Wann wird Graphen allgemein verwendet?

Wenn Sie viele Wissenschafts- und Technologienachrichten lesen, könnten Sie den Eindruck gewinnen, dass Graphen in allem gut ist. Graphen, eine Form von Kohlenstoff, die nur ein Atom dick ist, hat wirklich hervorragende elektronische, optische und mechanische Eigenschaften. Einige Anwendungen, die für Graphen vorgesehen sind, beispielsweise in Computern, scheinen jedoch unrealistisch zu sein. Dennoch könnte das Material zu einer Schlüsselkomponente in flexiblen elektronischen Displays, Hochenergiebatterien und anderen Produkten werden.

Ein Modell der Struktur von Graphen.

Superschnelle Elektronik

Im Jahr 2004 führten Forscher der University of Manchester durch Andrej Geim und Konstantin Nowoselow waren die ersten, die Graphen isolierten und seine elektrischen Eigenschaften testeten ( pdf ). Sie stellten Graphen her, indem sie kleine Graphitstückchen zerkleinerten und sie Schicht für Schicht mit Klebeband abschälten, bis sie Kohlenstoffmaschen mit einer Dicke von einem Atom hatten. Für diese Arbeit gewann das Paar den 2010 Nobelpreis für Physik . Graphen, so haben sie und andere herausgefunden, ist seltsam. Es weist eine sogenannte ballistische Leitfähigkeit auf: Elektrische Ladung bewegt sich ungehindert durch das Material – viel schneller als in Silizium, dem Material, aus dem die heutigen integrierten Schaltkreise hergestellt werden.

Schon früh waren die Forscher sehr begeistert von der Möglichkeit des Graphen-Computing. Aber erwarten Sie nicht, in Ihrem nächsten Laptop einen Graphen-Prozessor zu finden. Graphen ist kein Halbleiter, was bedeutet, dass es nicht von seinem leitenden Zustand in einen isolierenden Zustand geschaltet werden kann, ohne dass Forscher viel an dem Material herumbasteln und Babypflege betreiben. Ohne einen starken Aus-Zustand, der ihrem Ein-Zustand entspricht, ist es unwahrscheinlich, dass Graphen-Schalter Silizium in der digitalen Logik ersetzen werden.

Die elektrischen Eigenschaften von Graphen eignen sich viel besser für analoge Schaltungen, wie sie in der Telekommunikation verwendet werden. Beispielsweise demonstrierte IBM 2011 schnelle Graphenschaltkreise, wie sie in Telekommunikationsanwendungen verwendet werden.

Starkes Zeug

Einige der besten Eigenschaften von Graphen sind mechanischer Natur. Es ist flexibel und dehnbar. Im Jahr 2008 zeigten Forscher der Columbia University, dass Graphen das stärkste Material ist, das jemals getestet wurde. Forscher an der University of Texas in Dallas, angeführt von Ray Baughmann , haben daran gearbeitet, diese Kombination aus Stärke, Flexibilität und hoher Leitfähigkeit zu nutzen Graphen-Textilien . Graphengarne können zu künstlichen Muskeln verarbeitet oder mit Batteriematerialien kombiniert werden, um tragbare Elektronik mit Strom zu versorgen. Dieses Papier erläutert ein mögliches Design .

Ein wichtiger Meilenstein bei der Kommerzialisierung von Graphen bestand darin, über die sogenannte Scotch-Tape-Methode hinauszugehen, mit der hochwertige, aber kleine Graphenflocken einzeln hergestellt werden. Im Jahr 2013 führten Forscher durch Rodney Ruf an der University of Texas in Austin züchtete hochwertiges Graphen über große Flächen, indem der Kohlenstoff eines Gases unter sorgfältig kontrollierten Bedingungen auf Kupferplatten abgeschieden wurde (weitere Informationen finden Sie in diesem Papier ). Das ist wichtig: Nur hochwertiges Graphen zeigt ballistische Leitfähigkeit. 2014 hat Samsung gezeigt, wie es geht wachsen Graphen auf einer alternativen Oberfläche, Germanium.

Einige von Ruoffs Kollegen an der University of Texas in Austin bauten auf seiner Graphen-Wachstumsarbeit auf, um robuste, flexible Telekommunikationsschaltkreise herzustellen. Diese Geräte sind robust genug, um mit einem Auto darüber zu fahren, und können einen Sprung ins Wasser überstehen. Deji Akinwande hat diese Geräte 2013 in einer Veröffentlichung demonstriert und arbeitet mit Corning und 3M zusammen, um die Produktion zu steigern.

Leistungsmöglichkeiten

Anwendungen, die der Kommerzialisierung näher kommen, nutzen die Leitfähigkeit und mechanische Festigkeit von Graphen und verwenden es als Elektrodenmaterial. Es kann als flexibler Ersatz für Indium-Zinn-Oxid als transparente leitfähige Elektrode zum Beispiel für Touchscreen-Displays dienen. Im September 2014 das Cambridge Graphene Centre und Elektronikunternehmen Plastische Logik demonstriert a Flexibles Display mit Graphen-Elektroden .

Das Hinzufügen von Graphen zu Batterieelektroden könnte Hochenergiebatterien – die Autos helfen, weiter zu fahren und die Elektronik zwischen den Ladevorgängen länger halten – mechanisch stabiler machen. 2011 nutzten Forscher der University of California, Berkeley, Graphen dazu sandwichen und stabilisieren Batterieelektroden aus Zinn. Einer dieser Forscher, Yuegang Zhang, verlegte daraufhin sein Labor nach China in der Hoffnung, diese Arbeit schneller kommerzialisieren zu können. 2014 zeigte seine Gruppe an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, dass sich Graphen-Sandwiches stabilisieren Schwefelelektroden .

Forscher der University of California, Los Angeles, sind erkunden ob Graphen zur Energiespeicherung in neuartigen Superkondensatoren verwendet werden könnte – die sich viel schneller als Batterien aufladen und genauso viel Strom halten würden (weitere Informationen sind in dieses Papier .)

Das wegnehmen:

Die bahnbrechende Arbeit von Geim und Novoselov wurde vor nur 11 Jahren veröffentlicht, und das ist eine kurze Zeit in der Materialwissenschaft. Die volle Wirkung von Graphen in robuster, flexibler Elektronik und tragbaren Geräten ist noch Jahre entfernt. Erwarten Sie in der Zwischenzeit kleinere Entwicklungen, wie z eine kommende LED-Glühbirne dessen Filament mit Graphen beschichtet ist, um seine Lebensdauer zu verlängern und seinen Energieverbrauch zu senken.

Danke an Ron Waldron für diese Frage. Senden Sie Ihre an [email protected] .

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