Grafen – wszystko, co musisz wiedzieć

Grafen stał się jednym z najbardziej obiecujących nanomateriałów ze względu na jego unikalną kombinację wyjątkowych właściwości: jest nie tylko najcieńszym, ale także jednym z najsilniejszych materiałów; przewodzi ciepło lepiej niż wszystkie inne materiały; jest doskonałym przewodnikiem elektryczności; Jest optycznie przezroczysty, a jednocześnie tak gęsty, że nie przepuszcza gazów – nie może przez niego przejść nawet hel, najmniejszy atom gazu.

Grafen – matka wszystkich form grafitowych. Po lewej stronie pokazano artystyczną impresję arkusza grafenu falistego (zdj.: Jannik Meyer).

Unikalna kombinacja niezwykłych właściwości grafenu stanowi fascynującą platformę materiałową dla rozwoju technologii nowej generacji w wielu obszarach - elektroniki do noszenia i superszybkiej, ultraczułych czujników, wielofunkcyjnych kompozytów i powłok, membran, medycyny i biotechnologii, pozyskiwania i przechowywania energii.

Od czasu pierwszej demonstracji w 2004 r. badania nad grafenem przekształciły się w rozległą dziedzinę, w której co roku publikowanych jest około 10 000 artykułów naukowych na szeroki zakres tematów.

Grafen jest podstawowym budulcem innych materiałów grafitowych, takich jak nanorurki węglowe:

Tlenek grafenu (GO) to jednoatomowa warstwa węgla, w której obie powierzchnie warstwy są modyfikowane przez grupy funkcyjne zawierające tlen. W wielowarstwowym tlenku grafenu warstwy węgla są oddzielone grupami funkcyjnymi związanymi z każdą warstwą atomów węgla.

Chociaż GO – podobnie jak grafen – jest materiałem 2D, jego właściwości bardzo różnią się od właściwości grafenu. Nie absorbuje światła widzialnego, ma bardzo niską przewodność elektryczną w porównaniu z grafenem i wykazuje znacznie wyższą aktywność chemiczną.

Tlenek grafenu został odkryty mniej lub bardziej przypadkowo przez brytyjskiego chemika Benjamina Brodie w 1859 roku. W swoich eksperymentach wystawił grafit na działanie silnych kwasów i otrzymał to, co nazwał kwasem węglowym. Brodie wierzył, że odkrył grafon, nową formę węgla o masie cząsteczkowej 33.

Jak dowcipnie pisze Andre Geim w swoim artykule na temat prehistorii grafenu: "Dziś wiemy, że zaobserwował zawiesinę maleńkich kryształków tlenku grafenu, czyli arkusz grafenu gęsto pokryty grupami hydroksylowymi i epoksydowymi".

Na początku fali zainteresowania GO rozważano jedynie jako sposób na masową produkcję taniego grafenu, w szczególności przygotowanie jedno- i wielowarstwowych folii grafenowych oraz masowych struktur grafenowych poprzez redukcję (skutkującą redukcją tlenku grafenu, czyli rGO).

Z biegiem czasu, jak pokazujemy w niektórych z poniższych przykładów, GO znalazło zastosowanie w wielu dziedzinach, takich jak membrany, powłoki, czujniki, fotokataliza i ogniwa słoneczne. I choć GO i jego zredukowana forma rGO jest najbliższym krewnym grafenu, to dzięki swoim unikalnym właściwościom wypracował własne, niezależne miejsce w rodzinie grafenów.

Głównym wyzwaniem związanym z zastosowaniem grafenu w elektronice jest zeropasmowa struktura elektronowa grafenu. Uniemożliwia to wyłączenie tranzystorów grafenowych, co ogranicza ich zastosowanie w przemyśle półprzewodników.

Chociaż możliwe jest przezwyciężenie tego ograniczenia poprzez domieszkowanie lub funkcjonalizację grafenu, istnieje również duże zainteresowanie poszukiwaniem nowych rodzajów alotropów węglowych 2D, które mają wyjątkowe właściwości półprzewodnikowe, takie jak odpowiednie pasmo energetyczne i wysoka mobilność.

Niedawno naukowcy odkryli, że możliwe jest nadanie grafenowi lub tlenkom grafenu wielu cech odpowiednich dla półprzewodnika, tworząc wiele w jego strukturze. Ten nowy rodzaj materiału nazywa się "dziurawym grafenem". W porównaniu z grafenem, γ-grafyną lub grafdiyną, dziurawy grafen ma nie tylko idealne właściwości półprzewodnikowe 2D, ale także ma nieliniowe wiązanie sp i specjalną strukturę sprzężoną z π, która oferuje obiecujące zastosowania w optoelektronice, pozyskiwaniu energii, separacji gazu, katalizie, remediacji wody, czujnikach i dziedzinach związanych z energią.

Zanim grafen został po raz pierwszy zademonstrowany w 2004 roku przez Andre Geima i Konstantina Novoselova, dwóch fizyków z Uniwersytetu w Manchesterze (za co otrzymali Nagrodę Nobla w 2010 roku), naukowcy argumentowali, że ściśle krystaliczne materiały 2D są termodynamicznie niestabilne i nie mogą istnieć.

Grafen był już badany teoretycznie w 1947 roku przez P.R. Wallace'a jako podręcznikowy przykład do obliczeń w fizyce ciała stałego. Przewidział strukturę elektronową i odnotował zależność dyspersji liniowej. Równanie falowe dla wzbudzeń zostało spisane przez J.W. McClure'a już w 1956 roku, a podobieństwo do równania Diraca zostało omówione przez G.W. Semenoffa w 1984 roku.

W 2002 roku Geim zainteresował się grafenem i rzucił wyzwanie doktorantowi, aby wypolerował kawałek grafitu do jak najmniejszej liczby warstw. Udało mu się wyprodukować płatek grafitu o grubości około 1 warstw - trochę mniej niż znak.

Stosując inne podejście, zespół Geima zaczął używać zwykłej taśmy klejącej do odklejania warstw grafenu z kawałka grafitu, takiego jaki znajduje się w zwykłych ołówkach. Używając zwykłej taśmy samoprzylepnej, ostatecznie udało im się uzyskać płatek węgla o grubości zaledwie jednego atomu.

Oddzielne warstwy grafenu w graficie są utrzymywane razem przez siły van der Waalsa, które można pokonać podczas złuszczania grafenu z grafitu. Ten mechaniczny peeling jest najprostszą z metod przygotowania i, co zaskakujące, jest metodą, która sprawiła, że samodzielny grafen stał się rzeczywistością.

Od czasu tych pierwszych maleńkich płatków wykonanych z taśmy, produkcja grafenu poprawiła się w szybkim tempie. Zaledwie pięć lat później, w 2009 roku, naukowcy byli w stanie stworzyć film grafenowy o średnicy 30 cali.

"Ze względu na swoje niezwykłe widmo elektroniczne, grafen doprowadził do pojawienia się nowego paradygmatu" relatywistycznej "fizyki materii skondensowanej, w której kwantowe zjawiska relatywistyczne, z których niektóre są nieobserwowalne w fizyce wysokich energii, mogą być teraz naśladowane i testowane w eksperymentach stołowych" - wyjaśnił prof. Konstantin Novoselov w Nanowerk w 2007 roku. "Mówiąc bardziej ogólnie, grafen reprezentuje koncepcyjnie nową klasę materiałów, które mają tylko jeden atom grubości, i na tej podstawie oferuje nowe możliwości fizyki niskowymiarowej, która nigdy nie przestała zaskakiwać i nadal stanowi żyzny grunt dla zastosowań."

"Biorąc pod uwagę, że płatki grafenowe zostały eksperymentalnie zademonstrowane w 2004 roku i od tego czasu zgromadzono ogromną liczbę badań naukowych, co stało się z obiecanymi zastosowaniami grafenu i powiązanych materiałów 2D" - pytasz? Cóż, dwie publikacje z 2021 r. ("Graphene Roadmap Briefs (No. 1): Innovation interfaces of the Graphene Flagship" i "Graphene Roadmap Briefs (No. 2): Industrialization status and prospects 2020") dokonują przeglądu najnowszych wyników Graphene Technology and Innovation Roadmap, procesu, który bada różne ścieżki w kierunku industrializacji i komercjalizacji grafenu i powiązanych materiałów.

Społeczność grafenowa oczekuje, że dzięki wzmocnieniu standardów i stworzeniu dostosowanych materiałów wysokiej jakości, materiały grafenowe wykroczą poza produkty niszowe i czołowe zastosowania do szerokiej penetracji rynku do 2025 roku. Następnie grafen może zostać włączony do wszechobecnych towarów, takich jak opony, baterie, czujniki i elektronika.

Komercyjni producenci grafenu stosują różne ścieżki produkcji grafenu. Metody oddolne polegają głównie na chemicznym osadzaniu w fazie gazowej (CVD) związków bogatych w węgiel w celu utworzenia arkuszy węgla 2D. Uzyskana jakość grafenu oddolnego jest zazwyczaj wysoka. Niestety, metody te nie są łatwo skalowalne i drogie.

Natomiast metody odgórne są znacznie tańszymi i bardziej skalowalnymi technikami. Wiele dróg syntezy na większą skalę obejmuje pośrednie etapy złuszczania tlenku grafenu (GO), a następnie redukcję do zredukowanego tlenku grafenu (rGO). Jednak dobre wyniki uzyskiwane pod względem plonów odbywają się kosztem jakości i spójności.

Obecnie schematycznie przedstawiono poniżej najczęstsze techniki produkcji grafenu, które obejmują rozszczepianie mikromechaniczne, CVD, wzrost epitaksjalny na podłożach z węglika krzemu (SiC), chemiczną redukcję złuszczonego tlenku grafenu, złuszczanie grafitu w fazie ciekłej (LPE) i rozpakowanie nanorurek węglowych.

Jednak każda z tych metod może mieć swoje zalety, a także ograniczenia w zależności od docelowego zastosowania (zastosowań). Aby pokonać te bariery w komercjalizacji grafenu, naukowcy z różnych instytutów badawczo-rozwojowych, uniwersytetów i firm z całego świata podejmują wspólne wysiłki w celu opracowania nowych metod produkcji na dużą skalę taniego i wysokiej jakości grafenu za pomocą prostych i przyjaznych dla środowiska podejść.

Już teraz naukowcom udało się wyprodukować duże, monokrystaliczne folie grafenowe o długości ponad stopy na praktycznie każdej płaskiej powierzchni - krok w kierunku komercjalizacji.

Wśród uznanych metod komercyjnej produkcji grafenu, LPE grafitu jest jedną z najczęściej stosowanych metod. Mechanizm stojący za LPE opiera się na fakcie, że grafit jest materiałem warstwowym i zasadniczo można go postrzegać jako pojedyncze kryształy grafenu ułożone jeden na drugim.

Proces LPE polega na mieleniu grafitu na proszek i rozdzielaniu cząstek na drobne płatki poprzez zastosowanie sił mechanicznych w cieczy. Płatki zawierające grafen są następnie oddzielane od pozostałego materiału.

Flash Joule Heating (FJH) – wykorzystujące ładunek elektryczny do dramatycznego podniesienia temperatury materiału do ponad 3000 K – jest znane w literaturze od wielu dziesięcioleci, ale ostatnio zostało zastosowane do syntezy grafenu i innych materiałów 2D.

W 2020 roku FJH wykorzystano do syntezy gramowych ilości grafenu z różnych surowców, w tym sadzy, węgla, koksu naftowego, odpadów spożywczych i tworzyw sztucznych ("Przekształcanie śmieci w cenny grafen w mgnieniu oka").

Na przykład FJH powoduje karbonizację zmieszanych odpadów z tworzyw sztucznych i pozwala na bezpośrednie przekształcanie odpadów z tworzyw sztucznych w grafen, bez pośredniego przetwarzania pirolizy. Ponieważ niezbędne ciepło jest wytwarzane in situ, nie ma potrzeby stosowania pieców ani nieefektywnego wymiany ciepła.

Przeczytaj więcej o wielkoskalowej syntezie grafenu i innych materiałów 2D.

Grafen ma ogromną liczbę potencjalnych zastosowań, ale badania i zastosowania komercyjne są podważane przez niską lub nieznaną jakość większości dostępnego materiału (przeczytaj więcej w naszym artykule "Strzeż się fałszywego grafenu").

Jakość grafenu odgrywa kluczową rolę, ponieważ obecność defektów, zanieczyszczeń, granic ziaren, wielu domen, zaburzeń strukturalnych, zmarszczek w arkuszu grafenu może mieć niekorzystny wpływ na jego właściwości elektroniczne i optyczne.

W zastosowaniach elektronicznych głównym wąskim gardłem jest wymóg dużych próbek, co jest możliwe tylko w przypadku procesu CVD, ale trudno jest wyprodukować wysokiej jakości i monokrystaliczne cienkie warstwy grafenu o bardzo wysokiej przewodności elektrycznej i cieplnej oraz doskonałej przezroczystości optycznej.

Inną kwestią budzącą obawy w syntezie grafenu metodami konwencjonalnymi jest stosowanie toksycznych chemikaliów, a metody te zwykle prowadzą do wytwarzania niebezpiecznych odpadów i trujących gazów. Dlatego istnieje potrzeba opracowania ekologicznych metod produkcji grafenu poprzez stosowanie podejścia przyjaznego dla środowiska.

Metody przygotowania grafenu powinny również pozwolić na wytwarzanie in situ i integrację urządzeń opartych na grafenie o złożonej architekturze, co umożliwiłoby wyeliminowanie wieloetapowych i pracochłonnych metod wytwarzania przy niższych kosztach produkcji (czytaj więcej: "Masowa produkcja grafenu wysokiej jakości: analiza patentów światowych").

Tutaj na Nanowerk prowadzimy aktualną listę producentów i dostawców grafenu, a w naszym katalogu produktów Nanowerk mamy listę ponad 600 komercyjnych materiałów grafenowych na sprzedaż.

Jednym z powodów, dla których nanonaukowcy pracujący nad elektroniką molekularną są tak podekscytowani grafenem, są jego właściwości elektroniczne - jest to jeden z najlepszych przewodników elektrycznych na Ziemi. Unikalny układ atomowy atomów węgla w grafenie pozwala elektronom łatwo podróżować z ekstremalnie dużą prędkością bez znaczącej szansy na rozproszenie, oszczędzając cenną energię zwykle traconą w innych przewodnikach.

Naukowcy odkryli, że grafen pozostaje zdolny do przewodzenia elektryczności nawet na granicy nominalnie zerowej koncentracji nośnika, ponieważ elektrony nie wydają się zwalniać ani lokalizować. Elektrony poruszające się wokół atomów węgla oddziałują z okresowym potencjałem sieci plastra miodu grafenu, co powoduje powstawanie nowych kwazicząstek, które utraciły swoją masę lub masę spoczynkową (tzw. bezmasowe fermiony Diraca). Oznacza to, że grafen nigdy nie przestaje przewodzić. Stwierdzono również, że podróżują one znacznie szybciej niż elektrony w innych półprzewodnikach.

Szczegółowe omówienie właściwości mechanicznych grafenu i nanokompozytów na bazie grafenu można znaleźć w tym artykule przeglądowym.

Odporność na pękanie, która jest właściwością bardzo istotną dla zastosowań inżynieryjnych, jest jedną z najważniejszych właściwości mechanicznych grafenu i została zmierzona jako współczynnik intensywności naprężeń krytycznych 4,0 ±0,6 MPa.

Grupy badawcze na całym świecie pracują nad rozwojem produkowanych przemysłowo arkuszy grafenu, które mają wysoką wytrzymałość i wytrzymałość we wszystkich kierunkach arkuszy do różnych zastosowań, takich jak kompozyty na bazie grafenu do pojazdów, optoelektroniki i implantów neuronowych.

Najnowszym przykładem produktu konsumpcyjnego, który wykorzystuje właściwości mechaniczne grafenu, jest kask motocyklowy Momo Evo Graphene, opracowany przez włoski Momodesign i Istituto Italiano di Tecnologia (IIT).

Innym przykładem jest rower Dassi Interceptor™ Graphene – pierwszy na świecie rower grafenowy. Wzmocnienie włókna węglowego grafenem pozwala na tworzenie lżejszych, cieńszych rurek, które są mocniejsze niż zwykły węgiel. Oznacza to ramę w kształcie aerodynamicznym bez zwykłego poświęcenia wagi. Dzięki ramie wzmocnionej grafenem rower ten jest o 30% lżejszy, a jednocześnie dwa razy mocniejszy i super sztywny.

Nanomateriały na bazie grafenu mają wiele obiecujących zastosowań w obszarach związanych z energią. Oto kilka ostatnich przykładów: grafen poprawia zarówno pojemność energetyczną, jak i szybkość ładowania akumulatorów; aktywowany grafen tworzy doskonałe superkondensatory do magazynowania energii; elektrody grafenowe mogą prowadzić do obiecującego podejścia do wytwarzania niedrogich, lekkich i elastycznych ogniw słonecznych; Wielofunkcyjne maty grafenowe są obiecującymi podłożami dla układów katalitycznych.

Naukowcy odkryli również krytyczny i nieoczekiwany związek między wadliwością chemiczną / strukturalną grafenu jako materiału macierzystego dla elektrod a jego zdolnością do hamowania wzrostu dendrytów - rozgałęzionych osadów włókien na elektrodach, które mogą przenikać przez barierę między dwiema połowami baterii i potencjalnie powodować zwarcia elektryczne, przegrzanie i pożary ("Wolny od wad grafen może rozwiązać problem dendrytów baterii litowo-metalowych").

Przykłady te podkreślają cztery główne obszary związane z energią, na które grafen będzie miał wpływ: ogniwa słoneczne, superkondensatory, baterie grafenowe i kataliza ogniw paliwowych.

Ze względu na doskonałe właściwości transportu elektronów i wyjątkowo wysoką mobilność nośników, grafen i inne materiały monowarstwowe o pasmie wzbronionym bezpośrednim, takie jak dichalkogenki metali przejściowych (TMDC) i czarny fosfor, wykazują ogromny potencjał do zastosowania w tanich, elastycznych i wysoce wydajnych urządzeniach fotowoltaicznych. Są to najbardziej obiecujące materiały do zaawansowanych ogniw słonecznych.

Doskonały artykuł przeglądowy ("Chemical Approaches towards Graphene-Based Nanomaterials and their Applications in Energy-Related Areas") zawiera krótki przegląd ostatnich badań dotyczących chemicznych i termicznych podejść do produkcji dobrze zdefiniowanych nanomateriałów na bazie grafenu i ich zastosowań w obszarach związanych z energią.

Autorzy zauważają jednak, że zanim nanomateriały i urządzenia na bazie grafenu znajdą szerokie zastosowanie komercyjne, należy rozwiązać dwa ważne problemy: jednym z nich jest przygotowanie nanomateriałów na bazie grafenu o dobrze zdefiniowanych strukturach, a drugim jest kontrolowane wytwarzanie tych materiałów w funkcjonalne urządzenia.

Funkcjonalizowany grafen jest wyjątkowo obiecujący dla czujników biologicznych i chemicznych. Naukowcy wykazali już, że charakterystyczna struktura 2D tlenku grafenu (GO), w połączeniu z jego superprzepuszczalnością dla cząsteczek wody, prowadzi do urządzeń wykrywających z niespotykaną dotąd prędkością ("Ultraszybki czujnik grafenu monitoruje oddech podczas mówienia").

Naukowcy odkryli, że opary chemiczne zmieniają widma szumów tranzystorów grafenowych, umożliwiając im selektywne wykrywanie gazu dla wielu oparów za pomocą jednego urządzenia wykonanego z nieskazitelnego grafenu - nie jest wymagana funkcjonalizacja powierzchni grafenu ("Selektywne wykrywanie gazu za pomocą nieskazitelnego grafenu").

Całkiem fajnym podejściem jest połączenie pasywnych, bezprzewodowych nanoczujników grafenowych z biomateriałami za pomocą bioresorpcji jedwabiu, jak pokazano w tatuażu nanoczujnika grafenu na zębach monitorujących bakterie w jamie ustnej.

Naukowcy rozpoczęli również pracę z piankami grafenowymi – trójwymiarowymi strukturami połączonych ze sobą arkuszy grafenu o niezwykle wysokiej przewodności. Struktury te są bardzo obiecujące jako czujniki gazu ("Pianka grafenowa wykrywa materiały wybuchowe, emisje lepiej niż dzisiejsze czujniki gazu") oraz jako bioczujniki do wykrywania chorób (patrz na przykład: "Bioczujnik nanotechnologiczny do wykrywania biomarkerów choroby Parkinsona").

Urok membran grafenowych jest wieloraki, począwszy od filtracji wody, na przykład do celów odsalania; separacja gazów przemysłowych, np. wychwytywanie CO2; wielkoskalowe systemy magazynowania energii (membrany separatorów do akumulatorów redoks); lub jako membrana filtracyjna w przemyśle spożywczym (na przykład do filtrowania laktozy z mleka).

Membrany nanoprzepływowe oparte na materiałach 2D są obiecującymi materiałami do odsalania i oczyszczania wody nowej generacji. Na przykład nieskazitelne i chemicznie modyfikowane membrany tlenku grafenu (GOM) skutecznie blokują barwniki organiczne i nanocząstki o wielkości zaledwie 9 A. Naukowcy zademonstrowali już nowatorską metodę odsalania z niemal idealnym odrzuceniem soli i wysokim strumieniem wody.

Grafen jednowarstwowy jest również proponowany do separacji gazów przemysłowych. Oddzielanie mieszanych gazów, takich jak powietrze, na ich poszczególne składniki jest procesem o wielu zastosowaniach przemysłowych, w tym produkcji biogazu, wzbogacaniu powietrza w obróbce metali, usuwaniu toksycznych gazów z gazu ziemnego oraz odzyskiwaniu wodoru z zakładów amoniaku i rafinerii ropy naftowej.

Jednak postęp w opracowywaniu grafenu napotkał dwa wąskie gardła: po pierwsze, brak metod włączania porów o rozmiarach molekularnych do warstwy grafenu, a po drugie, brak metod wytwarzania wytrzymałych mechanicznie, pozbawionych pęknięć i rozdarć membran o dużej powierzchni.

W przełomie, który rozwiązuje oba problemy, naukowcy opracowali wielkopowierzchniową, jednowarstwową membranę grafenową, która może oddzielić wodór od metanu z wysoką wydajnością (współczynnik separacji do 25) i bezprecedensową przenikalnością wodoru z porowatości, która wynosiła tylko 0,025%.

Nie jest to zastosowanie membranowe, ale bardzo istotne dla filtracji wody, stosunkowo nową metodą oczyszczania słonawej wody jest technologia dejonizacji pojemnościowej (CDI). Zaletą CDI jest to, że nie ma wtórnego zanieczyszczenia, jest opłacalny i energooszczędny. Naukowcy opracowali aplikację CDI, która wykorzystuje nanopłatki grafenowe jako elektrody do dejonizacji pojemnościowej. Odkryli, że elektrody grafenowe dawały lepszą wydajność CDI niż konwencjonalnie stosowane materiały z węgla aktywnego ("Odsalanie wody grafenem").

Grafen dopiero niedawno znalazł się w zastosowaniach biomedycznych. Większość ostatnich prac w tej dziedzinie koncentruje się na wykorzystaniu grafenu jako biosensora, tj. jako ośrodka pasywnego, który monitoruje pewne bodźce zewnętrzne, zwykle wykorzystując fakt, że rezystancja grafenu zależy silnie od pobliskich pól elektrycznych i sygnałów (patrz na przykład: "Biosensor grafen-DNA selektywny, prosty do stworzenia"). Ale z fundamentalnego punktu widzenia nie jest to nic nowego; Druty krzemowe, folie diamentowe i nanorurki węglowe zostały już wykorzystane do tego typu zastosowań.

Nowe zastosowania dotyczą terapii komórkami macierzystymi, w których grafen jest wykorzystywany jako biokompatybilne rusztowanie, które nie hamuje proliferacji ludzkich mezenchymalnych komórek macierzystych (hMSC) i przyspiesza ich specyficzne różnicowanie w komórki kostne.

Zastosowanie materiałów na bazie grafenu w nanotechnologii farmaceutycznej zyskało ostatnio więcej uwagi ze względu na ich unikalną strukturę chemiczną i właściwości fizykochemiczne - w tym bardzo dużą powierzchnię, przewodność optyczną, cieplną i elektryczną oraz dobrą biokompatybilność.

Nanoarkusze GO wydają się być hydrofilowe, a powierzchnia zawiera grupy reaktywne dla zwiększonej funkcjonalności lub do ładowania leków poprzez oddziaływania kowalencyjne i niekowalencyjne. Ponadto nanomateriały na bazie grafenu można również funkcjonalizować za pomocą sond diagnostycznych, które mają właściwości fluorescencyjne i / lub luminescencyjne i mogą celować w ligandy, takie jak białka, peptydy, kwasy nukleinowe, przeciwciała, lipidy, węglowodany i kwas foliowy.

W zastosowaniach farmaceutycznych nanomateriały na bazie grafenu mają duży potencjał w zakresie poprawy czasu obiegu leków w docelowych systemach dostarczania leków i genów, działając jako środki terapeutyczne i narzędzia diagnostyczne, a także jako środki neuronowenostyczne, które łączą zarówno podejście diagnostyczne, jak i terapeutyczne w jednym systemie.

Międzynarodowy zespół naukowców opracował technikę dostarczania leków, która wykorzystuje paski grafenu jako "latające dywany" do dostarczania dwóch leków przeciwnowotworowych sekwencyjnie do komórek nowotworowych, przy czym każdy lek jest ukierunkowany na odrębną część komórki, w której będzie najbardziej skuteczny. Stwierdzono, że technika działa lepiej niż którykolwiek z leków w izolacji, gdy testowano ją na modelu mysim ukierunkowanym na ludzki guz raka płuc.

Ostatnie badania wskazują również na możliwość zastąpienia antybiotyków środkami fototermicznymi na bazie grafenu w celu wychwytywania i zabijania bakterii.

W trwającym od dziesięcioleci dążeniu do budowy sztucznych mięśni zbadano wiele materiałów pod kątem ich przydatności do zastosowania w siłowniku (uruchamianie to zdolność materiału do odwracalnej zmiany wymiarów pod wpływem różnych bodźców). Oprócz sztucznych mięśni, potencjalne zastosowania obejmują systemy mikroelektromechaniczne (MEMS), biomimetyczne mikro- i nanoroboty oraz urządzenia mikroprzepływowe. W eksperymentach naukowcy wykazali, że nanowstążki grafenowe mogą zapewnić aktywację.

Grafen ma unikalną kombinację właściwości, która jest idealna dla elektroniki nowej generacji, w tym elastyczność mechaniczna, wysoka przewodność elektryczna i stabilność chemiczna. Liczne wysiłki badawcze wykazały już wykonalność wytwarzania elektroniki na bazie grafenu za pomocą wysokowydajnych strategii drukowania atramentowego. Formułowanie atramentowego atramentu grafenowego prowadzi do niedrogiej i skalowalnej ścieżki wykorzystania właściwości grafenu w rzeczywistych technologiach (czytaj więcej tutaj: "Druk atramentowy grafenu dla elastycznej elektroniki" i tutaj: "Bezpośrednie pisanie za pomocą wysoce przewodzących atramentów grafenowych").

Niektóre z najbardziej obiecujących zastosowań grafenu to elektronika (jako tranzystory i interkonekty), detektory (jako elementy czujników) i zarządzanie termiczne (jako boczne rozpraszacze ciepła). Pierwsze grafenowe tranzystory polowe (FET) – zarówno z dolną, jak i górną bramką – zostały już zademonstrowane. Jednocześnie, aby jakikolwiek tranzystor był przydatny do komunikacji analogowej lub zastosowań cyfrowych, poziom elektronicznego szumu o niskiej częstotliwości musi zostać obniżony do akceptowalnego poziomu ("Tranzystory grafenowe mogą pracować bez dużego szumu").

Tranzystory na bazie grafenu są uważane za potencjalnych następców niektórych obecnie używanych komponentów krzemowych. Ze względu na fakt, że elektron może poruszać się szybciej przez grafen niż przez krzem, materiał wykazuje potencjał umożliwiający obliczenia terahercowe.

W ostatecznym tranzystorze w nanoskali – nazwanym tranzystorem balistycznym – elektrony unikają zderzeń, tj. istnieje praktycznie niezakłócony przepływ prądu. Przewodzenie balistyczne umożliwiłoby niezwykle szybkie przełączanie urządzeń. Grafen ma potencjał, aby umożliwić tranzystory balistyczne w temperaturze pokojowej.

Podczas gdy grafen ma potencjał, aby zrewolucjonizować elektronikę i zastąpić obecnie używane materiały krzemowe ("Wysokowydajny tranzystor grafenowy o wysokiej mobilności w temperaturze pokojowej"), ma piętę achillesową: nieskazitelny grafen jest półmetaliczny i brakuje mu niezbędnej przerwy pasmowej, aby służyć jako tranzystor. Dlatego konieczne jest zaprojektowanie przerw pasmowych w grafenie.

Eksperymenty wykazały zalety grafenu jako platformy pamięci flash, które wykazują potencjał przekraczania wydajności obecnej technologii pamięci flash poprzez wykorzystanie wewnętrznych właściwości grafenu.

Elastyczna elektronika opiera się na giętkich podłożach, a prawdziwie składana elektronika wymaga składanego podłoża z bardzo stabilnym przewodnikiem, który może wytrzymać fałdowanie (tj. Krawędź w podłożu w miejscu zagięcia, która rozwija zagniecenia, a deformacja pozostaje nawet po rozłożeniu).

Oznacza to, że oprócz składanego podłoża, takiego jak papier, przewodnik osadzony na tym podłożu również musi być składany. W tym celu naukowcy zademonstrowali proces wytwarzania składanych obwodów grafenowych opartych na podłożach papierowych.

Niezwykła przewodność, wytrzymałość i elastyczność grafenu sprawiły, że jest to również obiecujący wybór dla rozciągliwej elektroniki - technologii, która ma na celu wytwarzanie obwodów na elastycznych podłożach z tworzyw sztucznych do zastosowań takich jak giętkie ogniwa słoneczne lub sztuczna skóra podobna do robota.

Naukowcy opracowali metodę chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD) do przekształcania arkuszy grafenu w porowate trójwymiarowe pianki o wyjątkowo wysokiej przewodności. Przenikając tę piankę polimerem na bazie siloksanu, naukowcy stworzyli kompozyt grafenowy, który można skręcać, rozciągać i zginać bez szkody dla jego właściwości elektrycznych lub mechanicznych ("Grafen: Pienienie dla rozciągliwej elektroniki").

Naukowcy wykazali, że grafen może być wykorzystywany w zastosowaniach telekomunikacyjnych, a jego słaba i uniwersalna odpowiedź optyczna może zostać przekształcona w zalety ultraszybkich zastosowań fotonicznych. Odkryli również, że grafen może być potencjalnie wykorzystany jako nasycony absorber o szerokiej odpowiedzi optycznej, od ultrafioletu, widzialnej, podczerwieni do teraherców ("Wzrost grafenu w ultraszybkiej fotonice").

Istnieje bardzo duże zainteresowanie badawcze wykorzystaniem grafenu do zastosowań w optoelektronice. Fotodetektory oparte na grafenie zostały zrealizowane wcześniej, a przydatność grafenu do fotodetekcji o wysokiej przepustowości została wykazana w optycznym łączu danych 10 GBit / s ("Fotodetektory grafenowe do szybkiej komunikacji optycznej").

Jedno z nowatorskich podejść opiera się na integracji grafenu z mikrownęką optyczną. Zwiększona amplituda pola elektrycznego wewnątrz wnęki powoduje pochłanianie większej ilości energii, co prowadzi do znacznego wzrostu fotoodpowiedzi ("Mikrownęka znacznie poprawia fotoodpowiedź fotodetektorów grafenowych").

Powlekanie obiektów grafenem może służyć różnym celom. Na przykład naukowcy wykazali, że możliwe jest wykorzystanie arkuszy grafenu do stworzenia superhydrofobowego materiału powłokowego, który wykazuje stabilną superhydrofobowość zarówno w warunkach statycznych, jak i dynamicznych (uderzenie kroplami), tworząc w ten sposób struktury wyjątkowo odpychające wodę.

Grafen jest również najcieńszą znaną powłoką na świecie chroniącą metale przed korozją. Stwierdzono, że grafen, niezależnie od tego, czy jest wytwarzany bezpośrednio na miedzi lub niklu, czy przenoszony na inny metal, zapewnia ochronę przed korozją.

Naukowcy zademonstrowali zastosowanie grafenu jako przezroczystej powłoki przewodzącej dla urządzeń fotonicznych i wykazali, że jego wysoka przezroczystość i niska rezystywność sprawiają, że ten dwuwymiarowy kryształ idealnie nadaje się do elektrod w urządzeniach ciekłokrystalicznych (LCD).

Innym nowatorskim zastosowaniem powłoki przydatnym dla naukowców jest wytwarzanie polimerowych sond AFM pokrytych monowarstwowym grafenem w celu poprawy wydajności sondy AFM.

Bezpośrednie laserowe pisanie grafenu na kevlarze sprawia, że odzież ochronna jest "inteligentna". Kevlar jest dobrze znanym polimerem o wysokiej wytrzymałości, który dzięki doskonałym właściwościom mechanicznym znalazł wiele ważnych zastosowań bezpieczeństwa, zwłaszcza w tekstyliach (np. kamizelkach kuloodpornych lub odzieży ochronnej strażaków). Przygotuj się na to, że następna generacja odzieży ochronnej stanie się wielofunkcyjna, czyli "inteligentna". Materiały te będą nie tylko w stanie chronić ludzkie ciało przed obrażeniami, ale także posiadać inteligentne funkcje, takie jak monitorowanie sygnałów fizjologicznych i wykrywanie potencjalnych zagrożeń, takich jak gazy, patogeny lub promieniowanie.

Grafen jest również bardzo atrakcyjny do wytwarzania mieszanych heterostruktur van der Waalsa, które można przeprowadzić poprzez hybrydyzację grafenu z kropkami kwantowymi 0D lub nanocząstkami, nanostrukturami 1D, takimi jak nanodruty lub nanorurki węglowe lub materiały masowe 3D.

Słuchawki Artisanphonics CB-01 Nanene® mają membranę membranową w każdej słuchawce, która jest wykonana z grafenu, dzięki czemu jest znacznie cieńsza, ale ma taką samą wytrzymałość i trwałość jak zwykła membrana. Ponieważ jednak jest elastyczny, można go lepiej kontrolować, co pozwala na zwiększenie wysokich tonów i basów.

Grafen wydaje się być najskuteczniejszym materiałem do ekranowania zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). Eksperymenty sugerują wykonalność wytworzenia ultracienkiej, przezroczystej, nieważkiej i elastycznej osłony EMI za pomocą jednej lub kilku warstw atomowych grafenu.

Ze względu na szybko rosnącą gęstość mocy w elektronice, zarządzanie powstałym ciepłem stało się jednym z najbardziej krytycznych problemów w projektowaniu komputerów i półprzewodników. W rzeczywistości rozpraszanie ciepła stało się podstawowym problemem transportu elektronicznego w nanoskali.

W tym miejscu pojawia się grafen – przewodzi ciepło lepiej niż jakikolwiek inny znany materiał ("'Chłodny' grafen może być idealny do zarządzania termicznego w nanoelektronice"). Termiczne materiały interfejsowe (TIM) są niezbędnymi składnikami zarządzania termicznego, a naukowcy osiągnęli rekordowe zwiększenie przewodności cieplnej TIM poprzez dodanie zoptymalizowanej mieszaniny grafenu i grafenu wielowarstwowego ("Grafen ustanawia nowy rekord jako najbardziej wydajny wypełniacz dla materiałów interfejsu termicznego").

Jednym z najnowszych produktów konsumenckich w tej dziedzinie jest NanoCase dla iPhone'a X, iPhone'a 8/8 Plus i iPhone'a 7/7 Plus, który zawiera warstwę grafenową, która szybko rozprasza nadmiar ciepła wewnątrz telefonu.

Folia grafenowa o nazwie NanoGtech™ jest nakładana na wnętrze obudowy telefonu. Ponieważ materiał NanoGtech pozostaje w kontakcie z tyłem urządzenia, skutecznie rozprasza ciepło ze smartfona. Temperatura jest obniżona, a testy pokazują (według producenta), że urządzenie z NanoGtech może działać nawet o 20% dłużej niż urządzenie bez NanoGtech.

Koncepcja maskowania plazmonicznego opiera się na zastosowaniu cienkiej metamaterialnej osłony w celu stłumienia rozpraszania z pasywnego obiektu. Badania pokazują, że nawet pojedyncza warstwa atomów, o ekscytujących właściwościach przewodności grafenu, może osiągnąć tę funkcjonalność w geometrii płaskiej i cylindrycznej. To sprawia, że pojedyncza warstwa grafenu jest najcieńszą możliwą peleryną-niewidką.

W ciągu ostatniej dekady opracowano różne stałe materiały smarne, mikro / nanowzory i procesy obróbki powierzchni, aby zapewnić wydajną pracę i wydłużoną żywotność w aplikacjach MEMS / NEMS oraz dla różnych procesów produkcyjnych, takich jak litografia nanoodcisków i druk transferowy. Jednym z ważnych czynników przy stosowaniu stałego środka smarnego w mikro- i nanoskali jest grubość środka smarnego i kompatybilność procesu osadzania środka smarnego z produktem docelowym. Grafen, ze swoją atomowo cienką i mocną strukturą o niskiej energii powierzchniowej, jest dobrym kandydatem do tych zastosowań ("Grafen - najcieńszy stały smar").

Maseczki stały się ważnym narzędziem w walce z pandemią COVID-19. Jednak niewłaściwe używanie lub usuwanie masek może prowadzić do "wtórnej transmisji". Zespół badawczy z powodzeniem wyprodukował grafenowe maski na twarz o skuteczności antybakteryjnej 80%, które można zwiększyć do prawie 100% przy ekspozycji na światło słoneczne przez około 10 minut.

OK, czas wziąć udział w naszym quizie grafenowym i sprawdzić, czy możesz odpowiedzieć na wszystkie pytania!