Как создать космический лифт и динамики из стекла

В Новосибирске изучают самые тонкие материалы на Земле. Они же — самые прочные. Рассказываем, зачем ученые исследуют свойства графена и где планируют его применять.

Знакомьтесь, двумерный углерод

Графен — самый тонкий материал, известный человечеству. Он состоит из одного слоя атомов углерода, выстроенных в плоскую решетку, похожую на пчелиные соты. Такая структура делает его одновременно прочным, легким и гибким, а также позволяет хорошо проводить тепло и электричество.

Из графена делают два типа материалов. Первый — черный порошок, похожий на сажу. Это расщепленный графит — тонкие фрагменты из нескольких графеновых слоев. Такие частицы добавляют в разные вещества, от композитов до красок и покрытий, чтобы повысить их прочность, износостойкость и электропроводность.

Второй тип — графеновые пленки. Это тонкие слои углерода толщиной в один атом, которые сочетают прочность, гибкость и высокую проводимость, а также непроницаемость для молекул газа. Пока графеновые пленки существуют в основном в лабораториях, но именно с ними связывают развитие гибкой электроники, сенсоров и новых аккумуляторов в ближайшие десятилетия.

Материал будущего для энергетики

В научном центре мирового уровня «Теплофизика и энергетика» на базе Института Теплофизики РАН изучают ультратонкие углеродные покрытия и уже получают их с помощью специальных лабораторных установок. За один-два дня здесь изготавливают графеновые пленки площадью в несколько квадратных метров.

Из полученных пленок ученые создают графеновые наноматериалы для электродов литийионных аккумуляторов. Структура графена существенно увеличивает площадь контакта электрода с электролитом — той поверхности, через которую проходит ток при работе аккумулятора. Это позволит получить накопители с большей емкостью и высокой скоростью зарядки.

Сверхчувствительные датчики и умный теплообмен

Исследователи проводят испытания графеновых датчиков, способных улавливать малые концентрации веществ — метана и оксидов азота. Поскольку графен состоит из одного слоя атомов, даже отдельные молекулы, «осевшие» на его поверхности, легко фиксируются.

«Материал реагирует на любые примеси в воздухе, поэтому каждый сенсор мы настраиваем на конкретные вещества», — отмечает аспирант НЦМУ «Теплофизика и энергетика» Александра Богомолова.

Графеновые пленки используют и для защиты поверхностей от обледенения. Они хорошо проводят ток, равномерно нагреваются и при этом остаются прозрачными и гибкими, если их нанести на стекло автомобиля или самолета.

«Современные антиобледенительные покрытия хрупкие и неэластичные, к тому же бликуют на солнце, — поделился научный сотрудник ИТ СО РАН Евгений Бойко. — Чаще всего покрытия для стекол самолетов делают из оксида индия и олова — такой материал легко ломается. Графен не бликует, остается гибким и прозрачным».

Как звучит углерод

В Новосибирске также изучают термоакустические свойства графеновых пленок, то есть их способность преобразовывать электрический сигнал в звук. Это позволяет проектировать тонкие и гибкие источники звука. Их можно, например, наносить на стекло, превращая его в динамик, или использовать для создания умных систем шумоподавления.

Графеновые акустические системы отличаются от обычных динамиков или колонок. Звук в них возникает не за счет движения мембраны, а из-за изменения температуры материала. При подаче переменного тока графен быстро нагревается и остывает, что меняет плотность воздуха рядом с поверхностью и создает звуковые волны. Способность вещества мгновенно реагировать на электрический сигнал и равномерно распределять тепло обеспечивает стабильную работу таких систем без механических движущихся частей.

Космические перспективы

В будущем графеновые технологии могут пригодиться для освоения космоса. Одна из концепций — космический лифт — система с тросом длиной в десятки тысяч километров, по которому грузы могли бы подниматься на орбиту без ракет. В таких проектах планируют использовать углеродные нанотрубки — по сути, графеновые пленки, свернутые в цилиндры.

В научном центре обсуждают и идею космического «одеяла», которым в теории можно окутать необитаемую планету. Благодаря почти полной непроницаемости графеновых структур даже для самых легких газов, такая оболочка эффективно удерживала бы искусственную атмосферу. Похожие принципы сегодня используют при создании барьерных слоев для защиты от утечек газа.

Было интересно? У нас в ТЭКgpt еще больше фактов об этом.