Итак, как же изготовить графен в домашних условиях? Получение графена из расширенного графита

Графемн (англ. graphene) -- слой атомов углерода, соединённых посредством spІ связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла. По оценкам, графен обладает большой механической жёсткостью и хорошей теплопроводностью (~1 ТПа и ~5Ч10 3 Вт·м?1 ·К?1 соответственно). Высокая подвижность носителей тока при комнатной температуре делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах.

Основной из существующих в настоящее время способов получения графена основан на механическом отщеплении или отшелушивании слоёв графита. Он позволяет получать наиболее качественные образцы с высокой подвижностью носителей. Этот метод не предполагает использования масштабного производства, поскольку это ручная процедура. Другой известный способ -- метод термического разложения подложки карбида кремния гораздо ближе к промышленному производству. Поскольку графен впервые был получен только в 2004 году, он ещё недостаточно хорошо изучен и привлекает к себе повышенный интерес.

Данный материал не является просто кусочком других аллотропных модификаций углерода: графита, алмаза -- из-за особенностей энергетического спектра носителей он проявляет специфические, в отличие от других двумерных систем, электрофизические свойства.

История открытия

Рис. 1.

Графен является двумерным кристаллом, состоящим из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решётку. 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, 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.

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.

Стабилизация двумерной плёнки достигалась благодаря наличию связи с тонким слоем диэлектрика SiO 2 по аналогии с тонкими плёнками, выращенными с помощью МПЭ. Впервые были измерены проводимость, эффект Шубникова -- де Гааза, эффект Холла для образцов, состоящих из плёнок углерода с атомарной толщиной.

Метод отшелушивания является довольно простым и гибким, поскольку позволяет работать со всеми слоистыми кристаллами, то есть теми материалами, которые представляются как слабо (по сравнению с силами в плоскости) связанные слои двумерных кристаллов.

Получение

Рис. 2.

Кусочки графена получают при механическом воздействии на высокоориентированный пиролитический графит или киш-графит. Сначала тонкие слои графита помещают между липкими лентами и отщепляют раз за разом тонкие слои графита, пока не будет получен достаточно тонкий слой (среди многих плёнок могут попадаться и однослойные, которые и представляют интерес). После отшелушивания скотч с тонкими плёнками графита и графена прижимают к подложке окисленного кремния. При этом трудно получить плёнку определённого размера и формы в фиксированных частях подложки (горизонтальные размеры плёнок составляют обычно около 10 мкм). Найденные с помощью оптического микроскопа (они слабо видны при толщине диэлектрика 300 нм) плёнки подготавливают для измерений. С помощью атомно-силового микроскопа определяют реальную толщину плёнки графита (она может варьироваться в пределах 1 нм для графена). Используя электронную литографию и реактивное плазменное травление, задают форму плёнки для электрофизических измерений (холловский мост для магнитотранспортных измерений).

Метод получения графена, встроенного в полимерную матрицу. Следует упомянуть ещё два метода: радиочастотное плазмохимическое осаждение из газовой фазы (англ. PECVD), рост при высоком давлении и температуре (англ. HPHT). Из этих методов только последний можно использовать для получения плёнок большой площади.

Графитовая плёнка формируется при термическом разложении поверхности подложки SiC (этот метод получения графена гораздо ближе к промышленному производству), причём качество выращенной плёнки зависит от того, какая стабилизация у кристалла: C-стабилизированная или Si-стабилизированная поверхность -- в первом случае качество плёнок выше. Показано, что, несмотря на то, что толщина слоя графита составляет больше одного монослоя, в проводимости участвует только один слой в непосредственной близости от подложки, поскольку на границе SiC-C из-за разности работ выхода двух материалов образуется нескомпенсированный заряд. Свойства такой плёнки оказались эквивалентны свойствам графена.

Существует несколько способов для получения графена, которые можно разделить на три большие группы. К первой группе относятся механические методы получения графена, основной из которых механическое отшелушивание, который на настоящий момент (2008) является наиболее распространённым методом для производства больших образцов с размером ~10 мкм пригодных для транспортных и оптических измерений. Ко второй группе методов относят химические методы, которые отличаются большим процентом выхода материала, но малыми размерами плёнок ~10-100 нм. К последней группе относятся эпитаксиальные методы и метод термического разложения SiC подложки благодаря которым можно вырастить плёнки графена.

Механические методы

При механическом воздействии на высокоориентированный пиролитический графит (Аббревиатура ВОПГ обозначает высокоориентированный пиролитический графит, который является высокоориентированной формой пиролитического графита с угловым распространением c-оси меньше чем 1 градус. Он обычно используется как инструмент калибровки для микроскопических исследований, таких как сканирующая туннельная микроскопия или атомно-силовая микроскопия. Коммерческий ВОПГ обычно производится отжигом при 3300 K ВОПГ ведет себя как очень чистый металл. Хорошо отражает свет и является хорошим проводником электричества, но очень ломкий. HOPG использовался как подложка во многих научных экспериментах.) или киш-графит можно получить плёнки графена вплоть до ~100 мкм. Сначала тонкие слои графита помещают между липкими лентами и отщепляют раз за разом тонкие плёнки графита, пока не будет получен достаточно тонкий слой (среди многих плёнок могут попадаться и однослойные, которые и представляют интерес). После отшелушивания скотч с тонкими плёнками графита и графена прижимают к подложке окисленного кремния. При этом трудно получить плёнку определённого размера и формы в фиксированных частях подложки (горизонтальные размеры плёнок составляют обычно около 10 мкм). Найденные с помощью оптического микроскопа (они слабо видны при толщине диэлектрика 300 нм) плёнки подготавливают для измерений. С помощью атомно-силового микроскопа определяют реальную толщину плёнки графита (она может варьироваться в пределах 1 нм для графена). Графен можно также определить при помощи рамановского рассеяния света или измерением квантового эффекта Холла. Используя электронную литографию и реактивное плазменное травление, задают форму плёнки для электрофизических измерений (холловский мост для магнитотранспортных измерений).

Еще один метод заключается в том, что окисленную подложку кремния покрывают эпоксидным клеем (в работе использовался слой толщиной ~10 мкм) и тонкую пластинку графита прижимают к клею при помощи пресса. После удаления графитовой пластинки с помощью липкой ленты на поверхности клея остаются области с графеном и графитом. Толщину графита определяли с помощью комбинационного рассеяния света и атомно-силовым микроскопом измеряли шероховатость графена, которая оказалась равной всего 0.16 нм (в два раза меньше шероховатости графена на подложке кремния).

Эпитаксия и разложение

Следует упомянуть ещё два метода: радиочастотное плазмохимическое осаждение из газовой фазы (англ. PECVD), рост при высоком давлении и температуре (англ. HPHT). Из этих методов только последний можно использовать для получения плёнок большой площади.

Графитовая плёнка формируется при термическом разложении поверхности подложки SiC (этот метод получения графена гораздо ближе к промышленному производству), причём качество выращенной плёнки зависит от того, какая стабилизация у кристалла: C-стабилизированная или Si-стабилизированная поверхность -- в первом случае качество плёнок выше. Несмотря на то, что толщина слоя графита составляет больше одного монослоя, в проводимости участвует только один слой в непосредственной близости от подложки, поскольку на границе SiC-C из-за разности работ выхода двух материалов образуется нескомпенсированный заряд. Свойства такой плёнки оказались эквивалентны свойствам графена.

Графен можно вырастить на металлических подложках рутения и иридия.

Другие методы

Если кристалл пиролитического графита и подложку поместить между электродами, то можно добиться того, что кусочки графита с поверхности, среди которых могут оказаться плёнки атомарной толщины, под действием электрического поля могут перемещаться на подложку окисленного кремния. Для предотвращения пробоя (между электродами прикладывали напряжение от 1 до 13 кВ) между электродами также помещали тонкую пластину слюды.

Некоторая комбинация механического метода (графитовым стержнем пишут по поверхности подложки кремния, оставляя плёнки при разрушении) и последующего высокотемпературного отжига (~1100 K) использована для получения тонких слоёв графита вплоть до однослойных плёнок.

Возможные применения

Считается, что на основе графена можно сконструировать баллистический транзистор. Был получен полевой транзистор на графене, а также квантово-интерференционный прибор. Исследователи полагают, что благодаря их достижениям в скором времени появится новый класс графеновой наноэлектроники с базовой толщиной транзисторов до 10 нм. Данный транзистор обладает большим током утечки, то есть нельзя разделить два состояния с закрытым и открытым каналом.

Использовать напрямую графен при создании полевого транзистора без токов утечки не представляется возможным благодаря отсутствию запрещённой зоны в этом материале, поскольку нельзя добиться существенной разности в сопротивлении при любых приложенных напряжениях к затвору, то есть не получается задать два состояния пригодных для двоичной логики: проводящее и непроводящее. Сначала нужно создать каким-нибудь образом запрещённую зону достаточной ширины при рабочей температуре (чтобы термически возбуждённые носители давали малый вклад в проводимость). Один из возможных способов предложен в работе. В этой статье предлагается создать тонкие полоски графена с такой шириной, чтобы благодаря квантово-размерному эффекту ширина запрещённой зоны была достаточной для перехода в диэлектрическое состояние (закрытое состояние) прибора при комнатной температуре (28 мэВ соответствует ширине полоски 20 нм). Благодаря высокой подвижности (имеется в виду, что подвижность выше чем в кремнии, используемом в микроэлектронике) 10 4 В·см?1 ·с?1 быстродействие такого транзистора будет заметно выше. Несмотря на то, что это устройство уже способно работать как транзистор, затвор к нему ещё не создан.

Другая область применения заключается в использовании графена в качестве очень чувствительного сенсора для обнаружения отдельных молекул химических веществ, присоединённых к поверхности плёнки.

Ещё одна перспективная область применения графена -- его использование для изготовления электродов в ионисторах (суперконденсаторах) для использования их в качестве перезаряжаемых источников тока.

Расширенный графит (РГ), также называемый терморасширенным илитермически расщепленным графитом, получается при быстром нагревании интеркалированных соединений графита. При нагреве ИСГ в режиме термоудара давление интеркалянта в межслоевом пространстве резко возрастает, что приводит к расслаиванию графитовой матрицы. В результате образуется пористая дефектная углеродная структура, состоящая из слоистых графитовых доменов. Расширенный графит получают из бисульфата или нитрата графита; обычно расширенный графит состоит из графеновых стопок толщиной 30-100 нм, что соответствует сотням графеновых плоскостей. Даже после продолжительной УЗ-обработки в спирте не происходит значительного расщепления РГ и толщина пачек составляет более 50 нм. При комбинировании спиртовой и кислотной обработок позволяет снизить толщину пачек до 6-7 нм. Для получения коллоидов графена описано использование как РГ из промышленных источников, так и новых форм РГ, содержащих всего 10-15 графеновых слоев.

На основе промышленного РГ получены графеновые наноленты - узкие полоски графена шириной порядка 10-100нм. такие объекты отличаются от образцов графена с более протяженными размерами базальной плоскости по физическим свойствам, причем ширина запрещенной зоны зависит от ширины ленты и расположения атомов на границах. Благодаря этому подобные наноленты рассматриваются как перспективный материал для создания транзистора на основе графена с высокой скоростью переключения и высокой подвижностью носителей заряда при комнатной температуре. При УЗ-обработке РГ в растворе поли- и дихлорэтане и последующем отделении крупных частиц центрифугированием жидкая фаза содержала нековалентно стабилизированные микрометровые графеновые листы и графеновые наноленты различных форм и размеров с гладкими границами типа «кресло» и «зигзаг» (рис. 3).

Рис.3 Различные типы краев графеновой наноленты: «кресло» (а) и «зигзаг» (b)

Авторы работы получали однослойные графены из РГ постеенным термическим окислением пленок, нанесенных на бензольных дисперсий РГ на кремниевую подложку. Термическое окисление на воздухе приводит к источению графеновых слоев на подложке в результате удаления верхних слоев.

Наряду с УЗ-методом известны также гидротермальный и микроволновый методы получения коллоидных растворов графена из РГ. Гидротермальным методом из промышленного РГ получены дисперсии одно- и двуслойных графенов в ацетонитриле с повышенным выходом (10-12%) без использования ПАВ. Благодаря низкой температуре кипения ацетонитрила в автоклаве, нагретом до 180?С, создавалось высокое давление, что способствовало эффективному проникновению молекул растворителя между слоями РГ и расщеплению его частиц. Этому так же способствует большой дипольный момент ацетонитрила.

При использовании микроволнового излучения и УЗ-обработки промышленный РГ был расширен с образованием водно-аммиачной дисперсии, содержащей графены из нескольких слоев с большими латеральными размерами - от десятков до сто мкм. Использование аммиака позволяет избежать введения большого количества кислорода, а значит, и дефектов в образцы. Размеры графенов зависели от концентрации аммиака. Предполагамый механизм расщепления включает внедрение раствора аммиака между слоями РГ и дальнейшее образование под действием микроволнового излучения газообразных NH3 и H2O, которые расщепляют РГ.

Высокорасщепленный графит (ВРГ) с насыпной плотностью 1.3-1.8 кг*м-3, частицы которого состоят лишь из 10-15 графеновых слоев, может быть получен из интеркалированных соединений поли(фториддиуглерода) состава C2F*xR (R-интеркалянт) при их быстром термическом разложении, объем материала при этом резко возрастает, а цвет изменяется с желтого, оранжевого, красного и т.д. на черный (рис. 4 a,b). Особенностью приготовления нового типа ВРГ является то, что он образуется не только за счет быстрого повышения давления интеркалированных молекул, но и за счет выделения газообразных продуктов в результате термораспада фторграфитной матрицы. Именно благодаря этому происходит более интенсивное расслаивание, и новый ВРГ характеризуется уширенным межплоскостным расстоянием (до 3,49 Е) по сравнению с графитом и обычными РГ (3,35 Е), высокой удельной поверхностью и малым числом графеновых плоскостей - вплоть до одно- и двуслойных графеновых образований (рис. 4b), - что позволяет рассматривать данный материал как многослойный графен.

Рис.4 a - исходное соединение C2F*xClF3; схематическое изображение его структуры и микрофотография методом СЭМ; b - ВРГ, образовавшийся при термораспаде C2F*xClF3; микрофотография ВРГ методами СМ (1) и ПЭМ (2-4). На снимках 2-4 представлены разные участки образца; на снимке 4 стрелками отмечен тонкий участок толщиной в два графеновых слоя

Открытие однослойного графена привлекло внимание к этому объекту десятков лабораторий во всем мире. Это связано как с необычными физико-химическими свойствами графена, так и значительным потенциалом предполагаемого прикладного использования. Реализация этого потенциала возможна только в результате разработки относительно простых и достаточно эффективных методов получения и идентификации графенов. По этой причине на данной стадии развития исследований в области графенов усилия специалистов направлены на разработку таких методов. Основные трудности приготовления графена связаны с невозможностью получения высококачественных образцов в ощутимых количествах, регулированием числа слоев и качества кристаллической решетки образца. Метод Новоселова не дает ни высокого качества, ни высокого выхода продукта; нужно преодолеть энергию ван-дер-ваальсовых взаимодействий между слоями без нарушения структуры первого, второго и последующих слоев, что затруднительно. Альтернативы: химическое отшелушивание слоев и их стабилизация, наращивание слоев на подложках из органических прекурсоров и попытки каталитического выращивания графена прямо на субстрате (рис. 3).

Рис. 3.

Высокий интерес к применению графена заставляет исследователей искать новые методы его получения. Изготовление графена микромеханическим методом оказалось довольно трудоемким, поэтому большую популярность в последнее время приобретает альтернативный способ получения графена - эпитаксиальное выращивание, при котором слои графена образуются на поверхности кристалла SiC, нагреваемого до высокой температуры в вакууме.

Также рассматриваются способы жидкофазного разделения слоев графита с помощью поверхостно-активных веществ (ПАВ), сильных газообразных окислителей типа кислорода и галогенов, расщепление графита ультразвуком. графен лист графит

Потенциальные области применения графена включают:

Замену углеродных волокон в композитных материалах, с целью создания более легковесных самолетов и спутников;

Замена кремния в транзисторах;

Внедрение в пластмассу, с целью придания ей электропроводности;

Датчики на основе графена могут обнаруживать опасные молекулы;

Использование графеновой пудры в электрических аккумуляторах, с целью увеличения их эффективности;

Оптоэлектроника;

Более крепкий, прочный и легкий пластик;

Герметичные пластиковые контейнеры, которые позволят неделями хранить в нем еду, и она будет оставаться свежей;

Прозрачное токопроводящее покрытие для солнечных панелей и для мониторов;

Более крепкие ветряные двигатели;

Более устойчивые к механическому воздействию медицинские имплантаты;

Лучшее спортивное снаряжение;

Суперконденсаторы;

Высокомощные высокочастотные электронные устройства;

Искуственные мембраны для разделения двух жидкостей в резервуаре;

Улучшение тачскринов, жидкокристаллических дисплеев.

Исследователи из Австралии создали бумагу из множества слоёв графена. Она показала удивительные механические свойства, сохраняя хорошую гибкость и высокую упругость. Специалисты из технологического университета Сиднея использовали комбинацию химической и тепловой обработки, чтобы аккуратно отделить от графита одноатомные слои, очистить их и выложить как монолит в идеально выровненную структуру из гексагональных решёток атомов углерода - графеновую бумагу. Ее плотность - в пять-шесть раз ниже, чем у стали, а твердость и прочность в несколько раз выше

Во время кристаллизации зародыши графена оказываются неустойчивыми из-за слишком большого отношения периметра к поверхности. Происходит схлопывание к другим аллотропным модификациям углерода (графит, алмаз, фуллерены, нанотрубки).

Эксперименты показали, что графен может резко снизить коэффициент трения и износ металлических деталей без использования масел, загрязняющих окружающую среду. Покрытие из графена безвредно, защищает металл от коррозии и самоориентируется в начале движения детали, обеспечивая минимальное трение. Более того, утилизация и повторное использование графена не требует сложных технологий - достаточно ополоснуть деталь растворителем и извлечь графен.

В 2004 году группа ученых из Манчестера (А. Гейм, К. Новоселов) изобрела метод механического расщепления графита Поверхность графита плотно притирается к поверхности другого вещества, оставляя множество чешуек разной толщины При помощи оптического и атомного силового микроскопов среди чешуек ищут те, которые имеют одноатомную толщину Для таких поисков хорошо подходит подложка из окисленного кремния

При нагревании SiC до 1300°C в сверхвысоком вакууме происходит сублимация кремния, в результате чего на поверхности кристалла образуются слои графена.

Волокна графена под сканирующим электронным микроскопом. Чистый графен восстановлен из оксида графена (GO) в микроволновой печи. Масштаб 40 мкм (слева) и 10 мкм (справа). Фото: Jieun Yang, Damien Voiry, Jacob Kupferberg / Rutgers University

Графен - 2D-модификация углерода, образованная слоем толщиной в один атом углерода. Материал обладает высокой прочностью, высокой теплопроводностью и уникальными физико-химическими свойствами. Он демонстрирует максимальную подвижность электронов среди всех известных материалов на Земле. Это делает графен практически идеальным материалом в самых различных приложениях, в том числе в электронике, катализаторах, элементах питания, композитных материалах и т.д. Дело за малым - научиться получать качественные слои графена в промышленных масштабах.

Химики из Ратгерского университета (США) нашли простой и быстрый метод производства высококачественного графена путём обработки оксида графена в обычной микроволновой печи . Метод на удивление примитивный и эффективный.

Оксид графита - соединение углерода, водорода и кислорода в различных соотношениях, которое образуется при обработке графита сильными окислителями. Чтобы избавиться от оставшегося кислорода в оксиде графита, а затем получить чистый графен в двумерных листах, нужно приложить значительные усилия.

Оксид графита смешивают с сильными щелочами и ещё дальше восстанавливают материал. В результате получаются мономолекулярные листы с остатками кислорода. Эти листы принято называть оксидом графена (GO). Химики испробовали разные способы удаления лишнего кислорода из GO ( , , , ), но восстановленный такими способами GO (rGO) остаётся сильно неупорядоченным материалом, который далёк по своим свойствам от настоящего чистого графена, полученного методом химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ или CVD).

Даже в неупорядоченной форме rGO потенциально может быть полезен для энергоносителей ( , , , , ) и катализаторов ( , , , ), но для извлечения максимальной выгоды от уникальных свойств графена в электронике нужно научиться получать чистый качественный графен из GO.

Химики из Ратгерского университета предлагают простой и быстрый способ восстановления GO до чистого графена, используя 1-2-секундные импульсы микроволнового излучения. Как видно на графиках, графен, полученный «микроволновым восстановлением» (MW-rGO) по своим свойствам намного ближе к чистейшему графену, полученному с помощью ХОГФ.

Физические характеристики MW-rGO, по сравнению с нетронутым оксидом графена GO, восстановленным оксидом графена rGO и графеном, полученным методом химического осаждения из газовой фазы (CVD). Показаны типичные хлопья GO, осаждённые на кремниевую подложку (А); рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (B); рамановская спектроскопия и соотношение размера кристаллов (L a) к отношению пиков l 2D /l G в рамановском спектре для MW-rGO, GO и ХОГФ (CVD).

Электронные и электрокаталитические свойства MW-rGO, по сравнению с rGO. Иллюстрации: Rutgers University

Техпроцесс получения MW-rGO состоит из нескольких этапов.

Окисление графита модифицированным методом Хаммерса и растворение его до однослойных хлопьев оксида графена в воде.
Отжиг GO, чтобы материал стал более восприимчив к микроволновому облучению.
Облучение хлопьев GO в обычной микроволновой печи мощностью 1000 Вт на 1-2 секунды. Во время этой процедуры GO быстро нагревается до высокой температуры, происходит десорбция кислородных групп и великолепная структуризация углеродной решётки.

Съёмка просвечивающим электронным микроскопом показывает, что после обработки СВЧ-излучателем образуется высокоупорядоченная структура, в которой кислородные функциональные группы практически полностью уничтожены.

На изображениях с просвечивающего электронного микроскопа показана структура листов графена со шкалой 1 нм. Слева - однослойный rGO, на котором много дефектов, в том числе функциональные группы кислорода (синяя стрелка) и дыры в углеродном слое (красная стрелка). По центру и справа - отлично структурированный двуслойный и трёхслойный MW-rGO. Фото: Rutgers University

Великолепные структурные свойства MW-rGO при использовании в полевых транзисторах позволяют увеличить максимальную подвижность электронов примерно до 1500 см 2 /В·с, что сравнимо с выдающимися характеристиками современных транзисторов с высокой подвижностью электронов.

Кроме электроники, MW-rGO пригодится в производстве катализаторов: он показал исключительно маленькое значение коэффициента Тафеля при использовании в качестве катализатора при реакции выделения кислорода: примерно 38 мВ на декаду. Катализатор на MW-rGO также сохранил стабильность в реакции выделения водорода, которая продолжалась более 100 часов.

Всё это предполагает отличный потенциал для использования восстановленного в микроволновом излучении графена в промышленности.

Научная статья "High-quality graphene via microwave reduction of solution-exfoliated graphene oxide" опубликована 1 сентября 2016 года в журнале Science (doi: 10.1126/science.aah3398).

В современных промышленных процессах используют сильные кислоты, щелочи и даже плазму, а по новому методу американских ученых нужны только баллон ацетилена, баллон кислорода и искра.

Слева направо: Джастин Райт (Justin Wright), Крис Соренсен (Chris Sorensen), Арджин Непал (Arjun Nepal)

Графен - слой углерода толщиной в один атом - внезапно стал одним из самых желанных материалов в мире высоких технологий. Многими он воспринимается как панацея для решения проблем медицины и электроники. Считается, что с графеном батареи получат большую емкость, нейроинтерфейсы станут реальностью, а врачи научатся изготавливать уникальные протезы.

Сейчас производство графена в промышленных масштабах - очень энергозатратный, сложный и дорогой процесс. Это либо отшелушивание слоев, которое производится вручную в лабораториях и не может стать промышленным решением. Либо использование химии, катализаторов и нагрев до 1000 градусов Цельсия, что энергозатратно.

Чаще всего его получают из природного материала - пиролитического графита, который восстанавливают до чистого углерода, а затем механическими и химическими способами добиваются того, чтобы отдельные частицы графена были не толще нескольких слоев. В процессе производства используют сильные кислоты, щелочи, создают очень высокие температуры и давление. Поэтому важно появление дешевого способа получения этого материала.

Ученые из Университета штата Канзас заявили об открытии дешевого способа массового изготовления графена. Для этого необходимо лишь несколько доступных компонента: углеводородный газ, кислород, свеча зажигания и камера сгорания.

Для получения графена достаточно заполнить камеру сгорания ацетиленом или газообразным этиленом и кислородом, а затем при помощи автомобильной свечи зажигания вызвать детонацию смеси газов. При этом будет образован графен, который останется лишь собрать со стенок камеры сгорания. Таким образом, процесс получения графена заключается во взрыве материалов с высоким содержанием углерода.

Этот метод был открыт учеными совершенно случайно. Исследователи разрабатывали способ получения углеродистого аэрозольного геля. Для этого они применяли указанный выше процесс. После детонации образовывалась сажа, которая после изучения оказалась графеном. Ученые заявляют, что они не планировали получить этот материал, им просто повезло.

Новый способ изготовления графена обладает рядом преимуществ по сравнению с используемыми в настоящее время методами. Он не требует использования вредных химикатов и большого количества энергии. Также он позволяет производить графен в большом количестве и легко масштабировать производство. Наконец, этот способ более выгоден с экономической точки зрения.

Графен - это двумерная аллотропная модификация углерода, в которой все атомы уложены на плоскости в ряды правильных шестиугольников.

Впервые полученный в 2004 году, графен оказался крайне полезным материалом для электроники и энергетики. Он очень прочен, очень теплопроводен, а некоторые его свойства вообще уникальны: так, графен - материал с самой высокой подвижностью электронов из всех известных науке. Именно это его свойство сделало его необходимым в электронике, катализаторах, элементах питания и композитных материалах.

Подписывайтесь на Квибл в Viber и Telegram , чтобы быть в курсе самых интересных событий.