Открытие графена и его использование в домашних условиях

Промышленный способ

Одним из промышленных способов получения графена является выращивание его в вакууме, особенности которого можно представить следующим образом:

Для его изготовления берется поверхностный слой карбида кремния, всегда присутствующий на поверхностях этого материала;
Затем предварительно подготовленную кремниевую пластину нагревают до относительно высокой температуры (около 1000 к);
Благодаря химическим реакциям, которые происходят при этом, наблюдается разделение атомов кремния и углерода, при котором первый из них немедленно испаряется;

В результате этой реакции на пластине остается чистый графен (G).
К недостаткам этого способа можно отнести необходимость высокотемпературного нагрева, с обеспечением которого часто возникают трудности технического характера.

Наиболее надежным промышленным методом, позволяющим избежать описанных выше трудностей, является так называемый ”процесс ССЗ». При его осуществлении происходит химическая реакция, протекающая на поверхности металлического катализатора при его соединении с углеводородными газами.

В результате всех рассмотренных выше подходов можно получить чистые аллотропные соединения двумерного углерода в виде слоя толщиной всего в один атом. Особенностью этого образования является сочетание этих атомов в гексагональной решетке за счет образования так называемых «σ” и «π» связей.

Носители электрического заряда в решетке графена характеризуются высокой степенью подвижности, значительно превышающей этот показатель для других известных полупроводниковых материалов. По этой причине он способен заменить классический кремний, традиционно используемый при изготовлении интегральных схем.

Возможные применения

Уникальные свойства графена позволили применять его практически во всех сферах деятельности человека. Уже сейчас появляются новейшие разработки использования графена в различных устройствах.

Оксиды наноматериала

Оксид – продукт взаимодействия атомов кислорода с молекулярной структурой какого-либо вещества. Учёные, занимающиеся вопросом, что такое графен и областью его применения, обнаружили по краям углеродной сетки графена оксидные группы молекул. Несколькими граммами этого вещества можно накрыть футбольное поле. Наноматериал уже используют в биомедицине.

Биомедицинское применение

Сверхспособности вещества в оптике и электронике позволят врачам распознавать злокачественные опухоли на ранней стадии развития. Оксид графена способен осуществлять адресную доставку лекарства к определённому органу человека, минуя окружающие ткани. Недавно было сделано заявление о создании сорбентовых датчиков, которые могут распознавать молекулы ДНК, используя свойства нановещества.

Индустриальное применение

Адресные сорбенты оксида графена будут способны деактивировать территории, заражённые в результате техногенных катастроф. Сейчас рассматривается применение продукта для очистки водных ресурсов и воздушного пространства от радионуклидов.

Новые технологии на основе оксида графена совершат технологическую революцию в химической промышленности. Они позволят значительно снизить затраты по извлечению драгоценных металлов из бедных руд.

Дополнительная информация. Внедрение наноматериала в пластиковый полимер сделает его способным проводить ток. Замена кремния в микросхемах сделает переворот в создании новых компьютеров с огромными возможностями.

Перспективы использования нановещества в оборонной промышленности практически неограниченны. Появление брони, выдерживающей самые мощные снаряды, даст толчок в создании новой бронетехники и бронежилетов.

Использование в автомобилестроении

Удельная энергоёмкость графена в 50 раз превышает энергоёмкость литий-ионных аккумуляторов. Заметив это свойство, учёные приступили к разработке аккумуляторных батарей нового поколения.

Проблема, связанная с громоздкостью и ограниченностью заряда аккумуляторов для электромобилей, в ближайшее время будет решена. Машина с графеновой батареей сможет за один раз проехать тысячу километров, причём на одну зарядку аккумулятора понадобится около 8 минут.

Графеновый аккумулятор

Обратите внимание! Автомобилисты часто пользуются аэрогелем с графитовой смазкой. Средство покрывает тонкой плёнкой автодетали, предохраняя их от коррозии, проникая в заржавевшие резьбовые соединения

В какой-то мере это прообраз графена.

Сенсорные экраны

Углеродный наноматериал используют при изготовлении сенсорных экранов с диагональю в несколько метров. Это позволяет получить сенсорные дисплеи, которые можно будет скручивать в трубку для переноски.

Биомедицинское применение

Оксид графена обладает уникальным свойством селективности. Это позволит данному веществу найти биомедицинское применение. Так, благодаря работам ученых стало возможным использование оксида графена для диагностики раковых заболеваний. Обнаружить злокачественную опухоль на ранних стадиях ее развития позволяют уникальные оптические и электрические свойства наноматериала.

Также оксид графена позволяет производить адресную доставку лекарственных и диагностических средств. На основе данного материала создаются сорбционные биодатчики, указывающие на молекулы ДНК.

Получение

Графен был получен вышеупомянутыми учёными, когда они стали поступательно отделять от графита чешуйки вещества, применяя липкую ленту (скотч). Сейчас делаются попытки получения материала химическим способом. Однако ещё требуются усилия по преодолению трудностей, связанных с полным разделением графеновых слоёв и препятствованием их сворачиваемости.

Совсем недавно учёные Стэндфордского университета и специалисты из Китая опубликовали совместную статью о новом способе извлечения наноматериала. Получение графена представляет довольно сложный процесс, состоящий из обработки химреактивами графита, воздействия ультразвуком, нагрева взвеси до 10000 С. В результате графит, как ножом, разрезается на множество слоёв.

В это же время ирландские учёные опубликовали другой способ, основанный на скрупулёзном подборе интеркоагулянтов. В результате этого графитовый порошок становится гидрофильным веществом. В растворе под воздействием ультразвука графитовая взвесь легко расслаивается. Оба метода признаны успешными.

Получение графена в домашних условиях

Несмотря на сложность вышеперечисленных методик, получить графен в обычных домашних условиях вполне возможно. Надо следовать следующей инструкции:

Дома нужно воспользоваться мощным блендером (400 Вт).
Графитовый стержень от обычного карандаша измельчают до порошкообразного состояния.
В агрегат заливают ½ литра воды вместе с 20 мл моющего средства для посуды.
Блендером сбивают раствор в течение получаса. В результате сверху появится взвесь чешуек графена.
Ленту скотча опускают на поверхность жидкости липкой стороной вниз, чтобы чешуйки прилипли к ней.
Скотч складывают вдвое, затем разнимают половинки. Чешуйки разделятся на две части. Процесс можно повторять до десяти раз.
В результате появятся светлые лепестки графена, переливающиеся разными цветами. Образец помещают под окуляр 100-кратного микроскопа. Если повезёт, можно будет наблюдать совсем прозрачные чешуйки.

Тверже алмаза и легче перышка

Графен – самый прочный из известных нам материалов. По этому параметру он в двести раз превосходит сталь. Лист графена толщиной в один атом, выдержит давление острия карандаша, на другой стороне которого балансирует слон. А ученые из Georgia Tech пришли к выводу, что двухслойной пленке из этого материала не страшна даже пуля.

Понятно, что мимо таких способностей не могли пройти компании, занимающиеся военными разработками и защитным снаряжением. Уже появилось множество проектов графеновой брони, скафандров и легких бронежилетов. Правда, пока не совсем понятно, как из идеального двумерного материала сделать трехмерный, сохранив при этом его уникальные свойства.

Двухслойный графен

Американские учёные в результате многочисленных опытов обнаружили, что при воздействии на двойной слой графена высоким давлением материал приобретает твёрдость алмаза. Явление уникально тем, что таких качеств нет у однослойного и многослойного наноматериала. В связи с этим ведутся активные изыскания по созданию сверхтонкого защитного покрытия.

Вид двухслойного графена

Открытие непревзойдённых качеств графена рисует перед учёными мира перспективу технологической революции во всех сферах деятельности человечества. Однако, наряду с этим, высказываются мнения, охлаждающие пыл энтузиастов.

Первое – насыпьте в блендер немного графитового порошка. Добавьте воды и моющего средства, и смешайте всё это на высокой скорости. Поздравляем, вы только что получили супер-материал будущего – графен.

Этот на удивление простой рецепт – самый лёгкий способ массового производства чистого графена, плёнок углерода толщиной в один атом. Этот материал способен произвести революцию в индустрии электроники благодаря его необычным электрическим и термическим свойствам. Однако до сегодняшнего дня производство высококачественного графена в больших количествах было весьма сложным процессом – лучшие лабораторные техники позволяли производить его со скоростью не более половины грамма в час.

«Существуют компании, которым удаётся производить графен в гораздо больших объёмах, но его качество отнюдь не идеально», говорит Джонатан Колман из Колледжа Тринити, Дублин.

Команда Колмана получила заказ от Thomas Swan – химической компании из Консетта, Британия, для разработки лучшего решения. Из прежних работ им уже было известно, что графен можно получать из графита, поскольку тот фактически состоит из слоёв графена, сложенных вместе как колода карт.

Команда поместила графитовый порошок и жидкий растворитель в лабораторную центрифугу и заставила её вращаться. Анализ с помощью электронного микроскопа показал, что таким способом действительно можно получать графен со скоростью около 5 граммов в час. А чтобы определить, насколько масштабируем этот процесс, учёные перепробовали множество типов моторов и растворителей. В результате они обнаружили, что обычный кухонный блендер и моющее средство Fairy точно также справляются с этой работой.

Единственная техническая сложность применения этого метода в домашних условиях заключается в том, что необходимый объём моющего средства зависит от свойств графитового порошка – например, распределения размеров его зёрен, и наличия примесей. А эти параметры можно определить только с помощью продвинутого лабораторного оборудования. Также метод не превращает весь графит в графен, так что в конце необходимо каким-либо образом их разделить.

Однако, этот процесс прекрасно масштабируется до уровня промышленного производства – 10000-литровый танк с правильным типом мотора может производить 100 граммов чистого графена в час. И Thomas Swan уже начала работу над пилотной системой.

Резюмируем — что же такое графен?

Графен на скотче

Графен — самый тонкий, самый прочный, самый теплопроводный и самый электропроводный материал при комнатной температуре.

Графен является двумерной конфигурацией графита, который имеется в стержне каждого карандаша. Когда мы пишем или рисуем карандашом, то графит слой за слоем сходит, оставаясь на бумаге. И если мы возьмем один такой слой графита, сошедшего с карандаша, то как раз получим графен.

В 2004 году Андрей Гейм и Константин Новоселов создали графен, используя лишь скотч и карандаш. Они поместили чешуйку графита на скотч, сложили скотч в два раза и разлепили скотч, разделив чешуйку. Проделав эту операцию некоторое количество раз, они получили графит толщиной всего в один атом. Это был совершенно неожиданный результат потому что считалось, что монослой графита будет химически нестабильным при комнатной температуре.

Графен проводит электроны быстрее, чем любой другой материал при комнатной температуре. Всё по причине того, что графен имеет идеальную кристаллическую структуру. Ученые до сих пор ни разу не обнаружили, чтобы какой-либо атом в структуре был не на своем месте. Поскольку в кристаллической решетке нет изъянов, то электроны не замедляются и движутся с такими скоростями, что для описания их движения требуется Специальная Теория Относительности Эйнштейна.

Структура графена

Безупречная структура создана очень прочными и гибкими связями между атомами углерода. Такая структура делает графен одновременно очень гибким и прочным, как бриллиант. Графен настолько прочен, что если взять машину, уравновесить ее на шпильке и поставить на графен, то с графеном ничего не случится.

В 2010 году Гейму и Новоселову была присуждена Нобелевская премия по физике за изучение графена.

На данный момент производство графена в промышленных масштабах вызывает ряд сложностей, однако этому материалу уже пророчат невероятно широкий спектр применения: это и новый материал для производства процессоров, использование графена в качестве сверхчувствительного детектора молекул, создание нового типа светодиодов на основе данного материала, средство борьбы с раком и многое другое.

Графен — материал, который изменит мир.

Использование нового материала

По словам ученых, датчики на основе графена смогут анализировать прочность и состояние самолета, а также предсказывать землетрясения. Но только когда материал с такими удивительными свойствами покинет стены лабораторий, станет ясно, в каком направлении пойдет развитие практического применения этого вещества. Сегодня физики, как и инженеры-электронщики, уже интересуются уникальными возможностями графена. Ведь всего несколько граммов этого вещества могут покрыть площадь, равную футбольному полю.

Графен и его применение потенциально рассматриваются в производстве легких спутников и самолетов. В этой области можно заменить новый материал. Наночастицу можно использовать вместо кремния в транзисторах, а ее введение в пластик придаст ей электропроводность.

Графен и его применение рассматриваются также при изготовлении сенсоров. Эти приборы, изготовленные на основе новейшего материала, смогут обнаруживать самые опасные молекулы. Но использование порошка из наноматериалов в производстве электрических батарей позволит значительно повысить их эффективность.

Графен и его применение рассматриваются в оптоэлектронике. Новый материал позволит сделать очень легкий и прочный пластик, контейнеры из которого позволят сохранять продукты свежими в течение нескольких недель.

Использование графена также предполагается для изготовления прозрачного проводящего покрытия, которое необходимо для мониторов, солнечных панелей и более прочных и устойчивых к механическим нагрузкам ветряных двигателей.

На основе наноматериалов будут получены лучшие спортивные снаряды, медицинские имплантаты и суперконденсаторы.

Оксиды наноматериала

Ученые активно исследуют и такую структуру графена, которая внутри или по краям углеродной сетки имеет присоединенные кислородосодержащие функциональные группы или (и) молекулы. Это оксид самого твердого нановещества, который является первым двумерным материалом, дошедшим до стадии коммерческого производства. Из нано- и микрочастиц этой структуры ученые изготовили сантиметровые образцы.

Так, оксид графена в сочетании с диофилизированным углеродом был недавно получен китайскими учеными. Это весьма легкий материал, сантиметровый кубик которого удерживается на лепестках небольшого цветка. Но при этом новое вещество, в котором находится оксид графена, является одним из самых твердых в мире.

Создание формы

С изделия, которое будем копировать, снимаем отпечаток. Для этого понадобится какой-нибудь легкоплавкий металл, пластилин, гипс или воск. Если используем металл, обрабатываем копируемый предмет мылом и кладем его в картонную коробку. Далее заливаем туда легкоплавкий сплав.

Когда отливка завершена, достаем изделие и полученную форму подвергаем вначале обезжириванию, а затем меднению в электролите. Чтобы избежать металлических отложений с тех сторон, где нет оттиска, расплавляем металл в кипящей воде для получения матрицы. Форму заливаем гипсом. На выходе получаем копию.

Для создания матрицы понадобится такая композиция:

воск — 20 частей;
парафин — 3 части;
графит — 1 часть.

Если форма создается из диэлектрического материала, на ее поверхность наносим электропроводное покрытие. Проводниковый слой наносим либо путем восстановления металлов, либо механическим способом, подразумевающим нанесение чешуйчатого графита при помощи кисточки.

Еще до начала механической обработки поверхности растираем графит в ступе, просеиваем его сквозь сито. Наилучшая адгезия графита наблюдается с пластилином. Гипсовые, деревянные, стеклянные и пластмассовые формы, а также папье-маше эффективнее всего обработать раствором бензина и воска. Когда поверхность еще не просохла, наносим на нее графитовую пыль, а прилипшее вещество сдуваем направленным потоком воздуха.

Гальваническое покрытие нетрудно отделить от матрицы. Если форма металлическая, создаем на поверхности оксидную или сульфидную электропроводящую пленку. К примеру, на серебре это будет хлорид, на свинце — сульфид. Пленка поможет легко отделять форму от покрытия. В случае с медью, серебром и свинцом покрываем поверхность 1% раствором сульфида натрия, чтобы возникли нерастворимые сульфиды.

Возможные применения

Оксиды наноматериала

Биомедицинское применение

Индустриальное применение

Использование в автомобилестроении

Графеновый аккумулятор

В какой-то мере это прообраз графена.

Сенсорные экраны

Физика

Физическая природа графена объясняется электрическими свойствами атомов вещества. Материал имеет общее сходство с графитом и алмазами.

Теория

Теоретические исследования ещё 70 лет назад предсказали существование такого вещества, как графен. Утверждалось, что углерод способен создавать кристаллические двумерные пространственные решётки в виде тончайших плёнок толщиной в 1 атом. Теория была подкреплена практическими опытами в 2012 году, когда были получены первые образцы наноматериала.

Кристаллическая структура

Группа правильных шестиугольников образует решётку, что отражает эквивалентную гексагональную структуру построения атомов углерода. На рисунке жёлтым фоном выделена элементарная ячейка. В кругу розового цвета видны атомы с векторами. Синие и красные кружочки отображают различные подрешётки кристалла, являющиеся базисом решётки.

Кристаллическая графеновая решётка

Зонная структура

Суть термина выражает близкие связи электронов. Вокруг ядра атома углерода вращаются электроны. Три из них связаны с соседними атомами, формируя связи в кристаллической решётке. Четвёртый электрон образует связи в одной плоскости. Диаграмма зонной структуры графена выглядит в виде конусов.

Конусы зонной структуры

Линейный закон дисперсии

Выявление зонной структуры нановещества позволило вывести закон дисперсии одномерных нанотрубок.

Закон дисперсии определён уравнением Дирака. Математическое выражение подтверждает линейную зависимость дисперсии и вытекает из уравнения Шредингера для зонной структуры вещества при малых затратах энергии электронов.

Эффективная масса

Линейный закон дисперсии определяет эффективную массу электронов и дырок в структуре наноматериала, не имеющую никакой величины. Но при вращении электронов вокруг ядра получается иная масса, называемая энергией Ландау.

Хиральность и парадокс Клейна

Трёхмерное уравнение Дирака для частиц без массы (нейтрино) определяет постоянную величину – спиральность в квантовой электродинамике. В графене выявлен аналог, который называют хиральностью, то есть проекцией псевдоспина в сторону движения.

Эксперимент

Практически все эксперименты связаны с отшелушиванием чешуек – кристаллических решёток. Извлечение графена в результате опытов описано выше.

Проводимость

Было замечено, что наноматериал ведёт себя как полупроводник. Из-за этого графен имеет перспективу полностью заменить кремний в интегральных микросхемах. Это принесёт существенный экономический эффект от производства дешёвых радиокомпонентов.

Квантовый эффект холла

Когда на двумерную кристаллическую решётку воздействуют перпендикулярно направленным магнитным полем, возникает эффект холла. Взаимодействие направленного движения тока в графене с поперечным магнитным потоком вызывает напряжение, которое называют холловским эффектом.

Графен и проблема дефицита воды

Население планеты неуклонно растет, а количество водных ресурсов, наоборот, стремительно сокращается. Сегодня проблема нехватки питьевой воды не менее актуальна, чем проблема голода. И это при том, что ею покрыта большая часть поверхности земного шара. При чем тут графен, спросите вы?

Дело в том, что этот материал практически непрозрачен для большинства химических веществ, но воду он пропускает. Грубо говоря, фильтр с графеновой мембраной будет задерживать морскую соль, опресняя тем самым воду. Правда, неизвестно, насколько долговечным будет подобное устройство, ведь хлориды – очень агрессивные вещества. Ученым придется решить еще множество проблем на этом пути, но работы не прекращаются, ибо слишком уж заманчивы перспективы.

На основе графена можно делать уникальные фильтры, которые будут способны не только очищать воду, но и опреснять ее

Точно так же можно очищать воду от любых токсинов, ядов и радиоактивных загрязнений. С помощью графена предлагают даже фильтровать ядерные отходы.

Можно ли получить графен в домашних условиях?

Оказывается, да! Вам просто нужно взять кухонный блендер мощностью не менее 400 Вт и следовать методике, разработанной ирландскими физиками.

Как сделать графен в домашних условиях? Для этого в чашу блендера налейте 500 мл воды, добавив в жидкость 10-25 мл любого моющего средства и 20-50 г измельченного свинца. Далее прибор должен работать от 10 минут до получаса, пока не появится суспензия чешуек графена. Полученный материал будет обладать высокой электропроводностью, что позволит использовать его в электродах фотоэлементов. Графен, также произведенный в домашних условиях, может улучшить свойства пластмассы.

Крупнейшие открытия в области материаловедения

Новые инструменты помогли создать метаматериалы, используемые в композитах из углеродного волокна для разработки более легких транспортных средств, усовершенствованные сплавы — для более долговечных реактивных двигателей и биоматериалы — для замены суставов человека.

Мы также видим прорывы в области сохранения энергии и квантовых вычислений. В робототехнике новые материалы помогают нам выращивать искусственные мышцы, необходимые для создания гуманоидных роботов.

Литий-ионные аккумуляторы

Такого рода аккумулятор, который сегодня питает все — от наших смартфонов до автономных автомобилей — был впервые разработан в 1970-х годах, но не мог полноценно выйти на рынок вплоть до 1990-х годов. Производство достаточного их количества для удовлетворения спроса было постоянной проблемой. Но компания Tesla шагнула навстречу этому вызову: одна из гигафабрик компании в штате Невада производит в год накопители энергии мощностью в 20 ГВт — впервые литий-ионные аккумуляторы производятся в таком масштабе.

Другие компании также быстро двигаются к этой цели: Renault строит домашний накопитель энергии на основе своих батарей Zoe, аккумуляторы BMW 500 i3 интегрируются в национальную энергетическую сеть Великобритании, а Toyota, Nissan и Audi объявили о собственных пилотных проектах.

Американский предприниматель Илон Маск предсказывает, что сотня подобных гигафабрик смогли бы удовлетворить энергетические потребности всего земного шара.

Графен

Полученный из того же графита, что и обычные карандаши, графен представляет собой лист углерода толщиной всего в один атом. Он почти невесом, но в 200 раз прочнее стали. Этот суперматериал проводит электричество и рассеивает тепло быстрее, чем любое другое известное вещество.

Графен позволяет использовать сенсоры и высокопроизводительные транзисторы. Во многих гибких экранах устройств, 3D-принтерах, солнечных панелях и защитной ткани используется графен. Поскольку производственные затраты снижаются, этот материал способен ускорить прогресс во всех сферах.

Что такое графен и как он изменит нашу жизнь?

Перовскит

Сейчас «эффективность преобразования» солнечной панели (сколько «захваченного» солнечного света может быть превращено в электричество) составляет в среднем 16%. Светочувствительный минерал перовскит способен довести это значение до 66%, что удвоит возможности кремниевых панелей.

Технологии работы с перовскитом широко доступны и недороги. Что означают все эти факторы в совокупности? Доступная солнечная энергия для всех.

Материалы нано-мира

Нанотехнологии — это та «точка» материаловедения, где манипуляции становятся наноформатными: это в миллион раз меньше, чем размер муравья, в 8 тыс. раз меньше, чем эритроцит, и в 2,5 раза меньше, чем нить ДНК. Наноботы — это машины, которые могут самовоспроизводиться и разобрать на части любой материал, атом за атомом, и использовать это «сырье» для создания чего угодно.

Прогресс в нано-мире был удивительно быстрым, и сейчас на рынке появилось множество нанопродуктов. Не хочется складывать одежду? Наноразмерные вплетения в ткани делают их немнущимися и стойкими к повреждениям. Не любите мыть окна? Не проблема! Нанопленки могут сделать окна самоочищающимися, «антибликовыми» и даже способными проводить электричество. Хотите пустить солнечную энергию в свой дом? Есть нанопокрытия, которые улавливают энергию солнца.

Наноматериалы позволяют делать более легкие автомобили, самолеты, бейсбольные биты, шлемы, велосипеды, электроинструменты — список можно продолжать долго.

Исследователи из Гарварда создали наноразмерный 3D-принтер, способный производить миниатюрные батареи шириной менее одного миллиметра. Ученые также используют нанотехнологии для создания умных контактных линз с разрешением в шесть раз большим, чем у современных смартфонов. Биоинженер из Гарварда недавно сохранил 700 терабайт данных в одном грамме ДНК.

Дальше — больше. Наноботы для транспортировки лекарств были бы особенно полезны в борьбе с раком. На экологическом фронте ученые могут извлекать углекислый газ из атмосферы и превращать его в сверхпрочные углеродные нановолокна для использования в производстве.

Если мы сможем масштабировать технологию в солнечной энергии, то система размером в 10% пустыни Сахара сможет снизить содержание CO₂ в атмосфере до доиндустриального уровня примерно за десятилетие.

Графеновые аккумуляторы – описание, история создания

Технологическим прорывом на пути создания сверхъемких аккумуляторных батарей стало открытие графена.

Графен – это углеродная пленка, образованная жестким соединением атомов углерода в гексагональную структуру, напоминающую пчелиные соты. Получен уникальный материал из графита методом расщепления. Толщина листа графена всего один атом – это первый в истории двумерный кристалл, который представляет собой почти идеальный проводник.

Ученые за открытие графена получили Нобелевскую премию, потому что материал нового поколения уникален и обладает, помимо тонкости, другими замечательными свойствами:

высокой электропроводностью;
гибкостью;
теплопроводностью;
огромной механической прочностью;
прозрачностью;
непроницаемостью для большинства газов и жидкостей.

В последние годы для исследований технологий на основе графена выделяются большие средства – область его применения обширна: в отраслях высоких технологий, в электротехнической области промышленности, в космических и военных отраслях, в медицине, в автомобилестроении и сфере экологии.

Идеален графен для производства аккумулятора – максимальное отношение поверхности графенового листа к объему позволяет компоновать материал в плоский проводник, который накапливает большой заряд практически мгновенно.

Состав батареи

Графеновый аккумулятор что это и как он устроен рассмотрим подробно.

Устройство представляет собой специальный металлополимерный корпус, в который вставлены две пластины из разнородных металлов (медь и алюминий) с выводами для обеспечения электрических контактов – между электродами помещен электролит (жидкий или твердый). Анод содержит восстановитель, катод – окислитель. Внутри корпуса стоит разделительная пластина – сепаратор, который не дает отрицательно заряженным атомам лития свободно перемещаться между электродами.

Устройство графеновых аккумуляторов сходно с литий-полимерными, только в графеновых батареях электролитом и сепаратором служит графен.

Принцип работы

Схема работы графен-полимерных аккумуляторов не отличается от литий-ионных. Принцип одинаков – при заряде и разряде ионы лития постоянно перемещаются между анодом и катодом через электролит, в то время как электронам приходится достигать анода или катода по внешней цепи, создавая в ней электрический ток.

Происходит это так:

При разряде на аноде происходит окислительная химическая реакция, которая приводит к появлению свободных электронов. Они стремятся попасть на катод, где их концентрация мала, однако на пути свободных электронов возникает сепаратор, поэтому для них остается единственный путь – цепь нагрузки, куда замкнута батарея. Направленное движение электронов питает присоединенное к батарее устройство энергией.
Положительно заряженные ионы лития также направляются к катоду, но уже через сепаратор, который свободно пропускает положительно заряженные частицы.
После перемещения всех электронов к катоду наступает фаза разряда аккумулятора.
Подав на электроды напряжение определенной величины, можно запустить процесс перемещения ионов в обратном порядке – электроны опять соберутся на аноде и будут оставаться там до очередного подключения нагрузки.

Преимущества над литиевыми

Несмотря на сходство конструкции и принцип действия, графитовые аккумуляторы превосходят литиевые по своим характеристикам – графен быстрее накапливает заряд за счет высокой электропроводности.

Достоинства и недостатки

Достоинства изделий на основе графена:

Высокая степень электропроводности, сравнимая с тем же показателем для обычной меди;
Почти идеальная оптическая чистота, благодаря которой он поглощает не более двух процентов видимого светового диапазона. Поэтому со стороны он кажется практически бесцветным и невидимым для наблюдателя;
Механическая прочность, превосходящая алмаз;
Гибкость, по показателю которой однослойный графен превосходит эластичную резину. Это его качество позволяет легко изменять форму плёнок и растягивать их при необходимости;
Стойкость к внешним механическим воздействиям;
Ни с чем несравнимая теплопроводность, по показателю которой он в десятки раз превосходит ту же медь.

К недостаткам этого уникального углеродистого соединения относят:

Невозможность получения в достаточных для промышленного производства объёмах, а также достижения требуемых для обеспечения высокого качества физико-химических свойств. На практике удаётся получать лишь незначительные по габаритам листовые фрагменты графена;
Изделия промышленного изготовления чаще всего уступают по своим характеристикам образцам, полученным в исследовательских лабораториях. Достичь их с помощью рядовых промышленных технологий не удается;
Высокие нетрудовые затраты, существенно ограничивающие возможности его производства и практического применения.

Несмотря на все перечисленные сложности, исследователи не оставляют попыток освоения новых технологий производства графена.

В заключение следует констатировать, что перспективы у этого материала просто фантастические, поскольку он также может применяться при производстве современных ультратонких и гибких гаджетов. Кроме того, на его основе возможно создание современного медицинского оборудования и препаратов, позволяющих бороться с раком и другими распространёнными опухолевыми заболеваниями.