Графен – один из самых перспективных материалов, открытых в последние десятилетия.
Впервые о графене заговорили в 2004 году, когда Андрей Гейм и Константин Новоселов – британские ученые российского происхождения — опубликовали статью в журнале Science. В ней говорилось о новом материале, который был получен с помощью обычного карандаша и скотча.
При помощи клейкой ленты с карандашного грифеля был снят слой графита, затем с этого слоя при помощи следующего куска скотча был снят еще более тонкий слой. Манипуляция проводилась до тех пор, пока не был выделен слой толщиной в один атом. Это и был совершенно новый материал – графен.
Открытие стало прорывом. В 2010-м году «за новаторские эксперименты по исследованию двумерного материала графена» их наградили Нобелевской премией по физике.
Углерод – это материал, состоящий из кристаллической решетки, которую образуют шестиугольники атомов. Графен – один слой решетки толщиной в один атом. Отсюда его первое уникальное свойство – самый тонкий:
- в 60 раз тоньше мельчайшего из вирусов;
- в 3 тыс. раз тоньше бактерии;
- в 300 тыс. раз тоньше листа бумаги.
Чтобы представить себе эти размеры, можно мысленно уложить 3 миллиона слоев графена, и их суммарная толщина составит 1 миллиметр.
Графен обладает хорошей теплопроводностью, гибкостью и упругостью, он на 97% прозрачный. При этом графен – самый прочный из известных материалов, прочнее стали и алмаза. Квадратный метр графена весом всего 0,0077 грамма способен выдержать четыре килограмма нагрузки.
Уникальность графена в том, что он обладает такой же структурой, как и полупроводники, при этом сам проводит электричество как проводники. А еще у него высокая подвижность носителей заряда внутри материала. Поэтому графен в фото- и видеотехнике обнаруживает сигналы намного быстрее, чем другие материалы.
Графен занимает первую строчку в списке самых дорогостоящих материалов в мире.
Уникальные свойства графена открывают широкий спектр возможных применений
- Электроника. Используется для создания более эффективных и быстрых электронных устройств, таких как транзисторы, интегральные схемы и датчики.
- Материалы. Благодаря своей прочности и легкости графен применяется в создании новых материалов для авиации, строительства и производства композитных материалов.
- Энергетика. Используется в создании эффективных источников энергии, таких как суперконденсаторы и литий-ионные батареи, что имеет важное значение для энергосбережения и развития возобновляемых источников энергии.
- Медицина. Может использоваться в биомедицинских приложениях, таких как создание биосенсоров и носимых медицинских устройств.
- Катализ. Применяется в катализаторах для улучшения химических процессов, таких как водородное производство.
- Экраны. Может быть использован в создании гибких и прозрачных электронных экранов.
- Теплопроводность. Обладает выдающейся теплопроводностью, что делает его перспективным материалом для применения в тепловых интерфейсах и системах охлаждения.
- Производство композитов. Используется в создании усиливающих композитных материалов, повышающих прочность и легкость различных изделий, включая автомобильные детали и спортивные товары.
- Фильтрация. Может служить эффективным материалом для фильтрации, например, воды или воздуха, благодаря своей пористой структуре и высокой поверхностной активности.
- Космические приложения. Благодаря своей легкости и прочности рассматривается как потенциальный материал для космических аппликаций, таких как создание легких и прочных космических аппаратов.
- Сенсорика. Используется в создании высокочувствительных сенсоров, применяемых в различных областях, включая медицину, экологию и промышленность. В медицине графен может быть использован для создания передовых биосенсоров и устройств доставки лекарств.
Его уникальные свойства в области электроники, механики, теплопроводности и многих других областей делают его объектом интенсивных исследований и широкого промышленного интереса. Использование графена в создании новых материалов, таких как композиты и полимеры, может привести к появлению легких, прочных и функциональных материалов в различных отраслях, например, в авиации, автомобилестроении и строительстве.
Это интересно!
- Британская компания CuteCircuit представила первое платье с элементами графена. Об этом пишет The Guardian. Платье Graphene Dress со встроенными светодиодами благодаря графену меняет цвет «в такт» дыханию его обладательницы. «Материал будущего» выполняет в платье одновременно две задачи: он является датчиком, улавливающим частоту дыхания, а также питает светодиоды, которые и меняют цвет платья. Разработчики умной одежды считают, что графен можно использовать для получения тканей, которые будут радикально менять свой цвет.
- Наушники MediaDevil CB-01, совместимые с любым разъемом 3,5 мм, изготовлены с графеновым покрытием под названием Nanene® Graphene-Enhanced Audio. Nanene позволяет производить диафрагму для наушников, которая тоньше и гибче, чем диафрагма из традиционных материалов, улучшая как высокие, так и низкие частоты звуковой волны.
- Специалисты Северо-Западного университета (США) превратили чёрный «от природы» графен в суперстойкую краску для волос. В ходе эксперимента американские учёные покрыли образцы человеческого волоса раствором из листов графена. Так физикам удалось превратить светлые, платиновые волосы в угольно-чёрные. Новый цвет оставался стойким на протяжении 30 смывов. Краска на основе графена обладает дополнительными преимуществами, утверждают американские исследователи. Каждый покрытый ею волос подобен маленькому проводу, способному проводить тепло и электричество. Это означает, что волосы, окрашенные графеновой краской, легко рассеивают статическое электричество и решают проблему электризующихся волос
- Графеновый мотоциклетный шлем. Исследователи из IIT и итальянской дизайнерской компании Momodesign покрыли графеном внешнюю оболочку шлема. Это покрытие обеспечивает лучшее распределение силы удара, а отличные теплопроводные свойства графена быстро рассеивают тепло по шлему, защищая внутренние материалы от термического разрушения. Результатом является шлем с улучшенным тепловым комфортом и безопасностью.
- Компания Cambridge Graphene использует масштабируемый процесс производства графеновых чернил, разработанный в Кембриджском графеновом центре Кембриджского университета. Этот процесс позволяет производить ряд рецептур чернил, отвечающих требованиям различных методов печати и материалов. В настоящее время все чернила Cambridge Graphene являются водными, экологически чистыми и нетоксичными.
- GXT — графеновая смазка. GXT-Lubricant использует графен для производства масел и сухого на ощупь покрытия, которые уменьшают трение, нагрев и износ между механическими компонентами. Графен может заменить некоторые токсичные и опасные компоненты, содержащиеся в традиционных маслах.
- Компания Cambridge Graphene использует масштабируемый процесс производства графеновых чернил, разработанный в Кембриджском графеновом центре Кембриджского университета. Этот процесс позволяет производить ряд рецептур чернил, отвечающих требованиям различных методов печати и материалов. В настоящее время все чернила Cambridge Graphene являются водными, экологически чистыми и нетоксичными.
- Первый в мире внешний аккумулятор компании Elecjet, который был создан с использованием графена, – Apollo. Наиболее обнадеживающим применением графена является его интеграция с литий-ионными батареями, гибридами. В развитие этого направления инвестируют Samsung, Microsoft, Tesla, Huawei, Cabot Corporation, Grabat Graphenano Energy, Nanotech Energy, Nanotek Instruments, XG Sciences, которые проявили большой энтузиазм в разработке подобных аккумуляторов, сделав большой вклад в развитие технологий графеновых батарей.
- В 2018 году группа исследователей британского Исследовательского центра графена при Университете Эксетера сделала бетон, намного более прочный по сравнению с традиционным, добавив в него графен. Полученный таким образом композитный материал оказался на 146% прочнее на сжатие, а его теплоемкость была выше на 88%.
- С 2006 года появилось сразу несколько новых способов получения материала. Помимо классического метода, придуманного российскими учеными, с помощью которого получается «отщепленный графен», теперь его получают и химическими методами.
- Оригинальный и экономичный способ получения графена изобрели исследователи НПЦ НАН Беларуси по материаловедению. Белорусские ученые создали рабочий прототип натриево-графеновой батареи. В отличие от известного метода окисления, ученые разработали технологию получения графена в восстановительной среде при низких температурах. Разработанный наноматериал обладает электрической проводимостью в сотни раз большей по сравнению с тем, который получают с использованием окислителей. Это открывает новые возможности для его применения в промышленности, а также ускоряет и удешевляет производство графеноподобного материала.
В настоящее время проводятся активные исследования в области технологий производства графена, однако масштабное коммерческое использование ещё впереди. Возможности применения графена в промышленности описываются в научных исследованиях, но внедрение его на уровне массового рынка, по мнению специалистов, может занять несколько лет. Это зависит от разработки более эффективных методов производства, стандартизации процессов и решения проблем стоимости и масштабирования производства.
Графену приписывают множество самых разнообразных практических применений. Благодаря своим многочисленным преимуществам он обладает огромным экономическим потенциалом. Его будущее использование возможно, например, в следующих областях:
- для прозрачных и гибких материалов для смартфонов, потому что его можно растянуть до 20%, не повреждая материал;
- для прозрачных ноутбуков, т.к. прозрачность составляет 97,3%;
- для особо легких, но в то же время прочных и эффективных транспортных средств и летательных аппаратов, т.к. графен легче хлопка, но прочнее стали;
- для использования в солнечных батареях, поскольку является одним из лучших проводников тепла;
- для небольших компьютерных чипов, требующих быстрой электроники, потому что электроны движутся примерно в 200 раз быстрее, чем в кремнии.
Онлайн-выставка представляет некоторые документы патентного фонда РНТБ по теме «Графен»
Подробнее
BY 24013 Cпособ получения графена
Изобретение может быть использовано для получения порошка графена методом интеркаляции. Интеркаляция графита с его последующим диспергированием в настоящее время представляется наиболее перспективным направлением получения углеродных наноструктур, в частности, графена. Ее суть заключается в ослаблении межслойных связей в структуре графита за счет внедрения в его решетку атомов большого размера с последующим разделением слоев графита на графеновые наночастицы по плоскостям спайности за счет воздействия внешней силы.
Подробнее
BY 24005 Графен для применений в качестве удобрения
Изобретение относится к медленнодействующим удобрениям (МДУ), в которых оксид графена (ОГ) или графен используют в качестве носителя для необходимых питательных веществ для растений, что обеспечивает более эффективное и продолжительное высвобождение питательных веществ с течением времени.
Подробнее
RU 2780953 Мультиграфеновый газовый сенсор на основе производных графена и способ его изготовления
Группа изобретений относится к области сенсорной техники и нанотехнологий, в частности к изготовлению газовых сенсоров и газоаналитических мультисенсорных линеек хеморезистивного типа. Изобретение обеспечивает повышение газочувствительности и эффективности селективного распознавания газов.
Подробнее
RU 2805282 Способ создания устойчивых к окислению сверхтонких графеновых структур со спин-поляризованными носителями заряда
Изобретение относится к способам формирования гетероструктур, а именно графеновых структур, демонстрирующих спиновую поляризацию носителей заряда, которые могут быть использованы при создании сверхкомпактных спинтронных устройств.
Подробнее
RU 2776335 Газовый детектор на основе аминированного графена и наночастиц оксидов металлов и способ его изготовления.
Группа изобретений относится к области сенсорной техники и нанотехнологий, в частности, к изготовлению газовых сенсоров и газоаналитических мультисенсорных линеек хеморезистивного типа. Изобретение обеспечивает повышение газочувствительности и эффективности распознавания газов.
Подробнее
RU 2790846 Способ получения наноструктурированных композитов на основе бескислородного графена и оксидов алюминия или церия
Изобретение относится к химической, космической, военной и медицинской отраслям промышленности и может быть использовано при изготовлении электродов литий-ионных аккумуляторов, электропроводящих и антикоррозионных (нано) покрытий, устройств для хранения данных, гибких преобразователей энергии, суперконденсаторов, транзисторов, (фото) катализаторов, солнечных элементов, сенсорных материалов, топливных элементов и электрохромных устройств, а также материалов медико-биологического назначения.
Подробнее
RU 2772338 Алмазоподобные пленки на основе модифицированного графена
Изобретение может быть использовано для получения широкозонных плёнок нанометровой толщины для оптических устройств, диэлектрических подложек, прослоек в суперконденсаторах и слоистых гетероструктурах. В алмазоподобных плёнках на основе модифицированного графена графеновые слои повернуты относительно друг друга и связаны межслойными ковалентными связями, образующимися при гидрировании или фторировании графена.
Подробнее
RU 2780953 Мультиграфеновый газовый сенсор на основе производных графена и способ его изготовления
Группа изобретений относится к области сенсорной техники и нанотехнологий, в частности к изготовлению газовых сенсоров и газоаналитических мультисенсорных линеек хеморезистивного типа. Изобретение обеспечивает повышение газочувствительности и эффективности селективного распознавания газов.
Подробнее
RU 2804778 Проводящий композитный материал на основе сопряженных полимеров с графеном
Изобретение относится к композитным материалам на основе сопряженных полимеров с графеновыми наноразмерными слоями и способам их получения и может быть использовано для создания электрических устройств, органических фотоэлементов, светочувствительных устройств, плоских телеэкранов, дорожных знаков, плоских дисплеев компьютерных мониторов.
Подробнее
RU 2783099 Способ масштабирования синтеза оксида графена
Изобретение относится к области масштабируемого синтеза углеродных структур, в частности, к способу синтеза оксида графена, получившего широкое применение в электронике, медицине, фармакологии и строительстве.
Подробнее
RU 2788977 Способ получения наноструктурированного композита на основе бескислородного графена и ZrO2
Изобретение относится к области нанотехнологий и создания новых наноструктурированных исходных для мелкозернистых керамических материалов широкого спектра назначения. Оно может быть использовано в химической промышленности для производства материалов для суперконденсаторов, (био) сенсоров, топливных элементов, электродов Li-ионных батарей, биотопливных ячеек и светоизлучающих диодов, электро- и фотохромных устройств, (фото) катализаторов, биомедицинской инженерии.
Подробнее
RU 2806752 Cпособ получения бромированного графена на основе модификации оксида графена
Изобретение относится к области углеродных наноматериалов, а именно к технологии получения химически модифицированных производных графена для устройств микроэлектроники и сенсорики.
Подробнее
RU 2794890 Способ формирования электропроводящих слоев и структур различной конфигурации из чешуек восстановленного оксида графена (мультиграфена)
Изобретение относится к области электроники, нанотехнологии и 2D-печати, а именно к тонким электропроводящим структурам различной конфигурации из восстановленного оксида графена, способам их получения и прецизионного нанесения к твердым и гибким подложкам и может найти применение в изготовлении широкого спектра электронных компонент и приборов, например, датчиков влажности и температуры.
Подробнее
KR 20230159011 Способ изготовления корпуса для свинцово-кислотной батареи c использованием графена
Изобретение относится к способу улучшения показателя теплового расширения полипропиленовой (P.P) смолы, которая является материалом корпуса для свинцово-кислотных батарей. Материал вводится путем добавления неорганических наполнителей, включая графен, в полипропилен (ПП), тем самым улучшая прочность на разрыв, ударную вязкость и температуру стеклования полимера по сравнению с обычными свинцово-кислотными аккумуляторами.
Подробнее
US 2023391622 Методы изготовления графеновых нановолокон
Представлены способы изготовления графеновой наноленты (ГНЛ). Способы включают выполнение n раз этапа итеративного синтеза с использованием защитной группы (PAIS); выполнение m раз этапа итерационного биномиального синтеза (IBS) или оба; кросс-сочетание конечного промежуточного полиарена со снятой защитной группой с концевым блокатором с образованием предшественника GNR; воздействие на предшественник GNR условий, вызывающих циклодегидрирование с образованием GNR.
Подробнее
RU 2806752 Cпособ получения бромированного графена на основе модификации оксида графена
Изобретение относится к области углеродных наноматериалов, а именно к технологии получения химически модифицированных производных графена для устройств микроэлектроники и сенсорики.
Подробнее
TW I816378 Графеновые композиционные материалы и методы их изготовления
Изобретение предоставляет способ изготовления графенового композиционного материала, включающий: предоставление столбчатой подложки и графеновых листов; вращательное трение столбчатой подложки для формирования пластифицированной подложки; приложение сдвигающего усилия для перемешивания пластифицированной подложки и графеновых листов для формирования суспензии графена и подложки; охлаждение суспензии графена и подложки для формирования графенового композиционного материала.
Подробнее
US 2023387019 Интегрированный чип с межсоединениями на основе графена
Интегрированный чип включает в себя подложку. Первый проводящий элемент расположен поверх подложки, второй проводящий элемент расположен поверх подложки и примыкает к первому проводящему элементу. Первый и второй проводящие элементы разделены полостью. Диэлектрическая прокладка проходит от первого проводящего элемента ко второму проводящему элементу вдоль дна полости и далее проходит вдоль противоположных боковых стенок первого и второго проводящих элементов. Первый проводящий элемент и второй проводящий элемент содержат графен, интеркалированный одним или несколькими металлами.
Подробнее
WO 2023225189 Графеновая батарея
Описана система управления питанием, использующая графеновый аккумуляторный блок. Графеновый аккумулятор может включать в себя положительный вывод и отрицательный вывод, а также один или более суперконденсаторов, каждый из которых подключен к выводам. В различных вариантах осуществления система управления питанием может включать в себя компьютерную систему, используемую для сопряжения с электрической сетью, связанной с помещением, и с графеновой батареей.
Подробнее
RU 2806752 Cпособ получения бромированного графена на основе модификации оксида графена
Изобретение относится к области углеродных наноматериалов, а именно к технологии получения химически модифицированных производных графена для устройств микроэлектроники и сенсорики.
Познакомиться с этими и другими документами, провести патентный поиск вы можете в отделе патентных документов РНТБ
Мы работаем в будние дни с 9:00 до 20:00, в субботу – с 10:00 до 18:00
(5-й этаж, комн. 503, тел. для справок +375 17 226 65 05)
При подготовке информации использованы материалы
- баз данных
Orbit
«Патенты России»
«ЕАПАТИС»
- электронных ресурсов
Что такое графен и как он изменит нашу жизнь? [Электронный ресурс] / РБК. Тренды. – URL: https://trends.rbc.ru/trends/industry/5edfa78d9a79473224e8cfed (дата обращения: 16.12.2023).
От умной одежды до зелёной энергетики: как использование графена изменит нашу жизнь [Электронный ресурс] / Анастасия Ксенофонтова. – URL: https://russian.rt.com/science/article/493938-grafen-ispolzovaniye-novyie-vozmozhnosti (дата обращения: 16.12.2023).
Две случайности и идеи на миллион. Как придумали белорусский способ получать графен? [Электронный ресурс] / БЕЛТА. – URL: https://www.belta.by/tech/view/dve-sluchajnosti-i-idei-na-million-kak-pridumali-belorusskij-sposob-poluchat-grafen-563783-2023/ (дата обращения: 16.12.2023).
Кембриджский графеновый центр [Электронный ресурс] / Кембриджский университет – URL: https://www.graphene.cam.ac.uk/ (дата обращения: 16.12.2023).
