Графен будущего 2050 год

Взгляд из будущего: 2050 год

Как графен меняет контуры нашей цивилизации
В начале двадцать первого века мир науки потрясло открытие, которое долгое время считалось теоретически невозможным. Физики утверждали: двумерный материал толщиной всего в один атом не может существовать в стабильном состоянии — он должен неминуемо скрутиться или разрушиться под воздействием тепловых колебаний.
Но вселенная в очередной раз доказала, что реальность удивительнее любых теорий.
На сцену вышел графен — первый в истории человечества истинно двумерный кристалл, состоящий из одного слоя атомов углерода, соединенных в идеальную гексагональную решетку, напоминающую пчелиные соты.

История создания:
Скотч, графит и Нобелевская премия
История графена — это классический пример того, как великое открытие рождается из детской любознательности и нестандартного мышления.
В 2004 году два физика советского происхождения — Андрей Гейм и Константин Новоселов, работавшие в Манчестерском университете в Великобритании, провели серию экспериментов, вошедших в историю науки как метод скотча.
Ученые заметили, что в лаборатории после очистки поверхности кристаллов графита обычным скотчем ленту просто выбрасывали в мусор. Они решили изучить то, что оставалось на липкой ленте. Последовательно отделяя слои углерода друг от друга с помощью обычного канцелярского скотча, они смогли истончить графит до одного-единственного атомного слоя.
Этот элегантный и до смешного простой эксперимент совершил революцию в физике твердого тела. Уже в 2010 году за передовые опыты с двумерным материалом — графеном Гейму и Новоселову была присуждена Нобелевская премия по физике.

Свойства и качества:
Материал экстремальных рекордов
Графен обладает набором уникальных характеристик, каждая из которых заслуживает приставки самый:

Абсолютная прочность:
Он в 200 раз прочнее стали и проверенной временем брони из кевлара. Чтобы проткнуть лист графена толщиной с упаковочную пленку хорошо заточенным карандашом, потребовалось бы поставить на этот карандаш взрослого слона.

Невероятная легкость:
Один квадратный метр графена весит всего 0,77 миллиграмма.
Полотном из графена площадью с футбольное поле можно накрыть стадион, и оно будет весить меньше футбольного мяча.

Идеальная проводимость:
Электроны передвигаются по графеновой решетке в 100 раз быстрее, чем в кремнии (основе всей современной микроэлектроники), и практически не встречают сопротивления. При этом его теплопроводность в 10 раз выше, чем у меди.

Оптическая прозрачность:
Графен поглощает всего 2,3 процента падающего на него света. Он практически невидим глазу, оставаясь при этом абсолютно непроницаемым для любых газов даже для сверхтекучего гелия.

Производство:
От лабораторного скотча к промышленным тоннам
Главной проблемой графена в первые 15 лет после открытия была его цена и сложность получения. Скотчем невозможно производить материал в промышленных масштабах.

 Сегодня мировая индустрия перешла на три основных метода производства:

1. CVD (Химическое осаждение из газовой фазы): Самый качественный метод. Газообразный метан пропускают над раскаленной медной или никелевой фольгой, и атомы углерода ровным монослоем оседают на металле. Так получают безупречные графеновые пленки для электроники и оптики.

2. Жидкостное отшелушивание (Эксфолиация): Графит помещают в специальные растворы и подвергают воздействию мощного ультразвука. Слои графита расслаиваются, образуя графеновые чешуйки. Этот метод позволяет производить тонны графеного порошка.

3. Восстановление оксида графена: Графит окисляют кислотами, разделяют на слои, а затем удаляют кислород химическим путем. Это самый дешевый способ получения добавок для композитных материалов.

Глобальное использование в промышленности:

Сегодня графен перестал быть просто лабораторной игрушкой. Он активно внедряется в тяжелую промышленность, транспорт и аэрокосмос, радикально меняя возможности привычных вещей.

Вакуумные дирижабли:
Вечный полет без гелия
Век классических цеппелинов ушел из-за дефицита и дороговизны гелия, а также взрывоопасности водорода. Графен дарит человечеству концепт вакуумного дирижабля.
Идея проста: если из прочной оболочки просто откачать воздух, конструкция станет легче атмосферы и взлетит. Но до сих пор не существовало материала, который выдержал бы колоссальное атмосферное давление извне и при этом весил мало. Графеновые сэндвич-композиты обладают достаточной жесткостью, чтобы удерживать форму жесткого вакуумированного купола, и абсолютной газонепроницаемостью.
Дирижабли будущего на графеновом каркасе смогут поднимать тысячи тонн грузов вообще без использования подъемного газа.

Дроны и самолеты:
Неуязвимость и грозозащита
В авиации каждый грамм на счету. Добавление всего 0,1 процента графена в углепластик (карбон), из которого делают крылья и фюзеляжи самолетов и корпуса дронов, делает их на 30 процентов легче и на 40 процентов прочнее. Графеновые беспилотники получают колоссальный прирост к дальности и времени полета. Графен решает проблему обледенения: при пропускании слабого тока через графеновый слой крыла, оно мгновенно нагревается, сбрасывая лед. Благодаря высокой электропроводности графена, самолеты получают встроенную защиту от ударов молний — заряд просто растекается по обшивке, не повреждая внутреннюю электронику.

Велосипеды и спортинвентарь:
Легче воздуха
Британские и итальянские компании уже выпускают гоночные велосипеды с добавлением графена в рамы и покрышки. Такие рамы весят менее 800 грамм, гасят вибрации при езде лучше любого амортизатора и не ломаются при падениях. В шинах графен творит чудеса адаптивности: на прямой дороге резина становится жесткой для идеального наката, а при торможении и в поворотах — мягкой для максимального сцепления.

Машины:
Безопасный кузов и ультра-аккумуляторы
В автомобилестроении графен совершает тихую революцию в двух направлениях. Во-первых, безопасность: графеновые бамперы и зоны деформации поглощают энергию удара при ДТП в 5 раз эффективнее стали, защищая пассажиров. Во-вторых, энергия: графеновые суперконденсаторы и литий-графеновые батареи способны заряжаться за 5–10 минут. Они не деградируют от мороза, не перегреваются и обладают емкостью, позволяющей электромобилям проезжать более 1000 км на одном заряде.

Космос:
Космический лифт и солнечные паруса
Космическая индустрия — главный заказчик графеновых технологий. Тросы для космического лифта: единственный материал на Земле, теоретической прочности которого достаточно, чтобы протянуть трос от поверхности планеты до геостационарной орбиты (36 000 км) и не порваться под собственным весом — это графен и углеродные нанотрубки. Солнечные паруса: сверхлегкие графеновые полотна, развернутые в космосе, улавливают давление солнечного света (фотонов) и могут разгонять межпланетные зонды до невероятных скоростей без капли топлива. Защита от радиации: тончайшие экраны из графена защищают электронику спутников и жилые модули космонавтов от губительного жесткого космического излучения.

Графен открыл эру двумерных материалов. Вслед за ним ученые открыли борен, силицен и фосфорен, но именно углеродные соты остаются флагманом новой технологической революции. Переход от кремниевого века к углеродному уже начался, и то, что вчера казалось смелой научно-популярной фантастикой, сегодня незаметно становится частью нашей повседневной реальности.