Идеи будущего для применения графена

Краткое описание

Популярность графена среди исследователей и инженеров растет день ото дня, поскольку он обладает необычными оптическими, электрическими, механическими и термическими свойствами. Несмотря на то, что механическое отслоение с помощью скотча позволяет получать графеновые слои высокого качества для фундаментальных исследований, для промышленного производства химики пытаются получить графен из раствора. В добавление к низкой стоимости и высокой производительности, этот метод может позволить внедрять графеновые слои в различные наноструктуры и создавать новые материалы. Однако при получении графена химическими методами есть некоторые трудности, которые должны быть преодолены: во-первых, необходимо достигнуть полного расслоения графита, помещенного в раствор; во-вторых, сделать так, чтобы отслоенный графен в растворе сохранял форму листа, а не сворачивался и не слипался. В рамках проекта планируется получить графен механическим и химическим способами, оценить эффективность этих способов, а также изучить свойства и перспективы использования графена, описанные учеными.

Цель проекта

Исследование способов получения, свойств и практического применения графена

Этапы проекта

Поставленная цель потребовала решения комплекса взаимосвязанных теоретических и практических задач:

  • изучить различные источники информации и узнать историю открытия, структуру, свойства и другие характеристики графена;
  • провести анализ имеющихся способов полезного применения графена;
  • получить графен несколькими способами;
  • провести лабораторные исследования свойств графена (электропроводность, механическая жёсткость, теплопроводность и т.д.);
  • провести обзор идей использования графена, предложенных учеными.

Команда проекта

1. Михаил Сапрыкин. Учащийся 8 класса МБОУ "Гимназия №1". Идея, анализ литературы, работа по всем этапам проекта. 

2. Анастасия Сапрыкина. Помощь в проведении опытов, поиск материальных ресурсов для реализации проекта.

3. Эдуард Сапрыкин. Помощь в поиске информации, формирование концепции исследования.  

Обзор литературы

1. Андре Гейм и Филип Ким «Углерод — страна чудес» // «В мире науки» № 7, 2008.

2. Графен: новые методы получения и последние достижения. Электронный ресурс. Режим доступа: https://elementy.ru/novosti_nauki/430857/Grafen_novye_metody_polucheniya_i_poslednie_dostizheniya

3. Нобель и Шнобель в одной корзине  // Электронный журнал "В мире нано"  № 6, 2010. Режим доступа: http://www.rusnanonet.ru/download/nano/nanoworld_VI_2010.pdf

4. Графен оценили авансом // Электронный журнал "В мире нано"  № 6, 2010. Режим доступа:  http://www.rusnanonet.ru/download/nano/nanoworld_VI_2010.pdf

 

Требуемые ресурсы

Необходимо поместить полученные образцы под линзу микроскопа с не менее, чем 100‒кратным увеличением. Предположительно мы должны увидеть множество графитовых «чешуек» разных размеров и формы, переливающихся всеми цветами радуги. Если нам повезет, то мы заметим и графен: почти прозрачную, кристаллической формы «чешуйку», бесцветность которой будет сильно отличаться от ярких цветов «толстых» графитовых собратьев.

Материалы и методы исследования

  1. Для получения графена с помощью раствора мы использовали:

‒ 5 гр. порошка из графитового стержня максимальной мягкости (8В), так как именно в таком стержне содержится минимальное число примесей (например глина, клей);

‒ мыльный раствор из 10 гр. моющего средства Loc (Amway) и 125 мг. воды;

‒ этот раствор мы взбивали в течение 10 минут на со скоростью 10200 оборотов в минуту.

  1. Для получения графена методом, описанным К. Новоселовым, мы использовали тот же порошок графита, что и в первом случае, а также скотч и спиртовой раствор для очистки экрана мобильного телефона.
  2. Этапы проведения опытов были нами зафиксированы с помошью фото и видеосъемки.

Результаты

По итогам опыта по получению графена с помощью раствора мы имеем жидкость темно-серого цвета с обильной пеной, вязкостью как у сливок из молока. Следует отметить, что в конце опыта температура этой жидкости возросла с 20 до 50 градусов (по Цельсию).

По итогам опыта по получению графена механическим способом мы имеем фрагмент ленты скотча с видимой пылью графита и почти невидимый след на экране мобильного телефона.  

На настоящий момент проведена попытка получения графена механическим и химическим способами, изучены литературные источники о свойствах и перспективы использования графена, описанные учеными.

 

 

Выводы

Уникальные свойства графена позволили применять его во многих сферах деятельности человека. Считается, что монолитный слой графена очень прочен. Уже сейчас появляются новейшие разработки использования графена в различных устройствах. Графен интересен, как с точки зрения электрофизических свойств, так и механических.

Вот несколько идей по применению графена, предлагаемых учеными.

Биомедицинское применение

Сверхспособности вещества в оптике и электронике позволят врачам распознавать злокачественные опухоли на ранней стадии развития. Оксид графена способен осуществлять адресную доставку лекарства к определённому органу человека, минуя окружающие ткани. Недавно было сделано заявление о создании сорбентовых датчиков, которые могут распознавать молекулы ДНК, используя свойства нановещества.

Вполне вероятно, что через какие-то пару лет мы сможем воспользоваться по-настоящему высокотехнологичной защитой от комариных укусов. И речь идет не об очередном «чудо-спрее», а о веществе, которое покроет вашу кожу сверхпрочным слоем графена, которую ни один комар не прокусит.

Ученые обнаружили, что графеновые чешуйки оксида графена ускоряют размножение стволовых клеток и регенерацию клеток костной ткани. Графен обещает быстрее восстановить сломанные кости и даже предотвратить перелом.

Индустриальное применение

Многие эксперты предсказывают в недалеком будущем возможную замену кремниевых транзисторов более экономичными и быстродействующими графеновыми. Возможность практического использования квантовых компьютеров стала еще на один шаг ближе благодаря графену. Внедрение наноматериала в пластиковый полимер сделает его способным проводить ток. Перспективы использования нановещества в оборонной промышленности практически неограничены. Появление брони, выдерживающей самые мощные снаряды, даст толчок в создании новой бронетехники и бронежилетов.

Очистка воды от радиоактивных загрязнений.

Оксид графена быстро удаляет радиоактивные вещества из загрязненной воды. Хлопья оксида графена быстро связываются с естественными и искусственными радиоизотопами и конденсируют их, превращая в твердые вещества. 

Использование в автомобилестроении

Удельная энергоёмкость графена в 50 раз превышает энергоёмкость литий-ионных аккумуляторов. Заметив это свойство, учёные приступили к разработке аккумуляторных батарей нового поколения. Проблема, связанная с громоздкостью и ограниченностью заряда аккумуляторов для электромобилей, может быть решена. Машина с графеновой батареей сможет за один раз проехать тысячу километров, причём на одну зарядку аккумулятора понадобится не более 16 секунд.

 

Заключение

Стремительный рост количества исследований на графене показывает, что это действительно очень перспективный материал для широкого круга применений, но до воплощения их в жизнь еще следует построить немало теорий и провести не один десяток экспериментов.

В рамках нашего проекта мы изучили литературу по истории открытия, свойствах и полезном применении графена, попробовали получить графен двумя способами и теперь нам предстоит проверить в условиях лаборатории результаты практических опытов. Это позволит в дальнейшем спланировать работу по дальнейшей реализации проекта. 

Список литературы

1. Андре Гейм и Филип Ким «Углерод — страна чудес» // «В мире науки» № 7, 2008.

2. Графен: новые методы получения и последние достижения. Электронный ресурс. Режим доступа: https://elementy.ru/novosti_nauki/430857/Grafen_novye_metody_polucheniya_i_poslednie_dostizheniya

3. Нобель и Шнобель в одной корзине  // Электронный журнал "В мире нано"  № 6, 2010. Режим доступа: http://www.rusnanonet.ru/download/nano/nanoworld_VI_2010.pdf

4. Графен оценили авансом // Электронный журнал "В мире нано"  № 6, 2010. Режим доступа:  http://www.rusnanonet.ru/download/nano/nanoworld_VI_2010.pdf

Ссылка на презентацию