Що таке графен і що він може робити?

Якщо ви були десь біля наукового журналу протягом останнього десятиліття чи близько того, ви натрапили на якусь форму чудового рівня графену – двовимірного дивовижного матеріалу, який обіцяє перетворити все, від комп’ютерів до біомедицини.

Існує багато галасу щодо застосування графену, завдяки кільці чудових властивостей. Воно в 1 мільйон разів тонше людського волосся, але в 200 разів міцніше за сталь. Він гнучкий, але може діяти як ідеальний бар’єр і є чудовим провідником електрики. Поєднайте все це разом, і ви отримаєте матеріал з безліччю потенційно революційних застосувань.

Що таке графен?

Графен — це вуглець, але в стільниковій решітці товщиною в один атом. Якщо ви повернетеся до своїх старих уроків хімії, ви згадаєте, що матеріали, які повністю складаються з вуглецю, можуть мати різко різні властивості залежно від того, як влаштовані його атоми (різні алотропи). Наприклад, графіт у грифелі олівця м’який і темний порівняно з твердим і прозорим діамантом у вашій обручці. Створені людиною вуглецеві структури нічим не відрізняються; Бакмінстерфуллерен у формі кулі діє інакше, ніж згорнуті у вигляді вуглецевих нанотрубок.

Графен складається з шару атомів вуглецю в гексагональній решітці. З перерахованого вище, він за формою найближче до графіту, але в той час як цей матеріал виготовлений з двовимірних листів вуглецю, що утримуються шар за шаром слабкими міжмолекулярними зв’язками, графен має товщину лише в один лист. Якби ви змогли відокремити один шар вуглецю заввишки в один атом від графіту, у вас був би графен.

Слабкі міжмолекулярні зв’язки в графіті роблять його м’яким і лускатим, але самі вуглецеві зв’язки є міцними. Це означає, що лист, що складається виключно з цих вуглецевих зв’язків, є міцним – приблизно в 200 разів більше, ніж найміцніша сталь, і водночас він гнучкий та прозорий.

Графен був теоретизований протягом тривалого часу, і він випадково вироблявся в малих кількостях, поки люди використовували графітні олівці. Однак його головне виділення та відкриття пов’язано з роботою Андре Гейма та Костянтина Новосьолова в 2014 році в Манчестерському університеті. Як повідомляється, двоє вчених проводили «експерименти ввечері в п’ятницю», під час яких вони перевіряли ідеї за межами щоденної роботи. Під час одного з цих сеансів дослідники використовували скотч, щоб видалити тонкі шари вуглецю з грудочки графіту. Це новаторське дослідження в кінцевому підсумку призвело до комерційного виробництва графену.

Після того, як вони отримали Нобелівську премію з фізики в 2010 році, Гейм і Новосьолов подарували магнітофонний диспенсер Нобелівському музею.

Для чого можна використовувати графен?

Важливо відзначити, що вчені розробляють всілякі матеріали на основі графену. Це означає, що, мабуть, краще думати про «графени», так само, як ми думаємо про пластик. По суті, поява графену може привести до абсолютно нової категорії матеріалів, а не лише до одного нового матеріалу.

Див. пов’язані Що таке турбулентність? Розгадка одного з питань фізики на мільйон доларів «Алмазний дощ», знайдений на Урані, був відтворений на Землі – і це може допомогти вирішити нашу зростаючу енергетичну кризу. Квантові обчислення стають дорослими

З точки зору застосування, дослідження проводяться в таких широких сферах, як біомедицина та електроніка до захисту рослин та упаковки харчових продуктів. Наприклад, можливість змінювати властивості поверхні графену може зробити його чудовим матеріалом для доставки ліків, тоді як провідність і гнучкість матеріалу можуть стати провісником нового покоління сенсорних екранів або складних пристроїв для носіння.

Той факт, що графен здатний утворювати ідеальний бар’єр для рідин і газів, означає, що його також можна використовувати з іншими матеріалами для фільтрації будь-якої кількості сполук і елементів, включаючи гелій, який надзвичайно важко блокувати. Це має цілий ряд застосувань, коли справа доходить до промисловості, але також може виявитися дуже корисним для екологічних потреб навколо фільтрації води.

Багатофункціональні властивості графену відкривають двері для величезної кількості композицій. Хоча багато думали про те, як він може підвищити вже існуючі технології, постійний прогрес у цій галузі зрештою призведе до абсолютно нових областей, які раніше були б неможливими. Чи можемо ми побачити, як з’являється абсолютно новий клас аерокосмічної техніки? А як щодо оптичних імплантатів доповненої реальності? Судячи з усього, 21 століття ми дізнаємося.