Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
"Владимирский государственный университет
имени А. Г. и Н. Г. Столетовых
(ВлГУ)"
Кафедра Физики и Прикладной Математики
Реферат
по дисциплине
"Основы нанотехнологий"
на тему
«Нобелевская премия 2010 года по физике.
Графен и его открытие»
Выполнил
Ст. гр. ПМИ-115
Кириллов С.А.
Проверила
Доцент кафедры ФиПМ
Хмельницкая Е.В.
Владимир,2017
Оглавление
Введение 3
История открытия 3
Способы получения графена 4
Применение графенов во всех сферах деятельности человека 5
«Всеобщая эйфория» 8
Заключение 9
Список используемых источников 9
Введение
Графен — самый тонкий и самый прочный материал во Вселенной. Представьте себе углеродную пластину толщиной всего в один атом, но более прочную, чем алмаз, и пропускающую электричество в 100 раз лучше, чем кремний компьютерных чипов. Его уже сейчас сравнивают с появлением самых революционных изобретений, изменивших человечество. Крайне сложно предсказать сейчас практические области применения графена, но он однозначно изменит нашу жизнь. Его появление революционно. Он сравним с появлением танков, которые уничтожили конницу, мобильных телефонов, которые скоро уничтожат стационарные аппараты. Такое открытие не укладывается в стандартную схему, в которой можно было бы предположить пути развития и дальнейшего применения. Графен изменит все, что нас сейчас окружает. Ведь открыто новое материальное вещество с уникальными физическими свойствами. С одной стороны, оно очень тонкое, с другой - очень большое. Оно поменяет наше представление о природе веществ и вещей.
История открытия
| Графен |
|
Графе́н (англ. graphene) — слой атомов углерода толщиной в один атом, соединённых посредством sp² связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла. Его теоретическое исследование началось задолго до получения реальных образцов материала, поскольку из графена можно собрать трёхмерный кристалл графита. Графен является базой для построения теории этого кристалла. Графит является полуметаллом, и как было показано в 1947 году П. Воллесом, в зонной структуре графена также отсутствует запрещённая зона, причём в точках соприкосновения валентной зоны и зоны проводимости энергетический спектр электронов и дырок линеен как функция волнового вектора. Такого рода спектром обладают безмассовые фотоны и ультрарелятивистские частицы, а также нейтрино. Поэтому говорят, что эффективная масса электронов и дырок в графене вблизи точки соприкосновения зон равна нулю. Но здесь стоит заметить, что, несмотря на сходство фотонов и безмассовых носителей, в графене существует несколько существенных различий, делающих носители в графене уникальными по своей физической природе, а именно: электроны и дырки являются фермионами, и они заряжены. В настоящее время аналогов для этих безмассовых заряженных фермионов среди известных элементарных частиц нет.
Несмотря на такие специфические особенности, экспериментального подтверждения эти выводы не получили до 2005 года, поскольку не удавалось создать графен . Кроме того, ещё раньше было доказано теоретически, что свободную идеальную двумерную плёнку получить невозможно из-за нестабильности относительно сворачивания или скручивания. Тепловые флуктуации приводят к плавлению двумерного кристалла при любой конечной температуре.
Интерес к графену появился снова после открытия углеродных нанотрубок, поскольку вся первоначальная теория строилась на простой модели нанотрубки как развёртки цилиндра. Поэтому теория для графена в приложении к нанотрубкам хорошо проработана.
Попытки получения графена , прикреплённого к другому материалу, начались с экспериментов, использующих простой карандаш, и продолжились с использованием атомно-силового микроскопа для механического удаления слоёв графита, но не достигли успеха. Использование графита с внедрёнными (интеркалированный графит) в межплоскостное пространство чужеродными атомами (используется для увеличения расстояния между соседними слоями и их расщепления) также не привело к результату.
Только в 2004 г., Константин Новоселов и Андрей Гейм впервые получили углерод в свободном состоянии. Это новое вещество, которое назвали графеном , и стало крупным открытием ученых. В 2010 г., они получили Нобелевскую премию по физике «За исследование свойств графена».
Способы получения графена
До прошлого года единственным известным науке способом производства графена было нанесение на клейкую ленту тончайшего слоя графита с последующим удалением основы. Эта техника получила название «техники скотча». Однако недавно ученые обнаружили, что существует более эффективный способ получения нового материала: в качестве основы они стали использовать слой меди, никеля или кремния, который затем удаляется вытравливанием . Таким способом, прямоугольные листы из графена шириной 76 сантиметров создала команда учёных из Кореи, Японии и Сингапура. Мало того что исследователи поставили своеобразный рекорд по размерам куска однослойной структуры из атомов углерода, так они ещё и создали на основе гибких листов чувствительные экраны.
Впервые графеновые «хлопья» были получены физиками лишь в 2004 году, тогда их размер составил всего лишь 10 микрометров. Год назад команда Родни Руоффа из Техасского университета в Остине рассказала о том, что им удалось создать сантиметровые «обрывки» графена.
Руофф и его коллеги нанесли углеродные атомы на медную фольгу при помощи метода химического осаждения из пара (CVD). Исследователи лаборатории профессора Бюня Хее Хона из университета Сункхюнкхвана пошли дальше и увеличили листы до размеров полноценного экрана. Новая «рулонная» технология (roll-to-roll processing) позволяет получать из графена длинную ленту.
Поверх графеновых листов физики поместили слой адгезивного полимера, растворили медные подложки, затем отделили полимерную плёнку – получился единичный слой графена. Чтобы придать листам большую прочность, учёные тем же способом «нарастили» ещё три слоя графена. В конце полученный «бутерброд» обработали азотной кислотой – для улучшения проводимости. Новенький лист графена помещается на подложку из полиэстера и проходит между нагретыми валиками. Образовавшаяся структура пропускала 90% света и обладала электрическим сопротивлением меньшим, чем у стандартного, но по-прежнему очень дорогого прозрачного проводника – оксида индия и олова (ITO). Кстати, использовав листы графена в качестве основы сенсорных дисплеев, исследователи обнаружили, что их структура ещё и менее хрупкая.
Правда, несмотря на все достижения, до коммерциализации технологии ещё очень далеко. Прозрачные плёнки из углеродных нанотрубок пытаются вытеснить ITO уже довольно давно, но производители никак не могут справиться с проблемой «мёртвых пикселей», которые появляются на дефектах плёнки.
Применение графенов во всех сферах деятельности человека
1)электротехнике и электронике
Яркость пикселей в плоскопанельных экранах определяется напряжением между двумя электродами, один из которых обращен к зрителю . Эти электроды обязательно должны быть прозрачными. В настоящее время для производства прозрачных электродов применяется оксид индия, легированный оловом (ITO), но ITO является дорогостоящим и не самым устойчивым веществом. К тому же мир вскоре исчерпает свои запасы индия. Графен является более прозрачным и более устойчивым, чем ITO, и уже был продемонстрирован ЖК-дисплей с графеновым электродом.
Большой потенциал у материала и в других областях электроники. В апреле 2008 года ученые из Манчестера продемонстрировали самый крохотный в мире графеновый транзистор. Идеально правильный слой графена управляет сопротивлением материала, превращая его в диэлектрик. Становится возможным создание микроскопического переключателя питания скоростного нано-транзистора для контроля движения отдельных электронов. Чем меньше транзисторы в микропроцессорах, тем быстрее он сам, и ученые надеются, что графеновые транзисторы в компьютерах будущего станут размером с молекулу, учитывая, что современные кремниевые технологии производства микротранзисторов практически достигли предела своих возможностей.
Графен не только отличный проводник электричества. У него высочайшая теплопроводность: колебания атомов легко распространяются по углеродной сетке ячеистой структуры. Тепловыделение в электронике - серьезная проблема, поскольку существуют пределы высоких температур, которые электроника способна выдержать. Однако ученые из университета штата Иллинойс обнаружили, что транзисторы, в которых используется графен, обладают интересным свойством. В них проявляется термоэлектрический эффект, приводящий к понижению температуры прибора. Это может означать, что электроника, построенная на применении графена, оставит в прошлом радиаторы и вентиляторы. Таким образом, привлекательность графена в качестве перспективного материала для микросхем будущего дополнительно возрастает .
Ученым было непросто измерить теплопроводность графена. Они изобрели совершенно новый способ измерения его температуры, расположив пленку из графена длиной в 3 мкм над точно таким же крохотным отверстием в кристалле диоксида кремния. Затем пленку нагрели лазерным лучом, заставив ее вибрировать. Эти вибрации помогли рассчитать температуру и теплопроводность.
Изобретательность ученых не знает границ, если речь идет об использовании феноменальных свойств нового вещества. В августе 2007 года был создан самый чувствительный из всех возможных датчиков на его основе. Он способен отреагировать на одну молекулу газа, что поможет своевременно обнаружить наличие токсинов или взрывчатых веществ. Чужеродные молекулы мирно опускаются в графеновую сеть, выбивая из нее электроны либо добавляя их. В результате меняется электрическое сопротивление графенового слоя, которое и измеряется учеными. Даже самые маленькие молекулы задерживаются прочной графеновой сеткой. В сентябре 2008 года ученые из Корнельского университета в США продемонстрировали, как графеновая мембрана, подобно тончайшему воздушному шару, надувается за счет разницы давлений в несколько атмосфер по обеим ее сторонам. Эта особенность графена может быть полезной при определении протекания различных химических реакций и вообще при изучении поведения атомов и молекул.
Получать большие листы чистого графена пока еще очень сложно, но задачу можно упростить, если слой углерода смешать с другими элементами. В Северо-Западном университете США графит окислили и растворили в воде. Результатом стал бумагоподобный материал - графеноксидная бумага . Она очень жесткая и довольно проста в изготовлении. Графеноксид пригоден в качестве прочной мембраны в аккумуляторах и топливных элементах.
Мембрана из графена - идеальная подложка для объектов изучения под электронным микроскопом. Безупречные ячейки сливаются на изображениях в однородный серый фон, на котором четко выделяются другие атомы. До сих пор было практически невозможно различить в электронном микроскопе легчайшие атомы, но с графеном в качестве подложки можно будет разглядеть даже малые атомы водорода.
Возможности применения графена можно перечислять до бесконечности. Недавно физики Северо-Западного университета США выяснили, что графен можно смешивать с пластиком. Результат - тонкий суперпрочный материал, выдерживающий высокие температуры и непроницаемый для газов и жидкостей.
Сфера его применения - производство легких автозаправочных станций, запчастей для автомобилей и самолетов, прочных лопастей ветровых турбин. В пластик можно упаковывать пищевые продукты, надолго сохраняя их свежими.
Графен не только тончайший, но и самый прочный в мире материал. Ученые из Колумбийского университета в Нью-Йорке убедились в этом, поместив графен над крошечными отверстиями в кристалле кремния. Затем нажатием тончайшей алмазной иглы попытались разрушить слой графена и измерили силу давления . Оказалось, что графен в 200 раз прочнее стали. Если представить себе графеновый слой толщиной с пищевую пленку, он бы выдержал давление острия карандаша, на противоположном конце которого балансировал бы слон или автомобиль.
2) Графен в автомобилестроении
Графеновый аккумулятор, который позволяет автомобилю без подзарядки преодолевать 1000 км очень обнадеживает всех ценителей экологического транспорта. Тем более, что такие же исследования с графеном проводились исследователями в Институте науки и технологий, Кванджу, Южная Корея и им также удалось создать батареи автомобиля с той же мощности, но, время зарядки сокращается до 16 секунд.
Заметьте, это исследования, которые проводились еще в 2013 году. А уже через год испанцы опубликовали о том, что их батарея будет продуктивней Тесла в 2,5 раза и зарядка батареи будет всего 8 минут. А главное два немецких автопроизводителя были заинтересованы в попытке установить графеновые аккумуляторы на своих автомобилях.
3) Графен в строительстве
3.1)Поролон из графена
Графеновый поролон может стать самым теплопроводимым материалом в мире, утверждает ведущий производитель полиуретановой пены, компания Мурсия, которая включила этот материал в ассортимент своей продукции.
После длительного периода исследований и испытаний в своих лабораториях, они сумели успешно внедрить этот материал. Графеновый поролон имеет высокую теплопроводимость и уменьшает образование клещей и бактерий внутри эластичного пенополиуретана. Он может служить как прекрасный утеплитель в стенах, так и в мягкой мебели и салоне автомобиля. Видимо, в салоне GTA Spano его уже применили.
Что важно, при производстве графенового поролона не используется метиленхлорид и значительно уменьшаются выбросы CO2, что сказывается на экологичной составляющей этого продукта.
4) Графен в медицине
4.1) Графен восстанавливает кости
Исследователи из института медицинских наук Amrita и научно-исследовательского центра в Индии показали, что оксид графена способен восстанавливать костную ткань.
Они обнаружили, что графеновые чешуйки оксида ускоряют размножение стволовых клеток и регенерацию клеток костной ткани.
Сейчас идет активная проверка графенового оксида на токсичность и если все пройдет успешно, то вскоре мы можем ожидать новых революционных методов лечения переломов костей.
4.2) Графен лечит от рака
Ученые выявили, что при помощи оксида графена можно уничтожить раковые стволовые клетки, в то же время, никак не влияя на здоровые клетки.
Если включить лечение оксидом графена в комплексное лечение при раковых опухолях, то разрастание опухоли прекратиться, а также графен поможет предотвратить метастазирование и повторное развитие опухоли в будущем. Такие заключения сделали специалисты после изучения свойств углеродного материала.
Специалисты предполагают, что их работа все же достигнет стадии клинических испытаний, и оксид графена можно будет применять для лечения раковых опухолей.
5) Графен в экологии
5.1)Графен впитывает радиоактивные отходы
Оксид графена быстро удаляет радиоактивные вещества из загрязненной воды, утверждают исследователи из МГУ им. Ломоносова и американского Университета Райса. Микроскопические, толщиной в атом хлопья этого материала быстро связываются с естественными и искусственными радиоизотопами и конденсируют их, превращая в твердые вещества. Сами хлопья растворимы в жидкости, и их легко производить в промышленных масштабах.
Таким образом можно очистить загрязненные участки, пострадавшие от выбросов ядерных отходов, как например на АЭС в Фукусиме. Оксид графена оказался гораздо лучше, чем бентонитовая глина и гранулированный активированный уголь, который обычно используется при ядерной очистке.
Также графеном можно очистить подземные воды, которые загрязняются при добыче нефти, газа и редкоземельных металов. И что примечательно такой метод очистки значительно дешевле традиционных.
Графен действительно уникальный материал и он может принести много пользы для нашей планеты. И в дальнейшем, мы будем следить за всеми новостями связанными с исследованиями в этой области.
5.2)Графен как фильтр для воды
Также графеновая плёнка, как оказалось, является отличным фильтром для воды, поскольку она пропускает молекулы воды и при этом задерживает все остальные. Возможно, в будущем это поможет снизить стоимость опреснения морской воды. Несколько месяцев назад компания Lockheed Martin представила графеновый фильтр для воды под названием Perforene, которые, по утверждению производителя, на 99% снижает энергетические затраты на опреснение.
Наконец, прошлом году, что благотворительный Фонд Билла и Мелинды Гейтс в выделил грант в размере 100 тысяч долларов на «разработку новых композитных эластичных материалов для презервативов, включающих наноматериалы типа графена ».
«Всеобщая эйфория»
Подобные дискуссии возникают в науке периодически, и разрешаются они, как правило, только после серьезных исследований. Например, недавно была схожая ситуация с высокотемпературными сверхпроводниками. В 1986 году Беднорц и Мюллер открыли сверхпроводимость в барий-лантан-медном оксиде (за это открытие им была присуждена Нобелевская премия уже в 1987 году – через год после открытия!), которая обнаруживалась при температуре, значительно превышающей значения, характерные для известных к тому времени сверхпроводящих материалов. При этом по строению купратные сверхпроводящие соединения значительно отличались от низкотемпературных сверхпроводников. Затем лавинообразные исследования родственных систем привели к получению материалов с температурой сверхпроводящего перехода 90 К и выше. Это означало, что в качестве хладоагента можно использовать не дорогой и капризный жидкий гелий, а жидкий азот - в газообразном виде его в природе очень много, и к тому же он существенно дешевле гелия.
Но, к сожалению, эта эйфория вскоре прошла после тщательных исследований новых высокотемпературных сверхпроводников. Эти поликристаллические материалы, как и другие сложные оксиды, подобны керамике: они хрупкие и непластичные. Оказалось, что внутри каждого кристалла сверхпроводимость имеет хорошие параметры, а вот в компактных образцах критические токи достаточно невысокие, что обусловлено слабыми контактами между зернами материала. Слабые Джозефсоновские переходы (Josephson junction) между сверхпроводящими зернами не позволяют изготовить материал (например, сделать провод) с высокими сверхпроводящими характеристиками.
И пока все свойства графена не будут исследованы до такого уровня, что даже у самого убежденного скептика не останется сомнений, нельзя со стопроцентной уверенностью утверждать, что графен-материал будущего.
Заключение
У каждой эпохи есть своё ключевое открытие, которое задаёт темпы и направление прогресса на много лет вперёд. Например, металлургия стала основой промышленной революции, а изобретение полупроводникового транзистора в XX веке сделало возможным появление современного мира в том виде, каким мы его знаем. Станет ли графен таким чудо-материалом XXI века, который позволит создавать устройства, о которых мы сейчас и не догадываемся? Вполне может быть. Пока же нам остаётся только с интересом следить за исследованиями в этой области.
Список используемых источников
1) https://www.science-education.ru
2) cyberleninka.ru
3) http://znanium.com
4) http://biblioclub.ru
5) http://www.bibliorossica.com