Графен – материал будущего

Графен, который многие называют революционным материалом XXI столетия, — самый прочный, самый лёгкий и электропроводящий вариант углеродного соединения. Sarbaz.kz подготовил обзор по данному материалу будущего.

Широкий спектр уникальных свойств

В мире науки графен произвел целую революцию: в мире зарегистрировано более 50 тысяч патентов с этим материалом, более 50% из них принадлежит Китаю. Его используют почти во всех сферах для улучшения свойств материала.

Графен — это вещество из чистого углерода, которое сделано в форме листов, толщина которых составляет один атом. Прочность графена в 200 выше, чем у стали, а еще он гибкий, как резина. Кроме этого, он эффективно проводит электричество и тепло.

Графен — это не природное вещество. Физики теоретически описывали его свойства еще в 1960-х годах, но впервые его получили только в 2004 году. На момент создания графена, методы его производства были очень дорогими, но исследователям удается снизить затраты. Поэтому графен собираются широко использовать в большом количестве сфер: военной, медицине, электронике для производства вычислительной техники и другого.

Двойная связь между атомами углерода в сочетании с тонкой атомной толщиной объясняют особые свойства графена. Считается, что его способность эффективно проводить электричество и тепло появилась благодаря малым и прочным углеродным связям.

Графен прозрачный, прочный, легкий, гибкий, а еще сохраняет при этом проводимость.

А опасен ли графен для здоровья? Это зависит от способа его производства. Сегодня в биоэлектронике применяют графен высокого качества, который получили при помощи химического осаждения из газовой фазы. В таком случае материал не может быть токсичным, так как он не взаимодействует с клетками.

Также исследователи провели работу, в которой вырастили клетки на графене и на обычном стекле. Оказалось, что они гораздо активнее росли на графене, благодаря его биосовместимости.

Тверже алмаза

Мы привыкли думать, что пуленепробиваемый доспех — это нечто тяжелое и массивное, по крайней мере в сравнении с обычной одеждой. Часто это и в самом деле так: защита, может, и убережет вас от смерти в случае попадания, но здорово стесняет подвижность — а она в перестрелке может иметь важнейшее значение. Однако ученые из Университета Нью-Йорка обнаружили, что отличная броня может быть практически невесомой: все дело в графене, который продолжает удивлять физиков по всему миру своими удивительными свойствами.

Исследователи обнаружили, что два слоя графена, уложенные друг на друга, могут временно приобрести твердость алмаза и в буквальном смысле остановить летящую пулю. Согласно исследованию, опубликованному в Nature Nanotechnology, упрочнение нового материала, называемого диамином, происходит только тогда, когда ровно два листа графена наслаиваются друг на друга. Примечательно, что если увеличить количество слоев, то отвердения не происходит вовсе.

«Во время тестов графита или монослойного графена эти материалы не отличались особой прочностью и были довольно мягкими. К нашему удивлению, ровно два слоя графена под давлением внезапно становятся фантастически твердыми, не уступая объемному алмазу», - отмечают авторы проекта.

Графеновая броня вертолета

Тем временем китайские разработчики создали модернизированную версию ударного вертолета Z-10. Как сообщает Global Times, усовершенствованная машина получила дополнительную броню на основе графена. На вертолете новое бронирование используется в зоне кабины пилотов и топливного бака, обеспечивая дополнительную баллистическую защиту.

Ударные вертолеты Z-10 оснащены турбовальными двигателями WZ-9 китайской разработки. Каждый вертолет имеет по два двигателя мощностью 1350 лошадиных сил, причем из-за особенности конструкции машин запаса мощности установок практически нет. По этой причине установка дополнительного бронирования из традиционных материалов из-за их большой массы была невозможна.

Фото: pt.m.wikipedia.org

Подробности о конструкции новой брони не раскрываются. Отмечается, что ее разработка стала возможна после того, как Пекинский институт авиационных материалов разработал новый материал на основе графена, который можно использовать при производстве бронирования для военной техники или бронежилетов.

Длина двухместного ударного вертолета Z-10 составляет 14,2 метра, высота — 3,9 метра, а диаметр несущего винта — 12 метров. При максимальной взлетной массе семь тонн вертолет может нести полезную нагрузку общей массой около тонны. Машина может развивать скорость до 270 километров в час. Z-10 оснащен авиационной пушкой калибра 23 миллиметра и четырьмя точками подвески для ракет и бомб.

Бронежилет из графена

Как известно, современные бронежилеты выпускаются в различных классах, предназначенных для защиты от разных типов пуль. Бронежилеты, предназначенные для защиты от пистолетных пуль, как правило имеют небольшую массу и удобны, но не могут остановить винтовочные пули. Существуют крайне тяжелые бронежилеты, например, штурмовые, обеспечивающие защиту от пуль разных калибров: от пистолетных до винтовочных. Современные исследования в области индивидуальной защиты в целом направлены на уменьшение массы бронежилетов и повышении их непробиваемости.

Современные армейские бронежилеты выполняются из ткани на основе арамидных нитей с мягкой внутренней подложкой для гашения удара. Такие жилеты как правило имеют специальные карманы, в которые при необходимости можно вставить металлические или керамические пластины. Это делается для повышения степени защиты. Добавление таких пластин существенно увеличивает массу индивидуальной защиты. Конфигурация бронежилета выбирается военными в зависимости от типа боевой задачи, которую предстоит выполнять.

Фото: cont.ws

В Испании исследователи из Школы морской пехоты имени генерала Альбасете Фустера совместно с учеными из Политехнического университета Картахены испытали бронежилет, защитные элементы которого выполнены на основе графена. Ученым удалось изготовить несколько пластин для бронежилета из нового материала. Подробности об устройстве пластин засекречены. Во время испытаний бронежилет проверяли стрельбой различными типами патронов из пистолетов, снайперских винтовок и автоматического оружия. Результаты испытаний признаны удовлетворительными.

Тепловой камуфляж

Ученые из Турции, США и Великобритании создали гибкую и тонкую поверхность, способную менять интенсивность теплового излучения, не меняя при этом реальной температуры поверхности. Для переключения поверхности между разными состояниями используется небольшое напряжение, а само переключение происходит за несколько секунд.

Горячие объекты испускают тепловое излучение, в основном в инфракрасном диапазоне. Эта особенность используется для обнаружения таких объектов в темноте, например, в военной технике или для наблюдения за животными в дикой природе. Для маскировки от такого наблюдения используется либо теплоизолирующие или другие материалы со статичными свойствами, либо панели, которые могут менять интенсивность теплового излучения или собственную температуру. Пока активные системы обладают серьезными недостатками, в том числе низкой скоростью изменения свойств, узким спектральным диапазоном излучения, поддающегося регулировке, или необходимостью использования жестких материалов в конструкции.

Группа исследователей из Университета Билкент в Турции и Манчестерского университета в Великобритании разработала электроактивируемую поверхность для термомаскировки, лишенную этих недостатков. Она состоит из трех слоев — электрода из золота, нанесенного на теплоизолирующий нейлон, внешнего электрода из графена, а также полиэтиленовой мембраной с ионной жидкостью между ними.

Фото: wikipedia.org

Принцип действия поверхности основан на изменении излучающих свойств графенового слоя. При возникновении напряжения между золотым и графеновым электродом ионы из среднего слоя проникают в многослойную графеновую структуру. После этого плотность заряда в графене увеличивается, что сдвигает уровень Ферми к более высоким энергиям и подавляет инфракрасное излучение графена.

Для переключения устройства из «горячего» в «холодное» состояние и обратно необходимо напряжение в три вольта и всего несколько секунд. Устройство может менять воспринимаемую извне температуру в диапазоне от 25 до 38 градусов Цельсия, хотя реальная температура панели при этом не меняется. Разработчики создали несколько прототипов, которые могут выступать в роли тепловой маскировки, а также дисплей с разрешением пять на пять пикселей, который может отображать символы с помощью изменения воспринимаемой температуры:

Разработчики предлагают использовать созданную ими поверхность не только в качестве камуфляжа. Ее можно установить на радиаторную поверхность спутника и заставлять отражать излучение Солнца, а также наоборот испускать тепловое излучение во время пролета в тени Земли или другого небесного тела.

Использование в других сферах

Графен активно используют в электронике. Физики из MIT создали сверхпроводник на основе графена, который работает даже в сильных магнитных полях. Это открытие собираются применить для создания сверхмощных систем МРТ и квантовых компьютеров, идеально защищенных от помех.

Еще графен можно использовать вместо индия, редкого элемента, который применяют в сенсорных устройствах. Исследователи создали OLED-устройство из графена и убедились, что оно работает так же эффективно, как и аналоги, сделанные с оксидом индия-олова.

Исследователи из MIT сделали из белого графена сверхтонкий материал, чтобы оптимально хранить память. Разработчики отмечают, что устройство стабильно работает даже спустя время. Отмечается, что толщина материала составляет несколько нанометров.

Команда ученых из США создала аппаратное устройство безопасности из графена. Разработчики отмечают, что благодаря физическим и электрическим свойствам графена устройство стало более энергоэффективным и защищенным от атак ИИ.

Графен биосовместим, поэтому одно из потенциальных направлений его использования — медицина. Исследователи заявляют, что графен поможет проводить диагностику и лечить рак. Планируется создать чип с графеном, чтобы он придал устройствам повышенную чувствительность.

Пока что нельзя сказать точно, когда графеновую биоэлектронику станут применять массово. Исследователи уже проводят испытания нейродевайсов, биосенсоров и других проектов в лабораториях.

Еще одно перспективное направление для использования графена — получение зеленой энергии. Например, международная группа ученых ведет разработки гибридных двумерных структур с графеном и квантовыми точками. Они хотят создать структуру с контролируемыми оптическими и фотоэлектрическими свойствами. Ее планируют использовать для солнечных батарей. Инженеры хотят получить устройство, которое будет работать эффективнее аналогов.

Другие исследователи из MIT показали, что пену из оксида графена можно использовать, чтобы фильтровать уран в питьевой воде. В результате отфильтрованная воды прошла стандарты EPA. Фильтрация длилась несколько часов. Отмечается, что пену можно использовать повторно.

Ученые из США сделали одежду из оксида графена: она может защитить владельца от насекомых. По словам исследователей, комары не могут ужалить через полученный материал. Дело в том, что хоботок насекомых не может пройти даже через самый тонкий слой графена, а также материал не передает химические сигналы, по которым комары определяют жертву.

Пока что производство графена — это все еще дорогой процесс, а сложные электронные устройства с добавлением этого материала делают вручную. Также его производство пока не налажено, поэтому графен точечно применяют в разных сферах.

Большие перспективы

Говоря о военном применении графена, стоить отметить, что обладая уникальными свойствами, материал может в скором будущем стать ключевым и начать использоваться массово при производстве средств бронезащиты.

По своей структуре двухслойный графен, скорее всего, окажется прочнее кевлара и сможет гораздо эффективнее рассеивать энергию от попадания пули. Это позволит решить важную проблему – получение так называемой компрессионной или заброневой травмы. Новый материал, по мнению учёных, позволит оградить владельца такого снаряжения не только от гибели, но от тяжёлого вреда здоровью.

Вполне вероятно, что в скором будущем именно графен будет спасать жизни солдат на поле боя. А сколько скрытых возможностей применения этого материала в других сферах – узнаем в скором будущем.

Подготовил Тимур АУБАКИРОВ