Le graphène séduit de plus en plus les chercheurs. Si en 2007 il y avait 797 articles consacrés au graphène, alors dans les 8 premiers mois de 2008 il y avait déjà 801 publications. Quelles sont les études et découvertes récentes les plus significatives dans le domaine des structures et technologies du graphène ?
A ce jour, le graphène (Fig. 1) est le plus matériau mince, connu de l'humanité, n'a qu'un seul atome de carbone d'épaisseur. Il est entré dans les manuels de physique et dans notre réalité en 2004, lorsque des chercheurs de l'Université de Manchester, Andre Game et Konstantin Novoselov, ont réussi à l'obtenir en utilisant du ruban adhésif ordinaire pour séparer séquentiellement les couches du graphite cristallin ordinaire, qui nous est familier sous la forme d'un crayon. tige (voir . Application). Remarquablement, une feuille de graphène placée sur un substrat de silicium oxydé peut être visualisée avec un bon microscope optique. Et ce malgré son épaisseur de seulement quelques angströms (1Å = 10 -10 m) !
La popularité du graphène parmi les chercheurs et les ingénieurs grandit de jour en jour car il possède des propriétés optiques, électriques, mécaniques et thermiques inhabituelles. De nombreux experts prédisent dans un avenir proche un éventuel remplacement des transistors en silicium par des transistors en graphène plus économiques et plus rapides (Fig. 2).
Malgré le fait que le pelage mécanique avec du ruban adhésif permet d'obtenir des couches de graphène Haute qualité Pour recherche fondamentale, et la méthode épitaxiale de croissance du graphène peut fournir le chemin le plus court vers les circuits électroniques, les chimistes tentent d'obtenir du graphène à partir d'une solution. En plus d'un faible coût et d'une productivité élevée, cette méthode ouvre la porte à de nombreuses techniques chimiques largement utilisées qui permettraient aux couches de graphène d'être intégrées dans diverses nanostructures ou intégrées avec divers matériaux pour créer des nanocomposites. Cependant, lors de l'obtention de graphène méthodes chimiques certaines difficultés doivent être surmontées : premièrement, il est nécessaire d'obtenir une séparation complète du graphite placé dans la solution ; deuxièmement, pour s'assurer que le graphène exfolié dans la solution conserve la forme de la feuille et ne se recroqueville pas et ne colle pas ensemble.
L'autre jour dans un prestigieux magazine Nature deux articles ont été publiés par des groupes scientifiques indépendants, dans lesquels les auteurs ont réussi à surmonter les difficultés ci-dessus et à obtenir des feuilles de graphène bonne qualité suspendu en solution.
Le premier groupe de scientifiques - de l'Université de Stanford (Californie, États-Unis) et (Chine) - a introduit des substances sulfuriques et acide nitrique entre les couches de graphite (processus d'intercalation ; voir Composé d'intercalation de graphite), puis a rapidement chauffé l'échantillon à 1 000 °C (Fig. 3a). L'évaporation explosive des molécules intercalantes produit des "flocons" de graphite minces (quelques nanomètres d'épaisseur) qui contiennent de nombreuses couches de graphène. Après cela, deux substances, l'oléum et l'hydroxyde de tétrabutylammonium (HTBA), ont été introduites chimiquement dans l'espace entre les couches de graphène (Fig. 3b). La solution soniquée contenait à la fois des feuilles de graphite et de graphène (Fig. 3c). Après cela, le graphène a été séparé par centrifugation (Fig. 3d).
Dans le même temps, le deuxième groupe de scientifiques - de Dublin, Oxford et Cambridge - a proposé une méthode différente pour obtenir du graphène à partir de graphite multicouche - sans utiliser d'intercalants. L'essentiel, selon les auteurs de l'article, est d'utiliser les "corrects" solvants organiques, comme la N-méthyl-pyrrolidone. Pour obtenir un graphène de haute qualité, il est important de choisir de tels solvants afin que l'énergie de l'interaction de surface entre le solvant et le graphène soit la même que pour le système graphène-graphène. Sur la fig. 4 montre les résultats de la production par étapes de graphène.
Le succès des deux expériences repose sur la recherche des bons intercalants et/ou solvants. Bien sûr, il existe d'autres techniques pour obtenir du graphène, comme la conversion du graphite en oxyde de graphite. Ils utilisent une approche appelée "oxydation-délaminage-réduction" dans laquelle les plans basaux de graphite sont recouverts de groupes fonctionnels oxygène liés de manière covalente. Ce graphite oxydé devient hydrophile (ou simplement aimant l'humidité) et peut facilement se délaminer en feuilles de graphène individuelles sous l'action des ultrasons dans une solution aqueuse. Le graphène obtenu présente d'excellentes caractéristiques mécaniques et optiques, mais sa conductivité électrique est inférieure de plusieurs ordres de grandeur à la conductivité du graphène obtenu par la "méthode du ruban adhésif" (voir annexe). En conséquence, il est peu probable qu'un tel graphène trouve une application dans l'électronique.
Il s'est avéré que le graphène, qui a été obtenu à la suite des deux méthodes ci-dessus, est de meilleure qualité (contient moins de défauts dans le réseau) et, par conséquent, a une conductivité plus élevée.
Une autre réalisation de chercheurs californiens s'est avérée utile, qui a récemment rendu compte de la microscopie électronique haute résolution (résolution jusqu'à 1 Å) à faible énergie électronique (80 kV) pour l'observation directe d'atomes individuels et de défauts dans réseau cristallin graphène. Pour la première fois au monde, des scientifiques ont réussi à obtenir des images haute définition de la structure atomique du graphène (Fig. 5), où vous pouvez voir de vos propres yeux la structure en grille du graphène.
Des chercheurs de l'Université Cornell sont allés encore plus loin. A partir d'une feuille de graphène, ils ont réussi à créer une membrane d'un seul atome de carbone d'épaisseur, et à la gonfler comme ballon. Une telle membrane s'est avérée suffisamment solide pour résister à une pression de gaz de plusieurs atmosphères. L'expérience était la suivante. Des feuilles de graphène ont été placées sur un substrat de silicium oxydé avec des cellules préalablement gravées, qui étaient étroitement attachées à la surface du silicium en raison des forces de van der Waals (Fig. 6a). De cette manière, des microchambres ont été formées dans lesquelles le gaz a pu être retenu. Après cela, les scientifiques ont créé une différence de pression à l'intérieur et à l'extérieur de la chambre (Fig. 6b). À l'aide d'un microscope à force atomique, qui mesure la quantité de force de déviation qu'un porte-à-faux avec une aiguille ressent lors du balayage de la membrane à une hauteur de seulement quelques nanomètres de sa surface, les chercheurs ont pu observer le degré de concavité-concavité du membrane (Fig. 6c – e) lorsque la pression est passée à plusieurs atmosphères.
Après cela, la membrane a été utilisée comme un tambour miniature pour mesurer la fréquence de ses vibrations avec un changement de pression. Il a été constaté que l'hélium reste dans la microchambre même lorsque haute pression. Cependant, comme le graphène utilisé dans l'expérience n'était pas idéal (il présentait des défauts dans la structure cristalline), le gaz s'est progressivement échappé à travers la membrane. Tout au long de l'expérience, qui a duré plus de 70 heures, une diminution constante de la tension de la membrane a été observée (Fig. 6e).
Les auteurs de l'étude indiquent que de telles membranes peuvent avoir le plus applications diverses- par exemple, être utilisé pour étudier des matériaux biologiques placés dans une solution. Pour ce faire, il suffira de recouvrir un tel matériau de graphène et de l'étudier à travers une membrane transparente au microscope, sans crainte de fuite ou d'évaporation de la solution qui soutient l'activité vitale de l'organisme. Il est également possible de faire des trous de taille atomique dans la membrane, puis d'observer, en étudiant les processus de diffusion, comment des atomes ou des ions individuels traversent le trou. Mais surtout, l'étude menée par des scientifiques de l'Université Cornell a rapproché la science de la création de capteurs à un seul atome.
La croissance rapide du nombre d'études sur le graphène montre qu'il s'agit bien d'un matériau très prometteur pour un large éventail d'applications, mais de nombreuses théories et des dizaines d'expériences doivent encore être construites avant d'être mises en pratique.
Membranes atomiques imperméables à partir de feuilles de graphène (disponibles texte intégral) // NanoLettres. V. 8. Non. 8. P. 2458–2462 (2008).
Alexandre Samardak
Le graphène appartient à une classe de composés de carbone uniques qui possèdent des propriétés chimiques et physiques remarquables, telles qu'une excellente conductivité électrique, combinées à une légèreté et une résistance étonnantes.
On suppose qu'avec le temps, il pourra remplacer le silicium, qui est à la base de la production moderne de semi-conducteurs. A l'heure actuelle, le statut de « matériau du futur » est solidement attribué à ce composé.
Caractéristiques matérielles
Le graphène, le plus souvent trouvé sous la désignation "G", est une forme bidimensionnelle de carbone qui a une structure inhabituelle sous la forme d'atomes connectés dans un réseau hexagonal. Dans le même temps, son épaisseur totale ne dépasse pas la taille de chacun d'eux.
Pour mieux comprendre ce qu'est le graphène, il est conseillé de se familiariser avec ces caractéristiques uniques, Comment:
- Enregistrer une conductivité thermique élevée ;
- Haute résistance mécanique et flexibilité du matériau, des centaines de fois supérieures au même indicateur pour les produits en acier;
- Conductivité électrique incomparable;
- Point de fusion élevé (plus de 3 000 degrés);
- Imperméabilité et transparence.
La structure inhabituelle du graphène est mise en évidence par le simple fait suivant : lorsque 3 millions de feuilles de graphène sont combinées, l'épaisseur totale produit fini ne dépassera pas 1 mm.
Pour comprendre les propriétés uniques de ce matériau inhabituel, il suffit de noter qu'à son origine, il est similaire au graphite en couches habituel utilisé dans la mine de crayon. Cependant, en raison de la disposition particulière des atomes dans le réseau hexagonal, sa structure acquiert les caractéristiques inhérentes à un tel matériau dur comme un diamant.
Lorsque le graphène est isolé du graphite, dans le film d'épaisseur atomique formé au cours de ce processus, ses propriétés les plus «merveilleuses» sont observées, caractéristiques des matériaux 2D modernes. Aujourd'hui, il est difficile de trouver une telle zone économie nationale, partout où ce composé unique est utilisé et partout où il est considéré comme prometteur. Cela est particulièrement évident dans le domaine des développements scientifiques, qui visent à maîtriser les nouvelles technologies.
Comment avoir
La découverte de ce matériau peut être datée de 2004, après quoi les scientifiques ont maîtrisé diverses méthodes sa réception, qui sont présentés ci-dessous :
- Refroidissement chimique, mis en œuvre par la méthode des transformations de phase (c'est ce qu'on appelle le processus CVD);
- La dite "croissance épitaxiale", réalisée sous vide ;
- Méthode de "l'exfoliation mécanique".
Considérons chacun d'eux plus en détail.
Mécanique
Commençons par la dernière de ces méthodes, considérée comme la plus accessible pour une exécution indépendante. Afin d'obtenir du graphène à la maison, il est nécessaire d'effectuer séquentiellement la série d'opérations suivantes :
- Vous devez d'abord préparer une fine plaque de graphite, qui est ensuite fixée au côté adhésif d'un ruban adhésif spécial.
- Après cela, il se plie en deux, puis revient à son état d'origine (ses extrémités sont divorcées);
- Grâce à de telles manipulations, il est possible d'obtenir une double couche de graphite sur la face adhésive du ruban ;
- Si vous effectuez cette opération plusieurs fois, il sera facile d'obtenir une petite épaisseur de la couche de matériau appliquée ;
- Après cela, un ruban adhésif avec des films fendus et très minces est appliqué sur un substrat d'oxyde de silicium;
- En conséquence, le film reste partiellement sur le substrat, formant une couche de graphène.
L'inconvénient de cette méthode est la difficulté d'obtenir un film suffisamment mince d'une taille et d'une forme donnée, qui serait solidement fixé sur les parties du substrat réservées à cet effet.
Actuellement, la plupart du graphène utilisé dans la pratique quotidienne est produit de cette manière. Du fait de l'exfoliation mécanique, il est possible d'obtenir un composé d'assez bonne qualité, mais ce procédé est totalement inadapté aux conditions de production de masse.
Méthodes industrielles
L'une des voies industrielles pour obtenir du graphène est de le faire croître sous vide, dont les caractéristiques peuvent être représentées comme suit :
- Pour sa fabrication, on prend une couche superficielle de carbure de silicium, qui est toujours présente sur les surfaces de ce matériau ;
- La tranche de silicium pré-préparée est ensuite chauffée à une température relativement haute température(environ 1000 K);
- En raison des réactions chimiques se produisant dans ce cas, on observe la séparation des atomes de silicium et de carbone, dans laquelle le premier d'entre eux s'évapore immédiatement;
- À la suite de cette réaction, le graphène pur (G) reste sur la plaque.
Les inconvénients de cette méthode comprennent la nécessité d'un chauffage à haute température, ce qui entraîne souvent des difficultés techniques.
La méthode industrielle la plus fiable pour éviter les difficultés décrites ci-dessus est le procédé dit "CVD". Lors de sa mise en œuvre, réaction chimique s'écoulant à la surface d'un catalyseur métallique lorsqu'il est combiné avec des gaz d'hydrocarbures.
Grâce à toutes les approches évoquées ci-dessus, il est possible d'obtenir des composés allotropiques purs de carbone bidimensionnel sous la forme d'une couche d'un seul atome d'épaisseur. Une caractéristique de cette formation est la connexion de ces atomes dans un réseau hexagonal en raison de la formation des liaisons dites "σ" et "π".
transporteurs charge électrique dans le réseau de graphène se distinguent par un haut degré de mobilité, dépassant largement ce chiffre pour d'autres matériaux semi-conducteurs connus. C'est pour cette raison qu'il est capable de remplacer le silicium classique traditionnellement utilisé dans la réalisation des circuits intégrés.
Possibilités application pratique les matériaux à base de graphène sont directement liés aux caractéristiques de sa production. Actuellement, il existe de nombreuses méthodes pour obtenir ses fragments individuels, qui diffèrent par leur forme, leur qualité et leur taille.
Parmi tous manières connues Les approches suivantes se distinguent particulièrement :
- Fabriquer un type d'oxyde de graphène en flocons utilisé dans la fabrication de peintures électriquement conductrices, et différentes variétés matériaux composites;
- Obtention du graphène plat G, à partir duquel sont fabriqués les composants des appareils électroniques ;
- Matériel de culture du même type utilisé comme composants inactifs.
Les principales propriétés de ce composé et sa fonctionnalité sont déterminées par la qualité du substrat, ainsi que par les caractéristiques du matériau avec lequel il est cultivé. Tout cela dépend finalement de la méthode de production utilisée.
Selon la méthode d'obtention de ce matériau unique, il peut être utilisé à diverses fins, à savoir:
- Le graphène obtenu par exfoliation mécanique est principalement destiné à la recherche, ce qui s'explique par la faible mobilité des porteurs de charges libres ;
- Lorsque le graphène est obtenu par une réaction chimique (thermique), il est le plus souvent utilisé pour créer des matériaux composites, ainsi que des revêtements protecteurs, des encres et des colorants. La mobilité des porteurs libres est un peu plus élevée, ce qui permet de l'utiliser pour la fabrication de condensateurs et d'isolants à film ;
- Si la méthode CVD est utilisée pour obtenir ce composé, il peut être utilisé en nanoélectronique, ainsi que pour la fabrication de capteurs et de films souples transparents ;
- Le graphène obtenu par la méthode "wafer de silicium" est utilisé pour fabriquer des éléments d'appareils électroniques tels que des transistors haute fréquence et des composants similaires. La mobilité des porteurs de charges libres dans de tels composés est maximale.
Les caractéristiques répertoriées du graphène ouvrent de larges horizons aux industriels et leur permettent de concentrer leurs efforts sur sa mise en œuvre dans les domaines prometteurs suivants :
- Dans les domaines alternatifs de l'électronique moderne, associés au remplacement des composants en silicium ;
- Dans les principales industries chimiques de production;
- Lors de la conception de produits uniques (comme, par exemple, des matériaux composites et des membranes de graphène);
- En génie électrique et électronique (en tant que conducteur "idéal").
De plus, des cathodes froides, des batteries de stockage, ainsi que des électrodes conductrices spéciales et des revêtements de film transparent peuvent être fabriqués sur la base de ce composé. Les propriétés uniques de ce nanomatériau lui offrent un large éventail de possibilités pour son utilisation dans des développements avancés.
Avantages et inconvénients
Avantages des produits à base de graphène :
- Haut degré de conductivité électrique, comparable au même indicateur pour le cuivre ordinaire ;
- Pureté optique presque parfaite, grâce à laquelle il n'absorbe pas plus de deux pour cent de la plage de lumière visible. Par conséquent, de l'extérieur, il semble presque incolore et invisible à l'observateur ;
- Résistance mécanique supérieure au diamant ;
- Flexibilité, dans laquelle le graphène monocouche est supérieur au caoutchouc élastique. Cette qualité permet de changer facilement la forme des films et de les étirer si nécessaire ;
- Résistance aux influences mécaniques externes ;
- Conductivité thermique incomparable, en termes de laquelle il est dix fois supérieur au même cuivre.
Les inconvénients de ce composé de carbone unique comprennent :
- L'impossibilité d'obtenir suffisamment production industrielle volumes, ainsi que l'obtention des propriétés physiques et chimiques requises pour garantir une qualité élevée. En pratique, il est possible d'obtenir uniquement de petits fragments de feuillets de graphène ;
- Les produits industriels sont le plus souvent inférieurs dans leurs caractéristiques aux échantillons obtenus dans les laboratoires de recherche. Il n'est pas possible de les atteindre à l'aide des technologies industrielles ordinaires ;
- Coûts non salariaux élevés, qui limitent considérablement les possibilités de sa production et de son application pratique.
Malgré toutes ces difficultés, les chercheurs n'abandonnent pas les tentatives de développement de nouvelles technologies pour la production de graphène.
En conclusion, il convient de préciser que les perspectives de ce matériau sont tout simplement fantastiques, car il peut également être utilisé dans la production de gadgets modernes ultra-minces et flexibles. De plus, sur sa base, il est possible de créer des équipements médicaux modernes et des médicaments capables de lutter contre le cancer et d'autres maladies tumorales courantes.
Vidéo
Les processus industriels modernes utilisent des acides forts, des alcalis et même du plasma, mais selon la nouvelle méthode des scientifiques américains, seules une bouteille d'acétylène, une bouteille d'oxygène et une étincelle sont nécessaires.
De gauche à droite : Justin Wright, Chris Sorensen, Arjun Népal
Le graphène - une couche de carbone d'un atome d'épaisseur - est soudainement devenu l'un des matériaux les plus convoités dans le monde de la haute technologie. Il est perçu par beaucoup comme une panacée pour résoudre les problèmes de la médecine et de l'électronique. On pense qu'avec le graphène, les batteries auront une plus grande capacité, les interfaces neuronales deviendront une réalité et les médecins apprendront à fabriquer des prothèses uniques.
acheter la production de graphène à échelle industrielle- un procédé très énergivore, complexe et coûteux. Il s'agit soit du pelage des couches, qui se fait manuellement en laboratoire et ne peut devenir une solution industrielle. Ou l'utilisation de la chimie, des catalyseurs et du chauffage jusqu'à 1000 degrés Celsius, ce qui est énergivore.
Le plus souvent, il est obtenu à partir d'un matériau naturel - le graphite pyrolytique, qui est réduit en carbone pur, puis mécaniquement et par voie chimique assurez-vous que les particules de graphène individuelles ne sont pas plus épaisses que plusieurs couches. Dans le processus de production, des acides forts, des alcalis sont utilisés, des températures et des pressions très élevées sont créées. Par conséquent, l'émergence d'une méthode bon marché pour obtenir ce matériau est importante.
Des scientifiques de la Kansas State University ont annoncé la découverte d'un moyen bon marché de produire en masse du graphène. Cela ne nécessite que quelques composants disponibles : du gaz hydrocarbure, de l'oxygène, une bougie d'allumage et une chambre de combustion.
Pour obtenir du graphène, il suffit de remplir la chambre de combustion d'acétylène ou d'éthylène gazeux et d'oxygène, puis d'utiliser une bougie d'allumage de voiture pour faire exploser le mélange gazeux. Dans ce cas, du graphène se formera, qui ne sera collecté que sur les parois de la chambre de combustion. Ainsi, le processus d'obtention du graphène consiste en l'explosion de matériaux à haute teneur en carbone.
Cette méthode a été découverte par des scientifiques tout à fait par hasard. Les chercheurs développaient une méthode de production d'un gel aérosol carboné. Pour ce faire, ils ont utilisé le processus ci-dessus. Après la détonation, de la suie s'est formée qui, après étude, s'est avérée être du graphène. Les scientifiques disent qu'ils n'avaient pas prévu d'obtenir ce matériau, ils ont juste eu de la chance.
La nouvelle méthode de fabrication du graphène présente un certain nombre d'avantages par rapport aux méthodes actuellement utilisées. Il ne nécessite pas l'utilisation de produits chimiques nocifs et beaucoup d'énergie. Il permet également de produire du graphène en grande quantité et d'augmenter facilement la production. Enfin, cette méthode est plus rentable d'un point de vue économique.
Le graphène est une modification allotropique bidimensionnelle du carbone, dans laquelle tous les atomes sont disposés sur un plan en rangées d'hexagones réguliers.
Obtenu pour la première fois en 2004, le graphène s'est révélé extrêmement matériel utile pour l'électronique et l'énergie. Il est très résistant, très conducteur de la chaleur, et certaines de ses propriétés sont généralement uniques : par exemple, le graphène est le matériau avec la plus grande mobilité électronique de tous ceux connus de la science. C'est cette propriété qui l'a rendu nécessaire dans l'électronique, les catalyseurs, les batteries et matériaux composites.
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Relativement récemment, un nouveau domaine est apparu dans la science et la technologie, appelé nanotechnologie. Les perspectives de cette discipline ne sont pas seulement vastes. Ils sont grandioses. Une particule appelée "nano" est une valeur égale à un milliardième de valeur. De telles dimensions ne peuvent être comparées qu'aux dimensions des atomes et des molécules. Par exemple, un nanomètre est un milliardième de mètre.
La direction principale du nouveau domaine de la science
Les nanotechnologies sont celles qui manipulent la matière au niveau des molécules et des atomes. À cet égard, ce domaine de la science est également appelé technologie moléculaire. Quelle a été l'impulsion de son développement ? La nanotechnologie dans le monde moderne est apparue grâce à une conférence dans laquelle le scientifique a prouvé qu'il n'y a aucun obstacle à créer des choses directement à partir d'atomes.
Outil pour une manipulation efficace minuscules particules appelé assembleur. Il s'agit d'une nanomachine moléculaire avec laquelle vous pouvez construire n'importe quelle structure. Par exemple, un assembleur naturel peut être appelé une protéine synthétisant les ribosomes dans les organismes vivants.
La nanotechnologie dans le monde moderne n'est pas seulement un domaine de connaissance à part entière. Ils représentent un vaste domaine de recherche, directement lié à de nombreuses sciences fondamentales. Parmi eux figurent la physique, la chimie et la biologie. Selon les scientifiques, ce sont ces sciences qui recevront les impulsions de développement les plus puissantes dans le contexte de la révolution nanotechnique à venir.
Champ d'application
Il est impossible d'énumérer toutes les sphères de l'activité humaine où les nanotechnologies sont actuellement utilisées en raison d'une liste très impressionnante. Ainsi, avec l'aide de ce domaine de la science sont produits:
Appareils conçus pour un enregistrement ultra-dense de toute information ;
- divers équipements vidéo ;
- capteurs, transistors à semi-conducteurs ;
- technologies de l'information, de l'informatique et de l'information ;
- la nanoimpression et la nanolithographie ;
- dispositifs de stockage d'énergie et piles à combustible ;
- les applications de défense, spatiales et aéronautiques ;
- la bioinstrumentation.
Chaque année, de plus en plus de fonds sont alloués à un domaine scientifique tel que la nanotechnologie en Russie, aux États-Unis, au Japon et dans un certain nombre de pays européens. Cela est dû aux larges perspectives de développement de ce domaine de recherche.
Les nanotechnologies en Russie se développent conformément au programme fédéral ciblé, qui prévoit non seulement des coûts financiers importants, mais également une grande quantité de travaux de conception et de recherche. Pour mettre en œuvre les tâches fixées, les efforts de divers complexes scientifiques et technologiques sont combinés au niveau des sociétés nationales et transnationales.
nouveau matériel
La nanotechnologie a permis aux scientifiques de fabriquer une plaque de carbone plus dure que le diamant et d'une épaisseur d'un seul atome. Il est composé de graphène. C'est le plus fin et matériau résistant dans tout l'univers, qui transmet l'électricité bien mieux que le silicium des puces informatiques.
La découverte du graphène est considérée comme un véritable événement révolutionnaire qui va beaucoup changer dans nos vies. Ce matériau a des propriétés physiques si uniques qu'il change radicalement la compréhension d'une personne de la nature des choses et des substances.
Historique de la découverte
Le graphène est un cristal bidimensionnel. Sa structure est un réseau hexagonal composé d'atomes de carbone. Etudes théoriques le graphène a commencé bien avant que ses échantillons réels ne soient obtenus, car ce matériau est à la base de la construction d'un cristal de graphite tridimensionnel.
En 1947, P. Wallace a souligné certaines propriétés du graphène, prouvant que sa structure est similaire à celle des métaux, et que certaines caractéristiques sont similaires à celles que possèdent les particules ultrarelativistes, les neutrinos et les photons sans masse. Cependant, le nouveau matériau présente certaines différences importantes qui le rendent unique par nature. Mais ces conclusions n'ont été confirmées qu'en 2004, lorsque le carbone libre a été obtenu pour la première fois par Konstantin Novoselov et Andrey Geim. Cette nouvelle substance, appelée graphène, a été une découverte majeure des scientifiques. Vous pouvez trouver cet élément dans un crayon. Sa tige en graphite est composée de nombreuses couches de graphène. Comment un crayon laisse-t-il une marque sur du papier ? Le fait est que, malgré la solidité des couches qui composent la tige, il existe des liaisons très faibles entre elles. Ils se désagrègent très facilement au contact du papier, laissant une trace lors de l'écriture.
Utilisation de nouveau matériel
Selon les scientifiques, des capteurs basés sur le graphène pourront analyser la force et l'état de l'avion, ainsi que prédire les tremblements de terre. Mais ce n'est que lorsqu'un matériau aux propriétés aussi étonnantes quitte les murs des laboratoires que l'on saura dans quelle direction ira le développement de l'application pratique de cette substance. À ce jour, les physiciens, ainsi que les ingénieurs électroniciens, se sont déjà intéressés aux capacités uniques du graphène. Après tout, quelques grammes seulement de cette substance peuvent couvrir une surface égale à un terrain de football.
Le graphène et ses applications sont potentiellement envisagés dans la production de satellites et d'avions légers. Dans ce domaine, le nouveau matériau peut remplacer la nanosubstance pouvant être utilisée à la place du silicium dans les transistors, et son introduction dans le plastique lui conférera une conductivité électrique.
Le graphène et ses applications sont également pris en compte dans la fabrication de capteurs. Ces appareils, basés sur les derniers matériaux, seront capables de détecter les molécules les plus dangereuses. Mais l'utilisation de poudre de nanosubstance dans la production de batteries électriques augmentera considérablement leur efficacité.
Le graphène et ses applications sont considérés en optoélectronique. Le nouveau matériau fabriquera un plastique très léger et durable, dont les contenants conserveront la fraîcheur des aliments pendant plusieurs semaines.
L'utilisation de graphène devrait également produire un revêtement conducteur transparent requis pour les moniteurs, les panneaux solaires et les éoliennes qui sont plus solides et plus résistants aux contraintes mécaniques.
Sur la base du nanomatériau, les meilleurs équipements sportifs, implants médicaux et supercondensateurs seront obtenus.
Le graphène et son application sont également pertinents pour :
Appareils électroniques à haute fréquence et haute puissance;
- membranes artificielles séparant deux liquides dans un réservoir ;
- améliorer les propriétés de conductivité de divers matériaux ;
- création d'un affichage sur diodes électroluminescentes organiques ;
- développement d'une nouvelle technologie de séquençage accéléré de l'ADN ;
- améliorations des écrans à cristaux liquides ;
- création de transistors balistiques.
Utilisation automobile
Selon les chercheurs, la consommation d'énergie spécifique du graphène approche les 65 kWh/kg. Cet indicateur 47 fois plus élevé que celui qui est maintenant si répandu batteries lithium-ion. Les scientifiques ont utilisé ce fait pour créer une nouvelle génération de chargeurs.
Une batterie graphène-polymère est un dispositif par lequel l'énergie électrique est conservée aussi efficacement que possible. Actuellement, des travaux y sont menés par des chercheurs de nombreux pays. Les scientifiques espagnols ont fait des progrès significatifs à cet égard. La batterie graphène-polymère créée par eux a une capacité énergétique des centaines de fois supérieure à celle des batteries existantes. Il est utilisé pour équiper les véhicules électriques. La voiture dans laquelle il est installé peut parcourir des milliers de kilomètres sans s'arrêter. Il ne faudra pas plus de 8 minutes pour recharger une voiture électrique lorsque la ressource énergétique est épuisée.
Écrans tactiles
Les scientifiques continuent d'explorer le graphène, tout en créant des choses nouvelles et sans précédent. Ainsi, le nanomatériau de carbone a trouvé son application dans la production, qui produit des écrans tactiles avec une grande diagonale. Dans le futur, un dispositif flexible de ce type pourrait également apparaître.
Des scientifiques ont obtenu une feuille de graphène Forme rectangulaire et l'a transformé en une électrode transparente. C'est lui qui participe au fonctionnement de l'écran tactile, tout en se distinguant par sa durabilité, sa transparence accrue, sa flexibilité, son respect de l'environnement et son faible coût.
Obtenir du graphène
Depuis 2004, date à laquelle le plus récent nanomatériau a été découvert, les scientifiques maîtrisent toute la ligne méthodes pour l'obtenir. Cependant, les plus importants d'entre eux sont les méthodes:
exfoliation mécanique;
- croissance épitaxiale sous vide ;
- refroidissement chimique par phase (procédé CVD).
La première de ces trois méthodes est la plus simple. La production de graphène par exfoliation mécanique est l'application d'un graphite spécial sur la surface adhésive du ruban isolant. Après cela, la base, comme une feuille de papier, commence à se plier et à se déplier, séparant matériel désiré. Lorsqu'il est appliqué cette méthode le graphène est de la plus haute qualité. Cependant, de telles actions ne sont pas adaptées à une production de masse de ce nanomatériau.
Lors de l'utilisation de la méthode de croissance épitaxiale, on utilise de fines tranches de silicium dont la couche superficielle est en carbure de silicium. De plus, ce matériau est chauffé à très haute température (jusqu'à 1000 K). À la suite d'une réaction chimique, les atomes de silicium sont séparés des atomes de carbone, dont les premiers s'évaporent. En conséquence, le graphène pur reste sur la plaque. L'inconvénient de cette méthode est la nécessité d'utiliser des températures très élevées auxquelles la combustion des atomes de carbone peut se produire.
Le plus fiable et d'une manière simple utilisé pour la production de masse de graphène est le procédé CVD. C'est une méthode dans laquelle une réaction chimique a lieu entre un revêtement de catalyseur métallique et des gaz d'hydrocarbures.
Où est produit le graphène ?
À ce jour plus grande entreprise, qui fabrique le nouveau nanomatériau, est située en Chine. Le nom de ce fabricant est Ningbo Morsh Technology. La production de graphène a commencé en 2012.
Le principal consommateur du nanomatériau est Chongqing Morsh Technology. Il utilise du graphène pour produire des films transparents conducteurs qui sont insérés dans des écrans tactiles.
Relativement récemment célèbre entreprise Nokia a déposé un brevet pour une matrice photosensible. Dans le cadre de ce nécessaire dispositifs optiques L'élément contient plusieurs couches de graphène. Un tel matériau utilisé sur les capteurs de caméra augmente considérablement leur sensibilité à la lumière (jusqu'à 1000 fois). Dans le même temps, il y a aussi une réduction de la consommation d'électricité. bon appareil photo pour un smartphone contiendra également du graphène.
Se rendre à la maison
Est-il possible de fabriquer du graphène à la maison ? Il s'avère que oui ! Il vous suffit de prendre un mixeur de cuisine d'une puissance d'au moins 400 watts, et de suivre la méthodologie mise au point par des physiciens irlandais.
Comment faire du graphène à la maison ? Pour ce faire, versez 500 ml d'eau dans le bol du mélangeur, en ajoutant 10 à 25 millilitres de tout détergent et 20 à 50 grammes de plomb broyé au liquide. Ensuite, l'appareil doit fonctionner de 10 minutes à une demi-heure, jusqu'à ce qu'une suspension de flocons de graphène apparaisse. Le matériau résultant aura une conductivité élevée, ce qui lui permettra d'être utilisé dans les électrodes des cellules photoélectriques. Egalement produit en conditions de vie Le graphène peut améliorer les propriétés du plastique.
oxydes de nanomatériaux
Les scientifiques étudient également activement une telle structure de graphène, qui a attaché des groupes fonctionnels et/ou des molécules contenant de l'oxygène à l'intérieur ou le long des bords du réseau de carbone. C'est l'oxyde de la nanosubstance la plus dure et le premier matériau bidimensionnel à atteindre le stade de la production commerciale. À partir de nanoparticules et de microparticules de cette structure, les scientifiques ont fabriqué des échantillons centimétriques.
Ainsi, l'oxyde de graphène en combinaison avec du carbone diophile a été récemment obtenu par des scientifiques chinois. C'est très matériau léger, dont un centimètre cube est retenu sur les pétales d'une petite fleur. Mais en même temps, la nouvelle substance, qui contient de l'oxyde de graphène, est l'une des plus dures au monde.
Application biomédicale
L'oxyde de graphène a une propriété de sélectivité unique. Cela permettra à cette substance de trouver des applications biomédicales. Ainsi, grâce au travail des scientifiques, il est devenu possible d'utiliser l'oxyde de graphène pour le diagnostic du cancer. Les propriétés optiques et électriques uniques du nanomatériau permettent de détecter une tumeur maligne aux premiers stades de son développement.
L'oxyde de graphène permet également une administration ciblée de médicaments et de diagnostics. Basé ce materiel des biocapteurs à sorption sont créés qui pointent vers des molécules d'ADN.
Application industrielle
Divers absorbants à base d'oxyde de graphène peuvent être utilisés pour la décontamination d'objets artificiels et naturels contaminés. De plus, ce nanomatériau est capable de traiter les eaux souterraines et de surface, ainsi que les sols, en les nettoyant des radionucléides.
Les filtres en oxyde de graphène peuvent fournir des salles super propres où des composants électroniques à usage spécial sont fabriqués. Les propriétés uniques de ce matériau vous permettront de pénétrer dans les technologies subtiles de la sphère chimique. En particulier, il peut s'agir de l'extraction de métaux radioactifs, traces et rares. Ainsi, l'utilisation de l'oxyde de graphène permettra d'extraire l'or des minerais pauvres.
Fibres de graphène au microscope électronique à balayage. Graphène pur récupéré à partir d'oxyde de graphène (GO) dans four micro-onde. Échelle 40 µm (à gauche) et 10 µm (à droite). Photo : Jieun Yang, Damien Voiry, Jacob Kupferberg / Université Rutgers
Le graphène est une modification 2D du carbone formée par une couche d'un atome de carbone d'épaisseur. Le matériau a une haute résistance, une conductivité thermique élevée et unique proprietes physiques et chimiques. Il présente la mobilité électronique la plus élevée de tous les matériaux connus sur Terre. Cela fait du graphène un matériau presque idéal pour une grande variété d'applications, notamment l'électronique, les catalyseurs, les batteries, les matériaux composites, etc. Le point est petit - apprendre à obtenir des couches de graphène de haute qualité à l'échelle industrielle.
Des chimistes de l'Université Rutgers (USA) ont trouvé une méthode simple et méthode rapide production de graphène de haute qualité en traitant l'oxyde de graphène dans un four à micro-ondes conventionnel. La méthode est étonnamment primitive et efficace.
Oxyde de graphite - un composé de carbone, d'hydrogène et d'oxygène dans divers rapports, qui se forme lors du traitement du graphite oxydants forts. Se débarrasser de l'oxygène restant dans l'oxyde de graphite, puis obtenir du graphène pur dans des feuilles bidimensionnelles, nécessite des efforts considérables.
L'oxyde de graphite est mélangé avec des alcalis forts et le matériau est encore réduit. En conséquence, des feuilles monomoléculaires avec des résidus d'oxygène sont obtenues. Ces feuilles sont communément appelées oxyde de graphène (GO). Les chimistes ont essayé différentes manières d'éliminer l'excès d'oxygène du GO ( , , , ), mais le GO (rGO) réduit par de telles méthodes reste un matériau très désordonné, qui est loin du véritable graphène pur obtenu par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) .
Même sous sa forme désordonnée, le rGO a le potentiel d'être utile pour les vecteurs d'énergie ( , , , , ) et les catalyseurs ( , , , ), mais pour tirer pleinement parti des propriétés uniques du graphène en électronique, il faut apprendre comment pour obtenir du graphène pur de haute qualité de GO.
Les chimistes de l'Université Rutgers proposent une méthode simple et manière rapide réduction de GO en graphène pur en utilisant des impulsions micro-ondes de 1 à 2 secondes. Comme on peut le voir sur les graphiques, le graphène obtenu par "réduction micro-ondes" (MW-rGO) est beaucoup plus proche dans ses propriétés du graphène le plus pur obtenu par CVD.
Caractéristiques physiques de MW-rGO par rapport à l'oxyde de graphène vierge GO, à l'oxyde de graphène réduit rGO et au graphène par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Sont illustrés des flocons GO typiques déposés sur un substrat de silicium (A); Spectroscopie photoélectronique à rayons X (B); Spectroscopie Raman et rapport de la taille des cristaux (L a) au rapport des pics l 2D /l G dans le spectre Raman pour MW-rGO, GO et CVD.
Propriétés électroniques et électrocatalytiques de MW-rGO par rapport à rGO. Illustrations : Université Rutgers
Le processus technique d'obtention de MW-rGO comprend plusieurs étapes.
- Oxydation du graphite par la méthode Hummers modifiée et sa dissolution en flocons monocouches d'oxyde de graphène dans l'eau.
- Recuit GO pour rendre le matériau plus sensible à l'irradiation par micro-ondes.
- Irradiation des flocons GO dans un four à micro-ondes conventionnel de 1000 W pendant 1 à 2 secondes. Au cours de cette procédure, GO est rapidement chauffé à une température élevée, une désorption des groupes oxygène et une excellente structuration du réseau de carbone se produisent.
Les images au microscope électronique à transmission montrent la structure des feuillets de graphène à l'échelle de 1 nm. Sur la gauche se trouve un rGO monocouche avec de nombreux défauts, notamment des groupes fonctionnels oxygène (flèche bleue) et des trous dans la couche de carbone (flèche rouge). Au centre et à droite se trouve un MW-rGO à deux et trois couches parfaitement structuré. Photo : Université Rutgers
Les excellentes propriétés structurelles du MW-rGO lorsqu'il est utilisé dans des transistors à effet de champ permettent d'augmenter la mobilité électronique maximale à environ 1500 cm 2 /V·s, ce qui est comparable aux performances exceptionnelles des transistors modernes à haute mobilité électronique.
En plus de l'électronique, MW-rGO est utile dans la production de catalyseurs : il s'est montré exceptionnellement petite valeur Coefficient de Tafel lorsqu'il est utilisé comme catalyseur dans une réaction de dégagement d'oxygène : environ 38 mV par décade. Le catalyseur MW-rGO est également resté stable dans la réaction de dégagement d'hydrogène, qui a duré plus de 100 heures.
Tout cela suggère un excellent potentiel pour l'utilisation de remanufacturés rayonnement micro-ondes graphène dans l'industrie.
article de recherche "Graphène de haute qualité via la réduction par micro-ondes de l'oxyde de graphène exfolié en solution" publié le 1er septembre 2016 dans le magazine Science(doi : 10.1126/science.aah3398).