Тонкая материя

Свойства материала, о котором сегодня все говорят, просто поражают воображение. Лист из графена толщиной в 1 атом и 0,01 миллиметра в ширину выдержит давление острия карандаша, на другом конце которого сидит слон.
Массовое использование устройств и технологий на основе углеродного материала уже не за горами: по словам учёных, это вопрос 2-3 лет. Apparat нашёл 10 возможных применений графена для изготовления девайсов из нашей повседневной жизни.

ГРАФЕН (GRAPHENE)
ХИМИЧЕСКАЯ ФОРМУЛА: Cn
ВПЕРВЫЕ ПОЛУЧЕН: 2004
СОСТОИТ ИЗ ОДНОГО СЛОЯ АТОМОВ;
ВЫСОКАЯ ПРОЧНОСТЬ, ТЕПЛО- И ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ
Материал впервые был получен Андреем Геймом и Константином Новоселовым в 2004 году, что во многом способствовало вручению им Нобелевской премии в 2010-м. Среди прочих уникальных свойств графена нужно отметить невиданную прочность при очень маленькой толщине — по сути, чистый графен представляет собой плоский слой из отдельных атомов углерода, который в миллион раз тоньше человеческого волоса и в 200 раз прочнее стали. Однако за такие суперсвойства приходится платить: чистый графен нестабилен, он сворачивается в трубку. Именно это обстоятельство долгое время создавало сложности для экспериментального получения материала.
Около двух лет назад физики Северо-Западного университета США выяснили, что графен можно смешивать с пластиком. В результате мы получим стабильный суперпрочный материал, из которого в ближайшие 10-15 лет начнут создавать самолёты, автомобили и, возможно, космические ракеты. Однако конвейерному производству таких машин ещё должно предшествовать очень тщательное исследование поведения нового материала в экстремальных погодных условиях и под воздействием электромагнитных полей.
КАМЕРА ДЛЯ СМАРТФОНА
В августе 2012 года Nokia запатентовала светочувствительную матрицу, состоящую из нескольких слоёв графена. Как выяснилось, каждый слой можно «научить» поглощать лишь свой определённый цвет. Кроме того, использование графена при создании мини-датчиков для камер обещает повысить их светочувствительность в тысячу раз, при этом затрачивая на создание снимка в 10 раз меньше энергии.
ПРЕЗЕРВАТИВЫ
Учёные из Манчестерского университета выиграли грант в размере $100 тыс. изаймутся созданием презервативов на основе высокопрочного графена и специального полимерного материала наподобие латекса. Разработка проводится под эгидой «Фонда Билла и Мелинды Гейтс», который знаменит своими акциями по борьбе со СПИДом.

ОПРЕСНЕНИЕ СОЛЁНОЙ ВОДЫ
Американская корпорация Lockheed Martin в начале этого года получила патент на материал Perforene, который позволит удешевить процесс преобразования морской воды в пресную. Фильтр представляет собой мембрану из графена, в которой есть отверстия размером в один нанометр. Эти отверстия настолько малы, что не пропускают частицы соли, несущие электрический заряд, но в то же время достаточно велики для того, чтобы сквозь них проходили молекулы воды. Несмотря на толщину графенового фильтра в один атом, Perforene является прочным и долговечным материалом, что делает его эффективным для опреснения морской воды в больших объёмах.

ТРАНЗИСТОРЫ
Исследователи полагают, что в скором времени может появиться целый класс графеновой наноэлектроники, когда размеры транзисторов уменьшатся до 10 нм на плате, в соответствии со знаменитым законом Мура. В силу проявляемых квантовых эффектов на таких масштабах будет уже невозможно разделить два состояния с закрытым и открытым каналами, как в современных транзисторах. Подобными исследованиями занимаются в компании IBM, которая несколько лет тому назад заявляла о создании графенового чипа. Важность исследований новой электроники давно оценили и в Национальном агентстве США по перспективным оборонным разработкам (DARPA), которое сегодня активно финансирует создание графеновых микросхем.
БЫСТРО ЗАРЯЖАЮЩИЕСЯ АККУМУЛЯТОРЫ
Помимо фантастической прочности, графен проявляет отличные проводящие свойства. Этим воспользовались учёные из университета Лос-Анджелеса, предложивспособ изготовления суперконденсаторов (ионисторов) с помощью DVD-привода. На их основе можно будут изготавливать аккумуляторы, которые, будучи встроенными в смартфон, обеспечат его полную зарядку за считанные секунды. Учёные покрыли оптический диск слоем оксида графита, а затем выжгли лазером пишущего DVD-привода очертания обкладок (электродов) ионистора. Под действием красного лазера оксид графита превратился в графен, электропроводность которого на шесть порядков выше, чем у исходного материала. Учёным удалось менее чем за полчаса получить более 100 графеновых суперконденсаторов на одном диске, каждый из которых уже можно использовать в качестве аккумулятора.
ВЫСОКОСКОРОСТНАЯ АНТЕННА
Команда специалистов Технологического университета Джорджии разработалабеспроводную антенну на основе графена размером в один микрометр, которая способна передавать данные на скорости до 100 Тбит/с. За одну секунду при помощи такой антенны теоретически можно передать несколько фильмов в HD-качестве. К сожалению, пока что антенна действует на очень небольшом расстоянии — до метра. И чем меньше расстояние, тем выше скорость передачи данных, утверждают разработчики. Конечно, гигантская скорость будет достигнута при условии, что сетевое оборудование сможет обеспечить такую пропускную способность. Однако сегодня уже ясно: такая маленькая антенна вскоре будет использоваться в устройствах любого типа и любого размера.

«ВЕЧНЫЕ» ФЛЕШКИ
За счёт специфического взаимного расположения электронных энергетических уровней в плоском углеродном слое на основе графена можно приготавливать флеш-память, способную хранить записанную информацию долгое время. Исследователи из университета Калифорнии показали, что графеновая флеш-память за 10 лет теряет лишь 8 % хранящегося заряда — в сравнении, современные флешки за это же время теряют примерно половину записанной информации. Новая технология для флеш-памяти может применяться в любых приложениях, где существует необходимость записи и перезаписи данных, в том числе в процессорах компьютеров. Более плотная упаковка информации означает ещё большую миниатюризацию и производительность устройств бытовой электроники.

СЕНСОРНЫЕ ДИСПЛЕИ
С использованием полимерной подложки и специального разглаживающего ролика учёные одного корейского университета получили листы графена с диагональю 76 см и толщиной в один атом. Графен был легирован действием азотной кислоты, в результате чего он получил способность работать в качестве большого прозрачного электрода — что и было продемонстрировано при встраивании этого электрода в сенсорный дисплей. Исследователи отмечают, что электрод из графена отличается большей прозрачностью и более высокой прочностью, чем современные олово-индиевые аналоги — последние хорошо известны своей повышенной хрупкостью. Помимо долговечности графеновых дисплеев, новая технология намного проще и экологичнее, так как не требует присутствия редких металлов.
НАУШНИКИ ИЗ ГРАФЕНА
Команда исследователей из Калифорнийского университета Беркли смогла создатьдействующий прототип наушников, где в качестве звукоизлучателя используется мембрана из графена радиусом в 7 мм и толщиной в 30 нм. Интересно, что ещё совершенно не оптимизированный прототип смог выдавить звук, по качеству сопоставимый с дорогими коммерческими моделями известных брендов. Если оптимизировать форму и толщину мембраны, а также поработать над другими физическими параметрами, то можно добиться невероятных результатов, утверждают учёные. Также отмечается мощный уровень баса. Когда ждать наушников будущего на рынке, неясно, исследователи пока что не называют даже примерную стоимость такого продукта.

КОНТАКТНЫЕ ЛИНЗЫ
Летом этого года корейские учёные представили прототип контактной линзы, которая использует светодиод на основе графена. Область прозрачности графена покрывает весь видимый диапазон (и даже немножко залезает в инфракрасию), в связи с чем материал и стали использовать в светодиодах. Учитывая нанометровые размеры получаемых устройств, из них можно изготавливать вживляемые в глаз дисплеи на основе целой сетки диодов. Поговаривают, именно такими девайсами будет пользоваться человечество после эпохи Google Glass.