Графен — это материал будущего, представляющий собой самый тонкий двумерный слой графита. Специалисты рассказали о применении и главных достоинствах этого необычного вещества.
Что такое графен
Впервые материал был получен в 2004 году британскими учеными российского происхождения методом отшелушивания графита. Если объяснять максимально просто, материал поместили между слоями скотча и начали отщеплять слои графита до тех пор, пока толщина не достигла одного атома. Бесполезно пытаться сделать материал тоньше графена. Уже сегодня можно совершенно точно сказать – графен это вообще самый тонкий материал в мире.
Еще одно удивительное свойство графена – его прочность. Считается, что графен является самым прочным материалом из когда-либо обнаруженных. Несмотря на то, что графен является полуметаллом, то есть имеет проводимость металла, но при этом ковалентную кристаллическую решетку, – он примерно в 200 раз прочнее стали.
Его плоская кристаллическая решетка состоит из взаимосвязанных шестиугольников атомов углерода, плотно связанных между собой.
Это свойство графена может оказаться очень полезным для военных и позволит производить сверхпрочные и сверхлегкие бронежилеты.
Следующее удивительное свойство графена – способность расширяться при охлаждении и уменьшаться при нагревании. Напомним, любые другие материалы ведут себя точно наоборот.
Где может пригодится графен
Графен интересует ученых из самых различных областей. Уже сегодня широко известны его противораковые свойства. В ходе исследования, по результатам которого была опубликована статья в журнале Oncotarget, применение графена дало положительный результат в борьбе против шести разных видов рака.
Графен уже используется в микробиологии и биохимии как подложка для электронной микроскопии белков, которая обладает сразу несколькими ценными качествами: слабо поглощает электроны, отлично проводит электрический ток и не искажает форму белковой молекулы.
В 2014 году исследователи из Массачусетского технологического института разработали технологию, позволяющую делать в листах графена отверстия определенного диаметра и получать сверхтонкие фильтры для высокой степени опреснения и очистки воды.
Но конечно, особую важность графен имеет в области электроники.
Ученые преуспели в формировании ультрафиолетового излучения с поверхности графена. Это может пригодиться для производства совершенно новых УФ-ламп на основе графена без использования токсичной ртути, которую сегодня пока приходится применять в таких лампах, используемых для уничтожения бактерий и вирусов.
Кроме этого, графен поглощает всего 2% света. Это значит, что этот материал практически прозрачен. Для сравнения: обычное стекло поглощает около 10% света.
По этой причине в нем заинтересованы производители дисплеев и солнечных батарей, которым важно получить проводящий слой максимальной прозрачности.
Еще одно перспективное направление – производство аккумуляторов на основе графена.
В продаже уже появились первые модели пауэрбанков, которые, по заверениям производителей, способны полностью восполнить заряд ваших гаджетов всего за 17 минут.
Но гораздо более важную роль графеновые аккумуляторы могут сыграть в производстве электроавтомобилей. Основная проблема электромобилей сейчас – довольно малый пробег от одной зарядки. С внедрением графеновых аккумуляторов инженерам удастся повысить удельную емкость в 5 раз по сравнению с литий-ионными аналогами. А зарядить такое устройство возможно в несколько раз быстрее.
Немаловажную роль графен может сыграть и в системах освещения. Британским ученым удалось разработать самую тонкую на сегодняшний день электрическую лампу на основе графена.
Как устроена графеновая лампа
Лампа представляет собой два металлических электрода, между которыми размещена тончайшая графеновая пластинка на кремниевой подложке.
Такие лампы не нуждаются в охлаждении, так как в отличие от обычной лампы накаливания, где вольфрамовая нить накаливается и за счет этого начинает светиться, у графеновой нити нагревается только небольшая точка в центре. Отсюда люди узнали еще об одном удивительном свойстве графена – резкое падение теплопроводности при высоких температурах.
Графен в такой лампе нагревается до 2800 градусов по Цельсию, излучая свет. Если бы его теплопроводность сохранялась, то из-за непрерывного отвода тепла невозможно было бы добиться его свечения. Вся конструкция буквально расплавилась бы от перегрева.
Чем графеновые лампы лучше светодиодных
Одно из очевидных преимуществ графена перед светодиодами – это еще большая экономичность. Для свечения видимой области графеновой нити требуется намного меньше энергии. Электроны практически не встречают сопротивления, когда проходят сквозь графен. А плотность тока графена в миллионы раз превышает плотность тока меди.
Также за счет изменения расстояния между подложкой и графеновой нитью можно изменять цвет испускаемого света такой лампы. Считается, что свет от графеновой лампы более безопасен для зрения человека, так как более близок по спектру к естественному освещению.
Даже простое напыление графена на светодиодные лампы помогает лучше рассеивать свет, что делает их намного ярче. Это означает, что лампа с меньшей мощностью, покрытая графеном, будет производить тот же эффект, что и традиционная светодиодная лампа.
Сегодня такие лампы уже появились на полках магазинов. Производители уверяют, что они на 10–12% экономичнее и долговечнее своих обычных аналогов за счет улучшенной токопроводности нового материала.
Несомненно, графен – это материал будущего и он еще наделает много шума. А пока остается наблюдать за открытиями ученых и верить, что графен поможет сделать этот мир еще лучше и безопаснее.
