Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Andet

Graphene:200 gange stærkere end stål,

1, 000 gange lettere end papir Et ark grafen ligner en honningkage i atomskala. enot-poloskun/Getty Images

I 2004, to forskere ved University of Manchester gennemførte et vildledende simpelt eksperiment med potentielt verdensomspændende konsekvenser. Forskerne, Andre Geim og Konstantin Novoselov, legede med grafit, tingene i spidsen af ​​din blyant. Grafit er lavet af supertynde plader af rent kul, stablet oven på hinanden. Geim og Novoselov ville se, om de kunne isolere et enkelt ark grafit, et umuligt tyndt lag kulstof, der kun måler et atom tykt.

Så, de tog en rulle tape. Ja, det samme gennemsigtige tape i plastapplikatoren, som du opbevarer i din uønskede skuffe. Sådan beskrev Geim sin teknik, som rapporteret af BBC.

"Du lægger [klæbende tape] på grafit eller glimmer og skræller det øverste lag. Der er flager af grafit, der kommer af på dit bånd. Derefter folder du båndet i to og klæber det til flagerne ovenpå og deler dem igen. Og du gentager denne procedure 10 eller 20. Hver gang, flagerne deler sig i tyndere og tyndere flager. I slutningen står du tilbage med meget tynde flager fastgjort til dit bånd. Du opløser båndet, og alt går i opløsning. "

Klæbebåndsmetoden fungerede! Ved at isolere et enkeltlags carbonlag, Geim og Novoselov blev krediteret med at opdage et helt nyt materiale kaldet grafen, der nu menes at være det stærkeste, det letteste og mest elektrisk ledende stof på Jorden.

I 2010, Geim og Novoselov delte Nobelprisen i fysik for at opdage grafen, og forskere rundt om i verden begyndte at råbe om måder at bruge dette bemærkelsesværdige "supermateriale" til at bygge mere kraftfulde og længerevarende batterier, hurtigere mikrochips, fleksible kredsløb, implanterbare biosensorer og mere. Et årti senere, grafen har endnu ikke leveret sine meget hypede løfter, men insidere er overbeviste om, at vi endelig vil se smartphones, elbiler og sensorer ved hjælp af grafenbaseret teknologi i de næste par år.

Hvorfor er grafen et supermateriale?

Måler kun et atom tykt, et ark grafen kontrollerer alle bokse i et supermateriale:

  • Grafen er 200 gange stærkere end stål i vægt.
  • Det er 1, 000 gange lettere end papir.
  • Det er 98 procent gennemsigtigt.
  • Den leder elektricitet bedre end noget andet kendt materiale ved stuetemperatur.
  • Det kan omdanne lys ved enhver bølgelængde til en strøm.
  • Og, sidst men ikke mindst, grafen er lavet af kulstof, det fjerde mest forekommende element i universet, så vi løber sandsynligvis ikke tør

Graphene får sine superkræfter fra sin struktur. Hvis du kunne zoome tæt nok ind, du ville se, at et ark grafen ligner en honningkage i atomskala. Individuelle kulstofatomer er arrangeret i et sekskantet mønster, der ligner kyllingetråd. Hvert carbonatom i et ark grafen er kovalent bundet til tre andre kulstofemner, hvilket giver materialet sin utrolige styrke.

Hvorfor leder grafen elektricitet så godt? Igen, på grund af den måde, hvorpå disse carbonatomer er bundet. Hvert kulstofatom har fire elektroner i sin ydre skal, men kun tre af disse elektroner deles med dets tre nærliggende carbonatomer. Den resterende elektron kaldes en pi-elektron og er fri til at bevæge sig i tredimensionelt rum, som gør det muligt at transmittere elektriske ladninger hen over arket af grafen med næsten ingen modstand. Faktisk, grafen er den hurtigste leder af elektricitet ved stuetemperatur af et kendt stof.

Hos Cabot Corporation, seniorforsker Matt Hesketh undersøger progressionen af ​​grafen i tre hætteglas. Hætteglasset til venstre er grafit, den midterste er grafitudvidet, og den til højre er grafen. John Tlumacki/The Boston Globe via Getty Images

'Den magiske vinkel'

En nylig opdagelse kan tilføje endnu en supermagt til grafens praliste. Et team ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) eksperimenterede med to-lags grafen-to lag enkeltatom-grafen stablet sammen-da de faldt over en ny, næsten magisk egenskab af grafen. Når lagene roteres lidt ude af linje med hinanden - en forskydning på nøjagtigt 1,1 grader - bliver grafen til en superleder. Superledere er den sjældneste klasse af materialer, der leder elektricitet uden absolut modstand og nul varme.

Opdagelsen af ​​grafens "magiske vinkel" sendte chokbølger gennem det videnskabelige samfund. Selvom forsøget blev udført ved ekstremt lave temperaturer (tæt på 0 grader Kelvin eller minus 459,67 F), det åbnede muligheden for, at ved at kombinere grafen med andre superledende elementer, vi er tættere end nogensinde på stuetemperatur superledning. En sådan præstation ville radikalt forbedre energieffektiviteten af ​​alt fra gadgets til biler til hele elektriske net.

Hvordan kan Graphene Transform Technology?

Superledning er stadig årtier væk, men revolutionerende grafenbaserede produkter kommer meget hurtigere på markedet, siger Andrea Ferrari, professor i nanoteknologi og direktør for Cambridge Graphene Center.

"I 2024, der vil være en række forskellige grafenprodukter på markedet, "siger Ferrari, "inklusive batterier, fotonik, nattesynskameraer og mere. "

Forbrugerne har ventet spændt på grafenbaserede batterier i årevis. Litium-ion-batterierne i alle vores gadgets er relativt langsomme at oplade, mister deres juice hurtigt og brænder ud efter et bestemt antal cyklusser. Det skyldes, at den elektrokemiske proces, der driver lithium-ion-batterier, genererer meget varme.

Men da grafen er verdens mest effektive elektriske leder, det producerer meget mindre varme ved opladning eller afladning af elektricitet. Grafenbaserede batterier lover fem gange hurtigere opladningshastigheder end lithium-ion, tre gange længere batterilevetid, og fem gange så mange cyklusser, før de skal udskiftes.

Elektronikvirksomheder som Samsung og Huwei udvikler aktivt grafenbaserede batterier til smartphones og andre gadgets, men de tidligste, der vil komme på markedet, er 2021. Hvad angår grafenbatterier i elbiler - hvilket dramatisk kan øge deres kørselsradius - er det stadig et par år tilbage. En hel industri er blevet bygget på lithium-ion-teknologi, og den ændrer sig ikke fra den ene dag til den anden.

"Batteriindustrien er meget konservativ, "siger Jesus de la Fuente, CEO for Graphanea, en virksomhed, der fremstiller og sælger ren grafen og grafenbaserede chips til akademiske forskere og FoU-afdelinger. "Det kan ændre batteriets sammensætning et par gange hvert femte til ti år, hvilket gør det meget svært at introducere nye produkter i denne branche. "

Der er et par grafenbaserede batterier på markedet, herunder nogle kablede og trådløse opladere fra et firma kaldet Real Graphene, men det er kun toppen af ​​isbjerget, siger Ferrari, som også er videnskabs- og teknologiofficer for Graphene Flagship, et samarbejde på 1 milliard euro fra Den Europæiske Union for at fremskynde udviklingen af ​​grafenteknologi. Forskningspartnere med Flagship laver allerede grafenbatterier, der overgår dagens bedste højenergiceller med 20 procent kapacitet og 15 procent energi. Andre teams har bygget grafenbaserede solceller, der er 20 procent mere effektive til at konvertere sollys til elektricitet.

Andre anvendelser til Graphene

Selvom grafenbatterier måske er de første på markedet, forskere har travlt med at udvikle utallige andre applikationer til dette mirakelmateriale.

Biosensorer er en stor ting. Forestil dig en utrolig tynd og fleksibel chip, der kan injiceres i blodbanen for at overvåge sundhedsdata i realtid som insulinniveau eller blodtryk. Eller en grafen -grænseflade, der sender signaler frem og tilbage til hjernen for at opdage et kommende epileptisk anfald eller endda forhindre det. Tynd, strækbare sensorer kan også bæres på huden eller væves ind i tøjet.

Fysikprofessor Dr. Yan Fung, har en ny opfindelse af billige halvgennemsigtige solceller med grafenelektroder på Poly University i Hung Hom, Kina, 2015. David Wong/South China Morning Post via Getty Images

Fotonik er et andet felt, der allerede indeholder grafen. Ved at integrere grafen i lysfølsomme chips, kameraer og andre sensorer kan forbedre følsomheden over for selv de svageste lysbølger på tværs af det synlige og usynlige spektrum. Det vil ikke kun forbedre billedkvaliteten af ​​kameraer og teleskoper, men også medicinske billeder.

Filtrering er endnu en lovende anvendelse af grafen. Enkle vandrensningsfiltre bygget med grafenpolymerer kan binde sig til organiske og uorganiske forurenende stoffer i drikkevand. Forskere ved Graphene Flagship har også skabt afsaltningsteknologier baseret på grafendioder, der kan fjerne over 60 procent salt fra havvand til landbrug og andre formål.

Alle disse udviklinger vil tage tid, men Ferrari på Cambridge Graphene Center er overbevist om, at grafen vil leve op til sin hype. Faktisk, han er lige så begejstret for de endnu uopdagede egenskaber ved de anslåede 2, 000 andre enkeltlagsmaterialer, der også isoleres, klæbebåndsmetode eller på anden måde.

"Vi siger grafen, men vi taler virkelig om et stort antal muligheder, der undersøges, "siger Ferrari." Tingene bevæger sig i den rigtige retning. "

Nu er det fedt

Sportsudstyrsproducenten Head var en af ​​de første til at hoppe på grafenbilen. Dens Graphene XT tennisracket hævder at være 20 procent lettere end ketsjere med samme svingvægt.