκο σχεδιαστικών και ερευνητικών εργασιών. Για την επίτευξη των καθηκόντων που έχουν ανατεθεί, οι προσπάθειες διαφόρων επιστημονικών και τεχνολογικών συγκροτημάτων συνδυάζονται σε επίπεδο εθνικών και διεθνικών εταιρειών.
Νέο υλικό
Η νανοτεχνολογία επέτρεψε στους επιστήμονες να φτιάξουν μια πλάκα άνθρακα σκληρότερη από το διαμάντι που έχει πάχος μόνο ενός ατόμου. Αποτελείται από γραφένιο. Αυτό είναι το λεπτότερο και ισχυρότερο υλικό σε ολόκληρο το Σύμπαν, το οποίο μεταδίδει ηλεκτρισμό πολύ καλύτερα από το πυρίτιο στα τσιπ υπολογιστών.
Η ανακάλυψη του γραφενίου θεωρείται ένα πραγματικό επαναστατικό γεγονός που θα αλλάξει πολλά στη ζωή μας. Αυτό το υλικό έχει τόσο μοναδικές φυσικές ιδιότητες που αλλάζει ριζικά την κατανόηση του ατόμου για τη φύση των πραγμάτων και των ουσιών.
Ιστορία της ανακάλυψης
Το γραφένιο είναι ένας δισδιάστατος κρύσταλλος. Η δομή του είναι ένα εξαγωνικό πλέγμα που αποτελείται από άτομα άνθρακα. Οι θεωρητικές μελέτες για το γραφένιο ξεκίνησαν πολύ πριν από την παραγωγή πραγματικών δειγμάτων, αφού αυτό το υλικό αποτελεί τη βάση για την κατασκευή ενός τρισδιάστατου κρυστάλλου γραφίτη.
Το 1947, ο P. Wallace επεσήμανε ορισμένες από τις ιδιότητες του γραφενίου, αποδεικνύοντας ότι η δομή του είναι παρόμοια με τα μέταλλα και ορισμένα χαρακτηριστικά είναι παρόμοια με εκείνα που διαθέτουν τα υπερσχετικιστικά σωματίδια, τα νετρίνα και τα φωτόνια χωρίς μάζα. Ωστόσο, το νέο υλικό έχει επίσης ορισμένες σημαντικές διαφορές που το καθιστούν μοναδικό στη φύση. Αλλά η επιβεβαίωση αυτών των συμπερασμάτων ελήφθη μόνο το 2004, όταν ο Konstantin Novoselov έλαβε για πρώτη φορά άνθρακα σε ελεύθερη κατάσταση. Αυτή η νέα ουσία, που ονομάζεται γραφένιο, έγινε μια σημαντική ανακάλυψη από τους επιστήμονες. Μπορείτε να βρείτε αυτό το στοιχείο σε ένα μολύβι. Η ράβδος γραφίτη του αποτελείται από πολλά στρώματα γραφενίου. Πώς αφήνει ένα μολύβι σημάδι στο χαρτί; Το γεγονός είναι ότι, παρά την αντοχή των στρωμάτων που απαρτίζουν τη ράβδο, υπάρχουν πολύ αδύναμες συνδέσεις μεταξύ τους. Αποσυντίθενται πολύ εύκολα όταν έρθουν σε επαφή με το χαρτί, αφήνοντας σημάδι κατά τη γραφή.
Χρήση νέου υλικού
Σύμφωνα με τους επιστήμονες, αισθητήρες που βασίζονται στο γραφένιο θα μπορούν να αναλύουν την αντοχή και την κατάσταση του αεροσκάφους, καθώς και να προβλέπουν σεισμούς. Αλλά μόνο όταν ένα υλικό με τόσο εκπληκτικές ιδιότητες φύγει από τους τοίχους των εργαστηρίων θα γίνει σαφές προς ποια κατεύθυνση θα πάει η ανάπτυξη της πρακτικής εφαρμογής αυτής της ουσίας. Σήμερα, οι φυσικοί, καθώς και οι ηλεκτρονικοί μηχανικοί, έχουν ήδη αρχίσει να ενδιαφέρονται για τις μοναδικές δυνατότητες του γραφενίου. Εξάλλου, λίγα μόνο γραμμάρια αυτής της ουσίας μπορούν να καλύψουν έκταση ίση με ένα γήπεδο ποδοσφαίρου.
Το γραφένιο και οι εφαρμογές του δυνητικά εξετάζονται στην παραγωγή ελαφρών δορυφόρων και αεροσκαφών. Σε αυτόν τον τομέα, ένα νέο υλικό μπορεί να αντικαταστήσει τα νανοϋλικά.
Το γραφένιο και η χρήση του εξετάζονται επίσης στην κατασκευή αισθητήρων. Αυτές οι συσκευές, βασισμένες στο πιο πρόσφατο υλικό, θα μπορούν να ανιχνεύουν τα πιο επικίνδυνα μόρια. Όμως η χρήση σκόνης νανοουσιών στην παραγωγή ηλεκτρικών μπαταριών θα αυξήσει σημαντικά την απόδοσή τους.
Το γραφένιο και οι εφαρμογές του εξετάζονται στην οπτοηλεκτρονική. Το νέο υλικό θα κάνει ένα πολύ ελαφρύ και ανθεκτικό πλαστικό, δοχεία από τα οποία θα διατηρούν φρέσκα τα τρόφιμα για αρκετές εβδομάδες.
Η χρήση γραφενίου αναμένεται επίσης να δημιουργήσει μια διαφανή αγώγιμη επίστρωση που απαιτείται για οθόνες, ηλιακούς συλλέκτες και ανεμογεννήτριες που είναι ισχυρότερες και πιο ανθεκτικές στη μηχανική καταπόνηση.
Ο καλύτερος αθλητικός εξοπλισμός, ιατρικά εμφυτεύματα και υπερπυκνωτές θα κατασκευαστούν με βάση νανοϋλικά.
Το γραφένιο και η χρήση του σχετίζονται επίσης με:
Ηλεκτρονικές συσκευές υψηλής ισχύος υψηλής συχνότητας.
- τεχνητές μεμβράνες που χωρίζουν δύο υγρά σε μια δεξαμενή.
- βελτίωση των ιδιοτήτων αγωγιμότητας διαφόρων υλικών.
- δημιουργία οθόνης σε οργανικές διόδους εκπομπής φωτός.
- Κατοχή της νέας τεχνολογίας για τον επιταχυνόμενο προσδιορισμό αλληλουχίας DNA.
- Βελτιώσεις στις οθόνες υγρών κρυστάλλων.
- δημιουργία βαλλιστικών τρανζίστορ.
Χρήση αυτοκινήτου
Σύμφωνα με τους ερευνητές, η ειδική ενεργειακή ένταση του γραφενίου είναι κοντά στις 65 kWh/kg. Αυτός ο αριθμός είναι 47 φορές υψηλότερος από αυτόν των τόσο κοινών μπαταριών ιόντων λιθίου επί του παρόντος. Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν αυτό το γεγονός για να δημιουργήσουν μια νέα γενιά φορτιστών.
Μια μπαταρία γραφενίου-πολυμερούς είναι μια συσκευή που αποθηκεύει ηλεκτρική ενέργεια όσο το δυνατόν πιο αποτελεσματικά. Επί του παρόντος, οι εργασίες σε αυτό διεξάγονται από ερευνητές από πολλές χώρες. Ισπανοί επιστήμονες έχουν επιτύχει σημαντική επιτυχία σε αυτό το θέμα. Η μπαταρία γραφενίου-πολυμερούς που δημιούργησαν έχει ενεργειακή χωρητικότητα εκατοντάδες φορές μεγαλύτερη από αυτή των υπαρχουσών μπαταριών. Χρησιμοποιείται για τον εξοπλισμό ηλεκτρικών οχημάτων. Το αυτοκίνητο στο οποίο είναι εγκατεστημένο μπορεί να διανύσει χιλιάδες χιλιόμετρα χωρίς να σταματήσει. Δεν θα χρειαστούν περισσότερα από 8 λεπτά για να επαναφορτιστεί ένα ηλεκτρικό όχημα όταν εξαντληθεί ο ενεργειακός πόρος.
Οθόνες αφής
Οι επιστήμονες συνεχίζουν να εξερευνούν το γραφένιο, δημιουργώντας νέα και μοναδικά πράγματα. Έτσι, το νανοϋλικό άνθρακα έχει βρει την εφαρμογή του στην παραγωγή οθονών αφής μεγάλης διαγώνιας. Στο μέλλον, μπορεί να εμφανιστεί μια ευέλικτη συσκευή αυτού του τύπου.
Οι επιστήμονες απέκτησαν ένα ορθογώνιο φύλλο γραφενίου και το μετέτρεψαν σε ένα διαφανές ηλεκτρόδιο. Είναι αυτός που ασχολείται με τη λειτουργία της οθόνης αφής, ενώ διακρίνεται από ανθεκτικότητα, αυξημένη διαφάνεια, ευελιξία, φιλικότητα προς το περιβάλλον και χαμηλό κόστος.
Λήψη γραφενίου
Από το 2004, όταν ανακαλύφθηκε το νεότερο νανοϋλικό, οι επιστήμονες έχουν κατακτήσει μια σειρά από μεθόδους για την παραγωγή του. Ωστόσο, οι πιο βασικές από αυτές είναι οι ακόλουθες μέθοδοι:
Μηχανική απολέπιση;
- επιταξιακή ανάπτυξη στο κενό.
- χημική περιφασική ψύξη (διαδικασία CVD).
Η πρώτη από αυτές τις τρεις μεθόδους είναι η απλούστερη. Η παραγωγή γραφενίου με μηχανική απολέπιση περιλαμβάνει την εφαρμογή ειδικού γραφίτη στην κολλητική επιφάνεια μιας μονωτικής ταινίας. Μετά από αυτό, η βάση, σαν ένα φύλλο χαρτιού, αρχίζει να λυγίζει και να ξελυγίζει, χωρίζοντας το επιθυμητό υλικό. Όταν χρησιμοποιείται αυτή η μέθοδος, το γραφένιο που λαμβάνεται είναι της υψηλότερης ποιότητας. Ωστόσο, τέτοιες ενέργειες δεν είναι κατάλληλες για μαζική παραγωγή αυτού του νανοϋλικού.
Όταν χρησιμοποιείται η μέθοδος επιταξιακής ανάπτυξης, χρησιμοποιούνται λεπτές γκοφρέτες πυριτίου, το επιφανειακό στρώμα των οποίων είναι καρβίδιο του πυριτίου. Στη συνέχεια, αυτό το υλικό θερμαίνεται σε πολύ υψηλή θερμοκρασία (έως 1000 K). Ως αποτέλεσμα μιας χημικής αντίδρασης, τα άτομα πυριτίου διαχωρίζονται από τα άτομα άνθρακα, το πρώτο από τα οποία εξατμίζεται. Ως αποτέλεσμα, το καθαρό γραφένιο παραμένει στην πλάκα. Το μειονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι η ανάγκη χρήσης πολύ υψηλών θερμοκρασιών στις οποίες μπορεί να συμβεί καύση ατόμων άνθρακα.
Η πιο αξιόπιστη και απλούστερη μέθοδος που χρησιμοποιείται για τη μαζική παραγωγή γραφενίου είναι η διαδικασία CVD. Είναι μια μέθοδος κατά την οποία λαμβάνει χώρα μια χημική αντίδραση μεταξύ μιας επικάλυψης μεταλλικού καταλύτη και αερίων υδρογονανθράκων.
Πού παράγεται το γραφένιο;
Σήμερα, η μεγαλύτερη εταιρεία παραγωγής του νέου νανοϋλικού βρίσκεται στην Κίνα. Το όνομα αυτού του κατασκευαστή είναι Ningbo Morsh Technology. Ξεκίνησε την παραγωγή γραφενίου το 2012.
Ο κύριος καταναλωτής του νανοϋλικού είναι η τεχνολογία Chongqing Morsh. Χρησιμοποιεί γραφένιο για την παραγωγή αγώγιμων διαφανών μεμβρανών που εισάγονται σε οθόνες αφής.
Σχετικά πρόσφατα, η γνωστή εταιρεία Nokia κατέθεσε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για φωτοευαίσθητη μήτρα. Αυτό το στοιχείο, τόσο απαραίτητο για τις οπτικές συσκευές, περιέχει πολλά στρώματα γραφενίου. Αυτό το υλικό, που χρησιμοποιείται σε αισθητήρες κάμερας, αυξάνει σημαντικά την ευαισθησία τους στο φως (έως και 1000 φορές). Παράλληλα, παρατηρείται μείωση στην κατανάλωση ρεύματος. Μια καλή κάμερα smartphone θα περιέχει επίσης γραφένιο.
Απόδειξη στο σπίτι
Είναι δυνατή η παρασκευή γραφενίου στο σπίτι; Αποδεικνύεται ναι! Απλά πρέπει να πάρετε ένα μπλέντερ κουζίνας με ισχύ τουλάχιστον 400 W και να ακολουθήσετε τη μέθοδο που ανέπτυξαν Ιρλανδοί φυσικοί.
Πώς να φτιάξετε γραφένιο στο σπίτι; Για να το κάνετε αυτό, ρίξτε 500 ml νερό στο μπολ του μπλέντερ, προσθέτοντας 10-25 χιλιοστόλιτρα οποιουδήποτε απορρυπαντικού και 20-50 γραμμάρια θρυμματισμένου μολύβδου στο υγρό. Στη συνέχεια, η συσκευή θα πρέπει να λειτουργεί για 10 λεπτά έως μισή ώρα, μέχρι να εμφανιστεί ένα εναιώρημα νιφάδων γραφενίου. Το προκύπτον υλικό θα έχει υψηλή αγωγιμότητα, η οποία θα του επιτρέψει να χρησιμοποιηθεί σε ηλεκτρόδια φωτοκυττάρων. Επίσης, το γραφένιο που παράγεται στο σπίτι μπορεί να βελτιώσει τις ιδιότητες του πλαστικού.
Οξείδια νανοϋλικών
Οι επιστήμονες μελετούν ενεργά τη δομή του γραφενίου, το οποίο έχει προσαρτήσει λειτουργικές ομάδες ή/και μόρια που περιέχουν οξυγόνο μέσα ή κατά μήκος των άκρων του δικτύου άνθρακα. Είναι το οξείδιο της πιο σκληρής νανοουσίας και είναι το πρώτο δισδιάστατο υλικό που έφτασε στο στάδιο της εμπορικής παραγωγής. Οι επιστήμονες έφτιαξαν δείγματα μεγέθους εκατοστών από νανο- και μικροσωματίδια αυτής της δομής.
Έτσι, το οξείδιο του γραφενίου σε συνδυασμό με τον διόφιλο άνθρακα ελήφθη πρόσφατα από Κινέζους επιστήμονες. Αυτό είναι ένα πολύ ελαφρύ υλικό, ένας κύβος εκατοστών του οποίου κρατιέται στα πέταλα ενός μικρού λουλουδιού. Αλλά ταυτόχρονα, η νέα ουσία, που περιέχει οξείδιο του γραφενίου, είναι μια από τις πιο σκληρές στον κόσμο.
Βιοϊατρική Εφαρμογή
Το οξείδιο του γραφενίου έχει μια μοναδική ιδιότητα εκλεκτικότητας. Αυτό θα επιτρέψει σε αυτή την ουσία να βρει βιοϊατρική χρήση. Έτσι, χάρη στο έργο των επιστημόνων, κατέστη δυνατή η χρήση οξειδίου του γραφενίου για τη διάγνωση του καρκίνου. Οι μοναδικές οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των νανοϋλικών καθιστούν δυνατό τον εντοπισμό ενός κακοήθους όγκου στα αρχικά στάδια της ανάπτυξής του.
Το οξείδιο του γραφενίου επιτρέπει επίσης τη στοχευμένη παράδοση φαρμάκων και διαγνωστικών. Με βάση αυτό το υλικό, δημιουργούνται βιοαισθητήρες προσρόφησης που υποδεικνύουν μόρια DNA.
Βιομηχανική Εφαρμογή
Διάφορα ροφητικά με βάση το οξείδιο του γραφενίου μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την απολύμανση μολυσμένων τεχνητών και φυσικών αντικειμένων. Επιπλέον, αυτό το νανοϋλικό είναι ικανό να επεξεργάζεται υπόγεια και επιφανειακά νερά, καθώς και εδάφη, καθαρίζοντας τα από ραδιονουκλεΐδια.
Τα φίλτρα οξειδίου του γραφενίου μπορούν να παρέχουν εξαιρετικά καθαρούς χώρους όπου παράγονται εξειδικευμένα ηλεκτρονικά εξαρτήματα. Οι μοναδικές ιδιότητες αυτού του υλικού θα μας επιτρέψουν να διεισδύσουμε στις λεπτές τεχνολογίες του χημικού πεδίου. Συγκεκριμένα, αυτή μπορεί να είναι η εξόρυξη ραδιενεργών, ιχνοστοιχείων και σπάνιων μετάλλων. Έτσι, η χρήση οξειδίου του γραφενίου θα καταστήσει δυνατή την εξαγωγή χρυσού από μεταλλεύματα χαμηλής ποιότητας.
Φόρτωση...
