211service.com
Wanneer wordt grafeen algemeen gebruikt?
Als je veel wetenschappelijk en technologisch nieuws leest, krijg je misschien de indruk dat grafeen overal goed in is. Grafeen, een vorm van koolstof die slechts één atoom dik is, heeft werkelijk superieure elektronische, optische en mechanische eigenschappen. Maar sommige toepassingen voor grafeen, zoals in computers, lijken onrealistisch. Desalniettemin kan het materiaal een sleutelcomponent worden in flexibele elektronische displays, energierijke batterijen en andere producten.
Een model van de structuur van grafeen.
Supersnelle elektronica
In 2004 hebben onderzoekers van de Universiteit van Manchester onder leiding van: Andrei Geim en Konstantin Novoselov waren de eersten die grafeen isoleerden en de elektrische eigenschappen ervan testten ( pdf ). Ze maakten grafeen door kleine stukjes grafiet te pletten en het laag voor laag met plakband weg te pellen tot ze enkelvoudige atoomdikke mazen van koolstof hadden. Voor dit werk won het paar de Nobelprijs voor Natuurkunde 2010 . Grafeen, hebben zij en anderen gevonden, is raar. Het vertoont zogenaamde ballistische geleiding: elektrische lading beweegt ongehinderd door het materiaal - veel sneller dan in silicium, het materiaal dat wordt gebruikt om de huidige geïntegreerde schakelingen te maken.
Al vroeg waren onderzoekers erg enthousiast over de mogelijkheid van grafeencomputing. Maar verwacht geen grafeenprocessor in uw volgende laptop. Grafeen is geen halfgeleider, wat betekent dat het niet van zijn geleidende toestand naar een isolerende toestand kan worden overgeschakeld zonder dat onderzoekers veel aan het materiaal sleutelen en baby's maken. Zonder een sterke uit-status die overeenkomt met hun aan, is het onwaarschijnlijk dat grafeenschakelaars silicium in digitale logica vervangen.
De elektrische eigenschappen van grafeen zijn veel beter geschikt voor analoge circuits, het soort dat wordt gebruikt in telecommunicatie. In 2011 demonstreerde IBM bijvoorbeeld snelle grafeencircuits van het type dat wordt gebruikt in telecomtoepassingen.
Sterk spul
Sommige van de beste eigenschappen van grafeen zijn mechanisch. Het is flexibel en rekbaar. In 2008 toonden onderzoekers van Columbia University aan dat grafeen het sterkste materiaal is dat ooit is getest. Onderzoekers aan de Universiteit van Texas in Dallas, onder leiding van Ray Baughman , hebben gewerkt om te profiteren van deze combinatie van sterkte, flexibiliteit en hoge geleidbaarheid in grafeen textiel . Grafeengarens kunnen worden gemaakt in kunstmatige spieren of worden gecombineerd met batterijmaterialen om draagbare elektronica van stroom te voorzien. In dit artikel wordt een mogelijk ontwerp uitgelegd: .
Een belangrijke mijlpaal bij het commercialiseren van grafeen was om verder te gaan dan de zogenaamde Scotch tape-methode die wordt gebruikt om hoogwaardige, maar kleine vlokken grafeen één voor één te maken. In 2013 leidden onderzoekers onder leiding van Rodney Ruoff aan de Universiteit van Texas in Austin groeide grafeen van hoge kwaliteit over grote gebieden door de koolstof van een gas onder zorgvuldig gecontroleerde omstandigheden op koperplaten af te zetten (meer informatie vindt u in deze papier ). Dat is belangrijk: alleen grafeen van hoge kwaliteit vertoont ballistische geleiding. In 2014 liet Samsung zien hoe het kan toenemen grafeen op een ander oppervlak, germanium.
Sommige collega's van Ruoff aan de Universiteit van Texas in Austin bouwden voort op zijn grafeengroeiwerk om robuuste, flexibele telecommunicatiecircuits te maken. Deze apparaten zijn sterk genoeg om met een auto over te rijden en kunnen een duik in het water overleven. Deji Akinwande demonstreerde deze apparaten in een paper in 2013 en werkte samen met Corning en 3M om de productie op te schalen.
Vermogen mogelijkheden
Toepassingen die dichter bij commercialisering staan, profiteren van de geleidbaarheid en mechanische sterkte van grafeen en gebruiken het als elektrodemateriaal. Het kan dienen als flexibele vervanger voor indium-tinoxide als transparante geleidende elektrode voor bijvoorbeeld touchscreen-displays. In september 2014 hebben het Cambridge Graphene Centre en het elektronicabedrijf Plastische logica aangetoond a flexibele weergave met behulp van grafeenelektroden .
Door grafeen aan batterij-elektroden toe te voegen, kunnen energierijke batterijen - waardoor auto's verder rijden en elektronica langer meegaan tussen oplaadbeurten - mechanisch stabieler worden. In 2011 gebruikten onderzoekers van de University of California, Berkeley, grafeen om sandwich en stabiliseren tin batterij elektroden. Een van die onderzoekers, Yuegang Zhang, verhuisde vervolgens zijn laboratorium naar China in de hoop dit werk sneller te commercialiseren. In 2014 toonde zijn groep aan de Chinese Academie van Wetenschappen aan dat grafeensandwiches stabiliseren zwavel elektroden .
Onderzoekers van de Universiteit van Californië, Los Angeles, zijn verkennen of grafeen kan worden gebruikt voor energieopslag in nieuwe soorten supercondensatoren - die veel sneller zouden opladen dan batterijen en evenveel stroom zouden bevatten (meer informatie staat in dit papier .)
De afhaalmaaltijd:
Het baanbrekende werk van Geim en Novoselov werd slechts 11 jaar geleden gepubliceerd, en dat is een korte tijd in de materiaalkunde. De volledige impact van grafeen, in stevige flexibele elektronica en draagbare apparaten, is nog jaren weg. Verwacht in de tussentijd kleinere ontwikkelingen, zoals: een opkomende LED-lamp waarvan de gloeidraad is gecoat in grafeen om de levensduur te verlengen en het energieverbruik te verminderen.
Met dank aan Ron Waldron voor deze vraag. Stuur de jouwe naar [email protected].