Материалы будущего - Графен
Статья о том, почему графен может стать следующим многомиллиардным материалом, сделав прорыв в области компьютерной техники, здравоохранения и хранения энергии.
Что такое графен?
Графен - тонкий слой чистого углерода; это единый плотно упакованный слой атомов углерода, которые соединены вместе в гексагональной решетке сот. Если слои графена сложить друг на друга то получится графит.
Графен очень тонкий, очень прочный и дорогой.
Когда я говорю тонкий, я имею в виду ОЧЕНЬ тонкий - графен - двумерный материал и состоит из одного слоя атомов углерода расположенных в определенном порядке. При очень низком весе он в 100 раз прочнее стали, такой же твердый, как алмаз, и, тем не менее, гибкий и способен растягиваться.
Но его другие характеристики наиболее интересны. Он проводит тепло и электроэнергию с большой эффективностью (быстрее при комнатной температуре, чем любой другой известный материал), и он заряжает и разряжает от 100x до 1000x быстрее, чем традиционные батареи.
Прямо сейчас, его производство дорогостоящие, поэтому он еще не заменил имеющиеся в отрасли материалы. По данным «Nature» в 2013 году, производство 1 грамма стоить более 1000$, что делает графен может и не самым, но одним из самых дорогих материалов на Земле.
Однако по мере увеличения массового производства существует потенциал снижения цен на 70-80%, что делает производство графена более выгодным. Например, химическое осаждение из паровой фазы (CVD) привело к снижению стоимости примерно до 100 000 $ за квадратный метр. Согласно оценкам, к 2020 году рынок графена составит 149,1 млн. Долл. США. Европейский союз также создал программу для графена, выделив около 1,3 млрд. Долл. США для покрытия расходов на исследование графена в течение следующих 10 лет.
Почему графен полезен?
Вот семь наиболее интересных примеров:
1. Хранение энергии:
Графен может совершить революцию в хранении энергии (это изменит все). Батареи могут хранить много энергии, но они большие и заряжаются / разряжаются относительно медленно. Конденсаторы, с другой стороны, не могут удерживать много энергии, но они очень быстро заряжаются и разряжаются. Исследователи из Института науки и технологии Кванджу разработали высокопористые суперконденсаторы на основе графена, которые могут полностью заряжать всего за 16 секунд и повторили это примерно 10 000 раз без значительного снижения емкости. Представьте, что вы заряжаете свой iphone в 30 секунд, или Тесла через несколько минут.
2. Гибкие экраны:
Графен прозрачный (он пропускает до 97,7% света), а также имеет низкое электрическое сопротивление и является гибким. Поэтому он является хорошим кандидатом для изготовления гибкой электроники и экранов. Например, Samsung разрабатывает прозрачные графеновые электроды для использования в качестве сенсорных экранов для смартфонов. Используемые сегодня электроды оксида индия-олова являются хрупкими; графен является прочным и гибким.
3. Дистиллированные / фильтрация:
Графен ведет себя странно по отношению к воде. Вода может пройти через него, но почти ничего не может. Графен также намного прочнее и менее хрупкий, чем оксид алюминия (в настоящее время используется для изготовления фильтров). Это делает его хорошим кандидатом для систем фильтрации воды, систем обессоливания воды (графеновый фильтр снизит затраты на энергию для опреснения на 99%), а также эффективное и экономически более выгодное производство биотоплива.
4. Медицина/ датчики:
Графен, который имеет большую площадь поверхности, высокую электропроводность, тонкость и прочность станет хорошим кандидатом на разработку быстрых и эффективных биоэлектрических сенсорных устройств, с возможностью мониторинга таких факторов, как уровни глюкозы, уровни гемоглобина, холестерин.
5. Фотоэлектрические устройства / солнечные батареи:
Имея очень низкие уровни поглощения света (около 2,7% белого света), а также предлагая высокую мобильность электронов, графен можно использовать в качестве альтернативы кремнию в производстве фотогальванических элементов.
6. Композиты:
Графен прочный, жесткий и очень легкий. В конечном итоге он может заменить стальные и углеродные композиты во всем: от самолетов до автомобилей и бронежилетов для военных. Сегодня он уже используется в теннисных ракетах.
7. Компьютерная техника / Электроника:
Графен может также повлиять на полупроводниковые отрасль в 300 миллиардов долларов. Его уникальная структура и чрезвычайно подвижные электроны могут позволить графеновым транзисторам обрабатывать данные с очень высокими скоростями, причем некоторые устройства уже работают с частотой более 400 Ггц - во много раз быстрее, чем аналогичные кремниевые устройства.
Следующие компании разрабатывают различные решения на основе графена: ACS Material LLC., Angstron Material, Bluestone Global Tech, CCD Equipment Corporation, Graphene Laboratories, Graphene Nanochem PLC, Graphenea, Haydale Limited, Vorbrck Materials, XG Sciences.
Графен только один пример нового класса "супер-материалов". Станен (двумерные оловянные слои) и Силицен (двумерное соединение кремния, подобное графену) возможно, является следующими материалами высшего качества, который соревнуется с графеном.