Станет ли графен доступным материалом

В поисках информации о применении новых материалов, которые по своим характеристикам заметно превышают существующие, мне приходится довольно много выбирать и анализировать. И все, что попадается на глаза должно отвечать требованиям: новизна; опыт применения; перспектива широкомасштабного использования. Найти такие материалы, либо технические решения не так просто.

Об открытии графена известно не многим и, тем не менее, в научных кругах об этом материале ведется много дискуссий и самых фантастических предложений. По заключению большинства, графен может стать одним из технологических составляющих в построении машин и механизмов следующего поколения и индикатором 4-й промышленной революции.

Что ж, попробуем и мы познакомиться с этим, недавно открытым материалом. Графен является двумерным кристаллом, состоящим из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решётку. Его теоретическое исследование началось задолго до получения реальных образцов материала, поскольку из графена можно собрать трёхмерный кристалл графита (Википедия).

Так вот, графен обладает уникальными свойствами. Но еще более удивительные характеристики приобретают одностенные нанотрубки, изготовленные из графена.

О перспективе применения графеновых одностенных нанотрубок (графен был открыт позже одностенных нанотрубок), можно судить по лавине изобретений и полученных патентов, которых зарегистрировано более 10 000. Сотни тысяч научных публикаций подтвердили, что нанотрубки:

• В 100 раз прочнее стали;

• Плотность критического тока в CNT на порядки превосходит плотность тока в медных проводниках;

• В 10 раз теплопроводнее меди;

• Превосходят вольфрам по температуре кипения (3700 град.С);

• Имеют рекордное для монообъектов отношение длины к диаметру (до 3 000 000 раз);

• Имеют рекордную площадь поверхности (площадь поверхности 1 грамма CNT равна двум баскетбольным площадкам).

Но самое удивительное, графеновые нанотрубки - универсальный аддитив, улучшающий свойства материалов, при незначительном добавлении. Например, добавление в электроды литиевых аккумуляторов порядка 0,01% одностенных нанотрубок увеличивает их емкость на 20%. И новые области применения появляются прямо на глазах.

Совсем недавно профессор Орбах из израильского университета Бар-Илана спас почти целую отрасль – рынок кислотно-свинцовых аккумуляторов объемом более $38 млрд в год. Дело в том, что в ближайшее время все производители автомобилей будут вынуждены устанавливать в машины системы «старт-стоп», которые в разы повышают требования к количеству циклов заряда-разряда – от нынешних 300 у существующих аккумуляторов до 800. Сейчас это возможно только при помощи литиевой технологии. Так вот, Орбах разработал технологию добавления одностенных нанотрубок, которая увеличивает количество этих циклов у свинцовых аккумуляторов от 600 до 900. И подобных примеров сотни.

Казалось бы, имея такие уникальные характеристики и области применения, почему графеновые нанотрубки не производятся в массовом порядке? Оказывается, на сегодня существует две главные причины — высокая стоимость и отсутствие масштабируемой технологии производства. $100 000 за 1 килограмм одностенных трубок — за пределами экономической применимости (аллюминий ~$2/кг), это реально очень дорого. А мировой объем производства 1 тонна — это слишком мало.

Будем надеяться, что совсем скоро всё изменится. Наноструктурированные материалы и суперкомпозиты станут реально доступными. В подтверждении этого уже есть информация о строительстве реакторов по производству графеновых нанотрубок в России, Европе и США. По ходу исследований будут изобретены алгоритмы внедрения углеродных нано трубок в большинство материалов. Мир материалов изменится неузнаваемо и графен станет доступным материалом.

Понравилась статья, поделись с друзьями. Напиши в комментарии, каким ты видишь новые материалы.