الجرافين وتطبيقه. اكتشاف الجرافين. تكنولوجيا النانو في العالم الحديث

نسبيا مؤخرا في العلوم والتكنولوجيا هي منطقة جديدة، ودعا تكنولوجيا النانو. آفاق هذا الانضباط ليست مجرد العظمى. فهي الطموح. الجسيمات، ويشار إلى "نانو" هو قيمة تساوي واحد من المليار جزء من أي قيمة. لا يمكن إلا أن هذه الأحجام يمكن مقارنة لحجم الذرات والجزيئات. على سبيل المثال، يسمى النانومتر واحد من بليون من المتر.

الاتجاه الرئيسي للحقل جديد من العلم

دعا تكنولوجيا النانو تلك التي تعالج هذه المسألة على مستوى الجزيئات والذرات. لذلك، ويسمى هذا المجال من العلوم أيضا التكنولوجيا الجزيئية. ما هو الدافع لتطويره؟ تكنولوجيا النانو في العالم الحديث ظهرت بفضل المحاضرات Richarda Feynmana. في ذلك أثبت للعالم أنه لا توجد عقبات في خلق الأشياء مباشرة من الذرات.

يعني للتلاعب الفعال لجزيئات صغيرة تسمى المجمع. هذه الالة الجزيئية الجزيئية، والتي يمكن استخدامها لبناء أي هيكل. على سبيل المثال، المجمع يمكن أن يسمى الريبوسوم الطبيعي توليف البروتين في الكائنات الحية.

تكنولوجيا النانو في العالم الحديث ليست مجرد منطقة واحدة من الخبرة. وهي تمثل نطاقا واسعا من البحوث المتعلقة مباشرة إلى العديد من العلوم الأساسية. ومن بينها الفيزياء والكيمياء وعلم الأحياء. ووفقا للعلماء، فإن هذه العلوم لديهم حافزا أقوى للتنمية على خلفية ثورة تكنولوجيا النانو المقبلة.

مجال التطبيق

سرد كافة مجالات النشاط الإنساني، حيث يتم استخدام تكنولوجيا النانو اليوم، فإنه من المستحيل بسبب قائمة طويلة جدا. لذلك، مع مساعدة من هذا المجال من العلوم ويتم إنتاج:

- أجهزة لتسجيل بالغة الكثافة أية معلومات.
- المعدات المختلفة.
- أجهزة الاستشعار، و الخلايا الشمسية، و الترانزستورات أشباه الموصلات.
- المعلومات والحوسبة وتكنولوجيا المعلومات؛
- nanoimprint وطباعة حجرية نانوية.
- أجهزة لتخزين الطاقة، وخلايا الوقود؛
- الدفاع والفضاء والطيران التطبيقات؛
- bioinstrumentary.

في هذا المجال العلمي لتكنولوجيا النانو في روسيا والولايات المتحدة واليابان والعديد من الدول الأوروبية مع مزيد من التمويل يتم تخصيص كل عام. ويرجع ذلك إلى آفاق واسعة لتطوير هذا المجال من البحث هذا.

تكنولوجيا النانو وتطوير في روسيا وفقا لبرنامج الهدف الاتحادي، التي تنص على تكاليف مالية كبيرة فحسب، بل يحمل أيضا كمية كبيرة من تصميم والبحوث الأعمال. لتحقيق الأهداف الذهاب إلى توحيد جهود مختلف النظم العلمية والتكنولوجية على مستوى الشركات الوطنية والمتعددة الجنسيات.

مواد جديدة

وقد مكنت تكنولوجيا النانو العلماء لإنتاج لوحة الكربون أصعب من الماس الذي سمك هو ذرة واحدة فقط. وهو يتألف من الجرافين. هو أنحف وأقوى مادة في الكون، الذي ينقل الكهرباء أفضل بكثير من رقائق الكمبيوتر السيليكون.

اكتشاف الجرافين هو حدث ثوري حقيقي، الأمر الذي سيتيح الكثير من التغيير في حياتنا. هذه المواد هي الخصائص الفيزيائية الفريدة بحيث تغييرا جذريا في طبيعة الإنسان من الأشياء والمواد.

تاريخ الاكتشاف

الجرافين هو الكريستال ثنائي الأبعاد. هيكلها هو شعرية سداسية تتألف من ذرات الكربون. بدأت الدراسات النظرية من الجرافين لفترة طويلة قبل الحصول على تصاميمه حقيقية، لأن هذه المواد هي الأساس لبناء الكريستال الغرافيت ثلاثي الأبعاد.

حتى عام 1947 G. P. Volles لديه بعض خصائص الجرافين، مما يثبت أن هيكلها هو المعادن مماثلة، وبعض خصائص مشابهة لتلك الجزيئات فائقة النسبية، النيوترونات والفوتونات عديمة الكتلة. ومع ذلك، فإن المواد الجديدة هناك بعض الاختلافات الهامة التي تجعلها فريدة في طبيعتها. ولكن تأكيدا لهذه النتائج تم الحصول عليها فقط في عام 2004، عندما كونستانتين نوفوسيلوف و أندري Geim تم الحصول عليها أول مرة من قبل الكربون في دولة حرة. وتسمى هذه المادة الجديدة الجرافين، وكان العلماء اكتشاف كبير. العثور على هذا البند يمكن أن يكون في قلم رصاص. يرصد لها قضيب الجرافيت تتكون من طبقات متعددة من الجرافين. كيف يترك قلم رصاص علامة على ورقة؟ والحقيقة هي أنه على الرغم من قوة من المكونات الأساسية للطبقات، هناك رابط ضعيف جدا بينهما. فهي سهلة جدا أن نقع في اتصال مع ورقة، وترك وراءه في الكتابة.

باستخدام مواد جديدة

وفقا للعلماء، وأجهزة الاستشعار التي تقوم على الجرافين، أن يكون قادرا على تحليل قوة وحالة من الطائرات، فضلا عن التنبؤ بالزلازل. ولكن فقط عندما تكون المادة مع هذه الخصائص سوف يغادر مختبرات جدار مذهلة تصبح واضحة التطبيق العملي سوف تتطور في اتجاه الجوهر. في الوقت الحاضر اليوم والكيميائيين و الفيزيائيين والمهندسين الكهربائيين المهتمين في قدرات فريدة من الجرافين بالفعل. بعد بضعة غرامات من مادة يمكن تغطية الأراضي، أي ما يعادل ملعب لكرة القدم.

الجرافين وتطبيقه المحتمل أن تكون في إنتاج أقمار صناعية خفيفة الوزن والطائرات. وفي هذا المجال، يمكن للمواد جديدة تحل محل ألياف الكربون في المواد المركبة. ويمكن استخدام المواد متناهية الصغر بدلا من الترانزستورات السيليكون وتنفيذها في البلاستيك تعطيه التوصيل الكهربائي.

تعتبر الجرافين واستخدامه في تصنيع المسائل الاستشعار. وتشكل هذه الأجهزة على أساس أحدث المواد سوف تكون قادرة على الكشف عن جزيء أخطر. ولكن استخدام نانو مساحيق في إنتاج البطاريات الكهربائية في بعض الأحيان إلى زيادة فعاليتها.

وتناقش الجرافين وتطبيقه في الإلكترونيات الضوئية. من المواد الجديدة سوف تتحول بلاستيكية خفيفة الوزن جدا ودائمة والتي من حاويات سيسمح لبضعة أسابيع للحفاظ على المواد الغذائية الطازجة.

ومن المتوقع أن تصنيع طلاء موصل شفاف اللازمة للمراقبين، والألواح الشمسية واستخدام الجرافين وأقوى وأكثر قدرة على مقاومة التأثيرات الميكانيكية من توربينات الرياح.

سوف المواد متناهية الصغر أساس لها المعدات الرياضية وأفضل، يزرع الطبية والمكثفات الفائقة.

أيضا، الجرافين وتطبيقه ذات صلة:

- الأجهزة الإلكترونية عالية التردد الطاقة العالية؛
- غشاء اصطناعي فصل اثنين من السائل في الخزان.
- تحسين خصائص التوصيل من مواد مختلفة.
- خلق عرض على ضوء الصمام الثنائي العضوي.
- تطوير تقنيات جديدة من تسلسل الحمض النووي المتسارع.
- تحسين شاشات الكريستال السائل.
- الترانزستورات الباليستية.

استخدام في صناعة السيارات

ووفقا للباحثين، تقترب طاقة محددة الجرافين 65 كيلو واط / كجم. هذا الرقم هو أعلى 47 مرة من تلك التي هي شائعة جدا في هذه الأيام بطاريات ليثيوم أيون. هذه الحقيقة، وقد استخدم العلماء لخلق جيل جديد من أجهزة شحن البطاريات.

بطارية بوليمر الجرافين - الجهاز عن طريق الوسائل التي القصوى الطاقة الكهربائية احتفظت بكفاءة. حاليا، ويتم العمل عليه من قبل باحثين في العديد من البلدان. تقدما كبيرا يتحقق العلماء الاسباني في هذه المسألة. بطارية الجرافين البوليمر، وأنشأوا لديها استهلاك الطاقة، ومئات أضعاف هذا الرقم مماثل للبطاريات الحالية. أنها تستخدم لتزويد السيارات الكهربائية. الجهاز، الذي تم تثبيت بطارية الجرافين، يمكن السفر من دون توقف آلاف الكيلومترات. لإعادة شحن المصدر للطاقة الكهربائية عند استنفاد سوف تحتاج ما لا يزيد عن 8 دقائق.

شاشات اللمس

يواصل العلماء استكشاف الجرافين، وخلق أشياء جديدة وغير مسبوقة. وهكذا، وجدت المواد متناهية الصغر الكربون تطبيقه في الإنتاج التي تنتج شاشات تعمل باللمس مع شاشة واسعة. قد تظهر على المدى وجهاز مرن من هذا النوع.

حصلت العلماء ورقة الجرافين هي مستطيلة الشكل وحولتها إلى القطب شفافة. وقد شارك أيضا في عمل الشاشة التي تعمل باللمس، الحد بشكل كبير من المتانة والشفافية والمرونة والملاءمة البيئية والتكلفة المنخفضة.

الحصول على الجرافين

منذ عام 2004، عندما تم فتحه أحدث المواد النانوية، تتقن العلماء عددا من الطرق لإعداده. ومع ذلك، تعتبر أبسط هذه الطرق:

- تقشير الميكانيكية.
- نمو الفوقي في فراغ،
- تبريد perofaznogo الكيميائية (الأمراض القلبية الوعائية عملية).

أول هذه الطرق الثلاث هي أبسط. إنتاج الجرافين مع تقشير الميكانيكية هو تطبيق خاص من الجرافيت إلى سطح لاصق شريط لاصق. بعد هذا الأساس، مثل ورقة، تبدأ في ثني واستقام، وفصل المواد المطلوبة. عند تطبيق هذه الطريقة الجرافين الحصول على أعلى مستوى من الجودة. بيد أن هذه الإجراءات ليست مناسبة لانتاج كميات كبيرة من المواد النانوية.

عند استخدام الأسلوب النمو الفوقي من رقائق السليكون رقيقة تستخدم، الطبقة السطحية التي هي كربيد السيليكون. وعلاوة على ذلك، يتم تسخين هذه المادة في درجة حرارة عالية جدا (1000 K). كما يتم فصل نتيجة لتفاعلات كيميائية من ذرات السيليكون من ذرات الكربون، وهو الأول من التي تتبخر. ونتيجة لذلك، يبقى سجل الجرافين النقي. وعيب هذه الطريقة هو ضرورة استخدام درجات حرارة عالية جدا، والتي يمكن أن تحدث أثناء الاحتراق من ذرات الكربون.

الطريقة الأكثر موثوقية وبسيطة تستخدم لانتاج كميات كبيرة من الجرافين، وهي عملية الأمراض القلبية الوعائية. وهي طريقة فيها تفاعل كيميائي بين المحفز والنفط والغاز الغازات المغلفة المعدنية.

التي تنتج الجرافين؟

حتى الآن، أكبر شركة، وتنتج يقع على المواد متناهية الصغر الجديدة في الصين. اسم الشركة المصنعة - نينغبو Morsh تقنية. إنتاج الجرافين التي بدأت في عام 2012.

المستهلك الرئيسي للالمواد متناهية الصغر هي شركة تشونغتشينغ Morsh تقنية. الجرافين استخدامه لإنتاج أفلام شفافة موصلة، والتي يتم إدراجها في لمس الشاشة.

نسبيا في الآونة الأخيرة، أصدرت شركة معروفة نوكيا على براءة اختراع على استشعار الصورة. وكجزء من هذه التي تشتد الحاجة إليها بضع طبقات من الجرافين عنصر أدوات بصرية. مثل هذه المواد المستخدمة في أجهزة الاستشعار من كاميرات يزيد كثيرا حساسيتها (ما يصل إلى 1000 مرة). في نفس الوقت لوحظ انخفاض في استهلاك الكهرباء. وكاميرا جيدة للهاتف الذكي يحتوي أيضا الجرافين.

إعداد بيئة المحلية،

هل من الممكن أن تنتج الجرافين في المنزل؟ كما تبين، نعم! كل ما تحتاجه لاتخاذ قدرة خلاط المطبخ لا تقل عن 400 W، واتبع طريقة تم تطويرها من قبل علماء الفيزياء الايرلندية.

كيف تنتج الجرافين في المنزل؟ لهذا الغرض تم سكب كوب خلاط 500 مل من الماء عن طريق إضافة 10-25 مل من أي المنظفات السائلة و20-50 غراما من لائحة سحقهم. وعلاوة على ذلك يجب تشغيل الجهاز من 10 دقائق إلى نصف ساعة، حتى ظهور الطين من رقائق الجرافين. سوف المادية المترتبة لها الموصلية عالية من شأنها أن تسمح استخدامه في أقطاب من الخلايا الشمسية. الجرافين أيضا يمكن أن يحسن من خصائص البلاستيك المنتجة في البيئة المحلية.

المواد متناهية الصغر أكسيد

علماء البحوث بنشاط ويتم إرفاق هيكل الجرافين بحيث داخل أو على حواف شبكة الكربون أو المجموعات الوظيفية التي تحتوي على الأكسجين (ق) من جزيء. هذا نانو أكسيد الصلبة التي هي أول الصور ثنائية الأبعاد، التي وصلت إلى مرحلة الإنتاج التجاري. من نانو والمجهرية الدقيقة لهذا الهيكل العلماء سنتيمتر العينات المنتجة.

وهكذا، تم الحصول على أكسيد الجرافين في تركيبة مع diofilizirovannym الكربون مؤخرا من قبل العلماء الصينيين. هذه هي خفيفة الوزن جدا سنتيمتر مكعب المادي الذي يقام على بتلات من زهرة صغيرة. ولكن هذه المادة الجديدة، التي أكسيد الجرافين هو واحد من أكثر الصلبة في العالم.

التطبيقات الطبية الحيوية

أكسيد الجرافين له خاصية فريدة من الانتقائية. وسوف تسمح هذه المادة للعثور على تطبيق الطبية الحيوية. لذلك، كان بفضل عمل العلماء الممكنة لاستخدام أكسيد الجرافين لتشخيص السرطان. كشف السرطان في مرحلة مبكرة من تطوره تسمح الخصائص البصرية والكهربائية فريدة من المواد متناهية الصغر.

أيضا أكسيد الجرافين يسمح تسليم المستهدفة من الأدوية ووسائل التشخيص. على أساس من هذه المواد وأجهزة الاستشعار الامتصاص، لافتا إلى جزيء DNA.

التطبيقات الصناعية

يمكن تطبيق مواد ماصة مختلف على أساس أكسيد الجرافين إلى الأشياء الطبيعية والتي من صنع الإنسان dezaktsivatsii المصابة. وهناك قطع من المواد متناهية الصغر النشطة يمكن معالجة المياه الجوفية والمياه السطحية والتربة وتطهيرها من النويدات المشعة.

يمكن الفلاتر ومصنوعة من أكسيد الجرافين توفير أماكن superchistotoy، التي تنتج المكونات الإلكترونية لتطبيقات خاصة. فإن خصائص فريدة من نوعها من هذه المواد تخترق غرامة التكنولوجيا المجال الكيميائي. على وجه الخصوص، وهذا قد يكون استخراج المعادن متفرقة ونادرة المشعة. وهكذا، واستخدام أكسيد الجرافين يسمح لاستخراج الذهب من الخامات منخفضة الدرجة.