Jak grafen působí na člověka?

Je silný, flexibilní a je to tady: po letech výzkumu a experimentů přichází grafen do našich životů, konkrétně do produktů, které používáme každý den. Grafen brzy změní svět smartphonů, baterií, sportovního vybavení, superaut a supravodičů. Vlastnosti tohoto materiálu jsou tak neuvěřitelné, že někteří lidé dokonce věří, že jsme grafen získali z mimozemských lodí, které na naší planetě zůstaly dlouho před příchodem lidstva.

To je samozřejmě fantazie, ale potenciál grafenu nemůže dát vzniknout takovým konspiračním teoriím. Od doby, kdy se vědci a výrobci elektroniky poprvé pokusili odemknout plnou sílu nového materiálu, uplynulo více než 60 let, ale jeho praktická aplikace se stala proveditelnou až nyní. Zprávy o technologických průlomech v této oblasti neustávají a další záplava informací na toto téma proběhla během nedávné výstavy mobilní elektroniky MWC 2018. Dále si povíme o 10 způsobech, jak využít grafen, které vám v dohledné době změní život .

Miniaturní UV skenery

Běžné oblečení nás chrání před škodlivými ultrafialovými paprsky, ale to často nestačí, zvláště v horkých, slunných zemích. Problém bude vyřešen pomocí malého flexibilního UV skeneru, který lze připevnit na kůži jako běžnou náplast nebo zabudovat do oděvu. Když tento skener zjistí, že jste byli příliš dlouho vystaveni přímému slunečnímu záření, odešle na váš smartphone upozornění, které vás upozorní na nebezpečí.

Chytré vložky pro sportovce

Na grafen ve velkém sázejí i výrobci obuvi a sportovních potřeb. Dnes již existují ponožky a vložky, které detekují tlak v určité oblasti podrážky. Ale naprostá většina takových produktů je vybavena jen pár senzory, grafen umožňuje umístit více než 100 senzorů, které neovlivní váhu boty. Již dnes existují prototypy high-tech vložek, jsou vyrobeny ze speciální pěny a měří tlak s miligramovou přesností.

Grafenový kryochladič pro chlazení základnových stanic 5G

Všechny bezdrátové komunikační moduly vyžadují s rostoucím objemem přenášených dat stále větší chlazení, jinak se zařízení přehřívá. Tedy mnohonásobný nárůst kapacity v nadcházejících 5G sítích. Kompaktní chladicí čerpadlo vyvinuté ve Švédsku je schopno snížit teplotu základnových stanic až na -150 stupňů a udržovat stabilní signál.

Audio zařízení

Přestože byl grafen poprvé získán na univerzitě v Manchesteru, výzkum tohoto materiálu probíhá po celém světě a největší počet patentů na použití grafenu patří Číně. Není žádným překvapením, že největší výrobce elektroniky v zemi se stal jednou z prvních značek, které do svých produktů začlenily grafen. Xiaomi Mi Pro HD jsou tedy sluchátka s grafenovou membránou, která umožňuje přenášet hlasitější, čistší a bohatší zvuk. Xiaomi má také terapeutický pás PMA A10 vyrobený z tkaniny potažené grafenem.

Světově nejúčinnější solární panely

V Itálii vědci vyvíjejí solární baterii na bázi grafenu a organických krystalů. Tato technologie umožňuje zvětšit solární články, což zvyšuje účinnost sběru energie a 4krát snižuje náklady na výrobu.

Grafenová letadla

V letectví je hmotnost vším; náklady na let na ní přímo závisí. To je důvod, proč Richard Branson (a další méně známí lidé) předpovídají úplný přechod komerčních leteckých společností na mnohem lehčí a silnější grafen během příští dekády. A nejsou to jen slova – například Airbus se této oblasti aktivně věnuje již pár let.

Pouzdra na smartphony

Pouzdra s vestavěnou baterií se na trhu nikdy neprosadila a problém rychlého vybití mobilních baterií nezmizel. Pouzdra s grafenovým zadním panelem dokážou ochladit váš smartphone mnohem efektivněji a přidají až 20 % k výdrži baterie vašeho mobilního zařízení.

Super tenké elektronické čtečky

Na MWC 2017 společnost FlexEnable předvedla grafenovou plnobarevnou matici pixelů pro energeticky úsporné displeje a displeje s elektronickým inkoustem. Takové obrazovky budou mít tloušťku běžného papíru. Kromě toho budou tyto matrice flexibilní, což eliminuje potřebu silného ochranného skla.

Auta

Grafen otevírá široké možnosti pro automobilový průmysl, zejména pro elektromobily. Faktem je, že vozidla vyrobená z grafenu mají nižší hmotnost a větší tuhost karoserie, což jim umožňuje rychlejší akceleraci a spotřebu podstatně méně elektřiny.

Ultra rychlé nabíjení

Co kdybyste mohli svůj smartphone nabít na 100 % za 5 minut? Tak dlouho trvá nabíječka od Zap & Go. A přestože měl testovací prototyp kapacitu pouhých 750 mAh, je tento výsledek působivý. A příští rok inženýři společnosti slibují, že toto číslo sníží na 15–20 sekund. Mezitím Huawei vyvinul konvenční lithium-iontové baterie, které díky použití grafenu mohou pracovat při teplotách až 60 °C, což je o 10 stupňů více než u standardních baterií, což prodlužuje životnost baterie téměř 10krát.

Rok 2021 byl v Rusku vyhlášen Rokem vědy a techniky a měsíc červen je podle kalendářního plánu roku věnován novým výrobním technologiím a materiálům. Dnes budeme hovořit o jednom z těchto nových slibných materiálů – grafen.

Grafen je nejtenčí materiál, jaký byl kdy objeven. Poprvé byla přidělena na začátku roku 2010 a v roce XNUMX absolventům MIPT a zaměstnancům University of Manchester Hra Andrey и Constantine Novoselov Za tento objev byla udělena Nobelova cena za fyziku. Nápadů, jak využít tento tenký a extrémně odolný materiál, o kterém se v posledních letech tolik mluví, je mnoho.

Vrstva uhlíku silná jeden atom

Grafen má tloušťku pouze jednoho atomu, což z něj činí nejtenčí materiál na světě a lze jej nazvat dvourozměrným objektem. Představte si obyčejnou tužku, kterou píšete – skládá se z několika milionů vrstev grafenu a ve skutečnosti grafit v tužce jsou to vrstvy grafenu naskládané na sebe. Každý z nás proto alespoň jednou v životě držel grafen v ruce. Materiál objevili Geim a Novoselov, když studovali vodivost grafitu. Nalepením pásky na kus grafitu se vědcům podařilo získat jednu vrstvu grafenu.

Myšlenka oddělit vrstvu grafenu od grafitu pomocí lepicí pásky přišla k vědcům spontánně. Páska použitá k přípravě vzorků grafitu pro použití na rastrovacím tunelovém mikroskopu se po zákroku obvykle vyhodí do koše. Novoselov a Game se však rozhodli pro kousek lepicí pásky se zbytky tenké vrstvy materiálu najít jiné využití – za to byli později vtipně nazváni popeláři.

Nikdo nevěřil v možnost oddělení jedné vrstvy. Před sedmdesáti lety Lev Landau a Rudolf Peierls dokázali, že takové materiály nemohou existovat: síly interakce mezi atomy je musí rozdrtit do harmoniky nebo svinout do trubky, píše Forbes. Ukázalo se však, že grafen je výjimkou z tohoto pravidla.

Praktická aplikace

Grafenu se připisuje široká škála praktických aplikací. Lze z něj vytvořit mozkové implantáty, lze jej použít v chladicím systému pro satelity, grafen lze přeměnit na supravodič; Je také užitečné v každodenním životě: například jako barvivo na vlasy. Již dnes se grafen používá v elektronice a medicíně: práce na neurozařízeních a biosenzorech probíhají od roku 2008 – těžko však říci, kdy se grafenová bioelektronika široce uplatní v praxi.

Tento materiál je ceněn zejména pro svou pevnost a pružnost. Grafen je také velmi průhledný: jeho průhlednost je 97 %.

„Nyní existuje mnoho nápadů, jak lze grafen použít. Objevily se představy, že by bylo možné jej použít jako tranzistor, jako náhradu elementové báze moderní elektroniky. Ale pokud vím, nefungovalo to a nyní se snaží využít jeho elastických vlastností. Pokud porovnáme atomovou vrstvu uhlíku (což je v podstatě grafen) a atomovou vrstvu, řekněme, hliníku, uvidíme, že tuhost grafenu bude nejméně desetkrát vyšší. Jelikož je grafen monatomický, snadno propouští světlo, to znamená, že skrz něj vidíte vše. Na druhou stranu je dostatečně pevný, aby poskytoval potřebnou ochranu před určitým mechanickým namáháním. Proto lze grafen použít jako průhlednou, ale odolnou obrazovku k ochraně například displejů z tekutých krystalů. Jeho síla může být užitečná pro vytváření flexibilních nerozbitných zástěn, městských budov atd., možná se stane budoucím stavebním materiálem pro vesmírné lodě, veřejnou dopravu atd.,“ řekl zástupce ředitele Ústavu teoretické fyziky v rozhovoru pro Scientific. Rusko je. L.D. Landau RAS Igor BURMISTROV.

Někteří odborníci se domnívají, že grafen by dokonce mohl spustit nový skok ve vývoji lidské civilizace. Éra křemíku brzy skončí, říkají vědci, protože základna křemíkových prvků, na kterém moderní technologie vznikají, se již blíží svému technologickému a fyzikálnímu limitu a v tomto smyslu se grafen může stát výbornou alternativou. Použití grafenu v elektronice pomůže vytvořit výkonnější počítače a systémy. Po celém světě se již používá k výrobě flexibilních mobilních telefonů.

Vývoj kovů svého času radikálně změnil životy lidí – stejný osud se předpovídá i grafenu, který jej nazývá nejzáhadnějším a nejslibnějším novým materiálem budoucnosti, který je schopen způsobit revoluci v energetickém sektoru. Grafen umožňuje získávat energii zcela novým způsobem. Tento materiál má schopnost umožnit průchod kladně nabitým atomům vodíku, přičemž je nepropustný pro jiné plyny, včetně samotného vodíku. To otevírá vědcům neuvěřitelné vyhlídky na vytvoření palivových článků na bázi vodíku. V takových prvcích bude například možné sbírat vodík ze vzduchu a následně vyrábět elektřinu a vodu pomocí grafenu prakticky bez vzniku odpadu.

Fyzici ze Spojených států loni ukázali, že grafen lze použít ke sklizni energie: je schopen generovat energii pomocí svého prostředí. Vědci z University of Arkansas vyvinuli obvod, který dokáže zachytit tepelný pohyb grafenu a přeměnit jej na elektrický proud.

„Na čip lze integrovat energeticky úsporný obvod založený na grafenu, který poskytuje čisté, neomezené nízkonapěťové napájení pro malá zařízení nebo senzory,“ řekl Paul Thibadeau, profesor fyziky zapojený do experimentu.

Grafen lze použít k vytvoření kvantových počítačů díky tomuto materiálu se takové počítače mohou stát kompaktnějšími. Grafen může mít také obecnější aplikace, jako je oděvní design. Věci z grafenu, lehké a hutné, už dnes na světových trzích najdete.

Grafenová budoucnost

Vývoj založený na grafenu se již blíží masové implementaci v ekonomice, říká člen korespondent Ruské akademie věd, vědecký ředitel Corporate Energy University Evgeny Ametistov. Rusko přitom není v žádném případě lídrem v grafenové rase a naše technologie mají k dokonalosti daleko.

V rámci programu financování vědy (2014–2020) vyčlenila Evropská unie miliardu eur na zahájení výroby grafenu v průmyslovém měřítku. Projekt sdružuje 23 zemí a 142 výzkumných týmů a průmyslových partnerů. Není to tak dávno, v roce 2015, byl v Manchesteru otevřen National Graphene Institute, jehož výstavba byla financována Evropským fondem pro regionální rozvoj a vládou Spojeného království. Více než polovina světových publikací a patentových přihlášek v oblasti grafenu však dnes pochází z Číny, kde působí tzv. Graphene Industry Innovation Alliance.

Jak to chodí v Rusku? Co do počtu studií grafenu je dnes Rusko na 14. místě na světě, píše ruský podnikatelský týdeník Expert. Navíc procento ruských vědeckých publikací na téma grafen klesá, uvádí publikace: v roce 2000 to bylo 5,6 % a v roce 2021 už jen 2,3 %.

Výzkumem grafenu se v Rusku zabývá více než 30 organizací, včetně různých ústavů Ruské akademie věd, Moskevské státní univerzity. M.V. Lomonosov, podniky státní korporace Roskomos, soukromé firmy. Naše země má vlastní Grafenový institut, na jehož základě poprvé v Rusku vznikla instalace semiindustriálního typu na výrobu čistého (téměř 100%) grafenu.

„Teď probíhá jakýsi závod v grafenu.“ Naše pozice byly zpočátku velmi dobré, protože Rusko je tradičně silné z hlediska fundamentální fyziky. Samozřejmě jsme trochu propásli okamžik, kdy se svět řítil vpřed,“ řekl Valentin Volkov, ředitel Centra pro fotoniku a dvourozměrné materiály MIPT na Mezinárodní konferenci o dvourozměrných materiálech v Soči.

Již dnes se v Rusku používá grafen a grafenu podobné materiály ke zvýšení rázové houževnatosti experimentálních vzorků pancíře z karbidu křemíku pro útočné vrtulníky a vojenské přilby, při výrobě solárních panelů, používaných v lithium-iontových bateriích atd. Široké využití grafenu je však otázkou budoucnosti.