Grafen och dess tillämpning. Upptäckten av grafen. Nanoteknik i den moderna världen

Relativt nyligen i Science and Technology är ett nytt område som kallas nanoteknik. Utsikterna för denna disciplin är inte bara stora. De är ambitiösa. Partikeln, kallad "nano" är ett värde lika med en miljarddels bråkdel av något värde. Dessa storlekar kan bara jämföras med storleken på atomer och molekyler. Till exempel är en nanometer kallas en miljarddels meter.

Den huvudsakliga inriktningen av den nya forskningsområde

Nanoteknik kallas de som manipulera frågan om nivån av molekyler och atomer. Därför är detta område av vetenskap även kallad molekylär teknik. Vad var drivkraften för dess utveckling? Nanoteknik i den moderna världen har dykt upp tack vare föreläsningarna Richarda Feynmana. I det forskare har visat att det inte finns några hinder för att skapa saker direkt från atomer.

Medel för effektiv hantering av små partiklar som kallas assembler. Denna molekylnanomachine, som kan användas för att bygga någon struktur. Till exempel kan montören kallas naturliga ribosomen syntetisera ett protein i levande organismer.

Nanoteknik i den moderna världen är inte bara ett enda område av expertis. De representerar ett brett spektrum av forskning direkt relaterad till många grundläggande vetenskaper. Bland dem är fysik, kemi och biologi. Enligt forskarna kommer dessa vetenskaper har den mest kraftfulla impulser till utvecklingen mot bakgrund av den kommande nano revolution.

tillämpningsområde

Lista alla sfärer av mänsklig aktivitet, där nanoteknologi används idag, är det omöjligt på grund av den mycket imponerande lista. Så, med hjälp av detta forskningsområde produceras:

- anordningar för super inspelning någon information;
- diverse utrustning;
- sensorer, solceller, halvledartransistorer;
- Information, databehandling och informationsteknologi;
- nanoimprint och nanolitografi;
- anordningar för att lagra energi, och bränsleceller;
- försvar, rymd och flygtillämpningar;
- bioinstrumentary.

På denna vetenskapliga området nanoteknik i Ryssland, USA, Japan och flera europeiska länder med mer medel tilldelas varje år. Detta beror på de stora utsikterna för utvecklingen av detta område för forskning.

Nanotekniken utvecklas i Ryssland enligt Federal målprogrammet, vilket ger inte bara stora ekonomiska kostnader, men också bär en stor mängd av konstruktions- och forskningsarbeten. För att uppnå målen kommer att förena ansträngningar olika vetenskapliga och tekniska system i nivå med nationella och multinationella företag.

nytt material

Nanoteknologi har gjort det möjligt för forskare att producera en kolplatta hårdare än diamant vars tjocklek är endast en atom. Den består av grafen. Det är den tunnaste och starkaste material i universum, som överför el mycket bättre än kisel datachips.

Upptäckten av grafen är en verklig revolutionär händelse, vilket gör att mycket förändring i våra liv. Detta material är så unika fysikaliska egenskaper som i grunden förändrar den mänskliga naturen av saker och ämnen.

History of discovery

Grafen är en tvådimensionell kristall. Dess struktur är ett hexagonalt gitter bestående av kolatomer. Teoretiska studier av grafen började långt innan det blir hans verkliga konstruktioner, eftersom detta material är grunden för att bygga en tredimensionell grafitkristall.

Även i 1947 G. P. Volles han har några egenskaper hos grafen, vilket bevisar att dess struktur är liknande metaller, och vissa egenskaper som liknar de hos de ultra-relativistiska partiklar, neutriner och masslösa fotoner. Men det nya materialet finns vissa betydande skillnader som gör den unik i sin natur. Men bekräftelse av dessa fynd erhölls först 2004, när Konstantin Novoselov och Andrey Geim först erhållits genom kolet i fri form. Den nya substansen kallas grafen, och var en stor upptäckt forskare. Finner denna artikel kan vara med blyerts. Dess grafitstav består av flera lager av grafen. Hur en penna lämnar ett märke på papper? Faktum är att, trots styrkan i de centrala delarna av skikten, det finns en mycket svag länk mellan dem. De är mycket lätt att falla i kontakt med papperet, lämnar ett spår i skrift.

Med den nya material

Enligt forskarna, de sensorer som är baserade på grafen, kunna analysera styrkan och tillståndet av flygplanet, samt att förutsäga jordbävningar. Men bara när materialet med sådana egenskaper kommer att lämna fantastiska vägg laboratorier blivit tydligt praktisk tillämpning kommer att utvecklas i riktning mot ämnet. För närvarande dag, kemister, fysiker och elingenjörer redan är intresserade av de unika funktionerna i grafen. Efter bara några gram av ämnet kan täckas territorium, vilket motsvarar en fotbollsplan.

Grafen och dess tillämpning eventuellt övervägas att producera lätta satelliter och flygplan. Inom detta område, kan det nya materialet ersätta de kolfibrer i kompositmaterial. Nanomaterial kan användas i stället för kiseltransistorer och dess genomförande i plast ger den elektriska ledningsförmågan.

Grafen och dess användning anses i frågor sensortillverkning. Dessa enheter bildas på basis av den senaste materialet kommer att kunna upptäcka de farligaste molekylen. Men användningen av nanopulver i produktionen av elektriska batterier ibland för att öka deras effektivitet.

Grafen och dess tillämpning diskuteras i optoelektronik. Av det nya materialet kommer att visa sig mycket lätt och tålig plast från vilken behållarna gör det möjligt för ett par veckor för att hålla maten fräsch.

Användningen av grafen och förväntas att tillverka en transparent ledande beläggning krävs för monitorer, solpaneler och en starkare och mer motståndskraftig mot mekaniska effekterna av vindkraftverk.

Baserat nanomaterial kommer att ha en bättre sportutrustning, medicinska implantat och superkondensatorer.

Även grafen och dess tillämpning är relevant för:

- högfrekvent effekt elektroniska anordningar;
- artificiellt membran separerar två vätskan i tanken;
- förbättring av ledningsegenskaperna hos olika material;
- att skapa en display på organiska lysdioder;
- snabbare utveckling av nya tekniker för DNA-sekvensering;
- förbättring av flytande kristaller;
- ballistiska transistorer.

Användningen inom bilindustrin

Enligt forskare, närmar sig den specifika energin i grafen 65 kWh / kg. Denna siffra är 47 gånger högre än den som är så vanliga numera litium-jon-batterier. Detta faktum har forskare för att skapa en ny generation av batteriladdare.

Grafen polymer batteri - anordningen med hjälp av vilken den maximala elektriska effekten effektivt kvarhållas. För närvarande är arbetet med det utförts av forskare i många länder. Betydande framsteg spanska forskare i denna fråga. Grafen-polymer-batteri, skapade de har energiförbrukning, hundratals gånger större än motsvarande siffra för de befintliga batterier. De använder den för att utrusta elfordon. Maskinen, som installeras grafen batteri kan resa utan att stoppa tusentals kilometer. För att ladda den elektriska energikällan när utmattning kommer att behöva mer än 8 minuter.

pekskärmar

Forskarna fortsätter att utforska grafen, skapa en ny och enastående saker. Sålunda har kol nanomaterial funnit sin tillämpning i produktionen som producerar pekskärmar med bred skärm. Termen kan visas och flexibel anordning av detta slag.

Scientists fick en grafen ark är rektangulär form och gjorde den till en transparent elektrod. Han har också deltagit i arbetet med pekskärmen, vilket kraftigt minskar hållbarheten, öppenhet, flexibilitet, miljövänlighet och låga kostnader.

erhålla grafen

Sedan 2004, när det öppnades den nyaste nanomaterial har forskare behärskar ett antal metoder för dess framställning. Men den mest grundläggande av dessa sätt beaktas:

- mekanisk peeling;
- epitaxialtillväxt i vakuum;
- kylning perofaznogo kemisk (CVD-process).

Den första av dessa tre metoder är den enklaste. grafen produktion med mekanisk peeling är en speciell tillämpning av grafit på den vidhäftande ytan av adhesiv tejp. Efter denna grund, som ett pappersark, börja att böja och räta, separera det önskade materialet. Vid tillämpning av denna metod grafen få högsta kvalitet. Sådana åtgärder är inte lämplig för massproduktion av nanomaterial.

Vid användning av metoden för epitaxiell tillväxt av tunna kiselskivor används, ytskiktet som är kiselkarbid. Vidare är detta material upphettas till en mycket hög temperatur (1000 K). Som ett resultat av kemiska reaktioner är separerad från kiselatomerna i kolatomer, av vilka den första förångas. Som ett resultat av detta rekord förblir ren grafen. Nackdelen med denna metod är nödvändigheten att använda mycket höga temperaturer, som kan uppstå under förbränning av kolatomer.

Den mest tillförlitliga och enkel metod som används för massproduktion av grafen, en CVD-process. Det är en metod i vilken den kemiska reaktionen mellan de metallbelagda katalysator och kolvätegaser.

Som producerar grafen?

Hittills det största företaget producerar ett nytt nanomaterial ligger i Kina. Namnet på tillverkaren - Ningbo Morsh Technology. grafen produktionen började 2012.

Den största konsumenten av nanomaterial är ett företag Chongqing Morsh Technology. Grafen använda den för framställning av ledande transparenta filmer, vilka är införda in i pekskärm.

Relativt nyligen har ett välkänt företag Nokia utfärdade patent på bildsensorn. Som en del av denna mycket behövs är ett par lager av grafen optiskt instrument elementet. Ett sådant material som används i sensorerna i kameror ökar i hög grad deras känslighet (upp till 1000 gånger). Samtidigt observerade minskningen av elförbrukningen. Bra kamera för smartphone kommer också att innehålla grafen.

Beredning av en hemmiljö,

Är det möjligt att producera grafen hemma? Det visar sig, ja! Du behöver bara ta ett kök mixer kapacitet på inte mindre än 400 W och följ den metod som utvecklats av de irländska fysiker.

Hur kom fram grafen hemma? För detta ändamål blandarskålen hälldes 500 ml vatten genom tillsats av 10-25 ml av någon flytande tvättmedel och 20-50 gram krossad skiffer. Ytterligare anordningen bör köras från 10 minuter till en halvtimme, tills utseendet av en uppslamning av grafen flingor. Det resulterande materialet kommer att ha en hög ledningsförmåga som skulle tillåta dess användning i elektroderna i solceller. Grafen kan också förbättra egenskaperna hos plast som produceras i hemmiljön.

oxidnanomaterial

Vetenskapsmän aktivt forskning och grafen struktur så att inuti eller på kanterna av kolet mesh är bunden eller syreinnehållande funktionella grupper (er) hos molekylen. Denna fasta substans Nano-oxid av vilka är de första tvådimensionella bilder, som har nått stadiet för kommersiell produktion. Från nano- och mikropartiklar av denna struktur forskare centimeter prover produceras.

Sålunda, grafen oxid i kombination med kol diofilizirovannym har nyligen erhållits genom kinesiska forskare. Detta är en mycket lätt material centimeter kub som hålls på kronbladen på en liten blomma. Men denna nya substans, där grafenoxid är en av de mest solida i världen.

biomedicinska tillämpningar

Grafen oxid har en unik egenskap av selektivitet. Detta gör det möjligt för substansen att hitta en biomedicinsk tillämpning. Så, tack vare det arbete som forskare var möjligt att använda grafen oxid för diagnos av cancer. Upptäcka cancer i ett tidigt skede av sin utveckling möjliggör unika optiska och elektriska egenskaper hos nanomaterial.

Även grafenoxid möjliggör riktad leverans av läkemedel och diagnostik. På grundval av detta material är sorptionsegenskaper biosensorer, som pekar på DNA-molekylen.

industriella tillämpningar

Olika sorbenter baserade på grafen oxid kan appliceras på de infekterade dezaktsivatsii naturliga och konstgjorda föremål. Ett snitt av aktiv nanomaterial kan behandla grundvatten och ytvatten, jord och rensa dem från radionukliden.

Filter från grafen oxid kan ge superchistotoy lokaler, som producerar elektroniska komponenter för speciella applikationer. De unika egenskaperna hos detta material kommer att tränga in i fina kemiska sfär teknik. I synnerhet kan detta vara extraktion av radioaktiva spridda och sällsynta metaller. Sålunda har användningen av grafen oxid gör det möjligt att utvinna guld ur lågvärdiga malmer.