7 Мая 2018

Графен - модификация водорода, способная решить множество крупных проблем в мире

Опубликовал К.В. Кулик

         Решением проблемы устойчивого существования общества в современных условиях занимаются повсеместно  многие именитые организации и научные образования. И это помимо политических формирований и общественных организаций. В эти проблемы входит сохранение экосистем суши и рационального использования её ресурсов, контроль над вымиранием биологического разнообразия и способствования росту популяций и тех видов флоры, находящихся на грани вымирания. Также сюда стоит отнести и разнообразие энергетических злободневных вопросов, особенно остро стоящих в современном мире, а также проблем мира на нашей планете. Пускай всего этого достичь весьма сложно, но ответ на все эти проблемы может оказаться один, и он носит имя графен.

       Что такое Графен?

         Что собой представляет графен? Структуру атомов углерода, выстроенных в цепочку шириной в один атом, и представляющих футуристический материал, способный на решение многих особо потенциальных и острых проблем человечества. Именно такое вещество является самым тонким в мире, но при всём при этом являющееся прочнее в 200 раз чем сталь, но при этом имеющее необыкновенную гибкость, растягивающееся, имеющее способность к самовосстановлению. Также, что примечательно, графен обладает сверхпроводимостью. Квадратному метру этого вещества будущего весом в 0,0077 грамма под силу выдерживать 4 кг нагрузки, а тонкая графеновая нить будет равна по прочности толстому стальному тросу, то есть она будет способна выдержать нагрузку никак не меньше.

         Стоить также отметить достаточно высокую проводимость электричества и тепла, открывающую разнообразнейшие перспективы в применении этого материала.

         Графен способен сам закрывать дырки в своей структуре, что само по себе является большой редкостью для всех видов материалов, известных на сей день, а значит имеет ряд решающих преимуществ перед другими веществами.

         Последние десять лет заголовки про графен широко котировались в научных и не очень кругах, где он позиционировался как чудо-материал, имеющий свойства, превышающие самые смелые ожидания. Однако, как видим, воплощение в реальность использования графена слегка затянулось на протяжении столь близкого к нам времени. Новому материалу надо пройти свой путь от смелых ожиданий к разрушительной касаемо иллюзий реальности, которая развенчивает некоторые ошибочные позитивные ожидания и надежды.

         Графен впервые выделили в 2004 году научные сотрудники Манчестерского университета. Успех был настолько ошеломляющ и восхитителен, что заслужил огромное признание во всех кругах и принёс Нобелевскую премию в 2010 году. Но широкому применению графена помешала такая общая не радующая черта для всех чудо-материалов, как отсутствие широкого производства. Новые технологии весьма сложно налаживать и сразу пускать на поток, поэтому нельзя пока говорить о какой-то массовости и всеобщей доступности графенового производства. Также немаловажное и даже решающее действие оказывает отсутствие именно дешёвой технологии производства, то есть собственно того самого дешёвого графена, который бы использовался широко и масштабно повсеместно.

         Но сдаваться в отношении этого перспективного направления никто так и не хочет, и даже более того не собирается. Получать графен из взрывов – вот что решила группа учёных из Канзасского университета, заполнив камеру при помощи ацетилена или этилена с кислородом. Свеча зажигания автомобиля используется для того, чтобы заполнившая ёмкость смесь детонировала, после чего можно подобрать графен. Основа этого метода очень проста. Эти составы состоят из водорода и углерода, и когда поглощаемый при взрыве водород выделяется из смеси, то углерод начинает вступать в реакцию с самим собой, образуя связи, и всё, что потребуется для этого, всего лишь такая небольшая вещь, как маленькая искорка.

         Можно ли говорить о том, что этот метод поставит на поток производство данного материала и вообще совершит графеновую революцию – вопрос пока открытый и только время покажет его эффективность и практическую применимость в реальности.

       Графен и вода

         Проблема недостатка питьевой воды всё растёт, тогда как её запасы всё плавно уменьшаются. Человечество бьёт тревогу, и это недаром, ведь скоро проблема воды станет особенно остро. Хотя бы потому, что тенденция загрязнения водной среды никак не желает идти на убыль. ООН подсчитала, что проблема дефицита питьевой воды затрагивает более 40% мирового населения, и такое количество с годами будет только расти, а не идти на убыль, что означает питьевую катастрофу. Решением данной проблемы могут послужить графеновые фильтры, помогающие отфильтровать морскую воду для употребления её человеком. Были разработаны и созданы масштабируемые сита, позволяющие опреснять воду. Также были разработаны графеновые сита, позволяющие легко отделить и отфильтровывать частицы и объекты более нанометра. Такую структуру можно использовать для фильтрации микробов и бактерий, также микроорганизмов, веществ, агрессивных ко среде, вирусов и химических веществ. Такое без всякого сомнения очень пригодится в молочной промышленности, винодельной отрасли или в производстве фармацевтических веществ и препаратов.

       Графен и углеродные выбросы

         Изменение климата влечёт за собой огромные непредсказуемые климатические изменения, касаемые погоды, поведения природы в целом и прочих проявлений как например стихийные бедствия. Конечно, немалую часть пагубных изменений в среду приносят парниковые газы, в частности углекислый газ, который вырабатывается и выбрасывается в огромных количествах, загрязняя атмосферу и привнося огромный отрицательный вклад в существование окружающей среды. Пока что можно только предполагать, насколько прекрасным будет такой выход из сложившейся ситуации, как графеновые мембраны, улавливающие углекислый газ. По сути, мы снова возвращаемся к тому, о чём говорили. Мы должны понимать, что такие мембраны отлично выступают в качестве фильтров, причём их удобство состоит в том, что их масштабы регулируются.

         Нежелательные и пагубные для экологии вещества могут отделяться от промышленных и бытовых выбросов всего лишь при помощи графеновой мембраны. Осталось дело за малым, всего лишь теперь начать производство графена, а затем конструировать и реализовать вышеназванные мембраны.

       Графен и здоровье

         Комплекс мер и воздействий, направленных на комплексное поддержание здоровья каждого из членов социума именуется здравоохранением. Его первоочередной задачей является обеспечение и присмотр за больными и оказание им своевременной помощи и консультационных услуг.

         Немаловажным моментом, привлекающим внимание здравоохранения по отношению к графену является то, что его твёрдость и гибкость вместе с лёгким весом делает его незаменимым в будущем материалом протезирования. Такой протез не будет мучить своего хозяина, ведь плюс таких материалов, как графен, является в их естественности в качестве протезов, а также гибкости. Такому протезу не страшны износ или недолговечная эксплуатация. Фактически же в настоящее время ведётся исследование и разработки, позволяющие уже распечатывать протезы на 3D принтерах.

         Графен благодаря своей проводимости способен заменять не только кости. Он может заменить и нервы благодаря своей огромной проводимости, что делает переворот в современной медицине. Наука идёт всё дальше, и в данный момент времени ведутся исследования, которые позволят печатать на вышеназванных принтерах также и человеческие нервы.

         Одним из инновационных применений графена также является его применение в качестве биомедицинского датчика для фиксирования болезней и вирусов в организме. Такие датчики могут быть сверхчувствительны, опять же благодаря своей сверхпроводимости у графена. Токсины такой датчик обнаружит в десять раз точнее, чем всякий современный новейший датчик, и его возможно размещать над кожей или под кожей. Интересно, что такой датчик может находить и нейтрализовать даже одну раковую клетку.

       Графен и инфраструктура

         Еще одним немаловажным путём развития современного мира является расширение и развитие инфраструктурных связей. В этом деле огромную роль сыграют композиты, укреплённые графеном. Они помогут в строительстве, укрепляя материалы, которые становятся особо прочными, при этом уменьшая их вес, в случае если мы говорим о бетоне, цементе и асфальте. При добавлении в резину графена она становится ещё более эластичной и усиливается её функциональность. Таким образом, при добавлении графена в материалы они только выигрывают во всех своих  технических характеристиках, и улучшаются все их качества, а также нельзя не отметить повышение их сопротивляемости износу.

         Трубы из резины с добавлением графена стали бы отличным ответом на извечный вопрос о устойчивости к коррозии.

         Графен и энергия

         Извечный не менее вопрос о дешёвой и доступной энергии легко бы был снят, если бы использовался этот эластичный, прочный и сверхпроводимый материал, ведь графен может быть использован при изготовлении более проводимых и универсальных солнечных панелей. Благодаря ему их можно создавать гораздо более лёгкими, гибкими, недорогими и прозрачными, что превратить в источник получения солнечной энергии практически любую доступную поверхность. Из графеновых композитов можно легко и просто производить ветровые турбины, несмотря на большие габариты, которые будут удивлять и приятно радовать своей лёгкостью и удобством в эксплуатации.

         Графен уже используют для того, чтобы улучшить ставшие уже привычными и даже устаревшими литий-ионные батареи, которые с добавлением этого материала легко и просто используются в бытовой технике и электронике и прочей аппаратуре. Разрабатываются способы применения графена в качестве аэрогелей и для хранения энергии.

         Ещё одно место для применения графена состоит в разработке и создании гибких дисплеев на замену дорогостоящему и очень хрупкому оксиду индия-олова, который в разы уступает параметрам графена, и даже его стоимости. Тонкий, лёгкий графен хорошо встроится в качестве чипа в лёгкие и тоненькие вещи, как например в бумагу или одежду.

         Этот материал перспективен в качестве достойного заменителя традиционных кремниевых транзисторов. Графен возможно применять при производстве полевых транзисторов. Кремниевому транзистору уже нужен достойный заменитель, ведь его уменьшать бесконечно нельзя. Графен же позволяет уменьшать транзистор сколь угодно без потери полезных и важных свойств, что собственно и составляет преимущества транзисторов. Интегральные схемы, выполненные из графена уже в разработке, и их предельная температура, при которой они способны работать согласно рассчитанным предварительным данным составляет 128 градусов Цельсия.

         Графен как материал был открыт физиками при попытке исследовать вибрации графена. Тогда они обнаружили свойство сплошного двухмерного атомного полотна вести себя как трёхмерное. Таким образом они обнаружили своеобразные пробелы в законах физики и заставили их сыграть себе на руку, открыв новое, совершенно другое вещество, использование которого совершило бы полнейшую и полномасштабную революцию прогресса в мире. Прогнозы по использованию графена настолько впечатляющи что вполне сойдут за научную фантастику, ведь благодаря ему можно получить практически нескончаемое количество энергии.

         Суть открытия была такова, что если мы возьмём чистый белый лист и начертим на нём грифельным стержнем полосу или линию, то она представит из себя тонкую атомную цепочку. Научными сотрудниками Манчестерского университета была поставлена задача: а что, если мы возьмём и отделим линию от поверхности и заставим её быть самостоятельной плоскостью. Но для осуществления этого нужна некоторая вибрация, присущая атомам графена, которые образовывают плоскость и накладываются друг на друга. Однако при этом атомарные связи не подвергались спонтанному распаду. Колебания атомов и энергия, которая выделяется при этом, позволили предположить исследователям, что возможно использовать графен в качестве небольших источников энергии для работы небольших и малозатратных в плане энергии гаджетов.

         Графен является формой углерода, который может существовать во многообразии самых разнообразных модификаций. Его особенностью являются именно кристаллические решётки самых разных типов.

         Трудностью в изучении графена и его свойств является то, что материал зависит от своей подложки, а значит точные измерения провести довольно сложно, хотя и осуществимо.

         Интерес к новому виду материала будет только расти, ведь с его помощью можно решить не просто ряд изолированных проблем, а именно поступить в решении их комплексно, внедрив всего лишь один материал в производство новых оборудований. Проблема питьевой воды решаема посредством опреснения морской при помощи графеновой плёнки, выступающей в качестве фильтра, использование графена в качестве нового вида солнечных коллекторов может сильно упростить внедрение в жизнь альтернативных источников энергии, а эксплуатация и разработка микропроцессорной техники на базе транзисторов, выполненных на графеновой подложке может произвести переворот в области вычислительной техники и интеллектуальных систем. Основной проблемой развития данных технологий является одно крайне важное и досадное обстоятельство. Наличие финансирования и условий для развития данной технологии, без которых дальнейшее перспективное развитие добычи графена и его применения в реальности не является возможным. Стоит заметить, что основная роль данного материала состоит в том, что именно при условии его внедрения по нескольким направлениям сразу может дать уверенность насчёт благоприятного исхода нескольких кризисов, к которым неуклонно приближается всё общество, а значит, проблема развития данной технологии гораздо ближе нам, чем можно подумать. Поэтому в мире наблюдается интересная тенденция, а именно скорее всего гонка за тем, чтобы занять наиболее выгодное лидерское положение в отрасли графеновых производств материалов. Это происходит потому, что рынок таких материалов только зарождается, а значит, на глазах у нас всех зарождается новая, абсолютно меняющая мировой уклад перспектива развития, способная поменять и разделить и существующий мировой порядок, ведь речь идёт не об обладании ресурсами или продажей энергии, а о совершенно новом подходе к промышленности, науке и технологиям.