Решение проблемы с графеном | Шоу Энь Чжу | TEDxDelft

Наноструктура графен имеет различные применения. Работая над кандидатской диссертацией по изучению графена в Делфтском техническом университете, Шоу Энь Чжу, начав с нуля и с минимальным бюджетом спроектировал и изготовил устройство для производства графена.

Это выступление записано на мероприятии TEDx, организованном независимо от конференций TED.

Наноматериалы и наноструктуры
встречаются повсюду в природном мире.

Взгляните на крыло стрекозы.

Если мы увеличим его в 100 000 раз

и посмотрим на прозрачную мембрану,

мы увидим наноструктуру,

которую невозможно разглядеть
невооружённым глазом.

Графен прозрачен.

Вот молекулярная модель графена.

Чтобы разглядеть, её увеличили

в 280 миллионов раз.

Графен состоит из одного
единственного элемента — углерода.

Он настолько прост.

Однако графен имеет
множество особых свойств:

это самый тонкий материал,
толщиной в один атом,

и он обладает наибольшей прочностью
среди всех известных материалов.

Его двумерная углеродная связь

твёрже тетраэдрической
углеродной связи в алмазе.

Он гибкий и растягиваемый.

Его можно полностью согнуть
и растянуть на 20%.

Теплопроводность у графена выше,

чем у всех других материалов,
включая медь.

Он способен выдерживать
наибольшую плотность тока

при комнатной температуре.

Его внутренняя подвижность

в 100 раз выше, чем у кремния.

Это самый непроницаемый материал:

даже наименьшие атомы гелия
не протискиваются через него.

Графен изменит мир.

Несомненно, через 10—20 лет
общество станет совершенно другим

и разумным.

Давайте поразмышляем о будущем.

Представьте себе время, когда
все прозрачные стеклянные окна

могли бы постоянно генерировать энергию
под воздействием солнечных лучей

и снабжать энергией все здания,

весь электрический транспорт
и электронные устройства

заряжались бы в течение 10 минут
и несколько дней не нуждались бы в зарядке,

морская вода опреснялась бы
при помощи карманного устройства,

превращающего её в питьевую,

умные приборы стали бы
частью нашей одежды

и даже иногда вживлены в кожу,

легковесные композитные материалы

стали бы прочнее, чем когда-либо,

и стали бы основным материалом
для построения судов,

транспортных средств и самолётов,

микросхемы производили бы расчёты

в 1 000 раз быстрее

с плазмонами вместо электронов!

Когда-нибудь, ещё при нашей жизни,
благодаря этому новому наноматериалу

всё это воплотится в жизнь

и коренным образом изменит наше общество.

Производство графена —
серьёзная проблема.

Хотя графен существует в графите,

многие учёные полагали,
что будет невозможно

выделить устойчивый графен из графита.

В 1930 году Ландау и Пайерлс предсказали,

что двумерные кристаллы
не могут существовать

из-за термодинамической неустойчивости.

30 лет спустя Мермин представил
аналитические результаты

для полного обоснования своей гипотезы.

В 2004 году двое учёных,

Андрей Гейм и Костя Новосёлов,

использовали
для производства графена скотч.

Приклеивая скотч на пластинки графита

и снимая слой за слоем,

они получили очень тонкий графит.

Хотя большая часть поверхности
и состояла из тонких пластинок графита,

в конце концов было выделено

всего несколько кусочков
однослойного графена.

С тех пор тысячи учёных

начали проводить исследования

однослойного графена,

используя скотч.

Даже Нобелевская премия по физике
в 2010 году

была присуждена этим учёным

за новаторское использование скотча.
(Смех)

Очевидно, что этот способ непрактичен

для массового производства графена
и полезных изделий.

В настоящее время множество
маленьких пластинок многослойного графена,

тонких графитовых пластинок,

может быть получено с помощью
химического расслаивания.

Добавляя его при изготовлении
теннисных ракеток или велосипедных шин,

можно повышать их прочность
и уменьшать массу композитного материала.

Однако получаемый материал
имеет чёрный цвет,

что несовместимо с прозрачностью графена.

Чёрный цвет означает,
что пластинки слишком толстые.

Кроме того, эти пластины слишком малы

для такого их использования,
о котором я говорил.

Как экспериментатору,
работающему с графеном,

мне для моих экспериментов нужно было

много однослойного графена
с большой поверхностью.

Однако в тот момент в Нидерландах

я не нашёл ни одной
исследовательской группы,

способной снабдить меня
высококачественным графеном.

Я ежедневно ездил в Лейденский
и Делфтский университеты,

пытаясь понять, как мне создать
крупные образцы графена.

На имеющихся установках
мне не удавалось выделить

качественный графен:

либо из-за плохого управления
потоками газа,

либо из-за того, что площадь нагрева
была слишком мала

для создания крупных образцов графенов.

К тому же мощность нагревателя
была недостаточной

для достижения 1 000°C.

Каждый день я просыпался в 6 утра

и возвращался домой в полночь.

Я перепробовал все мыслимые возможности.

Однако меня ожидало разочарование,
и передо мной вставали всё те же проблемы.

Я думал: «Я не закончу свою диссертацию,

если буду работать таким образом».

Через четыре месяца я решил
больше не тратить времени понапрасну

и сделать печь самому.

Благодаря своему руководителю
и факультету

я получил дополнительные средства
на оборудование.

В то же время я получил Молодёжную
премию за замечательные идеи

в размере 10 000 евро,

благодаря которой я смог купить материал.

Я до сих пор помню вторник,
17 апреля 2012 года.

После года напряжённой работы

я начал тестирование
собственного устройства.

Вакуумный насос,
который я достал в лаборатории,

был более чем восьмилетней давности

и проработал к тому моменту
более 29 000 часов.

К тому же и насос работал только

при температурах до 40°C.

Тогда я купил маленький
вентилятор за 30 евро,

который прекрасно охлаждал насос.

Это и была созданная мною печь.

Я объясню преимущества этого
самодельного устройства:

эта печь может нагревать
однодюймовую кварцевую трубу

до более чем 1 000°C

с колебаниями температуры
менее чем на один градус.

Существует прозрачное пуленепробиваемое
защитное покрытие Lexan,

защищающее от любого взрыва газа

и обеспечивающее безопасность
исследователя.

Есть небольшой маховик,
дистанционно управляющий

перемещением печи налево

и направо

с помощью цепной передачи,

подобно велосипеду.

С помощью такой установки
я мог подогревать и охлаждать образец

в 10 раз быстрее любого
коммерческого оборудования.

Стоит это приспособление
менее 20 000 евро,

и оно более чем в 7 раз дешевле
любого другого доступного оборудования.

Все компоненты могут быть оптимизированы
и хорошо контролируемы.

Оно обеспечивает более
высокую производительность.

Мне очень нравилось проводить эксперимент
с моим собственным устройством.

Вот полученный мной графен.

Кристаллы графена растут
как кристаллы снега.

Метан, на долю которого приходится
около 80% природного газа,

используемого для приготовления пищи,

разлагается на атомы углерода

на медной подложке

при температуре 1 000°C
в атмосфере инертного газа.

Соединяясь друг с другом, атомы углерода

образуют графитовые кольца
с сотовыми конструкциями,

такими как в графите.

Я использую изотоп углерода
для определения роста.

Можете представить, что размер
отдельно взятого графенового кристалла

достигал нескольких миллиметров,

что больше размера атома углерода
более чем в миллион раз?

Можете ли вы поверить в то,

что этот образец был получен
шесть месяцев назад

и однослойный графен всё ещё способен
защищать медь от любого окисления?

Увеличиваясь в размере, кристаллы графена

соединяются с соседними
графеновыми кристаллами,

образуя сплошную плёнку.

Рост графена остановится,

когда не останется неизолированной меди.

В итоге получится однослойная
высококачественная графеновая плёнка.

Мы с коллегой первыми доказали,

что синтетический графен
не уступает по качеству графену,

полученному методом скотча,

однако его размер существенно больше.

Для массового производства графена
по очень низкой цене

была построена более мощная
и более хорошая печь.

Эта печь имеет кварцевую трубку
большего размера,

и в ней поддерживается
постоянная температура.

Как только рост графена прекращается,

я полностью отсоединяю печь от трубки

и вынимаю образец графена.

Немедленно я приступаю ко второму циклу
выращивания графена.

Эффективность роста
высококачественного графена

может быть повышена
в десять-двадцать раз,

и тогда существенно понизится
потребление энергии.

Изготовление сотни больших печей
позволит наладить

массовое производство графена
в ближайшее время.

Через слой графена
на прозрачной подложке

я могу видеть вас всех.

Но он обладает особыми свойствами:

он способен проводить ток

и обладает гибкостью.

(Аплодисменты)

Теперь вы можете представить себе

всевозможные будущие
области применения графена.

В настоящее время
этот небольшой кусок графена

стоит около 1 000 евро.

Я думаю, что его цена понизится до 1 евро

в течение нескольких лет,

так как натуральный газ
и медная фольга,

которые используются

для производства графена,

широко доступны.

В ближайшее время все мы будем
иметь доступ к графену

и осуществим эту мечту.

Помните, я сказал вам,
что мы будем жить в лучшем мире.

Сейчас я не могу показать вам
прозрачные стеклянные окна,

генерирующие электричество,

и электронику в моей одежде.

Но я могу показать вам нечто такое,
чего вы ещё никогда не видели.

На этом прозрачном полимерном крыле есть
прозрачный графен,

структурированный в проводную конструкцию.

Графен настолько необычен,

что если мы направим на него
очень малое количество энергии,

он уменьшится в размере.

И он настолько прочный,

что он может поднять
это полимерное крыло,

которое в тысячу раз тяжелее него,

имитируя при этом
махание крылом у биоробота.

Посмотрите, чего я достиг
за эти несколько лет.

Я верю в то, что вместе
мы сможем осуществить нашу мечту

о массовом производстве
качественного графена.

Спасибо.

(Аплодисменты)