Порівняно нещодавно в науці і техніці з’явилася нова область, яку назвали нанотехнологією. Перспективи даної дисципліни не просто великі. Вони грандіозні. Частка, іменована «нано», являє собою величину, рівну однієї мільярдної частки від якого-небудь значення. Подібні розміри можна порівняти тільки з розмірами атомів і молекул. Наприклад, нанометром називають одну мільярдну частку метра.
Основний напрямок нової галузі науки
Нанотехнологіями називають ті, які маніпулюють речовиною на рівні молекул і атомів. У зв’язку з цим дану галузь науки називають ще й молекулярної технологією. Що ж стало поштовхом до її розвитку? Нанотехнології в сучасному світі з’явилися завдяки лекції Річарда Фейнмана. У ній вчений довів, що не існує жодних перешкод для створення речей безпосередньо з атомів.
Засіб для ефективного маніпулювання дрібними частками назвали ассемблером. Це молекулярна наномашина, з допомогою якої можна вибудувати будь-яку структуру. Наприклад, природним ассемблером можна назвати рибосому, що синтезує білок в живих організмах.
Нанотехнології в сучасному світі є не просто окремою галуззю знань. Вони являють собою велику сферу досліджень, безпосередньо пов’язану з багатьма фундаментальними науками. У їх числі знаходяться фізика, хімія і біологія. На думку вчених, саме ці науки отримають найбільш потужний поштовх до розвитку на тлі прийдешньої нанотехнической революції.
Область застосування
Перерахувати всі сфери діяльності людини, де на сьогоднішній день використовуються нанотехнології, неможливо із-за досить значного переліку. Так, за допомогою даної галузі науки виробляються:
– пристрої, призначені для надщільний запису будь-якої інформації;
– різна відеотехніка;
– сенсори, сонячні елементи, напівпровідникові транзистори;
– інформаційні, обчислювальні та інформаційні технології;
– наноимпринтинг і нанолитография;
– пристрої, призначені для зберігання енергії, і паливні елементи;
– оборонні, космічні та авіаційні програми;
– биоинструментарий.
На таку наукову галузь, як нанотехнології, Росії, США, Японії та ряді європейських держав з кожним роком виділяється все більше фінансування. Це пов’язано з великими перспективами розвитку даної сфери досліджень.
Нанотехнології в Росії розвиваються відповідно до Федеральної цільової програмою, яка передбачає не тільки великі фінансові витрати, але і проведення великого обсягу конструкторських і науково-дослідних робіт. Для реалізації поставлених завдань відбувається об’єднання зусиль різних науково-технологічних комплексів на рівні національних і транснаціональних корпорацій.
Новий матеріал
Нанотехнології дозволили вченим виготовити вуглецеву пластину твердішу, ніж алмаз, товщина якої складає всього один атом. Складається вона з графена. Це самий тонкий і міцний матеріал у всій Всесвіту, який пропускає електрику набагато краще кремнію комп’ютерних чіпів.
Відкриття графену вважається справжнім революційним подією, яка дозволить багато що змінити в нашому житті. Цей матеріал володіє настільки унікальними фізичними властивостями, що докорінно змінює уявлення людини про природу речей і речовин.
Історія відкриття
Графен являє собою двовимірний кристал. Його структура є гексагональної гратами, складається з атомів вуглецю. Теоретичні дослідження графену почалися задовго до отримання його реальних зразків, так як даний матеріал є базою для побудови тривимірного кристала графіту.
Ще в 1947 р. П. Воллес вказав на деякі властивості графену, довівши, що його структура аналогічна металів і деякі характеристики подібні до тих, якими володіють ультрарелятивистские частинки, нейтрино і безмассовые фотони. Однак у нового матеріалу є і певні суттєві відмінності, які роблять його унікальним за своєю природою. Але підтвердження цих висновків було отримано тільки в 2004 р., коли Костянтином Новоселовим та Андрієм Геймом вперше був отриманий вуглець у вільному стані. Це нове речовина, яке назвали графеном, і стало великим відкриттям вчених. Знайти цей елемент можна в олівці. Його графітовий стрижень складається з безлічі шарів графена. Яким чином олівець залишає слід на папері? Справа в тому, що, незважаючи на міцність складових стрижень шарів, між ними існують досить слабкі зв’язки. Вони дуже легко розпадаються при зіткненні з папером, залишаючи слід при листі.
Використання нового матеріалу
На думку вчених, сенсори, створені на основі графена, зможуть аналізувати міцність і стан літака, а також передбачати землетруси. Але тільки тоді, коли матеріал з такими приголомшливими властивостями покине стіни лабораторій, стане зрозуміло, в якому напрямку піде розвиток практичного застосування даної речовини. На сьогоднішній день хіміки, фізики, а також інженери-електронники вже зацікавилися унікальними можливостями графена. Адже всього кількома грамами цієї речовини можна покрити територію, що дорівнює футбольному полю.
Графен і його застосування потенційно розглядаються у виробництві легковагих супутників і літаків. У цій сфері новий матеріал здатний замінити вуглецеві волокна в композиційних матеріалах. Нановещество може бути використане замість кремнію в транзисторах, а його впровадження в пластмасу додасть їй електропровідність.
Графен і його застосування розглядаються і в питаннях виготовлення датчиків. Ці пристрої, виконані на основі новітнього матеріалу, будуть здатні виявляти найбільш небезпечні молекули. А ось використання пудри з нановещества при виробництві електричних акумуляторів в рази збільшить їх ефективність.
Графен і його застосування розглядаються в оптоелектроніці. З нового матеріалу вийде дуже легкий і міцний пластик, контейнери з якого дозволять протягом декількох тижнів зберігати продукти в свіжому стані.
Використання графена передбачається і для виготовлення прозорого струмопровідного покриття, необхідного для моніторів, сонячних батарей і більш міцних і стійких до механічних впливів вітряних двигунів.
На основі наноматеріалу вийдуть кращі спортивні снаряди, медичні імплантати і суперконденсатори.
Також графен і його застосування актуальні для:
– потужних високочастотних електронних пристроїв;
– штучних мембран, що розділяють дві рідини в резервуарі;
– поліпшення властивостей провідності різних матеріалів;
– створення дисплея на органічних світлодіодах;
– освоєння нової техніки прискореного секвенування ДНК;
– поліпшення рідкокристалічних дисплеїв;
– створення балістичних транзисторів.
Використання в автомобілебудуванні
Згідно з даними дослідників, питома енергоємність графена наближається до 65 кВт*год/кг Даний показник в 47 разів перевищує той, який мають настільки поширені нині літій-іонні акумулятори. Цей факт учені використовували для створення зарядних пристроїв нового покоління.
Графен-полімерний акумулятор – прилад, за допомогою якого максимально ефективно утримується електрична енергія. В даний час робота над ним ведеться дослідниками багатьох країн. Значних успіхів досягли в цьому питанні іспанські вчені. Графен-полімерний акумулятор, створений ними, має енергоємність, у сотні разів перевищує подібний показник у вже існуючих батарей. Використовують його для оснащення електромобілів. Машина, в якій встановлено графеновий акумулятор, може проїхати без зупинки тисячі кілометрів. На підзарядку електромобіля при вичерпанні енергоресурсу знадобиться не більше 8 хвилин.
Сенсорні екрани
Науковці продовжують досліджувати графен, створюючи при цьому нові і не мають аналогів речі. Так, вуглецевий наноматеріал знайшов своє застосування у виробництві, що випускає сенсорні дисплеї з великою діагоналлю. В перспективі може з’явитися і гнучке пристрій подібного типу.
Вчені отримали графеновий лист прямокутної форми і перетворили його в прозорий електрод. Він-то і бере участь у роботі сенсорного дисплея, відрізняючись при цьому довговічністю, підвищеною прозорістю, гнучкістю, екологічністю і низькою вартістю.
Отримання графена
Починаючи з 2004 року, коли був відкритий новий наноматеріал, вчені освоїли цілий ряд методів його отримання. Однак самими основними з них вважаються способи:
– механічною ексфоліації;
– епітаксійного росту у вакуумі;
– хімічного перофазного охолодження (CVD-процес).
Перший з цих трьох методів є найбільш простим. Виробництво графена при механічній ексфоліації являє собою нанесення спеціального графіту на клейку поверхню ізоляційної стрічки. Після цього основу, подібно листу паперу, починають згинати і розгинати, відокремлюючи потрібний матеріал. При застосуванні даного способу графен виходить найвищої якості. Однак подібні дії не годяться для масового виробництва цього наноматеріалу.
При використанні методу епітаксійного росту застосовують тонкі кремнієві пластини, поверхневий шар яких є карбідом кремнію. Далі цей матеріал нагрівають при дуже високій температурі (до 1000 К). В результаті хімічної реакції відбувається відділення атомів кремнію від атомів вуглецю, перші з яких випаровуються. В результаті на платівці залишається чистий графен. Недоліком такого методу є необхідність використання високих температур, при яких може відбутися згоряння атомів вуглецю.
Самим надійним та простим способом, застосовуваним для масового виробництва графена, є CVD-процес. Він являє собою метод, при якому протікає хімічна реакція між металевим покриттям-каталізатором і вуглеводневими газами.
Де проводиться графен?
На сьогоднішній день найбільша компанія, що виготовляє новий наноматеріал, знаходиться в Китаї. Назва цього виробника – Ningbo Morsh Technology. Виробництво графена розпочато їм в 2012 році.
Головним споживачем наноматеріалу виступає компанія Chongqing Morsh Technology. Графен використовується нею для виробництва провідних прозорих плівок, які вставляють в сенсорні дисплеї.
Порівняно нещодавно відома компанія Nokia оформила патент на світлочутливу матрицю. У складі цього так необхідного для оптичних приладів елемента знаходиться кілька шарів графена. Такий матеріал, використаний на датчиках камер, в значній мірі збільшує їх світлочутливість (до 1000 разів). При цьому спостерігається і зниження споживання електроенергії. Хороша камера для смартфона також буде містити графен.
Отримання в побутових умовах
Можна виготовити графен в домашніх умовах? Виявляється, так! Необхідно просто взяти кухонний блендер потужністю не менше 400 Вт, і слідувати методиці, розробленої ірландськими фізиками.
Як же виготовити графен в домашніх умовах? Для цього в чашу блендера виливають 500 мл води, додаючи в рідину 10-25 мл будь-якого миючого речовини і 20-50 грам товченого грифеля. Далі прилад повинен попрацювати від 10 хвилин до півгодини, аж до появи суспензії з лусочок графена. Отриманий матеріал буде володіти високою провідністю, що дозволить використовувати його в електродах фотоелементів. Також вироблений в побутових умовах графен здатний поліпшити властивості пластику.
Оксиди наноматеріалу
Вчені активно досліджують і таку структуру графена, яка всередині або по краях вуглецевої сітки має приєднані кисневмісні функціональні групи або (і) молекули. Це оксид самого твердого нановещества, який є першим двовимірним матеріалом, що дійшли до стадії комерційного виробництва. З нано – і мікрочастинок цієї структури вчені виготовили сантиметрові зразки.
Так, оксид графену в поєднанні з диофилизированным вуглецем був нещодавно отриманий китайськими вченими. Це досить легкий матеріал, сантиметровий кубик якого утримується на пелюстках невеликого квітки. Але при цьому нова речовина, в якому знаходиться оксид графену, є одним із самих твердих у світі.
Біомедичне застосування
Оксид графену володіє унікальною властивістю селективності. Це дозволить даної речовини знайти біомедичне застосування. Так, завдяки роботам вчених стало можливим використання оксиду графена для діагностики ракових захворювань. Виявити злоякісну пухлину на ранніх стадіях її розвитку дозволяють унікальні оптичні і електричні властивості наноматеріалу.
Також оксид графену дозволяє проводити адресну доставку лікарських і діагностичних засобів. На основі даного матеріалу створюються сорбційні біодатчики, що вказують на молекули ДНК.
Індустріальне застосування
Різні сорбенти на основі оксиду графену можуть бути застосовані для дезакцивации заражених техногенних і природних об’єктів. Крій того, цей наноматеріал здатний переробити підземні і поверхневі води, а також ґрунти, очистивши їх від радіонуклідів.
Фільтри з оксидів графену можуть забезпечити суперчистотой приміщення, де проводяться електронні компоненти спеціального призначення. Унікальні властивості цього матеріалу дозволять проникнути в тонкі технології хімічної сфери. Зокрема, це може бути вилучення радіоактивних, розсіяних і рідкісних металів. Так, використання оксиду графена дозволить добути золото з бідних руд.
