Во сколько раз графен прочнее стали

Графен оказался гораздо прочнее стали и кевлара

Американские ученые на днях провели баллистическое испытание, результаты которого показали, что многослойный графен лучше справляется с защитой от пуль, чем сталь или кевлар.

Качества, свойственные графену, не перестают радовать специалистов своими новыми достижениями. Американские физики провели очередной тест, в ходе которого выяснили, что многослойный графен является наиболее совершенным материалом для использования его в бронежилетах. Он оказался гораздо прочнее стали и кевлара, которые используются в создании военной амуниции сегодня. Результаты баллистических тестов показывают, что графен более стойкий при столкновении с пулей.

Графен – это слой углерода толщиной в один атом, который обладает потрясающими свойствами, а именно рекордной механической прочностью и небывалой теплопроводностью. Впервые этот материал был выделен учеными Константином Новоселовым и Андреем Геймом в 2004 году. А уже в 2010 оба ученых стали лауреатами Нобелевской премии по физике «за передовые опыты с двухмерным материалом – графеном».

Американские исследователи, сотрудники Университета Райса, организовали эксперимент, в рамках которого было устроено специальное небольшое стрельбище. По причине того, что инженерам и ученым еще пока не удалось разработать способ промышленного производства листов этого материала, специалисты были вынуждены проводить опыт на чрезвычайно малых в диаметре образцах графена. Стреляли в эти образцы микропулей из стекла.

Реклама на веке

При этом, авторы эксперимента также были вынуждены заменить порох на частицы золота, а для нагрева использовать лазер. В результате всех этих манипуляций, исследователям удалось добиться скорости выстреливания пули, равной 1080 км/ч. Такая скорость составляет примерно третью часть скорости обычной пули. Многие скептики оценили данные условия как «слишком мягкие». Тем не менее, авторы эксперимента утверждают, что данные условия были идентичны тем, в которых в свое время проверяли ударостойкость кевлара и стали. Результаты опытов показали, что прочность графена в 11 раз превышает прочность стали, и в два раза – кевлара.

Во время столкновения с пулей, графен, использовавшийся в листах (по 100 штук, сложенных вместе), поглощал ее кинетическую энергию за счет того, что вытягивался в сторону, обратную направлению выстрела. Из-за равномерного размещения атомов в кристаллической решетке графена, эта энергия распределялась по всей площади листов и повреждения свелись только к трещинам вокруг точки соприкосновения с пулей.

Графен защитит от пуль лучше стали

Свойства графена продолжают радовать ученых. Выяснилось, что этот недавно открытый учеными материал защищает от пуль лучше стали и кевлара. Уникальная прочность графена может быть востребована при создании защиты различных космических аппаратов от микрометеоритов, а также бронежилетов нового поколения.

Напомним, что графен был открыт сравнительно недавно. Это одноатомный слой углерода, который обладает уникальным набором свойств и характеристик, в частности, рекордной теплопроводностью и прочностью. Впервые этот материал был синтезирован в 2004 году физиками российского происхождения Константином Новоселовым и Андреем Геймом, которые на тот момент работали в Великобритании. В 2010 году оба ученых разделили за свое открытие Нобелевскую премию по физике. В 2011 году обоим ученым указом королевы Елизаветы II было присвоено звание рыцарей-бакалавров за заслуги перед наукой, что дает им право прибавлять к своему имени титул «сэр».

Одноатомный слой углерода, открытый учеными, может творить настоящие чудеса и уже признается многими материалом будущего. Графен прочнее и легче любых известных нам материалов, он в десятки раз лучше проводит электричество, чем предполагали теоретики, а также способен предотвращать процесс коррозии металла. Едва ли не каждый день ученые открывают какие-то новые свойства данного уникального материала, что позволяет расширять диапазон возможного применения графена в будущем, когда будет налажено его полноценное промышленное производство.

Сегодня графен производится главным образом в научных лабораториях и только в небольших объемах. Основной из существующих на сегодняшний день методов получения графена основан на механическом отшелушиваниии или отщеплении слоев графита от высокоориентированного пиролитического графита. Такой метод позволяет ученым получать наиболее качественные образцы материала, обладающие высокой подвижностью носителей. При этом данный метод не предполагает применения масштабного промышленного производства, так как это ручной труд. Пока что данную методику не удалось значительно улучшить, хотя работы в этом направлении ведутся. По этой причине листы графена все еще остаются очень дорогим материалом и сравнительно небольшим по размерам.

Команда ученых во главе с Томасом Эдвином из Университета Райса провела исследования и обнаружила, что графен обладает очень высокой, можно сказать исключительной, устойчивостью к микроскопическим высокоскоростным «пулям». По словам американских ученных, графен продемонстрировал отличную способность рассеивать энергию удара. Материал оказался в 10 раз прочнее лучшей на сегодняшний день стали и в 2 раза прочнее кевлара. Результаты исследования ученых были опубликованы в специализированном научном издании Science.

В ходе проведенного эксперимента ученые из Университета Райса обстреливали многослойные графеновые мембраны толщиной от 10 до 100 нм (это примерно от 30 до 300 слоев графена) с помощью крошечных сфер диоксида кремния. Данные графеновые мембраны были произведены классическим механическим способом: путем снятия хлопьев графена с кусков пиролитического графита. Для того чтобы проверить устойчивость графена на столь крошечных образцах, было решено использовать не стандартное огнестрельное оружие, а специальную технику на базе лазера. Лазерный луч испарял тонкую пленку золота толщиной примерно 50 нм, в итоге происходило взрывообразное расширение газа, которое ускоряло кремневую «пулю» до скорости примерно в 600 м/с. За тем, как мембрана из графена реагирует на такой удар, ученые наблюдали при помощи мощного электронного микроскопа.

Во время удара графен испытывал коническую деформацию: в стопке листов графена кремниевая сфера формировала воронку. При этом в верхних слоях происходило образование радиальных трещин, которые шли в направлениях, приблизительно соответствующих углам кристаллической решетки данного материала. Анализ результатов продемонстрировал, что в местах попадания «пуль» листы графена попросту вытягивались в конус, распространяя энергию удара вдоль линий кристаллической решетки материала. То есть энергия распространялась по наиболее устойчивым к разрыву направлениям. В случае пробития, вдоль этих линий образовывались трещины, которые расходились по кругу на некоторое расстояние от места попадания «пули». Помимо этого было установлено, что графен направляет часть кинетической энергии обратно в «пулю», благодаря чему листы графена рассеивали энергию удара гораздо эффективнее стали.

Если говорить на языке цифр, то графен в состоянии поглощать энергию порядка 0,92 МДж/кг, тогда как сталь в сопоставимых условиях обычно поглощает порядка 0,08 МДж/кг. Способность графена эффективно рассеивать энергию ученые объясняют высокой степенью жесткости в сочетании с низкой плотностью материала. Это означает, что энергия может перемещаться по материалу очень быстро, при этом происходит ее эффективное поглощение и рассеивание в пространство.

То, что графен является самым прочным материалом в мире, превышая по прочностным характеристикам даже алмазы, ученым было известно и раньше. Но вот способность сопротивления подобной брони «пулям» была доказана лишь сейчас в входе проведенного эксперимента. По словам одного из соавторов исследования Эдвина Томаса из Университета Рейса, слои графена в состоянии очень быстро рассеять энергию удара, прежде они разрушаться. Ученые отмечают, что подобный эффект в графене наблюдается только до тех пор, пока скорость выпущенных «пуль» в момент их удара с материалом не достигает скорости звука в материале. При этом внутри легкого графена скорость звуковой волны может достигать 22 км/с, в отличие от всего 332 м/с в воздухе.

Процесс получения графена

Обнаруженные учеными уникальные защитные свойства графена напоминают те, что можно наблюдать у керамической брони. Керамическая броня в состоянии так же активно поглощать энергию удара за счет разрушения высокопрочной молекулярной решетки. Ученые полагают, что возможная комбинация графена и керамики поможет в будущем создать легкую сверхпрочную броню, которую можно будет использовать при производстве бронежилетов. Такая броня при весе в 1-2 килограмма защищала бы солдата даже от бронебойных винтовочных пуль. По мнению ученых, открытые броневые свойства графена могут пригодиться человечеству в космосе: для защиты спутников и других космических аппаратов, например МКС, зондов, а также перспективных межпланетных кораблей при их перемещениях в опасных «замусоренных» уголках нашей Солнечной системы, к которым можно отнести Пояс Койпера.

Последние открытия ученых позволяют в будущем увеличить возможные варианты практического использования графена, однако они не могут решить проблему сложности процесса его изготовления и его высокой стоимости. Но даже несмотря на это, применение такого дорогостоящего материала и технологий на его основе может быть вполне оправдано, когда речь идет не о выпуске массовой коммерческой продукции (тех же бронежилетов), а об уникальных предметах, к примеру, для той же космической промышленности.

Графеновая броня в 10 раз эффективнее стали

Как сообщает сайт Королевского химического сообщества, группа инженеров из Института Массачусетса под руководством ассистента профессора Джэ-Хванг Ли провела испытания графена как возможного материала для создания брони. Учёные пришли к выводу, что многослойный материал из графена толщиной порядка 10-100 нм способен поглотить энергии в 10 раз больше, чем сталь, прежде чем разрушиться.

Джэ-Хванг Ли: «Наша группа первой опробовала сопротивление графена объектам, движущимся со скоростями, сравнимыми со скоростью пули. Поскольку испытания проводились на микроуровне, мы не могли использовать пистолеты и пули. Мы использовали лазер для ускорения микроскопического кремниевого снаряда, который ударял в мишень из многослойного графена». Снаряд врезался в мишень на сверхзвуковой скорости 600 м/с. В результате тестов было выявлено, что подобная мишень способна поглотить до 0.92 Мегаджоуля на килограмм. Для сравнения, сталь при такой скорости способна поглощать не более 0.08 МДж/кг.

Графен, двумерная кристаллическая решётка углерода, известен своими уникальными прочностными качествами. Как красочно заметил Джеймс Хоун, профессор из Колумбийского университета, «чтобы прорвать лист графена толщиной с ленту скотча, потребуется слон, балансирующий на карандаше». В способности графена поглощать удар нет ничего удивительного. Чем материал легче и плотнее, тем быстрее распространяется по нему звук и энергия от ударов. Графен – материал крайне лёгкий и плотный, скорость звука в нём превышает 20 км/с. Единственным препятствием к повсеместному использованию этого удивительного материала остаётся отсутствие надёжных способов его получения в макроскопических масштабах.

• Научно-популярное
• Нанотехнологии

Что такое графен, кто его открыл и где он применяется

Графен — это один из самых перспективных материалов, открытых в последние десятилетия. Он представляет собой одноатомный слой углерода, который обладает невероятными свойствами, такими, как высокая прочность, уникальная проводимость тепла и электричества. В этой статье мы рассмотрим основные свойства графена и его потенциальное применение в будущем.

Что такое графен и почему он уникален

Графен — это одноатомный слой углерода, представляющий собой двумерный материал с гексагональной кристаллической структурой. Он в миллион раз тоньше человеческого волоса и в 200 раз прочнее стали (разумеется, если сравнивать сталь аналогичной толщины), обладает наилучшей из известных материалов тепло- и электропроводностью, и при определенных условиях даже может быть легче воздуха.

Эти свойства делают его полезным для широкого спектра применений, включая электронику, энергетику, медицину, транспорт и многие другие области.

Кто открыл графен

Графен открыли в 2004 году британские ученые российского происхождения Андрей Гейм и Константин Новоселов. Работая в Манчестерском университете, они исследовали свойства углеродных материалов, в том числе графита. Экспериментируя с графитом, они смогли изолировать одноатомный слой углерода, который и получил название графен. Интересно, что в работе они использовали обычный скотч, который позволил отделить слой графита толщиной в один атом углерода. Результаты исследований были опубликованы в журнале Science. За свою работу Гейм и Новоселов были удостоены многих научных наград, в том числе Нобелевской премии по физике в 2010 году.

Безопасен ли графен

Графен состоит из углерода — естественного элемента, не имеющего токсичных свойств. Однако так как это относительно новый материал, свойства графена и его влияние на человека еще только предстоит изучить в долгосрочной перспективе. На текущий момент есть исследования, как доказывающие безопасность графена, так и приводящие к иным выводам. В частности, определенную опасность представляет оксид графена, например, стоит избегать его попадания в легкие.

Кроме того, при работе с графеном необходимо соблюдать соответствующие меры безопасности. Любой материал, может стать опасным, если его используют неправильно или непрофессионально.

Необычные свойства графена

Материал обладает уникальными свойствами, которые делают его полезным для создания различных устройств и технологий. Среди его основных достоинств можно выделить высокую прочность, электропроводность, теплопроводность и прозрачность.

1. Высокая прочность. Это тонкий и прочный материал, который может выдерживать внушительный вес, не ломаясь. Предел его прочности равен 55 Н · м −1. Например, гамак из графена площадью 1 квадратный метр может выдержать кошку весом 4 килограмма, при этом гамак будет практически невидимым.
2. Высокая электропроводность. По этому показателю он превосходит, например, медь. Более того, показатель подвижности носителей заряда в графене выше, чем в кремнии. Это делает его полезным для создания электронных устройств.
3. Высокая теплопроводность. Материал может передавать тепло очень быстро и эффективно (в 10 раз лучше меди), что делает его полезным для создания теплоотводов и терморегулирующих устройств, например, термопасты или охлаждения для центрального процессора компьютера.
4. Прозрачность. Такой тонкий материал сложно увидеть, к тому же он поглощает 2,3% падающего света, поэтому практически прозрачен.
5. Гибкость. Он может быть изогнут в разные формы без потери своих свойств. В сочетании с электропроводностью и прозрачностью материал можно использовать, например, при создании гибкой электроники.

Где уже используют графен

Новый материал уже сейчас используется в различных областях и порой находит совершенно неожиданное применение: от изготовления более легких и прочных теннисных ракеток до использования в составе одежды, для питания внешних светодиодов и в солнечных батареях.

• Электроника. В продаже можно найти самую разную электронную продукцию. Так, канадская компания Ora Graphene Audio выпустила графеновые наушники. Благодаря тому, что материал отлично проводит тепло, он применяется в системах охлаждения смартфонов, также его добавляют в термопасту. Одно из популярных сегодня направлений — аккумуляторы. Существуют даже графеновые лампочки, которые экономичнее и долговечнее светодиодных аналогов.

• Медицина. Применение этого инновационного материала в медицине носит широкий характер: от самых простых изделий вроде медицинских масок до браслетов для мониторинга и борьбы с диабетом и в качестве средства доставки лекарств к раковым клеткам.
• Транспорт. Материал может применяться в создании легких, прочных и гибких материалов для авиации и автомобилестроения. Например, в 2018 году был представлен первый в мире беспилотный летательный аппарат с графеновым покрытием. А простые граждане уже сейчас могут купить велосипедные шины с графеном, спрей-покрытие для защиты кузова автомобиля и присадку для моторного масла.
• Защита. Благодаря высокой прочности этот материал используется для создания защитных покрытий: бронежилетов, шлемов, брони для техники и т. п. Так, китайский ударный вертолет Z-10 получил броню из графена, а в тайской армии закупают инновационные бронежилеты для защиты солдат.

Где можно применять графен в будущем

Этот материал может быть использован для создания новых технологий и продуктов. Его изучением занимаются ученые из разных стран, в нем заинтересованы крупные компании, такие, как Airbus, Samsung, IBM и многие другие. Ниже перечислены лишь некоторые возможные области применения материала в будущем, и его потенциал может быть еще больше раскрыт в научных исследованиях и разработках.

• Квантовые вычисления. Для создания квантовых компьютеров, которые будут работать намного быстрее и эффективнее, чем современные компьютеры. В частности, финские ученые разработали болометр (инструмент для измерения энергетического состояния кубитов) на основе графена, у которого рекордная чувствительность, что позволяет существенно снизить энергопотребление квантовых компьютеров и сделать их компактнее.
• Робототехника. Производство гибких и прочных материалов для роботов, которые будут иметь возможность двигаться и приспосабливаться к различным условиям. Например, индийские ученые рассказывают о самовосстанавливающейся коже для андроидов, а в Австралии разработали биосенсор из графена, позволяющий управлять роботами.
• Космические исследования. Производство легких и прочных материалов для космических кораблей, космических станций и спутников. Так, в Китае ученые предложили перемещаться в космосе при помощи солнечных парусов, изготовленных из графена, а графеновая броня сможет защитить космические аппараты от микрометеоритов.
• Экология. Фильтры с применением графена можно использовать для очистки воды и воздуха, а также для создания более эффективных и экологически чистых источников энергии. Возможно применение и на атомных электростанциях с целью повышения экономичности и снижения вредных выбросов углекислого газа.

Почему графен до сих пор не используется массово

Хотя этот материал имеет огромный потенциал во многих областях, его применение в промышленных масштабах все еще ограничено технологическими проблемами и высокой стоимостью производства. По данным на 2020 год, стоимость тонны графена составляла до $200 000. Однако ученые постоянно находят новые способы производства, например, использование углеродосодержащих отходов в качестве сырья для получения графена, что позволяет снизить затраты. При этом некоторые идеи приходят совершенно случайно.

Для промышленного использования графена необходимо проводить дополнительные исследования и тестирования, инвестировать время и средства, поэтому не стоит ожидать, что все крупные компании в одночасье смогут наладить выпуск продукции. К примеру, компания Ford начала изучение графена в 2014 году, в 2022-м компания применяет его в производстве, используя как добавку к полиуретановой пене, которой обрабатывают кузов автомобилей для снижения шума и вибраций. Серьезно подходят к исследованиям и другие крупные компании вроде химического гиганта BASF или южнокорейского производителя электроники LG.

Таким образом, графен рано или поздно будет применяться массово, однако это не может произойти моментально.

Что еще почитать и посмотреть о графене

1. «Предыстория графена» — статья на сайте «За науку», которая описывает историю открытия и развития представлений о двумерных материалах в физике.
2. «Методы получения графена» — статья на сайте «Русграфен», российской компании, запустившей производство CVD-графена.
3. «Главный элемент жизни» — видео на канале Droider, в котором рассказывается об углероде и других материалах на его основе.
4. Graphene — What Is It? — англоязычная статья на сайте Graphenea, одной из лидирующих компаний по производству графена.

Это тоже интересно:

• Кто такие гуманоиды
• Взаимодействие программных систем
• Уникальные телескопы: как Китай начинает искать внеземную жизнь