Графен является одним из самых универсальных материалов. Он может производить электричество, из него можно изготовлять экраны для мобильных устройств, он может даже наделить нас «зрением Хищника». Однако новое исследование показывает, что графен при всех его положительных качествах может также и негативно влиять на окружающую среду.
Новое исследование в области под названием плазмоника породило надежды для всех видов, казалось бы, неправдоподобных изобретений вроде убивающих рак нанотрубок и мобильных телефонов, распечатанных на футболках. Это еще один прорыв, который могут записать на своей счет углеродные нанотрубки и их братский материал графен, позволивший исследователям воспроизвести функции лазера в гораздо меньших масштабах, чем мог позволить старый скучный свет.
Графен уже давно называют самым удивительным материалом современности. Он может изменить путь развития электроники. До недавнего времени производство графена было связано с определенными трудностями. Однако южнокорейская технологическая компания Samsung смогла решить эту проблему.
Новое исследование из Университета штата Арканзас показало, что наночастицы платины автоматически ограничивают собственный размер и организуются в конкретные модели, когда связываются со свободным графеном.
Графен является по-настоящему одним из самых удивительных материалов 21 века. Его невероятные физические, химические и электрические свойства позволяют ему найти свое применение практически в любой сфере, начиная от производства ячеек солнечных батарей и заканчивая производством крошечных антенн. Тем не менее группа европейских исследовательских институтов объединила усилия для создания искусственного графена, который может оказаться еще более эффективным материалом.
2013 год принес нам много интересных и многообещающих достижений во всех сферах техники. Перед вами самые, на мой взгляд, интересные моменты, идеи и продукты, которым мы уделили внимание за прошедший год.
В настоящее время в современных процессорах насчитывается более миллиарда транзисторов, которые подключаются к контуру через медные соединения. При таком количестве транзисторов приходится создавать довольно большое количество медных соединений, которые не всегда рационально использовать.
Графен — материал, который является формой углерода, имеет множество областей применения в современной науке. Теперь к его свойствам можно добавить возможность работать в качестве радиопередатчика. Исследователи из Колумбийского университета в Нью-Йорке продемонстрировали микроскопическое устройство, созданное на основе полосы графеновой пленки, которое может выполнять передачу сигнала в FM-диапазоне. Таким образом такое устройство является самым маленьким радиопередатчиком в мире.
Группа экспертов из Техасского университета в Остине объявила о том, что разработан новый метод производства больших кристаллов графена, которые по размеру примерно в 10 тысяч раз больше, чем те, что ученые могли создать 4 года назад. Благодаря новому методу теперь имеется возможность создавать кристаллы размером до одного сантиметра, а в некоторых случаях и еще больше.
Научные сотрудники из Университета Райса, используя компьютерное моделирование выяснили, что карбин, состоящий из расположенных параллельно друг другу цепочек атомов углерода, в два раза прочнее углеродных нанотрубок и в три раза тверже, чем алмаз. Если их исследования действительно верны и в будущем люди смогут справиться с проблемами производства этого материала, то карбин может оказаться невероятно полезным элементом для очень широкого спектра применения.
Самолеты, поезда, автомобили, здания, инструменты, железная начинка, камеры, оборудование, оружие, техника — все эти вещи, без которых мы не представляем свою жизнь, когда-нибудь ржавеют. Простое проклятие железа — процесс окисления — дало жизнь целым отраслям, которые чинят, предотвращают и предупреждают этот разрушительный процесс. Ученые, конечно, пытаются что-то с этим поделать, но они зашли не так далеко, как исследователи из Университета Райса.
Почти десять лет назад голландско-британский физик русского происхождения Андрей Гейм наткнулся на вещество, которое должно произвести революции в нашем понимании материи. Вместе с коллегой Костей Новоселовым они получили Нобелевскую премию по физике за 2010 год. Этим веществом был графен — одноатомный слой углерода. Профессор физики в Манчестерском университете дал интересное интервью CNN и рассказал, как открыл первый в истории двумерный материал.
Графен — это лист атомов углерода, выстроенных в сотовую структуру, в один атом толщиной. Известно, что графен может стать лучшим полупроводником, нежели кремний — если мы сможем сделать ленту шириной в 20-50 атомов. Возможно, нам поможет ДНК.
Как вы, возможно, знаете, мобильные телефоны требуют небольшого количества редкоземельных элементов: галлия, индия и мышьяка, которые одновременно являются дефицитными и дорогими. Но что, если бы можно было делать телефоны из наиболее распространенных элементов, вроде углерода. Ведь этот химический элемент не перестает нас удивлять.
Каждые несколько лет появляется новость про материал, который «прочнее алмаза». Чаще всего речь о карбине. И здесь важно сразу честно расставить акценты: карбин действительно превосходит алмаз и графен по расчётам, но это пока теоретическое предсказание, а не результат лабораторного измерения. Разберёмся, что это за вещество, откуда взялась сенсация и можно ли вообще держать карбин в руках.
Что такое карбин: одномерная цепочка из атомов углерода
Углерод умеет собираться в очень разные структуры. Из него состоят и мягкий грифель карандаша, и твёрдый алмаз — разница только в том, как атомы соединены друг с другом. Карбин — это одномерный аллотроп углерода, то есть просто длинная линейная цепочка атомов, вытянутая в одну линию.
Связи внутри этой цепочки бывают двух типов: либо чередование тройных и одинарных связей (такую форму называют полиином), либо одинаковые двойные связи подряд (кумулен). Если графен — это двумерный лист толщиной в один атом, алмаз и графит — трёхмерные структуры, а фуллерены условно нульмерные шарики, то карбин занимает нишу «одномерного» углерода — нить толщиной в один атом.
Идея не новая. Ещё в 1885 году немецкий химик Адольф фон Байер описал такую цепочку и заодно предсказал, что выделить её в чистом виде не получится: вещество слишком охотно вступает в реакции и разрушается. Это предупреждение, как мы увидим, оказалось пугающе точным.
Откуда взялась сенсация «прочнее алмаза»: Университет Райса, 2013
Громкие заголовки про «самый прочный материал в мире» выросли из одной конкретной работы. В 2013 году команда Университета Райса под руководством Бориса Якобсона рассчитала свойства карбина с нуля — методом первопринципного моделирования (first-principles, то есть из базовых законов физики, без подгонки под эксперимент). Расчёты вели аспирант Минцзе Лю и постдок Василий Артюхов.
Статья с говорящим названием «Carbyne from First Principles: Chain of C Atoms, a Nanorod or a Nanorope» вышла 9 октября 2013 года в журнале ACS Nano. Именно отсюда пошла волна публикаций о суперматериале.
И вот ключевой нюанс, который теряется в пересказах. Это вычислительное предсказание, а не измерение. Учёные посчитали, какими свойствами обладала бы идеальная цепочка карбина, если бы её удалось получить и удержать. Разница примерно как между расчётной максимальной скоростью автомобиля на бумаге и реальным заездом — цифры впечатляют, но проверять их в железе ещё предстоит.
Свойства карбина: цифры и сравнение с алмазом и графеном
Теперь к самим числам — они и правда рекордные. По расчётам Райса:
прочность на разрыв вдвое выше, чем у графена;
жёсткость на растяжение вдвое выше графена и углеродных нанотрубок и почти втрое выше, чем у алмаза;
удельная прочность достигает 7,5×10⁷ Н·м/кг — это больше, чем у любого известного материала;
чтобы разорвать одну атомную цепочку, нужна сила около 10 наноньютонов;
расчётный модуль Юнга (мера жёсткости) — порядка десятков ТПа, в публикациях фигурирует величина около 32,7 ТПа.
Удельная прочность — это прочность с поправкой на массу: насколько материал крепкий относительно своего веса. Поэтому корректнее говорить не «карбин просто прочнее всего», а «карбин даёт лучшее сочетание прочности и лёгкости из всех, что мы знаем». Если вас вообще интересует, какой материал самый прочный на практике, то ответ зависит именно от того, что мерить — абсолютную прочность или удельную.
Интересно, что механикой дело не ограничивается. Растяжение всего на 10% заметно меняет электронную запрещённую зону карбина, а при скручивании цепочки на 90° он превращается в магнитный полупроводник. Плюс у него огромная удельная площадь поверхности — примерно в пять раз больше, чем у графена. Для химии и сенсоров это иногда важнее голой прочности. Кстати, у обычного графена в машинах прикладные применения уже появляются — карбину до этого пока далеко.
Можно ли вообще получить карбин: рекорд длины цепочек, Вена, 2016
Здесь и кроется главная проблема. Свободный карбин крайне реакционноспособен: цепочки почти мгновенно сцепляются друг с другом и разрушаются. Именно поэтому осторожное предсказание фон Байера остаётся в силе — как объёмный стабильный материал в свободном виде карбин так и не получен.
Прорыв в стабилизации произошёл иначе — цепочку решили спрятать. В 2016 году группа Томаса Пихлера из Венского университета вместе с командой Анхеля Рубио вырастила цепочки длиной более 6400 атомов углерода внутри двустенных углеродных нанотрубок — нанотрубка работала как защитный «нанореактор». Для сравнения: предыдущий рекорд 2010 года составлял всего 44 атома.
Эта работа вышла в Nature Materials под названием «Confined linear carbon chains as a route to bulk carbyne». То есть лучшее, что умеет наука сегодня, — это длинные нити карбина, заключённые в углеродную оболочку, а не свободный материал, из которого можно что-то сделать. Любопытно, что сами углеродные нанотрубки уже доросли до рабочих прототипов электроники, тогда как карбин внутри них пока остаётся объектом изучения.
Зачем карбин нужен и где он может пригодиться
Раз материала в чистом виде нет, разговоры о применении — это пока про потенциал, а не про готовые устройства. Но направления понятны и логично следуют из свойств. Сверхвысокая удельная прочность интересна для наномеханики: покрытий, композитов, усиления нанотрубок. Чувствительность электронных свойств к растяжению и скручиванию делает карбин кандидатом в наносенсоры и переключаемые элементы — те самые места, где малейшая деформация должна давать измеримый электрический отклик.
Есть и более широкий контекст. Углерод всё чаще рассматривают как замену кремнию в будущей электронике — об этом говорит, например, идея заменить кремний углеродом в компьютерах. Карбин в этой логике — крайний случай миниатюризации: проводник толщиной буквально в один атом.
Если вы планируете отличать реальные новости о карбине от рекламных, держите простой фильтр: смотрите, измерены свойства или рассчитаны, и удалось ли удержать материал вне нанотрубки. Пока ответ на второй вопрос «нет», любой заголовок про «материал прочнее алмаза уже здесь» стоит читать как «по расчётам — да, на практике — ещё нет». Именно эта граница между предсказанием и экспериментом и есть самое интересное место всей истории карбина: следующий настоящий прорыв случится в день, когда расчёты Райса наконец проверят на свободной цепочке.
На пути солнечной энергетики много преград, в том числе и экономических. В производстве солнечных ячеек используется один из самых дорогих металлов нашей планеты: платина. Даже небольшое его количество делает солнечные ячейки весьма дорогими. Ведь всего за одну унцию (~28,35 грамм) этого серебристого металла приходится платить 1 тысячу 500 долларов США. Но, похоже, ученые нашли наконец-то способ заменить драгоценную платину дешевым трехмерным графеном. Да, современной науке приходится думать не только над тем, как создать провода, выдерживающие сверхнизкие температуры, но и о том, как сделать свои разработки недорогими и несложными для внедрения.
В лабораторных условиях суперконденсаторы на основе графена в сравнении с обычными традиционными уже доказали свою состоятельность. Однако ученые из австралийского Университета Монаша (Мельбурн) заявляют, что разработали новый и эффективный с экономической точки зрения метод производства суперконденсаторов на основе графена, который делает их еще на один шаг ближе к возможности коммерческого применения.
Ученые всего мира неустанно думают о том, как усилить самое слабое место современных девайсов: их аккумуляторы. Например, для электромобилей разрабатываются серные батареи. На днях поступило новое сообщение: японская фирма Nippon Steel & Sumikin Chemical Co Ltd разработала новый материал, получивший название «эскарбон» («Escarbon»), предназначенный в том числе и для батарей. В работе над эскарбоном принимал участие почетный профессор Института молекулярных наук (Institute for Molecular Science) Нобуюки Ниши (Nobuyuki Nishi). Эскарбон представляет собою пористый углерод, обладающий способностью впитывать газ. В настоящее время уже существуют реальные образцы этого нового японского материала.
Специально для тех, кто стесняется носить цифровые очки Google Glass, исследователи разрабатывают альтернативу в виде контактных линз. Именно они смогут однажды заменить экраны смартфонов. Научные работники нескольких институтов, включая две исследовательские лаборатории Samsung, разработали электронные контактные линзы на основе наноматериалов. Новые материалы помогут сделать надеваемые на глаза дисплеи более практичными, уверены ученые.
Что ни день, то новая графеновая революция. На сей раз подходящее применение легендарному материалу нашли на рынке фото- и видеокамер. Суть в том, что ученые из Наньянского технологического университета (Китай) нашли способ использования графена при создании оптических сенсоров для камер.
