Aplicación del grafeno

1. Con el avance gradual de la producción en masa y los problemas de gran tamaño, el ritmo de la aplicación industrial del grafeno se está acelerando. Según los resultados de las investigaciones existentes, las primeras aplicaciones comerciales pueden ser dispositivos móviles, aeroespaciales y nuevas energías. Campo de batería. Investigación básica El grafeno tiene una importancia especial para la investigación básica en física. Permite algunos efectos cuánticos que sólo pueden demostrarse teóricamente antes de poder verificarse mediante experimentos.

2. En el grafeno bidimensional, la masa de los electrones parece inexistente. Esta propiedad hace que el grafeno sea una materia condensada poco común que puede usarse para estudiar la mecánica cuántica relativista, porque las partículas sin masa deben moverse a la velocidad de la luz. Por lo tanto, debe ser descrito mediante la mecánica cuántica relativista, lo que proporciona a los físicos teóricos una nueva dirección de investigación: algunas Los experimentos que originalmente debían realizarse en aceleradores de partículas gigantes se pueden llevar a cabo con grafeno en pequeños laboratorios. Los semiconductores con brecha de energía cero son principalmente grafeno de una sola capa, y esta estructura electrónica afectará seriamente el papel de las moléculas de gas en su superficie. En comparación con el grafito a granel, la función del grafeno de una sola capa para mejorar la actividad de reacción superficial se muestra en los resultados de las reacciones de hidrogenación y oxidación del grafeno, lo que indica que la estructura electrónica del grafeno puede modular la actividad superficial.

3. Además, la estructura electrónica del grafeno se puede cambiar correspondientemente mediante la inducción de la adsorción de moléculas de gas, que no solo cambia la concentración de portadores, sino que también se puede dopar con diferentes grafenos. El sensor de grafeno se puede convertir en un sensor químico. Este proceso se completa principalmente mediante el rendimiento de adsorción superficial del grafeno. Según la investigación de algunos académicos, la sensibilidad de los detectores químicos de grafeno se puede comparar con el límite de detección de una sola molécula. La estructura bidimensional única del grafeno lo hace muy sensible al entorno que lo rodea. El grafeno es un material ideal para biosensores electroquímicos. Los sensores fabricados con grafeno tienen buena sensibilidad para detectar dopamina y glucosa en medicina. El grafeno transistorizado se puede utilizar para fabricar transistores. Debido a la alta estabilidad de la estructura del grafeno, este tipo de transistor aún puede funcionar de manera estable en la escala de un solo átomo.

4. Por el contrario, los actuales transistores basados ​​en silicio perderán su estabilidad en una escala de unos 10 nanómetros; La velocidad de reacción ultrarrápida de los electrones del grafeno al campo externo hace que los transistores fabricados con él puedan alcanzar una frecuencia de funcionamiento muy alta. Por ejemplo, IBM anunció en febrero de 2010 que aumentaría la frecuencia de funcionamiento de los transistores de grafeno a 100 GHz, cifra que supera la de los transistores de silicio del mismo tamaño. Pantalla flexible La pantalla flexible atrajo mucha atención en el Consumer Electronics Show y se ha convertido en la tendencia del desarrollo de pantallas flexibles para dispositivos móviles en el futuro.

5. El mercado futuro de las pantallas flexibles es amplio y las perspectivas del grafeno como material básico también son prometedoras. Investigadores surcoreanos han producido por primera vez una pantalla transparente flexible compuesta de múltiples capas de grafeno y un sustrato de lámina de poliéster de fibra de vidrio. Investigadores de Samsung de Corea del Sur y la Universidad Sungkyunkwan han fabricado un trozo de grafeno puro del tamaño de un televisor sobre una placa de poliéster de fibra de vidrio transparente flexible de 63 cm de ancho. Dijeron que este es, con diferencia, el bloque de grafeno "a granel" más grande. Posteriormente, utilizaron el bloque de grafeno para crear una pantalla táctil flexible.

6. Los investigadores dijeron que, en teoría, las personas pueden enrollar sus teléfonos inteligentes y sujetarlos detrás de sus orejas como si fuera un lápiz. Baterías de nueva energía Las baterías de nueva energía también son un área importante del primer uso comercial del grafeno. El Instituto Tecnológico de Massachusetts en Estados Unidos ha desarrollado con éxito paneles fotovoltaicos flexibles con nanorrevestimientos de grafeno en la superficie, que pueden reducir en gran medida el coste de fabricación de células solares transparentes y deformables. Estas baterías se pueden utilizar en gafas de visión nocturna, cámaras fotográficas y otras cámaras digitales pequeñas. Aplicación en el dispositivo. Además, la investigación y el desarrollo exitosos de las súper baterías de grafeno también han resuelto los problemas de capacidad insuficiente y tiempo de carga prolongado de las baterías de vehículos de nueva energía, acelerando enormemente el desarrollo de la industria de las baterías de nueva energía.

7. Esta serie de resultados de investigación allanó el camino para la aplicación del grafeno en la industria de las baterías de nueva energía. Los filtros de grafeno para desalinización se utilizan más que otras tecnologías de desalinización. Después de que la película de óxido de grafeno en el entorno acuático esté en estrecho contacto con el agua, se puede formar un canal con un ancho de aproximadamente 0,9 nanómetros, y los iones o moléculas más pequeñas que este tamaño pueden pasar rápidamente. El tamaño de los canales capilares en la película de grafeno se comprime aún más por medios mecánicos y se controla el tamaño de los poros, lo que puede filtrar eficientemente la sal en el agua de mar. El grafeno, material de almacenamiento de hidrógeno, tiene las ventajas de ser liviano, alta estabilidad química y alta superficie específica, lo que lo convierte en el mejor candidato para materiales de almacenamiento de hidrógeno. Debido a las características de alta conductividad, alta resistencia, ultraligero y delgado en la industria aeroespacial, las ventajas de aplicación del grafeno en la industria aeroespacial y militar también son extremadamente destacadas.

8. En 2014, la NASA de Estados Unidos desarrolló un sensor de grafeno utilizado en el campo aeroespacial, que puede detectar oligoelementos en la atmósfera terrestre a gran altitud y defectos estructurales en las naves espaciales. El grafeno también desempeñará un papel más importante en aplicaciones potenciales, como materiales para aviones ultraligeros. El elemento fotosensible es un nuevo tipo de elemento fotosensible que utiliza grafeno como material del elemento fotosensible. A través de una estructura especial, se espera que aumente la capacidad fotosensible miles de veces en comparación con los CMOS o CCD existentes, y el consumo de energía es sólo el 10% del original. Se puede utilizar en el campo de los monitores y las imágenes satelitales, y se puede utilizar en cámaras, teléfonos inteligentes, etc. Materiales compuestos Los materiales compuestos a base de grafeno son una dirección de investigación importante en el campo de las aplicaciones del grafeno. Han demostrado un rendimiento excelente en los campos del almacenamiento de energía, dispositivos de cristal líquido, dispositivos electrónicos, materiales biológicos, materiales de detección y portadores de catalizadores, y tienen una amplia gama de perspectivas de aplicación.

9. En la actualidad, la investigación sobre compuestos de grafeno se centra principalmente en compuestos de polímeros de grafeno y nanocompuestos inorgánicos a base de grafeno. Con la profundización de la investigación sobre el grafeno, la gente está prestando cada vez más atención a la aplicación de refuerzos de grafeno en compuestos a granel a base de metales. Los compuestos poliméricos multifuncionales y los materiales cerámicos porosos de alta resistencia hechos de grafeno mejoran muchas propiedades especiales de los materiales compuestos. El biografeno se utiliza para acelerar la diferenciación osteogénica de las células madre mesenquimales de la médula ósea humana y también se utiliza para fabricar biosensores de grafeno epitaxial sobre carburo de silicio. Al mismo tiempo, el grafeno se puede utilizar como electrodo de interfaz nerviosa sin cambiar ni destruir propiedades como la intensidad de la señal o la formación de tejido cicatricial. Debido a su flexibilidad, biocompatibilidad y conductividad, los electrodos de grafeno son mucho más estables in vivo que los electrodos de tungsteno o silicio. El óxido de grafeno es muy eficaz para inhibir el crecimiento de E. coli sin dañar las células humanas.