Как открытия в области графена помогут в решении самых больших мировых проблем
Привет. В сентябре 2015 года мировые лидеры собрались на историческом саммите ООН для принятия целей устойчивого развития (SDG). Это 17 амбициозных целей и показателей, которые помогают направлять и координировать правительства и международные организации для решения глобальных проблем. Например, SDG 3 предусматривает «обеспечение здорового образа жизни и повышение благосостояния для всех людей любого возраста». Другие включают доступ к чистой воде, снижение последствий изменения климата и доступное здравоохранение.
Если вы считаете, что эти цели трудновыполнимы, вы правы. Отчеты показывают, что во многих из 17 категорий прогресс не достигнут, что означает, что они не могут быть решены к намеченной дате 2030 года. Однако в сочетании с прогрессом на социально-политической арене прогресс в области науки и техники может стать ключевым ускорителем прогресса.
Есть один очень сильный пример такого прогресса. Графен, футуристический материал с растущим набором потенциальных приложений
Графен состоит из плотно соединенных атомов углерода, расположенных в листе толщиной всего один атом. Это делает его самым тонким веществом, когда-либо созданным, но оно в 200 раз прочнее стали, гибкий, растяжимый, самовосстанавливающийся, прозрачный, более проводящий, чем медь, и даже сверхпроводящий. Квадратный метр графена весом всего 0,0077 грамма может удерживать четыре килограмма. Это действительно замечательный материал, но это не новость для ученых и технических специалистов.
Заголовки, рекламирующие графен как следующий чудесный материал, были обычным явлением за последнее десятилетие, и переход от обещаний к практическому применению оказался немного длинней. Но это не неожиданно; для внедрения новых материалов может потребоваться время. Между тем, годы исследования графена дали длинный список причин, чтобы сконцентрироваться на нем.
С тех пор, как впервые в 2004 году в Манчестерском университете была проведена работа, в результате которой в 2010 году была присуждена Нобелевская премия, исследователи во всем мире разрабатывают радикальные способы использования графена и, что важно, производят сам графен. Действительно, одним из основных факторов, сдерживающих его широкое внедрение, был вопрос технологии производства графена в больших масштабах по низкой цене. Его использование было ограничено лабораторией и горсткой коммерческих приложений. К счастью, были достигнуты успехи и в области его массового производства.
В прошлом году, например, команда из Канзасского государственного университета использовала взрывы для синтеза больших количеств графена. Их метод прост: заполните камеру ацетиленом или газом этилена и кислородом. Используйте свечу зажигания автомобиля, чтобы создать детонацию. Соберите графен, который образуется после этого. Ацетилен и этилен состоят из углерода и водорода, а когда водород поглощается при взрыве, углерод свободно связывается с самим собой, образуя графен. Этот метод эффективен, потому что все, что требуется, - это одна искра.
Приведет ли этот метод к революции графена, как утверждают некоторые, еще предстоит выяснить. Более того, не будет недостатка в проблемах, которые нужно будет решить, когда произойдет такая революция. Вот посмотрите, как современные исследования показывают, как графен может помочь выполнить мировые амбициозные цели развития.
Чистая вода
SDG 6 «обеспечить доступность и устойчивое управление водой и санитарией для всех». На данный момент ООН подсчитала, что «дефицит воды затрагивает более 40 процентов мирового населения и, по прогнозам, эта цифра будет расти».
Фильтры на основе графена вполне могли бы быть решением. Джиро Абрахам из Манчестерского университета помог разработать масштабируемые фильтры из графенового оксида для фильтрации морской воды. Он утверждает: «Развитые мембраны полезны не только для опреснения, но и для изменения размера пор в атомной шкале. а также открывает новую возможность изготовления мембран с фильтрацией по требованию, способной фильтровать ионы в соответствии с их размерами».
Кроме того, исследователи из Университета Монаш и Университета Кентукки разработали фильтры графена, которые могут отфильтровывать что-либо большее, чем один нанометр. Они говорят, что их фильтры могут быть использованы для фильтрации химических веществ, вирусов или бактерий из ряда жидкостей. Его можно использовать для очистки воды, молочных продуктов или вина или производства фармацевтических препаратов.
Выбросы углерода и изменение климата
SDG 13 фокусируется на принятии «неотложных мер по борьбе с изменением климата и его воздействием».
Конечно, одним из главных виновников изменения климата является чрезмерное количество углекислого газа, выделяющегося в атмосферу. Сегодня уже разработаны мембраны графена, которые могут очищать эти выбросы.
Исследователи из Университета Южной Каролины и Университета Ханьянг в Южной Корее самостоятельно разработали фильтры на основе графена, которые могут использоваться для отделения нежелательных газов от промышленных, коммерческих и жилых выбросов. Ученый из Университета Миссури утверждает, что эти открытия являются «чем-то вроде святого Грааля».
С их помощью мир мог бы остановить рост CO2 в атмосфере, особенно сейчас, когда мы преодолели важный показатель в 400 частей на миллион.
Здравоохранение
Многие люди по всему миру не имеют доступа к адекватному здравоохранению, но графен может иметь влияние и здесь.
Прежде всего, высокая механическая прочность графена делает его идеальным материалом для замены частей тела, таких, как кости, и благодаря своей проводимости он может заменить части тела, которые требуют электрического тока, например органов и нервов. Фактически, исследователи из Мичиганского технологического университета работают над использованием 3D-принтеров для печати графеновых нервов, и эта команда разрабатывает биосовместимые материалы, используя графен для проведения электричества.
Графен также можно использовать для создания биомедицинских датчиков для обнаружения болезней, вирусов и других токсинов. Поскольку каждый атом графена подвергается воздействию, из-за его толщины всего в один атом, датчики могут быть гораздо более чувствительными. Например, датчики оксида графена могут обнаруживать токсины на уровнях, в 10 раз меньших, чем могут современные датчики. Эти датчики могут быть размещены на коже или под ней и предоставить врачам и исследователям огромное количество информации.
Китайские ученые создали датчик, который может обнаружить даже одну раковую клетку. Кроме того, ученые из Манчестерского университета сообщают, что оксид графена может охотиться и нейтрализовать раковые стволовые клетки.
Инфраструктура
SDG 9 заключается в «создании устойчивой инфраструктуры, содействии инклюзивной и устойчивой индустриализации и стимулировании инноваций». Композитные материалы, обогащенные графеном и другие строительные материалы, могут приблизиться к достижению этой цели.
Недавние исследования показывают, что чем больше графена добавляется, тем лучше становится композит. Это означает, что графен можно добавлять к строительным материалам, таким как бетон, алюминий и т.д., Что позволит использовать более прочные и более легкие материалы.
Смолы также улучшаются благодаря добавлению графена. Исследование, проведенное компанией Graphene Flagship, проект ЕС на миллиард евро для дальнейшего исследования графена, и их партнер Avanzare утверждают «графен усиливает функциональность смолы, сочетая электрическую проводимость графена и механическую прочность с отличной коррозионной стойкостью». Некоторые из них используются для изготовления труб и резервуаров для хранения, устойчивых к коррозии, и для создания более прочных адгезивов.
Энергия
SDG 7 - «обеспечить доступную, надежную, устойчивую и современную энергию для всех». Из-за своей малой массы, проводимости и прочности на растяжение графен может сделать энергию более эффективной и дешевой.
Например, графеновые композиты могут использоваться для создания более универсальных солнечных панелей. Исследователи из Массачусетского технологического института говорят: «Использование графена ... делает возможным действительно гибкие, недорогие прозрачные солнечные элементы, которые могут превратить практически любую поверхность в источник электроэнергии».
Благодаря композитам с графеном мы также сможем построить большие и легкие ветровые турбины.
Кроме того, графен уже используется для улучшения традиционных литий-ионных батарей, которые обычно используются в бытовой электронике. Исследования также проводятся в графеновых аэрогелях для хранения энергии и суперконденсаторов. Все это будет необходимо для крупномасштабного хранения возобновляемых источников энергии.
В течение следующего десятилетия графен, скорее всего, все больше и больше будет использоваться в реальном мире, не только помогая ООН и государствам-членам решить поставленные общемировые задачи, но и улучшит все: от сенсорных экранов до МРТ-аппаратов и от транзисторов до неизвестных применений в качестве сверхпроводника.
Сегодня новые исследования, связанные с графеном, публикуются, и новые патенты регулярно подаются, поэтому будем следить за этим замечательным материалом.
