Giáo dục:, Khoa học
Graphene và việc sử dụng nó. Sự khám phá ra graphene. Công nghệ nano trong thế giới hiện đại
Gần đây, một lĩnh vực mới đã xuất hiện trong khoa học và công nghệ, được gọi là công nghệ nano. Triển vọng cho kỷ luật này không chỉ rộng lớn. Họ là vĩ đại. Một hạt gọi là "nano" là một giá trị bằng một phần tỷ của giá trị bất kỳ. Kích thước như vậy chỉ có thể được so sánh với kích thước của nguyên tử và phân tử. Ví dụ, một phần tỷ của mét được gọi là nanomet.
Sự chỉ đạo chính của lĩnh vực khoa học mới
Công nghệ nano đề cập đến những người vận dụng vật chất ở mức phân tử và nguyên tử. Về mặt này, lĩnh vực khoa học này còn được gọi là công nghệ phân tử. Động lực thúc đẩy sự phát triển của nó là gì? Công nghệ nano trong thế giới hiện đại xuất hiện nhờ bài thuyết trình của Richard Feynman. Trong đó, các nhà khoa học đã chứng minh rằng không có trở ngại để tạo ra những thứ trực tiếp từ các nguyên tử.
Công cụ để thao tác hiệu quả các hạt nhỏ nhất được gọi là một máy lắp ráp. Đây là một máy nano phân tử, mà bạn có thể xây dựng bất kỳ cấu trúc. Ví dụ, một nhà lắp ráp tự nhiên có thể được gọi là ribosome, tổng hợp protein trong các sinh vật sống.
Phạm vi áp dụng
Danh sách tất cả các lĩnh vực hoạt động của con người, nơi công nghệ nano được sử dụng ngày nay, là không thể vì một danh sách rất ấn tượng. Như vậy, với sự trợ giúp của lĩnh vực khoa học này, những điều sau được tạo ra:
- Thiết bị được thiết kế để ghi lại mọi thông tin;
- Các thiết bị video khác nhau;
- cảm biến, pin mặt trời, bóng bán dẫn bán dẫn;
- thông tin, máy tính và công nghệ thông tin;
- in ấn nano và nanolithography;
- thiết bị được thiết kế để chứa năng lượng, và các tế bào nhiên liệu;
- các đơn quốc phòng, không gian và hàng không;
- Xử lý sinh học.
Trong lĩnh vực khoa học như công nghệ nano, ở Nga, Hoa Kỳ, Nhật Bản và một số nước châu Âu, nhiều hơn và nhiều hơn nữa ngân sách được phân bổ hàng năm. Điều này là do triển vọng rộng lớn cho sự phát triển của lĩnh vực nghiên cứu này.
Công nghệ nano ở Nga đang phát triển theo chương trình liên bang mục tiêu, không chỉ cung cấp chi phí tài chính lớn, mà còn là một số lượng lớn các thiết kế và công trình nghiên cứu. Để thực hiện được các nhiệm vụ, nỗ lực của các tổ hợp khoa học và công nghệ khác nhau được kết hợp ở cấp độ của các tập đoàn trong nước và xuyên quốc gia.
Vật liệu mới
Công nghệ nano cho phép các nhà khoa học sản xuất ra một đĩa carbon cứng hơn một viên kim cương, mà độ dày chỉ là một nguyên tử. Nó bao gồm graphene. Đây là vật liệu mỏng nhất và bền nhất trong toàn bộ vũ trụ, cho phép điện tốt hơn các chip máy tính silicon.
Sự khám phá ra graphene được coi là một sự kiện mang tính cách mạng thật sự cho phép chúng ta thay đổi rất nhiều trong cuộc sống của chúng ta. Vật liệu này có các đặc tính vật lý độc nhất vô nhị mà về cơ bản nó làm thay đổi ý tưởng của con người về bản chất của sự vật và chất.
Lịch sử khám phá
Graphene là một tinh thể hai chiều. Cấu trúc của nó là một mạng lưới lục giác gồm các nguyên tử cacbon. Các nghiên cứu lý thuyết về graphene bắt đầu từ rất lâu trước khi sản xuất các mẫu thực của nó, vì vật liệu này là cơ sở cho việc chế tạo một tinh thể graphite ba chiều.
Sử dụng vật liệu mới
Theo các nhà khoa học, cảm biến dựa trên graphene sẽ có thể phân tích sức mạnh và điều kiện của máy bay, cũng như dự báo động đất. Nhưng chỉ khi vật liệu có đặc tính to lớn như vậy mới thoát ra khỏi các phòng thí nghiệm, thì rõ ràng hướng đó sẽ phát triển ứng dụng thực tế của chất này. Đến nay , các nhà nghiên cứu hóa học, vật lý và điện tử đã quan tâm đến những khả năng độc đáo của graphene. Nói cho cùng, chỉ cần một vài gram chất này có thể bao phủ một lãnh thổ tương đương với một sân bóng đá.
Graphene và việc sử dụng nó có thể được xem xét trong sản xuất các vệ tinh và máy bay nhẹ. Trong lĩnh vực này, vật liệu mới có thể thay thế các sợi carbon trong vật liệu composite. Các nanosubstance có thể được sử dụng thay vì silic trong transistors, và giới thiệu của nó vào nhựa sẽ cho nó dẫn điện.
Graphene và ứng dụng của nó cũng được xem xét trong sản xuất cảm biến. Những thiết bị này, dựa trên vật liệu mới nhất, sẽ có thể phát hiện các phân tử nguy hiểm nhất. Tuy nhiên, việc sử dụng bột từ nanosubstance trong sản xuất pin điện vào những thời điểm sẽ làm tăng hiệu quả của họ.
Graphene và ứng dụng của nó được xem xét trong optoelectronics. Từ các vật liệu mới sẽ rất nhẹ và bền nhựa, các thùng chứa từ đó sẽ cho phép một vài tuần để giữ cho sản phẩm tươi.
Việc sử dụng graphene cũng được giả định cho việc sản xuất lớp phủ dẫn điện trong suốt, cần thiết cho màn hình, pin mặt trời và mạnh hơn và chống lại các ảnh hưởng cơ học của cối xay gió.
Trên cơ sở vật liệu nanô, sẽ có được thiết bị thể thao tốt nhất, cấy ghép y tế và siêu tụ.
Ngoài ra graphene và ứng dụng của nó có liên quan đến:
- Thiết bị điện tử công suất cao tần số cao;
- màng nhân tạo tách hai chất lỏng trong hồ chứa;
- cải thiện độ dẫn của vật liệu khác nhau;
- Tạo ra một màn hình hiển thị trên các điốt phát quang hữu cơ;
- Sử dụng các kỹ thuật mới để lập trình DNA nhanh;
- cải tiến màn hình tinh thể lỏng;
- sự tạo ra bóng bán dẫn đạn đạo.
Sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô
Theo các nhà nghiên cứu, cường độ năng lượng cụ thể của graphene đạt 65 kWh / kg. Con số này cao gấp 47 lần so với pin lithium-ion ngày nay. Thực tế này các nhà khoa học đã sử dụng để tạo ra một thế hệ mới của bộ sạc.
Pin graphene-polymer là một thiết bị bằng cách sử dụng năng lượng điện được giữ hiệu quả nhất có thể. Hiện nay, các nghiên cứu được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu đến từ nhiều quốc gia. Các nhà khoa học Tây Ban Nha đã đạt được thành công đáng kể trong vấn đề này. Pin graphene-polymer, được tạo ra bởi chúng, có dung lượng năng lượng cao gấp hàng trăm lần so với con số tương tự đối với pin hiện tại. Họ sử dụng nó để trang bị cho xe điện. Máy tính trong đó tích điện graphene được lắp đặt có thể di chuyển hàng ngàn km mà không dừng lại. Để nạp lại một chiếc xe điện khi nguồn năng lượng bị cạn kiệt, sẽ mất không quá 8 phút.
Màn hình cảm ứng
Các nhà khoa học tiếp tục khám phá graphene, trong khi tạo ra những thứ mới và vô song. Vì vậy, vật liệu nanô cacbon đã tìm thấy ứng dụng của nó trong sản xuất, sản xuất màn hình cảm giác với đường chéo lớn. Trong tương lai, một thiết bị linh hoạt thuộc loại này có thể xuất hiện.
Bắt graphene
Từ năm 2004, khi vật liệu nanô mới nhất được phát hiện, các nhà khoa học đã nắm được một số phương pháp để thu được nó. Tuy nhiên, cơ bản nhất của các phương pháp này là:
- tẩy da chết cơ học;
- tăng trưởng epitaxy trong chân không;
- làm lạnh hóa học pha-pha (quá trình CVD).
Phương pháp đầu tiên trong ba phương pháp này là đơn giản nhất. Việc sản xuất graphene trong trường hợp tẩy da chết cơ học là việc áp dụng một graphite đặc biệt lên bề mặt keo của một băng cách điện. Sau đó, đế, giống như một tờ giấy, bắt đầu uốn cong và uốn cong, tách các vật liệu mong muốn. Khi sử dụng phương pháp này, graphene có chất lượng cao nhất. Tuy nhiên, những hành động như vậy không thích hợp cho sản xuất hàng loạt vật liệu nanô này.
Khi sử dụng phương pháp tăng trưởng epitaxy, các tấm silicon mỏng được sử dụng, lớp bề mặt là silicon carbide. Hơn nữa, vật liệu này được nung ở nhiệt độ rất cao (lên tới 1000 K). Theo phản ứng hóa học, các nguyên tử silicon được tách ra khỏi các nguyên tử cacbon, phần đầu tiên bay hơi. Kết quả là graphene tinh khiết vẫn còn trên đĩa. Một bất lợi của phương pháp này là sự cần thiết phải sử dụng nhiệt độ rất cao mà ở đó quá trình đốt cháy các nguyên tử cacbon có thể xảy ra.
Phương pháp đáng tin cậy và đơn giản nhất được sử dụng để sản xuất đại trà là quá trình CVD. Đó là một phương pháp mà trong đó một phản ứng hóa học xảy ra giữa một chất xúc tác lớp phủ kim loại và các khí hydrocarbon.
Graphene được sản xuất ở đâu?
Đến nay, công ty lớn nhất sản xuất vật liệu nano mới là ở Trung Quốc. Tên của nhà sản xuất này là Ningbo Morsh Technology. Việc sản xuất graphene đã được bắt đầu bởi ông vào năm 2012.
Người tiêu dùng chính của vật liệu nanô là công ty Trùng Khánh Morsh Công nghệ. Graphene được sử dụng để tạo ra các màng trong suốt dẫn điện được đưa vào màn hình cảm ứng.
Bắt trong nhà
Tôi có thể làm graphene ở nhà không? Hóa ra, vâng! Bạn chỉ cần uống một máy xay nhà bếp với công suất ít nhất 400 W, và theo các kỹ thuật được phát triển bởi các nhà vật lý người Ireland.
Làm thế nào để tạo graphene ở nhà? Để làm được điều này, 500 ml nước được đổ vào bình trộn, thêm 10-25 ml chất tẩy rửa và 20-50 gram phiến nghiền. Sau đó, thiết bị sẽ hoạt động từ 10 phút đến nửa giờ, cho đến khi sự xuất hiện của một hệ thống treo graphene. Các vật liệu kết quả sẽ có độ dẫn cao, nó sẽ cho phép nó được sử dụng trong điện cực photocell. Cũng được sản xuất trong điều kiện hàng ngày graphene có thể cải thiện tính chất của nhựa.
Oxides của vật liệu nanô
Các nhà khoa học đang tích cực khám phá và cấu trúc graphene như vậy, bên trong hoặc bên mép của lưới cacbon đã gắn các nhóm chức năng có chứa oxy hoặc các phân tử (và). Nó là oxit có nồng độ nanô khó nhất, là vật liệu hai chiều đầu tiên đạt tới giai đoạn sản xuất thương mại. Từ các hạt nano và vi hạt của cấu trúc này, các nhà khoa học đã thực hiện mẫu centimet.
Do đó, các nhà khoa học Trung Quốc gần đây đã nhận được graphene oxide kết hợp với carbon diofilizirovannym. Đây là một loại vật liệu rất nhẹ, một cái cúp centimét được giữ trên cánh hoa nhỏ. Nhưng chất mới, trong đó graphene oxit được định vị, là một trong những chất rắn nhất trên thế giới.
Ứng dụng y sinh học
Graphene oxide có một tính chất duy nhất của tính chọn lọc. Điều này sẽ cho phép chất này tìm ra một ứng dụng y sinh học. Vì vậy, nhờ công trình của các nhà khoa học, có thể sử dụng graphene oxide để chẩn đoán ung thư. Để phát hiện một khối u ác tính ở giai đoạn đầu của sự phát triển của nó cho phép các đặc tính quang học và điện riêng biệt của vật liệu nanô.
Graphene oxide cũng cho phép phân phối các sản phẩm dược và chẩn đoán. Dựa trên vật liệu này, các cảm biến sinh học sorption được tạo ra sẽ chỉ ra các phân tử DNA.
Ứng dụng công nghiệp
Các chất hấp thụ khác nhau dựa trên graphene oxit có thể được sử dụng để khử hoạt tính các đối tượng tự nhiên và công nghệ bị nhiễm bệnh. Hơn nữa, vật liệu nanô này có thể xử lý nước ngầm và nước bề mặt, cũng như đất, bằng cách thanh lọc chúng bằng radionuclides.
Các bộ lọc graphene oxide có thể cung cấp các phòng siêu sạch trong đó các linh kiện điện tử đặc biệt được sản xuất. Các tính chất độc đáo của vật liệu này sẽ cho phép chúng ta thâm nhập vào các công nghệ tinh tế của lĩnh vực hoá học. Đặc biệt, nó có thể là sự khai thác các kim loại phóng xạ, phân tán và hiếm. Vì vậy, việc sử dụng graphene oxide sẽ cho phép trích xuất vàng từ quặng nghèo.
Similar articles
Trending Now