Kad grafēns tiks plaši izmantots?

Ja lasāt daudz zinātnes un tehnoloģiju ziņu, jums var rasties iespaids, ka grafēns ir labs it visā. Grafēnam, oglekļa formai, kas ir tikai viena atoma biezums, patiešām ir izcilas elektroniskās, optiskās un mehāniskās īpašības. Taču dažas grafēnam paredzētās lietojumprogrammas, piemēram, datoros, šķiet nereālas. Tomēr materiāls var kļūt par galveno sastāvdaļu elastīgos elektroniskajos displejos, augstas enerģijas akumulatoros un citos izstrādājumos.

Grafēna struktūras modelis.

Super ātra elektronika

2004. gadā Mančestras Universitātes pētnieki vadīja Andrejs Geims un Konstantīns Novoselovs bija pirmie, kas izolēja grafēnu un pārbaudīja tā elektriskās īpašības ( pdf ). Viņi izgatavoja grafēnu, sasmalcinot mazus grafīta gabaliņus un nolobot to ar līmlenti, slāni pa slānim, līdz izveidojās viena atoma biezas oglekļa acs. Par šo darbu pāris uzvarēja 2010. gada Nobela prēmija fizikā . Grafēns, viņi un citi ir atraduši, ir dīvaini. Tam ir tā sauktā ballistiskā vadītspēja: elektriskais lādiņš netraucēti pārvietojas pa materiālu — daudz ātrāk nekā silīcijā, materiālā, ko izmanto mūsdienu integrālo shēmu izgatavošanai.

Sākumā pētnieki bija ļoti satraukti par grafēna skaitļošanas iespēju. Bet negaidiet, ka nākamajā klēpjdatorā atradīsit grafēna procesoru. Grafēns nav pusvadītājs, kas nozīmē, ka to nevar pārslēgt no tā vadošā stāvokļa uz izolējošu stāvokli, ja pētnieki daudz nestrādā un neapstrādā materiālu. Bez spēcīga izslēgtā stāvokļa, kas atbilst to ieslēgtajam stāvoklim, grafēna slēdži diez vai aizstās silīciju digitālajā loģikā.

Grafēna elektriskās īpašības ir daudz labāk piemērotas analogajām shēmām, tādām, kādas tiek izmantotas telekomunikācijās. Piemēram, 2011. gadā IBM demonstrēja ātras grafēna shēmas, kuras izmanto telekomunikāciju lietojumprogrammās.

Spēcīgas lietas

Dažas no grafēna labākajām īpašībām ir mehāniskas. Tas ir elastīgs un elastīgs. 2008. gadā Kolumbijas universitātes pētnieki atklāja, ka grafēns bija spēcīgākais jebkad pārbaudītais materiāls. Pētnieki Teksasas Universitātē Dalasā, kuru vadīja Rejs Bogmens , ir strādājuši, lai izmantotu šo stiprības, elastības un augstas vadītspējas kombināciju grafēna tekstilizstrādājumi . Grafēna pavedienus var izgatavot mākslīgos muskuļos vai kombinēt ar akumulatoru materiāliem, lai darbinātu valkājamu elektroniku. Šajā rakstā ir izskaidrots viens iespējamais dizains .

Svarīgs pavērsiens grafēna komercializācijā bija pārvarēt tā saukto Scotch tape metodi, ko izmanto, lai pa vienam izgatavotu augstas kvalitātes, bet nelielas grafēna pārslas. 2013. gadā pētnieki vadīja Rodnijs Rūfs Teksasas Universitātē Ostinā izaudzēja augstas kvalitātes grafēnu lielās platībās, rūpīgi kontrolētos apstākļos nogulsnējot oglekli no gāzes uz vara loksnēm (vairāk informācijas var atrast šajā papīrs ). Tas ir svarīgi: tikai augstas kvalitātes grafēns parāda ballistisko vadītspēju. 2014. gadā Samsung parādīja, kā tas var augt grafēns uz alternatīvas virsmas, germānija.

Daži Rūfa kolēģi Teksasas Universitātē Ostinā balstījās uz viņa grafēna augšanas darbu, lai izveidotu izturīgas, elastīgas telekomunikāciju shēmas. Šīs ierīces ir pietiekami izturīgas, lai tās varētu braukt ar automašīnu, un tās var izturēt iegremdēšanu ūdenī. Dedži Akinvande 2013. gadā demonstrēja šīs ierīces rakstā un ir sadarbojies ar Corning un 3M, lai palielinātu ražošanu.

Jaudas iespējas

Lietojumprogrammas, kas ir tuvākas komercializācijai, izmanto grafēna vadītspēju un mehānisko izturību un izmanto to kā elektrodu materiālu. Tas var kalpot kā elastīgs indija-alvas oksīda aizstājējs kā caurspīdīgs vadošs elektrods skārienekrāna displejiem, piemēram. 2014. gada septembrī Kembridžas Grafēna centrs un elektronikas uzņēmums Plastmasas loģika demonstrēja a elastīgs displejs, izmantojot grafēna elektrodus .

Grafēna pievienošana akumulatoru elektrodiem var padarīt augstas enerģijas akumulatorus, kas palīdzēs automašīnām braukt tālāk un padarīs elektroniku ilgāku kalpošanas laiku starp uzlādēm, mehāniski stabilākus. 2011. gadā Kalifornijas Universitātes Bērklijā pētnieki izmantoja grafēnu, lai sviestmaizi un stabilizē skārda akumulatoru elektrodi. Viens no šiem pētniekiem Yuegang Zhang pēc tam pārcēla savu laboratoriju uz Ķīnu, cerot ātrāk komercializēt šo darbu. 2014. gadā viņa grupa Ķīnas Zinātņu akadēmijā parādīja, ka grafēna sviestmaizes stabilizējas sēra elektrodi .

Pētnieki Kalifornijas Universitātē, Losandželosā, ir pētot vai grafēnu varētu izmantot enerģijas uzkrāšanai jauna veida superkondensatoros — kas uzlādētos daudz ātrāk nekā akumulatori un saturētu tikpat daudz jaudas (vairāk informācijas šo papīru .)

Līdzņemšanai:

Geima un Novoselova novatoriskais darbs tika publicēts tikai pirms 11 gadiem, un tas ir īss laiks materiālu zinātnē. Grafēna pilnīga ietekme izturīgajā elastīgajā elektronikā un valkājamās ierīcēs joprojām ir gadu attālumā. Tikmēr sagaidiet mazākus notikumus, piemēram, gaidāmā LED spuldze kura kvēldiegs ir pārklāts ar grafēnu, lai palielinātu tā kalpošanas laiku un samazinātu enerģijas patēriņu.

Paldies Ronam Valdronam par šo jautājumu. Nosūtiet savu uz [email protected].

paslēpties