Графен є двовимірною алотропною формою вуглецю. Його атоми об'єднані в гексагональну кристалічну ґратку. Ними утворюється шар, товщина якого — один атом. Відкрили цю речовину Андрій Гейм та Костянтин Новосьолов у 2004 році, а у 2010 році ці вчені отримали Нобелівську премію з фізики.

Властивості За думкою Костянтина Новосьолова, графен має властивості, яких не має жодна інша речовина. Його можна розтягувати, згортати чи згинати. Серед властивостей речовини — міцність. Графен також характеризується високим рівнем провідності тепла та електрики. Такі якості дозволяють використовувати графен для різних електронних пристроїв. Він гнучкий, має повну оптичну прозорість. Використання листа графену, площа якого становить 1 квадратний метр, надасть можливість втримати на ньому інший об'єкт масою 4 кг.

При створенні певних умов графен заповнює собою отвори, що з'являються у його структурі. В деяких пристроях графен використовують як заміну селеніду індію, зокрема — при виготовлені експериментальних сонячних батарей. Температура плавлення речовини перевищує 3000 °C. Вона може бути використана для отримання таких матеріалів, як вуглецеве волокно, титанові сплави та монокристалічні матеріали. Електропровідність графену перевищує в 100 разів, електропровідність кремнію. Є ряд компаній, які постійно займаються дослідженням графену. Так, компанія Graphenano (Єкла, область Мурсія) заявляє, що поролон, вироблений із застосуванням графену може стати матеріалом, який має найбільшутеплопровідність у світі. Цей матеріал є в асортименті продукції компанії. Він знижує ймовірність утворення кліщів та бактерій усередині матеріалу. Цей винахід може використовуватись як утеплювач для стін, для автомобільних салонів та м'яких меблів. В порівнянні з багатьма матеріалами, графен є більш екологічним. Графен має здатність проводити електричний струм швидше за інші матеріали за умов кімнатної температури. Він здатен перетворити світло, незалежно від довжини його хвилі, на струм.

Виробництво Відомо декілька способів отримання графену. Перший з них заснований на механічному відщепленні чи відлущуванні шарів графіту. Такий метод дозволяє отримувати найбільш якісні зразки, з великою рухливістю носіїв заряду. Метод виконується вручну, отже не може бути використаний для масштабного виробництва. Є інший метод виробництва графену, який більше підходить для промислових масштабів. Це метод термічного розкладання підкладки карбіду кремнію. Графен має електрофізичні властивості. Отримати шматочки графену можна шляхом механічного впливу на високо орієнтований піролітичний графіт чи киш-графіт. Шматочки графіту плоскої форми розміщуються між липкими стрічками. Після того, як відбудеться відлущення, скоч з тонкими плівками графіту має бути притиснений до підкладки окисленого кремнію. При цьому, досить важко отримати плівку точно заданого розміру. Хімічні дослідження дозволяють отримати графен з графіту. Для цього потрібно, щоб на мікрокристали графіту вплинули сумішшю кислот. Графіт буде окислюватись, на краях зразка з'являться карбоксильні групи графену. Вони можуть бути перетворені за допомогою тіонілхлориду. Далі, під дією октадециламіну в розчинах тетрагидрофурану, дихлоретану та тетрахлоретану, вони перетворяться в шари графену. Їхня товщина буде становити 0,54 нм.

У 2010 році на основі графену науковці отримали новий матеріал — фторографен, який є діелектриком з високою ефективністю. 18 листопаду 2015 року дослідники з Університету Глазго опублікували статтю у журналі Scientific Reports, в якій говориться про вироблення аркушів графену, що мають велику площу, але при цьому їхнє виробництво обходиться у 100 разів дешевше. Команда працювала під керівництвом Равіндера Дагії. Таке виробництво стає можливим завдяки низькій ціні типу міді, який використовують при виробництві літій-іонних батарейок. Однією з можливостей вироблення графену є процес, відомий як «хімічне осадження парової фази». Під час нього відбувається перетворення газоподібних реагентів на графенову плівку. Процес відбувається на спеціальній поверхні-субстраті. Для нового відкриття знадобилась інша поверхня з мідної фольги, яку використовують як катод до літій-іонних батарейок. Поверхня міді є гладкою. Через це вона може бути використана для утворення графену. Перевага мідної поверхні — більш доступна ціна для виробництва. Новий спосіб виробництва дозволив створити транзистори з поліпшеними електричними та оптичними властивостями. Це дозволяє у майбутньому створювати недорогі електронні прилади за помірну ціну. Дослідження проводились науковцями з Університету Глазго разом з вченими із турецького Університету Білкент.

Працівники Мічиганського та Массачусетського університетів розробили метод виробництва графену, завдяки якому матеріал може з'явитись у комерційному виробництві. Для цього потрібна спеціальна камера, до складу якої входять концентричні труби, які знаходяться одна в одній. Камера нагрівається до 1000 градусів Цельсія. Графен, який формується на основі, має бути нанесений навколо внутрішньої трубки. Велика труба слугує для проходження газів, які далі виводяться за допомогою отворів. Розташування цих отворів займає одну з половин внутрішньої трубки. Процес виробництва складається з двох етапів: протягом першого, камера використовується для підготування основи, а вже у другому етапі на цій основі відбувається вирощування кристалів графену. Вченими Масачусецького технологічного інституту були проведенні випробування невеликої за розмірами лабораторної версії такої камери. У разі, коли підкладка рухається по трубці при швидкості, що становить 25 міліметрів в хвилину, на ній утворюється рівномірний прошарок графену високої якості. Якщо швидкість просування збільшиться до 50 сантиметрів у хвилину, це стане результатом виробництва графену низької якості. Така технологія дозволяє змінювати масштаби виробництва матеріалу, кінцевий обсяг його виробництва. Метод, що дозволяє створювати графен з обох сторін базового матеріалу, було описано у травні 2014 року. Якщо поєднати і перший і другий методи, це дозволить збільшити обсяг виробництва кінцевого продукту. Наразі вчені займаються дослідження збільшення швидкості процесу виробництва шарів графену високої якості. Компанії Microsoft, Samsung і IBM досліджують можливості графену, а компанією Apple були подані патентні заявки на технології з застосуванням цього матеріалу.

За декілька років було втілено в життя декілька проєктів, з'явились об'єкти, які створені на основі графену: польові транзистори з балістичним транспортом, функціонуючі при кімнатній температурі, одноелектронний транзистор з графену, сонячні батареї, газові сенсори з екстремальною чутливістю.

Застосування

Електроніка Створення гнучкої електроніки — ще одна галузь потенційного застосування графену. Зокрема для створення гнучких дисплеїв. Використання як прозорого провідника оксиду індію-олова має багато недоліків, наприклад вартість та крихкість. В той час як графен є більш дешевим та міцним матеріалом. Переносна електроніка при використанні цієї речовини отримує новий виток розвитку. Графен планують використовувати як матеріал для створення польових транзисторів. Тепер вони можуть виготовлятись меншого розміру, без втрати своїх властивостей. Інтегральні схеми на основі транзисторів з графену створюються компанією IBM. Серед їх особливостей — здатність працювати безперервно при температурі до 128 градусів Цельсія.

Використання графену дозволить створити сенсори, які зможуть передбачати землетруси та аналізувати технічний стан літака. Речовина має покриваючі властивості, її декілька грамів здатні покрити територію розмірів футбольного поля. В перспективі графен зможе використовуватись для створення літаків та легковагих супутників. Є ймовірність, що речовина замінить волокна вуглецю у композиційних матеріалах. Ефективність датчиків збільшиться, якщо для їх виготовлення буде використаний графен. Матеріал знайшов своє місце у виробництві та створенні сенсорних дисплеїв, які мають велику діагональ.

Китайськими дослідниками були створені сонячні панелі, в конструкції верхніх шарів яких містився графен. Дощова погода не дозволяє звичайним сонячним батареям нормально функціонувати та генерувати електрику. Тому що через хмари відбувається блокування сонячних променів. Застосування графену при створенні конструкцій дозволяє використовувати енергію падіння дощових крапель на фотоелементи сонячних панелей, генерувати електрику навіть при поганих погодних умовах. У складі дощової води є такі з'єднання, як кальцій, натрій, аміак. Ці речовини — іони, які можна використати для виробництва енергії. Вода, потрапляючи на верхній шар графену, створює іоністори, точки незбалансованого заряду. Він є напругою.

Співробітниками Манчестерського університету Андре Геймом та Костянтином Новосьоловим було заявлено про створення гнучного LED-дисплея на базі графену. Це свідчить про те, що двомірні матеріали можуть застосовуватись для створення гнучких прозорих дисплеїв. Винахідники вважають, що в майбутньому їх будуть використовувати для функціонування енергоефективних електронних пристроїв. Дисплей був створений на базі комбінацій різних двомірних кристалів. Він має можливість випромінювати світло над усією поверхнею. Товщина винайденого дисплею складає від 10 до 40 атомів. Винахідники сподіваються, що створення такого технічного приладу призведе до появи першого покоління напівпрозорого розумного пристрою з новим типом дисплеїв. Може виникнути нове покоління оптоелектронних пристроїв.

Дослідниками Масачусецького технологічного інституту був створений чип, який планують використовувати у сфері технології теплобачення. Звичайно така технологія використовується в спеціалізованих пристроях, які використовуються правоохоронними службами та пошуковими бригадами задля організації стеження. Такі вироби потребували використання систем криогенного охолодження, що робить їх не досить зручними та дорогими. З чипом із графену технології теплобачення можуть вийти на інший рівень. Винахідник чипу Томас Палациос вважає, що цей чип буде використовуватись для збірки компактних сенсорів, що вміщується у смартфон, ноутбук чи планшет. Графен чутливий до інфрачервоного випромінювання. Для охолодження такого чипу не потрібно застосовувати якісь спеціальні системи охолодження. Вчені ізолювали чип від інших частин приладу, а для ізоляції використали графен. Батареї та акумулятори можуть збільшити свою ємність, якщо для їх виробництва будуть застосовувати графен. При відповідній будові та складу, графен може бути використаний для створення батарей та суперконденсаторів з більшою ємністю, ніж аналоги, які є на ринку. Для досягнення оптимальної структури, науковці ультразвуком розпилюють краплі оксиду графену в розпечений до 160 градусів Цельсія органічний розчинник. З крапель речовини випаровується вода, залишаючи після себе тримірні грудки графену.

Технологічна компанія Samsung, штаб-квартира якої розташована у Південній Кореї, робить дослідження на шляху поліпшення виробництва графену, що призведе до появи електроніки мініатюрних розмірів. Спеціалісти компанії працюють над створенням мобільних телефонів розміром з банківську пластикову картку. Графен може замінити кремній, що використовується при виробництві мікросхем. Проблема цільового використання цієї речовини пов'язана з необхідністю створення багатошарової структури за участю нітриду бору, який діє як ізолятор. Напрацювання розробників компанії у цьому напрямку означає появу гнучких сенсорних дисплеїв та комп'ютерів, надшвидкого інтернету, найтонших HD-телевізорів та полегшених літальних апаратів.