НАНОТЕХНОЛОГИЯ | Той е прозрачен, гъвкав и изключително устойчив графен, материалът на бъдещето. Той е прозрачен, гъвкав, изключително устойчив, водоустойчив, изобилен, евтин и провежда електричество по-добре от всеки друг известен метал. Говорим за графен, материалът, който е очаровал учените и индустрията поради своите фантастични свойства. Въпреки че беше синтезиран за първия […]

графен

Графен

НАНОТЕХНОЛОГИЯ | Той е прозрачен, гъвкав и изключително устойчив графен, материалът на бъдещето. Той е прозрачен, гъвкав, изключително устойчив, водоустойчив, изобилен, евтин и провежда електричество по-добре от всеки друг известен метал. Говорим за графен, материалът, който е очаровал учените и индустрията поради своята фантастика.

НАНОТЕХНОЛОГИЯ | Той е прозрачен, гъвкав и изключително устойчив
Графен, материалът на бъдещето

Той е прозрачен, гъвкав, необикновено здрав, водоустойчив, обилен, евтин и провежда електричество по-добре от всеки друг известен метал. Говорим за графен, материалът, който е очаровал учените и индустрията поради своите фантастични свойства.

Въпреки че е синтезиран за първи път през 2004 г., той придоби слава през 2010 г., когато неговите откриватели, родените в Русия изследователи Андре Гейм (Сочи, 1958) и Константин Новоселов (Нижни Тагил, 1974) получиха Нобелова награда за физика. Както Андре Гейм посочи тогава, потенциалните приложения на графен са толкова много, че дори не успяха да ги изброят.

Прототипните батерии, направени с графенови електроди, са десет пъти по-трайни и се зареждат за много по-малко време
Този универсален материал ще позволи производството на електронни устройства с гъвкави и прозрачни екрани и свръхбързи батерии до мощни слънчеви панели, без да се забравят приложенията в аеронавтиката, медицината и други сектори, които в момента се разследват. В допълнение, това е отлична основа за създаване на нови поръчкови материали, базирани на специфични нужди. Тоест нещо като а ла карт материали.

Изследването на свойствата на графена задържа голям брой учени, заети по целия свят, сред които се открояват приносите на испански физици-теоретици.

Във фаза на развитие

Всички говорят за този материал, въпреки че малцина са го виждали. И то е, че въпреки обещаващите си приложения, той все още е във фаза на разработка. Графенът е изключително тънък лист, направен от въглерод (дебел е само един атом). Графитът, от който е получен, е същият, който се извлича от въглищните мини и се използва за направата на моливи, автомобилни спирачки или стомани, така че е много богата суровина в природата. За да получите графен, можете да започнете от естествен графит (испанските мини са богати на този минерал) или от синтетичен графит.

Основната пречка днес обаче е, че все още не е възможно да се произвежда графен в голям мащаб, според Jesús de la Fuente, директор на испанската компания Graphenea Nanomaterials, една от малкото компании, които в момента произвеждат този материал. Avanzare и GranphNanotech са две други испански компании, които работят с този материал.

Има няколко начина за производство на графен. Тиксото (механично ексфолиране) е методът, който Geim използва за изолацията му за първи път и може да се използва за някои експерименти, но не е валиден метод за индустрията. По принцип се предлага на пазара по два начина: във фолио и на прах.

Графенов лист

Graphenea, базирана в Сан Себастиан, е един от трите основни производители на графен в листове по целия свят (двамата му конкуренти са от Съединените щати): „Това е графенът с висока чистота и този с най-добри свойства. Използва се за производство на батерийни електроди, сензорни екрани, слънчеви клетки, високочестотна цифрова и аналогова електроника или усъвършенствани композитни материали за аеронавтика ", обяснява Де ла Фуенте в телефонен разговор.

За производството му не използваме графит, а по-скоро метан, който се трансформира чрез технология, наречена химическо отлагане на пари: "Това е едно от големите предимства, тъй като не зависим от минерален продукт"

Графенова проба върху силициев лист. | Графенея
Цената варира в зависимост от размерите и свойствата. През последните години той вече е спаднал наполовина. Графиновият лист струва между 300 и 1000 евро, много достъпна цифра за потребление в научните изследвания, но висока за други цели. Де ла Фуенте обяснява, че очакват цената да продължи да спада постепенно и "в средносрочен план (около пет години) тя ще бъде по-евтина от силиция, който в момента струва около 50 евро". „С напредването на пазара цената ще спадне. Практически същото струва да се произведе лист като 100 000 “, казва той.

Тази компания доставя материали на своите клиенти от лятото на 2011 г., както за изследователски центрове, така и за големи компании. «Ние продаваме 99% от нашата продукция в чужбина, въпреки че в Испания има много изследователска дейност. „Стартиращите“ компании изпълняват някои инициативи, докато големите компании чакат “, обяснява той.

Много по-трайни батерии

„Графенът, който продаваме, се използва главно за тестване. Много се работи по съхранението на енергия. В ултракондензатори (за автомобили, електрически влакове и за подобряване на работата на електрическите разпределителни линии) и в батерии. Доказано е, че графеновите електроди правят батериите десет пъти по-трайни ».

Всъщност този материал би могъл да реши един от големите недостатъци на смартфоните, чиито батерии едва издържат един ден. Прототипите на батерии, направени с графенови електроди, са десет пъти по-трайни от тези на телефоните, продавани на пазара и се зареждат за много по-малко време (приблизително половин час).

Въпреки това ще са необходими няколко години, за да се насладите на тези батерии. Според Де ла Фуенте Nokia (нейният основен клиент) не планира да комерсиализира устройства, произведени с графен, за още пет години.

Графенът може да се използва и в OLED (Organic LED) телевизори, които ще бъдат направени от органични материали и по-устойчиви с околната среда: „Сега като материал се използват редки земи, като индий, които имат много голямо въздействие върху околната среда. Освен това цената му се е умножила по десет ». Индустрията търси по-икономичен и устойчив заместител, така че графенът се очертава като една от алтернативите.

Що се отнася до слънчевите панели, De la Fuente обяснява, че целта е да се постигнат клетки с 42% ефективност (т.е. да се преобразуват 42% от получената слънчева енергия в електричество. Тези, които сега са на пазара, имат ефективност на около 16%).

Графен на прах

Графенът на прах се използва в приложения, които изискват по-евтин материал, като например строителен композит (често се смесва с други материали). Неговите свойства не са толкова добри, колкото листовия графен и той по-зле провежда електричеството. Търсенето на този продукт, чиято цена зависи от неговата чистота, остава малко. Ниското качество струва по-малко от 10 евро на грам, докато високото качество е около 100 евро.

Графен оксид и графен на прах. | Графенея.
"Работим и с високо конкурентни ветроходни екипи, които се нуждаят от добавки за въглеродни влакна (графенът ги подобрява)." Проведени са и някои лабораторни тестове за включването му в строителството, въпреки че Де ла Фуенте смята, че използването му е трудно в този сектор, тъй като "са необходими много големи обеми и евтини цени".

Учените изучават и възможните приложения в медицината. Например, за да се направят биосензори и да се открие ДНК. "Има и спекулации относно възможността за производство на невронални импланти и регенериране на увредени нервни тъкани", казва Де ла Фуенте, въпреки че предупреждава, че дори ако този медицински напредък бъде постигнат, ще им отнеме години.

От своя страна Елза Прада, изследовател в Мадридския институт по материалознание на CSIC, посочва, че графенът може да се използва и в биоустройства, в бактерицидни опаковки за лекарства и храни и като част от по-леки и устойчиви композитни материали (за самолети, автомобили и др.).

Въпреки изключителните си качества, графенът не е перфектен. Изглежда обаче много подходяща основа за разработване на нови материали, вдъхновени от него и включване на нови предимства. Искам да кажа, нещо като усъвършенстван графен. Едно от най-новите разработки в тази линия е т. Нар. Изкуствен графен, изследване, публикувано наскоро в списание „Nature“ и в което участва испанецът Пако Гвинея, един от водещите експерти по графени в света.

Заедно с американски колеги от Станфордския университет (Калифорния) изследователят от Мадридския институт по материалознание (CSIC) успя да произведе материал, който, както обяснява пред този вестник, „позволява да се манипулират най-екзотичните свойства на графена голяма точност ". Така нареченият изкуствен графен е първата стъпка за синтезиране в голям мащаб на материали със свойства, качествено подобни на графена. „Можете да изследвате свойства, които все още не са наблюдавани в истинския графен, тъй като той няма необходимата чистота“, посочва той в имейл.

Производство на графен в компанията Graphenea, в Сан Себастиан.
Този нов материал е произведен чрез поставяне и преместване на молекули въглероден оксид върху медна повърхност, въпреки че според Гвинея „могат да се използват и други метали“. Засега „изкуственият е по-скъп за производство от другия графен“.

Преди да види продукти, направени от графен, Гвинея вярва, че ще е необходимо да се "намалят разходите". Изследователят се надява "че демонстрацията, че може да се произвежда изкуствен графен, ще доведе до други групи, които помагат за подобряване на производствените техники".

Вдъхновяващо от други материали

Сред другите двуизмерни материали, които графенът е вдъхновил, Елза Прада изтъква флуорографен (двуизмерен аналог на тефлон, с изключителни смазващи и изолационни свойства), шестоъгълен борен нитрид (кристален и прозрачен изолатор, с голяма твърдост, който се комбинира с графен подобрява своите електромеханични свойства), молибденов дисулфид (друг двумерен кристал с обещаващи свойства за изграждането на нов клас транзистори) или силицин (версия на графен, направен от силиций. Той има някои общи свойства с графена и като предимство може лесно да се интегрира с текущата силициева електроника.

Прада, който е работил с Константин Новоселов, един от откривателите на графен, подчертава високото ниво на испанската наука при изучаването на този материал: «Испанският възел на водещия проект на ЕС е един от най-активните и насърчава основните изследвания както и трансфера на тези знания в индустрията “, задача, която, ако бъде успешна,„ ще включва голямо количество средства за изследвания и развитие на графеновата технология в Испания “, добавя Прада.

«В тези кризисни времена нашите трябва да залагат на това да станат производители (а не просто потребители) на решения и продукти с потенциал и търсене. По-специално, графенът може да ни даде възможността да бъдем световни лидери и износители на бъдеща технология “, заключава той.