Графен – що це таке і для чого він використовується?

Графен – що це таке і звідки він береться

Проривний характер графену полягає насамперед у його двовимірності. Фізично це шар із окремих атомів вуглецю, розташованих у формі шестикутника, який візуально схожий на стільники. Отже, графен є алотропом вуглецю. У 1940-х роках Філіп Рассел Уоллес розробив теоретичну концепцію створення одноатомної вуглецевої структури. Однак ця ідея протягом багатьох років відкидалася більшістю вчених. Лише через шість десятиліть його вдалося перетворити на реальний, відчутний матеріал. Дуету Гейма та Новосіолова з Манчестерського університету вдалося виділити графен із шматка графіту, перенісши атоми вуглецю на шар діоксиду кремнію (SO ₂ ) за допомогою липкої стрічки. Кремнезем відіграв важливу роль у цьому процесі, ізолюючи шар графену з нейтральним електричним зарядом. Зараз цей метод використовується лише в невеликих масштабах для дослідницьких цілей.

Незвичайні властивості графену

Що таке в цьому надтонкому шарі атомів вуглецю, що зачарувало науковий світ? Виявилося, що графен є надзвичайно хорошим провідником тепла та електрики. Також характеризується низьким активним опором. У цьому плані він є конкурентом міді та кремнію. При кімнатній температурі електрони графену демонструють безпрецедентну рухливість в інших матеріалах. Їх висока швидкість, що досягає 1/300 швидкості світла, відкриває цікаві можливості для використання в діагностиці. Також графен майже прозорий – він поглинає 2,3%білого світла. Тому його винятковий електричний потенціал іде рука об руку з оптичним. Незважаючи на свою надзвичайно тонку структуру, графен у 100 разів міцніший за сталь. У той же час він зберігає високий рівень гнучкості (до 20%розтяжності в довжину або ширину). Окислена графенова мембрана повністю непроникна для газів, але проникна для води, тому її можна використовувати для фільтрації. Також варто відзначити антимікробні властивості матеріалу.

Перспективний графен – застосування в різних галузях промисловості

Електронні, оптичні, теплові та механічні властивості графену відкрили двері для багатьох практичних комерційних застосувань, які, на думку експертів, будуть динамічно розвиватися в наступні десятиліття. Вже сьогодні графен вважається наступником кремнію в області електроніки. Цей прозорий і гнучкий провідник можна використовувати для виробництва фотоелектричних елементів, рухомих дисплеїв і сенсорних панелей, а також світлодіодних світильників. Це також значно збільшує частоту електромагнітних сигналів, дозволяючи виробляти більш швидкісні транзистори. Графенові датчики також викликають значний інтерес. Завдяки винятковій чутливості вони можуть виявляти окремі молекули небезпечних речовин, що полегшує моніторинг навколишнього середовища. Оксид графену, поширений у повітрі, також має здатність видаляти радіоактивні забруднення. Перспективи розробки нових продуктів з графеном зростають з кожним роком. Існуючі програми з найбільшим потенціалом включають:

• сучасні електромережі;
• енергоефективні джерела світла;
• напівпровідники, що використовуються в спінтронних пристроях;
• більш ефективні антикорозійні покриття;
• фільтрація води для очищення та опріснення;
• оптико-електронні системи зв’язку.

Крім того, існують припущення про перспективне використання графену для виробництва більш легких і міцних структурних компонентів для автомобілів, літаків, кораблів і пристроїв. У поєднанні зі штучними матеріалами (наприклад, каучуком) його можна використовувати для створення, наприклад, теплопровідної гуми. На основі графену вже розроблено надзвичайно міцний папір, здатний проводити електрику.

Біосумісний графен – медичне застосування

Заслуговує на увагу також можливість використання графену в галузі біомедицини, як в діагностичній, так і в терапевтичній сферах. Як носій ліків, оксид графену характеризується високою біосумісністю та чудовою розчинністю. Це дозволяє точно дозувати протизапальні та протипухлинні засоби, а також ферменти та мінеральні речовини. Оскільки графен є ідеальним теплопровідником, його також використовують для знищення ракових пухлин. Феномен термоураження дозволяє використовувати акумульоване ним тепло для зменшення болю в тканинах. Вже ведуться роботи з виробництва медичного приладдя та одягу з підігрівом. Графенові листи також використовуються як біосенсори і можуть допомогти діагностувати рак і неврологічні захворювання (наприклад, епілепсію або хворобу Паркінсона) за допомогою портативних пристроїв. Очікується, що графеновий зонд, розроблений поляками, зробить революцію в тестуванні ЕКГ, дозволивши вимірювати на рівні серця. Антибактеріальні властивості графену також дають можливість вирішити кризу, пов’язану зі зростаючою нечутливістю бактерій до антибіотиків. Графен може бути використаний як основа для розробки засобів, призначених для місцевого контролю інфекцій і дезінфекції ран. Можливість використання графену в тканинній інженерії виглядає дуже багатообіцяючою. Механічна міцність інноваційних карбонових риштувань надзвичайно висока. Дослідження показують, що це прискорює диференціювання стовбурових клітин і сприяє швидшому одужанню.

Виробництво графену

З 2014 року графен виробляється в більших масштабах для комерційних цілей. Нові мікромеханічні технології дозволили значно знизити ціну на матеріал. Нині його провідними виробниками є США та Китай, де можна знайти значні обсяги дешевого аморфного графіту. Графен преміум-класу, бажаний у сфері електроніки, має бути виготовлений із графіту достатньої якості, і для цього потрібні плоскі впорядковані кристали, отримані за допомогою спеціальної обробки. Ціна матеріалу тоді відповідно вища. Корейським дослідникам вдалося розробити ефективний і економічно вигідний спосіб виробництва графену методом хімічного осадження з парової фази (CVD). Недоліком цього рішення є нижча якість матеріалу та більш висока частота дефектів. Однак у деяких програмах це не створює проблем. Поляки також зробили свій внесок у розробку інноваційних методів виробництва графену. Інститут технології електронних матеріалів у Варшаві має патент на виробництво матеріалу з карбіду кремнію. У 2015 році дослідники з Університету Лодзі, Польща, розробили революційну технологію HGSM, яка дозволяє виготовляти високоякісні широкоформатні листи з рідкої фази.

Чи безпечний графен?

Як відносно новий матеріал, графен викликає зрозумілі сумніви в контексті можливого впливу на здоров’я людини. Є навіть твердження, що тонка і легка структура графену легко потрапляє в легені, створюючи загрозу, порівнянну з пилом або навіть азбестовими волокнами. Китайські дослідження навіть припускають, що наночастинки двовимірного вуглецю можуть осідати у внутрішніх органах. Існує також теоретичний ризик того, що графен, потрапляючи в поверхневі та підземні води, може бути шкідливим для рослин і тварин. Дрібні частинки можуть осідати на краях водойм і підвищувати рівень жорсткості води. Однак, згідно з сучасними знаннями, графен не токсичний і не має спорідненості до небезпечних речовин. Його кількість і, отже, потенційний вплив також надзвичайно низькі або навіть незначні. При контакті зі шкірою не проявляє подразнюючих властивостей. Також міжнародні дослідження показують, що вдихання не викликає негативних імунологічних реакцій. У науковому співтоваристві існує загальний консенсус щодо необхідності подальших досліджень властивостей і застосування графену, включаючи його безпеку. Це дозволить оптимізувати методи використання інноваційного матеріалу з урахуванням довгострокового впливу на людину та навколишнє середовище.