Kiedy grafen będzie powszechnie używany?

Jeśli czytasz dużo nowinek naukowych i technologicznych, możesz odnieść wrażenie, że grafen jest dobry we wszystkim. Grafen, forma węgla o grubości zaledwie jednego atomu, ma naprawdę doskonałe właściwości elektroniczne, optyczne i mechaniczne. Jednak niektóre aplikacje przewidziane dla grafenu, na przykład w komputerach, wydają się nierealistyczne. Niemniej jednak materiał ten może stać się kluczowym składnikiem elastycznych wyświetlaczy elektronicznych, wysokoenergetycznych baterii i innych produktów.

Model struktury grafenu.

Super szybka elektronika

W 2004 roku naukowcy z University of Manchester kierowani przez Andrei Geim oraz Konstantin Nowosełow jako pierwsi wyizolowali grafen i przetestowali jego właściwości elektryczne ( pdf ). Stworzyli grafen, krusząc małe kawałki grafitu i odklejając je taśmą klejącą, warstwa po warstwie, aż uzyskali oczka węgla o grubości jednego atomu. Za tę pracę para wygrała Nagroda Nobla 2010 w dziedzinie fizyki . Grafen, jak odkryli oni i inni, jest dziwny. Wykazuje to, co nazywamy przewodnictwem balistycznym: ładunek elektryczny przemieszcza się przez materiał bez przeszkód – znacznie szybciej niż w krzemie, materiale używanym do wytwarzania dzisiejszych układów scalonych.

Na początku naukowcy byli bardzo podekscytowani możliwością przetwarzania grafenu. Ale nie oczekuj, że znajdziesz procesor grafenowy w swoim następnym laptopie. Grafen nie jest półprzewodnikiem, co oznacza, że ​​nie można go przełączyć ze stanu przewodzącego do stanu izolującego bez naukowców wykonujących wiele majsterkowania i pielęgnowania materiału. Bez silnego stanu wyłączenia, który pasowałby do ich włączenia, przełączniki grafenowe raczej nie zastąpią krzemu w logice cyfrowej.

Właściwości elektryczne grafenu są znacznie lepiej dopasowane do obwodów analogowych, stosowanych w telekomunikacji. Na przykład w 2011 roku IBM zademonstrował szybkie obwody grafenowe typu używanego w zastosowaniach telekomunikacyjnych.

Mocne rzeczy

Niektóre z najlepszych właściwości grafenu są mechaniczne. Jest elastyczny i rozciągliwy. W 2008 roku naukowcy z Columbia University wykazali, że grafen był najmocniejszym materiałem, jaki kiedykolwiek testowano. Naukowcy z University of Texas w Dallas, kierowani przez Ray Baughman , pracują nad wykorzystaniem tego połączenia wytrzymałości, elastyczności i wysokiej przewodności w tekstylia grafenowe . Przędze grafenowe można przerabiać na sztuczne mięśnie lub łączyć z materiałami akumulatorowymi, aby zasilać elektronikę do noszenia. Ten artykuł wyjaśnia jeden możliwy projekt .

Ważnym kamieniem milowym w komercjalizacji grafenu było wyjście poza tak zwaną metodę taśmy klejącej, używaną do wytwarzania pojedynczo wysokiej jakości, ale małych płatków grafenu. W 2013 roku naukowcy pod kierunkiem Rodney Ruoff na University of Texas w Austin uprawiano wysokiej jakości grafen na dużych obszarach, osadzając węgiel z gazu na arkuszach miedzi w starannie kontrolowanych warunkach (więcej informacji można znaleźć w tym papier ). To ważne: tylko wysokiej jakości grafen wykazuje przewodnictwo balistyczne. W 2014 roku Samsung pokazał, jak potrafi rosnąć grafen na alternatywnej powierzchni, german.

Niektórzy z kolegów Ruoffa z University of Texas w Austin wykorzystali jego prace nad rozwojem grafenu, aby stworzyć wytrzymałe, elastyczne obwody telekomunikacyjne. Urządzenia te są wystarczająco wytrzymałe, aby jeździć samochodem i mogą przetrwać zanurzenie w wodzie. Deji Akinwande zademonstrował te urządzenia w gazecie w 2013 r. i współpracował z Corning i 3M w celu zwiększenia produkcji.

Możliwości zasilania

Aplikacje bliższe komercjalizacji wykorzystują przewodność i wytrzymałość mechaniczną grafenu i wykorzystują go jako materiał elektrodowy. Może służyć jako elastyczny zamiennik tlenku indowo-cynowego jako przezroczysta elektroda przewodząca np. do ekranów dotykowych. We wrześniu 2014 r. Cambridge Graphene Center i firma elektroniczna Plastikowa logika zademonstrował elastyczny wyświetlacz za pomocą elektrod grafenowych .

Dodanie grafenu do elektrod baterii może sprawić, że wysokoenergetyczne baterie – co pomoże samochodom jeździć dalej i wydłużą żywotność elektroniki między ładowaniami – będą bardziej stabilne mechanicznie. W 2011 roku naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley użyli grafenu do: kanapka i stabilizacja cynowe elektrody akumulatorowe. Jeden z tych badaczy, Yuegang Zhang, przeniósł następnie swoje laboratorium do Chin w nadziei na szybszą komercjalizację tej pracy. W 2014 roku jego grupa z Chińskiej Akademii Nauk wykazała, że ​​kanapki grafenowe stabilizują się elektrody siarkowe .

Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles są odkrywanie czy grafen mógłby być używany do magazynowania energii w nowych rodzajach superkondensatorów, które ładowałyby się znacznie szybciej niż baterie i miałyby taką samą moc (więcej informacji znajduje się w ten papier .)

Na wynos:

Pionierska praca Geima i Novoselova została opublikowana zaledwie 11 lat temu, a to krótki czas w materiałoznawstwie. Pełen wpływ grafenu na wytrzymałą, elastyczną elektronikę i urządzenia do noszenia jest jeszcze oddalony o lata. W międzyczasie spodziewaj się mniejszych zmian, takich jak nadchodząca żarówka LED którego włókno jest pokryte grafenem, aby wydłużyć jego żywotność i zmniejszyć zużycie energii.

Dzięki Ronowi Waldronowi za to pytanie. Wyślij swoje na adres [email protected] .

ukryć