Метод создания графеновой ткани адаптировали для массового производства
Волокна хлопковой ткани, покрытые частицами из восстановленного оксида графена
Nazmul Karim et al. / ACS Nano, 2017
Ученые разработали метод создания электропроводных тканей с восстановленным оксидом графена, пригодный для массового производства. Предполагается, что технология позволит производить около 150 метров ткани в минуту, сообщается в исследовании, опубликованном в журнале ACS Nano.
Ученые уже много лет пытаются создавать устройства и материалы на основе графена. Но, как правило, они получаются дорогими и слабо приспособленными к реальному применению из-за того, что для их производства применяются сложные многоступенчатые методы.
Исследователи под руководством нобелевского лауреата Константина Новоселова научились создавать электропроводные ткани с восстановленным оксидом графена простым и масштабируемым методом. Для начала с помощью часто применяемого метода Хаммерса создается оксид графена. Затем он восстанавливается под действием дитионита натрия до восстановленного оксида графена, который имеет аналогичную графену структуру, но отличатся от него наличием дефектов и невосстановленных участков.
Поскольку обычно восстановленный оксид графена из-за своей гидрофобности в водных растворах стремится к агрегации в большие частицы, ученые стабилизировали его, присоединив полистеренсульфонат. В результате авторы получили коллоидный раствор плоских частиц восстановленного оксида графена со средней толщиной 2,2 нанометра и шириной 4,86 микрометров.
Как графен изменит модную индустрию и повседневную жизнь
Открытый российскими учеными чудо-материал приблизил начало эпохи умной одежды
Фоторедактор: Нина Расюк
Фото: cutecircuit.com
Манчестер — не самое привлекательное место на мировой карте моды. Однако в начале года здесь произошло уникальное событие — хай-тек-дизайнеры из CuteCircuit представили первое в мире платье, разработанное с использованием графена. Этот сверхлегкий и одновременно сверхпрочный двумерный чудо-материал, если верить прогнозам ученых и инженеров, кардинальным образом изменит целый ряд привычных нам индустрий, и мир моды здесь отнюдь не исключение.
Платье из графена неслучайно презентовали в Манчестере — именно в этом городе, который в свое время благодаря текстильной промышленности дал толчок мировой индустриализации, в 2005 году российские ученые Константин Новоселов и Андрей Гейм смогли получить из графита — трехмерного материала, используемого, например, в карандашах, — двумерный кристалл толщиной всего в один атом. Графен — это такая плоская сетка, состоящая из образующих шестиугольники атомов, которая обладает совершенно уникальными свойствами: графен невероятно легок и гибок, может похвастаться высокой электропроводностью и высочайшей теплопроводностью среди всех известных материалов и, несмотря на толщину в один атом, в 200 раз прочнее стали. Благодаря этим революционным характеристикам сегодня графен стал объектом пристального внимания со стороны крупных игроков: Китая, США, Великобритании, а также больших корпораций. Манчестер же получил неформальный титул «город графена». Что же касается Гейма и Новоселова, то в 2010 году их исследования удостоились вполне заслуженной Нобелевской премии по физике.
Представленное в Манчестере коктейльное платье — результат кропотливой работы лондонских дизайнеров CuteCircuit, чьи инновационные продукты с использованием микроэлектроники и умных тканей были по достоинству оценены, например, Кэти Перри. Благодаря своей внушительной электропроводности графен в данном случае используется в качестве сенсора, который улавливает частоту дыхания человека, а также в качестве проводника энергии для встроенных в платье светодиодов, меняющих окраску в зависимости от того, как дышит обладательница этого платья. С одной стороны, этот эксперимент несет в себе чисто эстетическую ценность: в конце концов, подсветка в зависимости от частоты дыхания — не самая необходимая вещь даже в одежде для выхода в свет. С другой стороны, в CuteCircuit таким образом продемонстрировали потенциал использования графена и создали важный инфоповод, позволивший обратить внимание на то, куда в будущем может двинуться индустрия.
Читайте также: Чем убрать следы крови с ткани
В чем же, собственно, заключается этот потенциал? Есть два ключевых момента: с одной стороны, более успешная, чем сегодня, интеграция в одежду новых носимых электронных устройств, которые станут органичной и незаметной частью гардероба; с другой стороны, использование графена в самих тканях и их кардинальный апгрейд. Как говорит директор центра фотоники и двухмерных материалов МФТИ Алексей Арсенин, «в настоящее время с использованием графена разрабатываются различные устройства, включая гибкие экраны, гибкие источники питания, камеры и сенсоры. Ожидается, что в будущем носимая электроника станет достаточно распространенной (в том числе и благодаря графену) и различные электронные устройства будут встроены в одежду: мобильные гаджеты, мониторы здоровья, гибкие экраны и многие другие». Так, в Центре графена в Кембриджском университете недавно был изобретен метод нанесения графена — если быть точным, так называемых графеновых чернил — на обычный хлопок, который таким образом становится электропроводным и хорошо подходит для использования в одежде носимых девайсов и сенсоров, которые будут замерять показатели здоровья (например, пульс) и окружающей среды. Во время тестов ученые создали специальный носимый сенсор, который показал, что экспериментальный материал может отслеживать до 500 циклов движений даже после десяти стирок в обычной стиральной машине, куда сегодняшнюю носимую электронику никто не засунет. Такие пробные эксперименты — уже большой шаг вперед в деле превращения простой одежды в умную.
Не менее важен и ряд других черт графена. По словам Алексея Арсенина, «добавление незначительного количества графена позволяет, не меняя эстетику ткани, придать материалу новые свойства: антистатичность или гидрофобность, когда ткань становится непромокаемой». В таком случае можно перестать фантазировать о режиме сушки, как на куртке Марти Макфлая из несбывшегося 2015 года. Теплопроводность графена тоже не осталась без внимания. Так, производители продуктов из графена Directa Plus совместно с маркой спортивной одежды Colmar запустила новую линию курток, в которых графен используется как фильтр между телом и окружающей средой для максимального сохранения и равномерного распределения тепла во время занятий спортом в холодную погоду.
Отдельного упоминания заслуживают антибактериальные свойства графена, о которых споры не утихают и вряд ли скоро утихнут. Так, например, Graphene Info в своей заметке о китайской компании Shanghai Kyorene New Material Technology подчеркивает, что их графеновые ткани защищают от бактерий и ультрафиолета. Вместе с тем в ученом сообществе пока нет консенсуса насчет того, насколько вообще графен и графеновые материалы вредны для человека. Проводившиеся к настоящему моменту тесты пока указывают скорее на безопасность сказочного двумерного материала, однако, по словам Арсенина, потребуется еще время, чтобы полностью удостовериться, является ли этот материал безопасным и может ли он вызывать у людей аллергию.
О графене вряд ли стоит говорить как об очередной подрывающей привычные индустрии технологии, как любят рассуждать о блокчейне и прочих участниках так называемого цикла хайпа. Потенциал этого материала слишком широк: графен, скорее всего, через несколько лет будет использоваться при производстве компьютерных чипов, батарей, фюзеляжей самолетов, контактных линз и чего только не. Для выхода же на массовый рынок одежды графену, скорее всего, потребуется не меньше декады. А пока что интереснее всего наблюдать за экспериментами: недавно, например, китайские ученые накормили графеном шелкопрядов и получили «графеновую» шелковую нить — прочную и хорошо проводящую электричество. Будущее и правда рядом, только смотреть надо не только и не столько на Илона Маска с его мегаломанией, сколько на тихую графеновую революцию, совершающуюся на наших глазах.
Читайте также: Триацетатный шелк что это за ткань
Присоединяйся офлайн к аудиовизуальной инсталляции «Портрет поколения» по случаю 10-летия BURO. — получи иммерсивный опыт.
Что такое графен и как он изменит нашу жизнь?
Впервые о графене заговорили в 2004 году, когда Андрей Гейм и Константин Новоселов — британские ученые российского происхождения — опубликовали статью в журнале Science [1]. В ней говорилось о новом материале, который получили с помощью обычного карандаша и скотча. Ученые просто снимали клейкой лентой слой за слоем, пока не дошли до самого тонкого — в один атом. В 2010-м за это их наградили Нобелевской премией. С тех прошло уже десять лет.
Что такое графен и чем он так уникален?
Углерод — это материал, состоящий из кристаллической решетки, которую образуют шестиугольники атомов. Графен — это один слой решетки толщиной в 1 атом.
Отсюда — его первое уникальное свойство: самый тонкий.
- Графен в 60 раз тоньше мельчайшего из вирусов.
- В 3 тыс. раз тоньше бактерии.
- В 300 тыс. раз тоньше листа бумаги.
Такую структуру графен приобретает за счет sp2-гибридизации. Дело в том, что на внешней оболочке атома углерода расположены четыре электрона. При sp2-гибридизации три из них вступают в связь с соседними атомами, а четвертый находится в состоянии, которое образовывает энергетические зоны. В результате графен еще и прекрасно проводит электрический ток.
Уникальность графена в том, что он обладает такой же структурой, как и полупроводники, при этом он 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 обладает хорошей теплопроводностью, гибкостью и упругостью, он на 97% прозрачный. При этом, графен — самый прочный из известных материалов: прочнее стали и алмаза.
Миф о токсичности графена
Влияние графена на человеческий организм до конца не изучено, но и токсичность графена никто не доказал. Единственную опасность представляет графен, который получают путем размешивания графита или углерода в воде: попадая в клетку, такие мельчайшие частицы действительно могут ее убить [2].
Однако сейчас в биоэлектронике используют другой способ получения графена — путем химического осаждения из газовой фазы. Частицы получаются достаточно крупными. Потом их закрепляют на подложке, и проникнуть сквозь клеточную мембрану они уже не могут.
Где уже используют графен?
Сейчас графен успешно применяют в электронике. Самый массовый продукт — это пауэрбанк [3]: производители обещают, что сам он заряжается за 20 минут, а топовый смартфон заряжает наполовину за полчаса.
Существуют также графеновые куртки и платья. Последние, в частности, оснащены светодиодами [4], которые реагируют на дыхание и температуру тела, меняя цвет.
Теннисные ракетки с графеном весят до 300 грамм меньше, чем обычные, при той же силе удара.
Наконец, машинное масло с графеном призвано снизить износ двигателя.
Где можно применять графен в будущем?
Есть и еще одно свойство графена: он биосовместим, то есть взаимодействует с живыми клетками. Ученые обещают, что материал поможет диагностировать и лечить рак [5]. Это делают с помощью чипа с графеном, который придает повышенную чувствительность. На поверхность чипа высаживают раковые клетки и тестируют на них различные лекарства.
Такие чипы можно использовать и для тестирования других лекарств, а также — определения биомаркеров: иммуноглобулина, ДНК, нейрональных биорецепторов.
Из графена также планируют делать дешевые солнечные батареи, опресняющие устройства для морской воды, гибкие дисплеи, сверхпрочные бронежилеты, сверхчувствительные микропроцессоры, элементы для беспилотников и космических ракет, телефоны с бесконечной зарядкой и умную одежду.
Читайте также: Старинная плотная тяжелая шерстяная ткань употреблявшаяся для обивки мебели
Для России самым перспективным применением графена могут стать нефте- и газодобыча. На основе графена делают жидкости, которые позволят управлять толщиной и свойствами фильтрационной корки буровых растворов. А еще можно делать полимерные трубы и покрытия для нефте- и газопроводов с применением графена.
Графеновый бум
За 7 лет после вручения премии вышло больше 130 тыс. научных работ, посвященных графену и его свойствам. Доля таких исследований среди всех остальных выросла с 0,2% в 2010 году до 1% в 2016-м.
В научном сообществе тестирование свойств графена стало почти мемом. Доходит до того, что в графен добавляют куриный помет, чтобы проверить, как это отразится на его качествах [6].
Всего в мире зарегистрировано более 50 тыс. патентных заявок с упоминанием графена. Больше половины из них принадлежит Китаю, следом идут Южная Корея, США, Япония и Тайвань.
В Китае исследованиями занимаются государственные вузы. В 2013 году здесь создали Инновационный альянс графеновой промышленности, который пророчит Китаю в этой сфере долю в 80% от общемировой.
В остальных странах в графен активно вкладываются коммерческие компании. В Евросоюзе за это отвечает проект Graphene Flagship с инвестициями в €1 млрд [7]. В США — Национальная графеновая ассоциация, в консультативный совет которой входят представители Apple, IBM и Cisco.
В графене заинтересованы гиганты аэрокосмической отрасли: Boeing, Lockheed Martin, Airbus и Thales. Они рассчитывают, что новые материалы позволят им в разы снизить расход топлива — как композиты, которые экономят до 30% горючего в Boeing 787. Электронные корпорации включились в графеновую гонку в надежде, что это принесет им лидерство на рынке смартфонов и аксессуаров к ним.
Среди них — Samsung [8]: компания уже скупила десятки патентов, которых хватит на целую линейку продуктов с графеном. В частности, она представила новый тип аккумуляторов, которые можно будет заряжать за рекордные 12 минут. Такие появятся в новых смартфонах бренда не позднее 2021-го года. Их главный конкурент — Apple — запатентовала акустические диафрагмы с графеном для использования в устройствах следующих поколений. И это, судя по всему — только начало.
В России тоже занимаются изучением графена и даже патентуют электронные устройства на его основе — на базе в Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ. Двое ученых-выпускников этого вуза — гендиректор ведущего производителя Graphene 3D Lab Inc. Елена Полякова и профессор Свободного университета Берлина Кирилл Болотин — входят в ту самую американскую ассоциацию.
Почему же графен до сих пор не изменил нашу жизнь?
Во-первых, он все еще очень дорогой. При этом пока нельзя однозначно посчитать, сколько его нужно и для каких целей. Для этого материала нет единой шкалы измерения, так как он может иметь разную структуру — в зависимости от способа получения.
- 1 грамм чистого графена, который используют в электронике, стоит около $28 млрд.
- 1 грамм графена, смешанного с пылью — около $1 тыс.
Во-вторых, массовое производство графена пока не налажено, потому что нет технологий, которые бы позволили бы это: например, сложные электронные устройства с графеном делают вручную. Для графена нужна какая-то подложка — например, кварцевая — которая и определяет свойства конечного продукта. При этом пока еще не совсем понятно, какие именно это должны быть свойства.
- Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом