Материал будущего: пуленепробиваемая броня, сито для водорода и другие возможности графена
11 декабря 2014. Разместил: cenzor
Самый тонкий и самый прочный материал в мире — графен — был обнаружен десять лет назад, но до сих пор таит в себе приятные сюрпризы.
Графен, который считали непроницаемым барьером, пропускает протоны, открывая новые возможности использования этого уникального материала в качестве ультратонкой мембраны в топливных элементах — сообщает издание Nature. В то же время Science2 говорит о способности материала выдерживать пулевые удары, превосходящей даже характеристики стали и композитного кевлара.
Протонный фильтр Способность протонов проходить сквозь графен позволяет использовать материал как мембрану для отсеивания водорода из воздуха и для того, чтобы извлекать энергию из этого водорода в топливном элементе, говорит соавтор изобретения Андрей Константинович Гейм, специалист по материаловедению Университета Манчестера, ВелиКобритания. Андрей Гейм получил Нобелевскую премию в 2010 г. за новаторские эксперименты с графеном.
Топливные элементы превращают химическую энергию, заключенную в водороде, в электричество, разбивая его на протоны и электроны: электроны движутся вокруг внешнего кабеля, создавая ток, а протоны движутся сквозь мембрану внутри элемента. (Электроны и протоны соединяются на электроде для реакции с кислородом). Современные мембраны, такие как коммерческий полимер нафион, толще графена в десятки раз, но не предотвращают утечку водородного горючего сквозь материал. Прочный, ультратонкий материал, пропускающий всё, кроме протонов, мог бы решить обе проблемы одним ударом. С этим может справиться графен, — говорит Гейм, — так же как и другой материал толщиной в один атом, состоящий из борного нитрида.
Эксперты в области топливных элементов говорят, что такое применение материала носит пока экспериментальный характер, и с осторожностью относятСя к его немедленному применению в разных сферах жизни. Будут приниматься во внимание такие факторы как себестоимость производства одного большого, достаточно чистого листа, и срок его службы. «Возможно это лучшая мембрана для топливного элемента, а возможно, и нет», — говорит Эндрю Херринг, химик-технолог горного училища Колорадо, Голден.
Научная группа Гейма использовала сходный подход при фильтрации чистого водорода при помощи графеновой мембраны. Такая техника может извлекать водород из воздуха — утверждает Гейм. Можете думать, что я обманываю вас, но до появления графена такая техника и вовсе считалась научной фантастикой.
Сам по себе графен может быть не единственным решением: в прошлом году ученые продемонстрировали как выложенные в линию графеновые оксидные мембраны создавали тоннели, которые отфильтровывали водород из углекислых или азотных смесей.
Крепкая броня
Графен уже зарекомендовал себя как самый прочный материал в мире, при измерении сопротивления листа алмазному острию при надавливании. А сейчас материал впервые проверили «пулями», обстреливая слои графена крошечными кремневыми шарикам. Эти слои способны очень быстро распределять энергию толчка перед повреждением, потому что повреждения очень быстро расходятся волнообразно вовне, — объясняет соавтор изобретения Эдвин Томас из Университета Райса, Техас. Верхний предел этого эффекта — скорость звука в материале, а в жестком и легком графене звуковая волна способна достигать скорости 22 км/сек — сравните со скоростью звука в воздухе — 332 м/сек. Томас также говорит, что композитный материал на основе графена с добавлением других сверхлегких прочных материалов может стать «многообещающим бронематериалом».
Все эти эксперименты открывают огромные потенциальные возможности графена, который уже был испытан в ряде областей применения, включая элементы питания, очки ночного видения, медицинские сканеры, презервативы и фотодатчики. Но производителей беспокоит, возможно ли изготовление графеновых листов или композитных материалов на основе графена в больших объёмах и удовлетворительного качества. «Рынок очень нестабилен», — говорит Джеймс Бейкер, коммерческий директор Национального института графена в Манчестере. Одно из вероятных применений графена — замена редкого компонента оксида индия и олова в сенсорных экранах мобильных телефонов — сейчас под вопросом, так как использование графена не может гарантировать того же качества за ту же стоимость.
Десятки компаний сейчас активно работают над производством и коммерциализацией графена и материалов на основе графена, но немногие сумели выйти на рынок даже после нескольких лет развития этого направления. Но то, что может показаться черепашьим шагом со стороны, нормальный темп для принципиально новых материалов — говорит Бейкер.
Вернуться назад