גראפן ויישומה. הגילוי של גרפן. ננוטכנולוגיה בעולם המודרני

יחסית לאחרונה במדע וטכנולוגיה הוא אזור חדש, שנקרא ננוטכנולוגיה. סיכויי משמעת זה לא פשוט עצום. הם שאפתניים. החלקיק, המכונה "ננו" הוא ערך שווה אחד חלק מיליארדים של שבריר של כל ערך. בגדלים אלה ניתן להשוות רק לגודל של אטומים ומולקולות. לדוגמה, ננומטר נקרא אחד חלקי מיליארד של מטר.

הכיוון העיקרי של תחום מדעי חדש

ננוטכנולוגיה בשם אלה לתפעל את העניין ברמה של מולקולות ואטומים. לכן, בתחום זה של המדע נקרא גם טכנולוגיה מולקולרית. מה היה המניע לפיתוח שלה? ננוטכנולוגיה בעולם המודרני הופיעה בזכות ההרצאות Richarda Feynmana. בשינה אותו המדען הוכיח כי אין מכשולים ליצירת דברים ישירות מן האטומים.

אמצעי מניפולציה יעילה של חלקיקים זעירים המכונים מאספת. nanomachine מולקולרי זה, אשר ניתן להשתמש בהם כדי לבנות מבנה כלשהו. לדוגמה, את האסמבלר יכול להיקרא הריבוזום טבעי לסנתז חלבון ביצורים חיים.

ננוטכנולוגיה בעולם המודרני אינה רק באזור אחד של מומחיות. הם מייצגים טווח רחב של מחקרים הקשורים ישירות מדעי יסוד רבים. ביניהם פיזיקה, כימיה וביולוגיה. לדברי מדענים, מדעים אלה יקבלו את התמריץ החזק ביותר לפיתוח על רקע המהפכה הנה הקרובה.

תחום היישום

רשימה כל תחומי פעילות אנושית, שבו ננוטכנולוגיה משמש היום, זה בלתי אפשרי בגלל הרשימה מאוד מרשימה. אז, בעזרת שדה זה של המדע מיוצרים:

- התקנים להקלטה superdense כל מידע;
- ציוד שונה;
חיישנים, - תאים סולריים, טרנזיסטורים מוליכים למחצה;
- מידע, מחשוב וטכנולוגיות מידע;
- nanoimprint ו nanolithography;
- התקנים לאחסון אנרגיה, ותאי דלק;
- הגנה, יישומי חלל ותעופה;
- bioinstrumentary.

על התחום המדעי הזה של ננוטכנולוגיה ברוסיה, ארה"ב, יפן ומדינות אירופאיות עם מימון יותר מוקצה מדי שנה. זאת בשל הסיכויים העצומים לפיתוח תחום זה של מחקר.

ננוטכנולוגיה מפתחת ברוסיה פי תכנית היעד הפדרלית, אשר מספקת לא רק גדולות בעלויות כספיות, אלא גם נושאה כמות גדולה של עבודות תכנון ומחקר. כדי להשיג את המטרות הולכות לאחד את המאמצים של מערכות מדעיות וטכנולוגיות שונות ברמה של חברות מקומיות ובינלאומיות.

חומר חדש

ננוטכנולוגיה אפשרה למדענים לייצר צלחת פחמן קשה יותר יהלום שאת העובי הוא רק אטום אחד. הוא מורכב גרפן. זהו החומר הדק ביותר, החזק ביותר ביקום, אשר מעביר חשמל הרבה יותר טובה מאשר שבב מחשב סיליקון.

הגילוי של גרפן הוא אירוע מהפכני אמיתי, אשר יאפשר שינוי הרבה בחיינו. חומר זה הוא תכונות פיסיקליות כך ייחודיות שמשנה את הטבע האנושי המיסוד של דברים וחומרים.

היסטוריה של גילוי

גרפן הוא גביש דו-ממדי. המבנה שלו הוא סריג משושה המורכב מאטומי פחמן. לימודים עיוניים של גרפן נכתבו הרבה לפני מקבל עיצובים האמיתיים שלו, מכיוון שחומר זה הוא הבסיס להקמת גביש גרפיט תלת ממדי.

אפילו 1947 ג פ Volles לו כמה מאפיינים של גרפן, המוכיחים כי המבנה שלו הוא מתכות דומה, וכמה מאפיינים דומים לאלה של חלקיקים אולטרה-יחסותית, הנייטרינו פוטונים חסרי מסה. עם זאת, החומר החדש יש הבדלים משמעותיים מסוימים שהופכים אותו לייחודי בטבע שלה. אבל האישור של ממצאים אלה הושג רק ב 2004, כאשר קונסטנטין Novoselov ואת אנדריי Geim הושג לראשונה על ידי פחמן במדינה חופשית. חומר חדש זה נקרא גרפן, והיה מדעני גילוי גדולים. מצא פריט זה ניתן להשתמש בעיפרון. מוט גרפיט שלה מורכב מספר שכבות של גרפן. איך עיפרון משאיר חותם על הנייר? העובדה היא שלמרות עוצמתו של רכיבי הליבה של השכבות, קיים קשר חלש מאוד ביניהם. הם מאוד קלים לנפול במגע עם הנייר, ומשאירים שובל בכתב.

שימוש בחומר החדש

לדברי המדענים, החיישנים המבוססים על גרפן, יוכלו לנתח את הכוח ואת מצבו של המטוס, וכן לחזות רעידות אדמה. אבל רק כאשר החומר בעל תכונות כאלה יעזוב מעבדות קיר מרהיבות הופכות יישום מעשי ברור יפתח בכיוון של החומר. נכון להיום יום, כימאים, פיזיקאים ומהנדסים חשמל הם כבר מתעניין את היכולות הייחודיות של גרפן. רק לאחר כמה גרמים של חומר יכול להיות מכוסה בשטח, שווה מגרש כדורגל.

גראפן ויישומה שעשויים להיחשב בייצור לוויינים ומטוסים קלים. בתחום זה, החומר החדש יכול להחליף את סיבי פחמן של חומרים מרוכבים. ננו עשוי לשמש במקום טרנזיסטורים מסיליקון ויישומה פלסטיק נותן לו מוליכות חשמלית.

גראפן והשימוש בו נחשבים בייצור חיישן בעניינים. התקנים אלה נוצרים על בסיס החומר העדכני יוכלו לזהות את מולקולת המסוכן ביותר. אבל השימוש-אבקות ננו בייצור סוללות חשמליות בזמנים כדי להגביר את יעילותן.

גראפן ויישומה נדונים אופטו. החומר החדש יתברר פלסטיק קל משקל ועמיד מאוד שממנו המכולות תאפשרנה במשך כמה שבועות כדי לשמור על טריות מזון.

השימוש גרפן וצפוי לייצר ציפוי מוליך שקוף נדרש עבור צגים, פנלים סולאריים וכן חזק יותר בפני השפעות מכאניות של טורבינות רוח.

nanomaterial בהתבסס יהיה ציוד ספורט טוב, שתלי קבלים רפואיים.

כמו כן, גרפן ויישומה רלוונטי:

- בתדר גבוה מכשירים אלקטרוניים הספק גבוה;
- קרום מלאכותי להפריד נוזלי שני במיכל;
- שיפור תכונות המוליכות של חומרים שונים;
- יצירת תצוגה על האור האורגני דיודה;
- פיתוח מואץ של טכניקות חדשות של רצפי DNA;
- שיפור מציג גביש נוזלי;
- טרנזיסטורים בליסטיים.

השימוש בענף הרכב

לדברי החוקרים, את האנרגיה הספציפית מתקרב גרפן 65 קוט"ש / ק"ג. נתון זה הוא 47 פעמים גבוהה יותר מזו שהן כל כך נפוצות בימינו סוללות ליתיום-יון. עובדה זו, מדענים השתמשו כדי ליצור דור חדש של מטענים לסוללות.

סוללת פולימר גראפן - המכשיר שבאמצעותו הכוח החשמלי המרבי שמרה ביעילות. נכון לעכשיו, את העבודה על זה מתבצעת על ידי חוקרים בארצות רבות. התקדמות משמעותית הושגה מדענים ספרדיים בעניין זה. גראפן-פולימר סוללה, הם יצרו יש צריכת אנרגיה, מאות פעמים יותר מאשר דמות דומה עבור סוללות קיימות. הם משתמשים בו כדי לצייד כלי רכב חשמליים. המכונית, אשר מותקנת סוללת גרפן, יכולה לנסוע מבלי לעצור אלף קילומטרים. כדי לטעון את מקור האנרגיה החשמלית כאשר תשישות תצטרך לא יותר מ 8 דקות.

מסכי מגע

מדענים ממשיכים לחקור גרפן, יצירת דברים חדשים ללא תחרות. לפיכך, שהנני-החמצנים מצא היישום שלה בייצור שמייצר מסכי מגע עם מסך רחב. המונח עשוי להופיע מכשיר גמיש מסוג זה.

מדענים קבלו גיליון גרפן מלבני בהצורה והפכו אותה אלקטרודה שקופה. גם הוא השתתף במלאכה של מסך המגע, מקטין מאוד את העמידות, שקיפות, גמישות, ידידותי לסביבה ובעלות נמוכה.

גרפן קבלה

מאז 2004, כאשר הוא פתח את ננו החדש, התמחו המדענים מספר שיטות הכנה שלה. עם זאת, הבסיסי ביותר של דרכים אלה נחשבים:

- שרה מכאנית;
- צמיחה epitaxial בריק;
- קירור perofaznogo כימי (בתהליך CVD).

הראשון מבין שלוש השיטות הללו הוא פשוטים ביותר. ייצור גרפן עם שרה מכאנית הוא יישום מיוחד של גרפיט אל פני השטח הדבק נייר דבק. אחרי הבסיס הזה, כמו דף נייר, מתחילים להתכופף לְהִתְרַכְרֵך, הפרדת החומר הרצוי. כאשר פונה גרפן שיטה זו להשיג את האיכות הגבוהה ביותר. עם זאת, פעולות כאלה אינן מתאימות לייצור המוני של ננו.

כאשר בשיטת גידול epitaxial של פרוסות סיליקון דקות משמשים, שכבת הקרקע שבה הוא סיליקון קרביד. יתר על כן, החומר הזה הוא מחומם בטמפרטורה גבוהה מאוד (1000 K). כתוצאה מתגובות כימיות מופרד אטומי סיליקון של אטומי פחמן, שהראשון בהם לאדות. כתוצאה מכך, את השיא נשאר גרפן טהור. החיסרון של שיטה זו הוא הצורך של שימוש בטמפרטורות גבוהות מאוד, אשר יכול להתרחש בעת שריפה של אטומי פחמן.

השיטה אמינה ופשוטה ביותר המשמש לייצור המוני של גרפן, תהליך-CVD. זוהי שיטה שבה התגובה הכימית בין גזי זרז פחמימנים מצופה מתכת.

המייצר גרפן?

נכון להיום, החברה הגדולה, מייצרת שהנו-חומר חדש ממוקם בסין. שם היצרן - Ningbo Morsh הטכנולוגיה. ייצור גרפן שהתחיל ב 2012.

הצרכן העיקרי של nanomaterial הינה חברה צ'ונגצ'ינג Morsh טכנולוגיה. גראפן להשתמש בו לייצור סרטים מוליכים שקופים, אשר מוכנסים לתוך מסך מגע.

יחסית לאחרונה, חברה ידועה נוקיה פרסמה פטנט על חיישן התמונה. כחלק נחוץ זה כמה שכבות של אלמנט מכשיר האופטי גרפן. חומר כזה המשמש החיישנים של מצלמות מגדיל מאוד את הרגישות שלהם (עד פי 1000). במקביל נצפתה הפחתה בצריכת החשמל. מצלמה טובה עבור הטלפון החכם גם תכיל גרפן.

הכנת בסביבה ביתית,

האם אפשר לייצר גרפן בבית? מסתבר, כן! אתה רק צריך לקחת קיבולת בלנדר במטבח של לא פחות מ 400 W, ופעל על פי השיטה שפותחה על ידי הפיזיקאים האיריים.

איך לייצר גרפן בבית? לשם כך כוס בלנדר נמזג 500 מ"ל של מים על ידי הוספת 10-25 מ"ל של כל נוזל כביסה ו 20-50 גרם של צפחה כתוש. בהמשך המכשיר צריך להפעיל מתוך 10 דקות עד חצי שעה, עד להופעתו של תרחיף של פתיתי גראפן. החומר וכתוצאה מכך יהיה מוליכות גבוהות שתאפשרנה את השימוש בו האלקטרודות של תאים סולריים. גראפן יכול גם לשפר את התכונות של הפלסטיק מיוצר בסביבה הביתית.

שהננו-תחמוצת

מדענים פעילים לחקור מבנה גרפן כזה בפנים או על הקצוות של רשת פחמן מחובר או קבוצות פונקציונליות המכיל חמצן (ים) של המולקולה. ננו-תחמוצת מתוכם מוצק זהו תמונות דו-ממדיות הראשון, אשר הגיעו לשלב של ייצור מסחרי. מ ננו ו microparticles של המבנה הזה מדעני סנטימטר דגימות פיק.

לפיכך, תחמוצת גרפן בשילוב עם diofilizirovannym פחמן הושגה לאחרונה על ידי מדענים סיניים. זוהי קוביה סנטימטר חומר מאוד קל המוחזקת על עלי כותרת של פרח קטן. אבל החומר החדש הזה, שבו תחמוצת גרפן הוא אחד המוצק ביותר בעולם.

יישומים ביו-רפואיים

תחמוצת גרפן יש מאפיין ייחודי של סלקטיביות. זה יאפשר את החומר כדי למצוא יישומים ביו. אז, בזכות עבודתם של מדענים היה אפשרי להשתמש תחמוצת גרפן לאבחון של סרטן. זיהוי הסרטן בשלב מוקדם של הפיתוח שלה לאפשר תכונות אופטיות וחשמליות ייחודיות של nanomaterial.

כמו כן תחמוצת גרפן מאפשרת משלוח ממוקד של תרופות ודיאגנוסטיקה. על בסיס חומר זה הם חיישנים וספיחה, מצביעים על מולקולת ה- DNA.

יישומים תעשייתיים

סופגים שונים המבוססים על תחמוצת גרפן ניתן להחיל את האובייקטים טבעיים או מעשה ידי אדם dezaktsivatsii הנגועים. קיצוץ של שהנני-אקטיבי יכול לעבד תהום ומים עיליים, אדמה וסילוק אותם מן רדיונוקלידית.

מסננים מן תחמוצת גרפן יכולים לספק נחות superchistotoy, המייצר רכיבים אלקטרוניים עבור יישומים מיוחדים. את המאפיינים הייחודיים של חומר זה יהיה לחדור לתוך הטכנולוגיה בתחום הכימי בסדר. בפרט, זה עשוי להיות חילוץ של מתכות מפוזרות ונדירות רדיואקטיבי. לפיכך, שימוש תחמוצת גרפן מאפשר לחלץ זהב מ עפרות בדרגה נמוכה.