Свойства графена – прочность, электропроводность, теплопроводность, методы получения, практическое применение и стоимость

Графен

Графе́н (graphene) — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, находящихся в sp2-гибридизации и соединённых в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Графен можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла.

Свойства графена

Графен обладает уникальным сочетанием свойств:

Исключительная прочность и упругость

Высочайшая подвижность носителей заряда

Высокая электропроводность

Высокая плотность тока

Рекордная теплопроводность

Высочайшая удельная площадь поверхности

Самый тонкий из известных материалов

Химическая стабильность

Непроницаемость для газов

Почти полная прозрачность

Графен обладает высокой электропроводностью и теплопроводностью. Для него характерны высокая прочность (в 200 раз прочнее стали) и гибкость, химическая и термическая стабильность, а также самая большая площадь поверхности на единицу массы.

Расстояние между соседними атомами в гексагональной решетке графена составляет 0,14 нм. Если слоев углерода больше одного, то расстояние между ними составит 0,34 нм.

Теоретически рассчитанная удельная площадь поверхности для свободно подвешенного слоя графена составляет 2 680 м2/г. При таком расчете учтены обе стороны поверхности графена. Для примера: площадь футбольного поля – 7 140 м2. Это означает, что 5 граммов графена, выложенные в один слой, накроют (одной стороной) почти все футбольное поле.

Подвижность электронов при комнатной температуре составляет 2,5∙105∙см2∙В-1∙с-1.

Модуль Юнга – 1 ТПа.

Внутреннее сопротивление деформации – 130 ГПа.

Графен обладает высокой механической жёсткостью и рекордно большой теплопроводностью (~1 ТПа и ~5∙103Вт∙м−1∙К−1 соответственно). Высокая подвижность носителей заряда (максимальная подвижность электронов среди всех известных материалов) делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах.

Методы получения

За «передовые опыты с двумерным материалом - графеном» А. К. Гейму и К. С. Новосёлову была присуждена Нобелевская премия по физике за 2010 год. Гейм и Новоселов – британские физики российского происхождения, сотрудники Университета Манчестера, выпускники МФТИ. Первая статья А.К. Гейма и К.С. Новоселова по графену дважды отвергалась, но после доработки была опубликована журналом Science в 2004 году. Масштаб интереса ученых к графену описывается огромным количеством публикаций в мировых научных журналах: менее чем за 14 лет с момента его открытия вышло около 130 000 работ. Зарегистрировано более 50 000 заявок и патентов с упоминанием графена.

Первые образцы графена были получены путем механического отщепления или отшелушивания слоёв графита от высокоориентированного пиролитического графита. Этот метод позволяет получать наиболее качественные образцы с высокой подвижностью носителей. Этот метод не предполагает использования масштабного производства, поскольку это ручная процедура. Другой известный способ — метод термического разложения подложки карбида кремния — ближе к промышленному производству. С 2010 года доступны листы графена метрового размера, выращенные методом химического осаждения из газовой фазы.

Во многих практических применениях понадобятся не только пленки из одного слоя углерода на подложке, но и порошковый графен в промышленных количествах.

В лабораторных условиях порошки графена получают из графита химическим двустадийным способом. На первой стадии графит расслаивают на отдельные листы путем окисления в агрессивных кислых средах. Затем окисленный графен восстановливают, тоже химическими методами. Такой подход требует применения сильных окислителей и нередко сопровождается взрывами. Кроме того, полученный таким способом графен (rGO, reduced graphene oxide, восстановленный оксид графена) содержит существенную долю кислорода и других примесей, поэтому характеристики материала, включая электропроводность, теплопроводность, подвижность носителей заряда и другие, далеки от теоретически возможных.

Мы получаем малослойный графен (тонкорасщепленный графит) из порошкового графита особой чистоты механическими методами. Химические реагенты не применяются. Окисление образца не происходит. Сохраняется высокая электропроводность. Метод легко масштабируется для получения партий промышленного объема.

Финансирование исследований и разработок по графену

В Евросоюзе координация исследований в области графена, взаимодействие научных организаций и индустриальных партнеров идут в рамках десятилетнего пилотного проекта Graphene Flagship стоимостью 1 млрд евро. В США в 2017 г. была создана Национальная графеновая ассоциация, объединившая предпринимателей, исследователей, разработчиков и производителей, инвесторов, венчурных капиталистов и государственные учреждения для стимулирования инноваций, продвижения и коммерциализации продуктов и технологий на основе графена. В консультативный совет ассоциации входят представители Apple, IBM, Cisco и других компаний.

Развитие индустрии новых материалов в Китае поддерживается на государственном уровне. Ожидается, что двумерные материалы в целом и графен в частности будут играть решающую роль в модернизации традиционных и создании новых отраслей промышленности Китая. Для координации исследований и разработок и внедрения их в промышленность в 2013 году был создан Инновационный альянс графеновой промышленности Китая. В Сингапуре вложения в эту область превышают $300 млн.

Рынок графена – это технологии на его основе, прикладные разработки и патенты. Графен рассматривается в качестве материала, который изменит авиастроение, технологии освоения космоса, вооружение и военную технику, а также энергетическую отрасль. Все это — лишь вопрос времени. В мире произошла графеновая революция, как когда-то с изобретением транзистора состоялась революция в электронике.

Малослойный графен – порошки

Композиты графен - электропроводящий полимер

Применения графена