Подписка
Автор: 
 Николай Михайлович Максимов, e-mail: nikamax@gmail.com

Перспективы использования графена не ограничиваются энергетикой и электроникой, о чем было рассказано во 2 части статьи. Рассмотрим некоторые наиболее привлекательные или малоизвестные применения графена, его производных и композиционных материалов на их основе.

 

ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

Появление легких малогабаритных и мощных Li-ионных батарей и суперконденсаторов с большой емкостью инициировало серьезные повороты в производстве автотранспорта с бензиновым и дизельным топливом к созданию и переходу на массовый электрический транспорт. Это затронуло не только легковые автомашины, но и грузовой транспорт, а также легкий персональный транспорт типа велосипедов, скутеров, сигвэев, самокатов и т. д. Начало широкому распространению электрического транспорта положила компания «Тесла» И. Маска, которая начиная с 2008 года сегодня не только выпускает около 1 млн легковых электроавто 4-х типов в год на двух предприятиях (в Fremont, California, США и Gigafactory Shanghai, КНР), но и подготовила к запуску серию грузовых электрических автомобилей типа Tesla Semi, Cybertruck (www.tesla.com). Важно отметить, что компания производит также Li-ионные батареи для своих автомобилей, а также солнечные преобразователи и накопители электрической энергии Powerwall, Powerpack and Solar Roof, которые можно использовать также для домашнего хозяйства и бизнеса. И это соответствует философии компании: чистый транспорт и производство чистой энергии. Недорогие электрический транспорт и батареи, производство возобновляемой энергии и ее хранение  — все это существует по отдельности, но объединенное вместе дает поразительный эффект.
Практически все автомобильные гиганты начали также разработку и выпуск своих моделей электрических автомобилей.

 

Требования к батареям с различными материалами в качестве электродов и электролита: долговременная стабильность, устойчивость к окружающей среде, себестоимость изготовления, дефекты материалов и т. д. В работе [1] проведен анализ использования графена и оксида графена в виде специально разработанной бумаги в качестве среды с высокой электропроводностью для повышения электрохимической производительности батарей и суперконденсаторов, в частности, для гибкой электроники.

 

Наряду с литий-ионными батареями продолжаются исследования других типов плоских графеновых электродов на основе натрий-ионных композиций, литий-серных, алюминий-ионных, работающих как в водных, так и безводных электролитах.
Введение графена в углеродные волокна дает возможность получить высокие механические характеристики при минимальном весе для ряда продуктов, как, например, рамы для велосипедов компании Dassi (UK), шины и обода для велосипедов компании Vittoria Industries (рис. 1). При этом вес рамы составляет 750 г и может быть уменьшен до 500 г (рис. 2), вес вилки 290 г.

 

Рис. 1. Структура шины для велосипеда с использованием графена

Рис. 1. Структура шины для велосипеда с использованием графена

 

Рис. 2. Велосипед Dassi с применением графена

Рис. 2. Велосипед Dassi с применением графена
 

 

Для шин введение графена увеличивает срок жизни, решает проблему гашения вибраций, стабилизирует устойчивое поведение шины на мокрой дороге и при предельных поворотах на большой скорости защищает шину от проколов.
Поскольку графен и его производные не содержат галогенов, их можно рассматривать в качестве добавок в эффективные экологичные огнестойкие полимерные материалы. Защитный эффект основан на снижении доли превращения горючего материала в опасную газообразную форму за счет формирования защитного барьера из обугленного материала, который уменьшает приток топлива, тепла и кислорода. При этом высокая удельная поверхность графеновых материалов позволяет им адсорбировать летучие компоненты, поддерживающие горение, а наличие карбоксильных, гидроксильных и эпоксидных групп в графене и особенно в оксиде графена позволяет также поглощать часть тепла на отщепление этих групп, тем самым охлаждая полимерную подложку. За счет этого также снижается доля токсичных материалов, выделяемых при горении [2]. Образующаяся трехмерная структура при горении полимерного материала с указанными наполнителями препятствует капельному течению горящего материала, то есть распространению огня. Особенно эффективны добавки графена и его производных в малых количествах в перспективные огнезащитные материалы на основе неорганических наноматериалов. Необходимо решить проблему равномерного перемешивания графеновых материалов в полимерной матрице, а также предотвратить образование в ней конгломератов из графена, особенно при высоких температурах.

 

Еще одно важное перспективное направление по использованию материалов на основе графена связано с высокой электропроводностью углеродных нанотрубок (CNT) и, возможно, графеновых чешуек, очищенных и специальным образом выровненных. Их использование  позволит создать проводники, которые заменят ныне широко используемые медные провода в различных приложениях в электротехнике: электромоторах, генераторах, соленоидах и трансформаторах. Более легкие и компактные приборы на основе графена открывают новую эру в электротранспорте за счет применения легких мощных электродвигателей и накопителей электроэнергии (батарей и суперконденсаторов с графеном). Высокотемпературная сверхпроводимость графеновых материалов при особых условиях обеспечит минимальные потери электроэнергии при генерации, передаче, хранении и использовании огромных количеств энергии.

 

 

ФИЛЬТРЫ, ОЧИСТКА ВОДЫ

 

Нехватка чистой воды для потребления вызывает необходимость очистки имеющейся воды от механических примесей, растворенных солей и в том числе биоочистке от микроорганизмов (вирусов, бактерий и простейших одноклеточных организмов).
Традиционно дезинфекция воды проводится с помощью хлорирования, что небезопасно для здоровья из-за появления канцерогенных и мутагенных продуктов. По той же причине метод озонирования также непригоден для обеззараживания воды, тем более он более затратный по сравнению с хлорированием. УФ-облучение дает временный эффект, поскольку после удаления излучения возобновляется рост бактерий. Поэтому проблема дезинфекции загрязненной воды новыми методами, безопасными для окружающей среды и для здоровья человека, остается актуальной. Решение может быть найдено за счет использования фотокатализа, в котором активное вещество, например TiO2, под действием солнечного света создает активные формы кислорода — мощные окислители [3].

 

Они способны дезактивировать практически все микроорганизмы в воде. Двуокись титана наиболее распространенный катализатор из-за низкой стоимости, нетоксичности, высокой эффективности и долговременной фотостабильности.
TiO2 материал с уникальными свойствами существует в нескольких кристаллических формах: стабильный Rutile и метастабильные Anatase и Brookite. Последние две формы при повышении температуры переходят в Rutile, их стабильность зависит также от размера частиц — чем меньше размер, тем устойчивее состояние.

 

Поскольку образование окислителей происходит под действием УФ-излучения, доля которого в солнечном спектре всего 4%, были найдены катализаторы, работающие в видимом спектре. Под действием света в полупроводнике образуется пара «электрон–дырка», которая на поверхности катализатора образует окислители: электрон расщепляет молекулу кислорода и создает •O, «дырка» взаимодействует с молекулой воды и создает •OH. При этом необходимо принимать меры против рекомбинации образующихся пар «электрон–дырка».
Катализаторы, работающие при видимом свете, получают за счет легирования, например, TiO2 с помощью Pt или Ag. Много работ посвящено легированию TiO2 несколькими элементами одновременно: B-Ni, Fe-Cd, а также красителями (TPPN). Композитные катализаторы на основе TiO2 c равномерно распределенными по объему частицами CdS успешно работают при видимом излучении, при котором пара «электрон–дырка» образуется в CdS, электроны переходят в TiO2, где и образуют активные окислители. Эффективность дезактивации таких катализаторов оценивают в 99,9% для некоторых типов бактерий за 10 минут. Аналогичные результаты были получены с парами CeO2 /TiO2, SnO2 /TiO2, ZnO/TiO2, CdSe/ZnS–TiO2 и другими [4].

 

Хорошие перспективы в качестве фотокатализатора у графена, который обеспечивает высокую подвижность носителей заряда в реакциях фотокатализа. Так, для TiO2 нужно УФ-излучение, а при добавлении графена реакции фотокатализа происходят при видимом свете и дезактивации подвергается больше число микроорганизмов. Также улучшаются бактерицидные свойства фотокатализаторов GO-TiO2-Ag с использованием листов оксида графена GO, TiO2 и наночастиц Ag.

 

Еще более высокие характеристики были получены при использовании листов оксида графена GO после его сульфатации и превращения в SGO, на которых в дальнейшем выращивался слой наностержней ZnO и добавлялись наночастицы Ag.

 

Графен и его производные использовались в качестве добавок в композитных фотокатализаторах типа GO/Ag3PO4, GO/CdS, RGO/Bi2MoO6 [5], In2S3. Улучшение бактерицидных свойств таких катализаторов обусловлено высокой удельной поверхностью, что обеспечивает легкую абсорбцию большего количества клеток бактерий, а также высокой электронной проводимостью, которая способствует разделению зарядов и их перемещению.

 

В работе [6] предложен способ опреснения морской воды материала на основе графена, в котором некоторые углеродные связи заменены ацетиловыми. Этот новый материал получил название графин (Graphyne). Он способен пропускать через себя воду с эффективностью в сто раз выше, чем традиционные мембранные фильтры, и задерживает 100% ионов солей, которые имеются в морской воде.

 

Фильтры для очистки воды разделяются на 4 категории:
— микрофильтры (МФ) имеют мембраны с порами 1–0,1 мкм для отделения крупных частиц типа коллоидов, макромолекул, бактерий);
— ультрафильтры (УФ) с порами 0,1–0,01 мкм задерживают вирусы и тяжелые макромолекулы и позволяют воде и растворенным легким макромолекулам проходить сквозь мембраны;
— нанофильтры (НФ) с порами 0,1–0,001 мкм задерживают двухвалентные ионы и пропускают одновалентные;
— фильтры обратного осмоса (ОФ) используют мембраны < 0,001 мкм, работают при высоком давлении и задерживают практически все загрязнения, обеспечивая 100% чистую воду.

 

Для изготовления мембран используют различные полимеры: Polyethylene Glycol (PEG), Polysulfone membrane (PSf) и Polyvinyl Pyrrolidone (PVP) — для воды; Cellulose Acetate (CA) в сочетании с углеродными нанотрубками, Cellulose Triacetate (CTA) подобраны для ультратонкой очистки и для разделения газов из-за их стойкости, биосовместимости и экономичности [7].

 

Одна из важных проблем при использовании мембранных фильтров — это борьба с обрастанием, при котором на поверхности мембран и в их порах оседают макромолекулы (полисахариды, протеины), коллоиды, микроорганизмы (бактерии и вирусы) и соли. Обрастание приводит к снижению потока фильтруемой среды и уменьшению срока жизни фильтров. Можно определиться с типами обрастания и предложить для каждого из них свои методы устранения. Так, отложение минеральных солей кальция и магния (Ca3(PO4)2, CaCO3, CaSO4) связано с перенасыщением раствора на поверхности мембран. Коллоидные отложения образуются из окислов и гидроксидов железа и тяжелых металлов, кремния, а также органических коллоидов (протеинов). Органические отложения формируются из растворенных в воде органических материалов, таких как продукты жизнедеятельности микробов, гумус, полисахариды и протеины.

 

Биообрастания фильтров связаны с осаждением на фильтрах микроорганизмов (грибки, бактерии, вирусы и внеклеточные материалы типа протеинов, липидов, и т. д.) из-за их высокой адгезии к материалу фильтра и последующего роста в благоприятной для развития среде. Методы борьбы с обрастаниями включают традиционные способы очистки типа смывания противотоком, химической очистки мембран кислотами, каустической содой, гипохлоридом, ультразвуковой обработкой, а также перспективными методами, предотвращающими обрастание мембран. Наиболее перспективными считаются способы модификации поверхности мембран различными добавками, как, например, хитозан, крахмал, FeCl3, а также оксидом графена, углеродными нанотрубками, наночастицами оксидов металлов (ZnO, SiO2, TiO2, Mg(OH)2, Al2O3, CaCO3), цеолитом, серебром. Гибридные материалы, включающие наночастицы серебра с оксидом графена, наночастиц меди, показали также высокую антимикробную активность. Графеновые материалы разрушают мембраны клеток вирусов и препятствуют разрастанию колоний вирусов [8] за счет окисления протеинов, нейтрализации энзимов. Хотя точный механизм воздействия графена и его производных на вирусы пока неизвестен. Наибольший антибактериальный эффект получается при сочетании графена и его производных с металлами и их окислами в виде композитных материалов, например, Cu-GO, Ag-GO [9].

 

Уникальные свойства имеют мембраны с использованием наночастиц TiO2, которые служат в качестве фотокатализатора при разрушении органических загрязнений в воде и препятствуют обрастанию мембран. Дополнительное легирование наноматериалов с TiO2 некоторыми элементами типа N, Pd позволяет использовать не только УФ-часть солнечного спектра, но и его видимую часть. Гибридные материалы с наночастицами ZnO широко применяются для изготовления мембран для ультрафильтрации в медицине.

 

В работе [10] подробно описаны технологии, материалы, свойства и области применения мембран для очистки воды от загрязнений, способы предотвращения мембран от обрастания за счет органических и неорганических отложений, придание мембранам антимикробных и антибактериальных свойств, продление времени жизни мембран. Указанные способы обработки мембран позволяют улучшить смачиваемость мембран, их механические свойства, химическую и термическую стойкость, селективность, стойкость к солеобразованию и в конечном счете повысить эффективность работы мембран [11].

 

Мембраны с оксидом графена (GO) используют для разделения ионов и молекул в газовой среде за счет формирования специальных наноканалов из GO [12].    

 

 

МЕДИЦИНА И БИОМЕДИЦИНА

 

Графен и материалы на его основе могут найти широкое применение в медицине и биомедицине, поскольку имеют такие уникальные свойства, как биосовместимость, высокая растворимость, большая емкость в качестве транспорта лекарств, возможность легкого проникновения через мембраны клеток, высокая чистота [13]. Это прежде всего биосенсоры, применение в диагностике для визуализации, в разработке антивирусных/антибактериальных материалов, использование в противораковой деятельности, целенаправленной доставке лекарств, электростимуляции клеток, а также в тканевой инженерии.

 

В силу электропроводности графена его можно использовать в качестве датчиков различного назначения для человека, например, для регистрации предынфарктного состояния с последующим оповещением врача или для контроля уровня сахара в крови.
В работе [14] выполнен большой обзор работ за последние десять лет (2008–2019) по применению двухмерных материалов в диагностике и борьбе с раковыми заболеваниями в персонализированной медицине (Theranostics: therapeutics+diagnostics). К таким материалам относятся графен и его производные, MXene, WS2, MoS2, h-BN, черный фосфор (BP), силикат, антимонен (AM), германен, биотит (черная слюда), металлорганичекие каркасы (MOFs). Ее целью было показать возможности и ограничения 2D-материалов при применении в клинической практике для доставки лекарств и генов, в иммунотерапии и т. д. (рис. 3)

 

Рис. 3. Графическое представление приложений theranostics для 2D-материалов на основе графена, его производных и композитов с графеном

Рис. 3. Графическое представление приложений theranostics для 2D-материалов на основе графена, его производных и композитов с графеном
 

 


Требования к 2D-материалам:
— отсутствие токсичности, биосовместимость;
— избирательная токсичность для всех раковых клеток или индивидуально для персонифицированной медицины;
— биодеградация со временем или выведение из организма;
— во время транспортировки лекарств к месту назначения 2D-материалы должны защищать лекарства от разложения, поддерживать их высвобождение и избирательно воздействовать на раковые клетки;
— при проектировании для фототермической терапии (РТТ) 2D-материалы должны быть стабильными и иметь большие сечения поглощения на определенных длинах волн возбуждения;
— при проектировании для фотодинамической терапии (PDT) 2D-материалы должны быть в состоянии действовать как фоточувствительные агенты, будучи активированными светом определенной длины волны, и создавать активный кислород, который убивает ближайшие клетки (рис. 3).

 

PTT предполагает локальное воздействие на фоточувствительный агент, который поглощает электромагнитное излучение и превращает его в тепловую энергию. В отличие от традиционной радио- и химиотерапии широкого действия, PTT может глубоко проникать в ткани и избирательно воздействовать на клетки опухоли, не затрагивая окружающие здоровые ткани. PDT работает с поверхностными тканями пищевода, мочевого пузыря и кожи (меланома). В этом случае фоточувствительный агент поглощает видимый свет, и его воздействие совместно с активным кислородом (1O2) и свободными радикалами приводит к окислению клеточных и внутриклеточных структур, таких как плазма, мембраны хранилищ лизосом (энзимов), митохондрий и ядер клеток, и в конечном счете вызывает невосстановимые повреждения клеток опухоли. Идеальными кандидатами на роль фоточувствительных агентов могут быть графеноподобные материалы, они также могут быть носителями нужных наночастиц для формирования дополнительных магнитных, радиоактивных или электрохимических свойств в качестве инструмента для терапии опухолей.

 

К основным недостаткам традиционной химиотерапии можно отнести широкий спектр воздействия лекарств, что приводит к нарушению работы некоторых органов, поскольку доставка лекарств происходит через кровь, при этом время их жизни достаточно короткое. С другой стороны, нынешняя ситуация с доставкой 2D-наноматериалов в качестве антираковых препаратов непосредственно в раковую опухоль пока далека от широкого клинического использования — только 1% наночастиц обычно достигает опухоли. Применение графеновых материалов с высокой удельной поверхностью позволяет использовать большую загрузку лекарств в 2D-структуры и активировать их в нужном месте за счет температуры, pH среды. Однако пока слабо исследована тема распространения и накопления наночастиц в организме человека, так же как и связанная с ней проблема избирательности транспорта лекарств.

 

Графен и его производные могут взаимодействовать с различными клеточными компонентами, такими как мембраны, протеины, ДНК, и тем самым вызывать различные реакции между наночастицами и бактериями, поэтому крайне важно изучать ожидаемые антибактериальные свойства таких материалов. Как было показано в работе [15], антибактериальная активность материалов сильно зависит от их физико-химических характеристик, таких как форма и размер, растворимость в воде и концентрация, функциональность и чистота наноматериалов с графеном.
Важной проблемой при использовании наноматериалов с графеновыми добавками в биомедицине является надежность и повторяемость результатов применения как самих материалов, так и процессов. Кроме того, нет надежных данных по долговременному влиянию графена и его производных на иммунную систему, репродуктивность и т. д., поскольку графен как неорганический материал биологически не разрушается в организме, в отличие от классических органических средств доставки лекарств. Изучение токсикологичности графеновых материалов важно как с точки зрения их безопасного использования, так и применения в качестве терапевтических средств типа антибиотиков или противораковых средств. Другое важное применение графеновых материалов заключается в их комплексном терапевтическом использовании, например, в двух и более одновременно, типа PTT, PDT, фотоакустическая и фотокаталитическая терапия и т. д. в сочетании с традиционными лекарственными препаратами.

 

Требует дальнейшего развития технология визуализации в биомедицине с использованием материалов на основе GQD (графеновых квантовых точек), имеющих низкую токсичность.
Графен и его производные имеют большой потенциал в использовании в качестве гидрогелей, в частности для производства тканей для сердца, а также в области нейробиологии, в тканевой инженерии при создании костей, хрящей, мускулов, кожи и жиров [16]. Графеновые наноструктуры используют при расшифровке ДНК [17].

 

3D-ПЕЧАТЬ

 

В работе [18], выполненной в Институте керамики в КНР, предложен способ 3D-печати чернилами на основе дисперсии графена в этаноле, получаемой с помощью ультразвука. Для печати использовался биопринтер Regenovo с соплами диаметром 0,3–0,5 мм и скоростью перемещения сопла 5–15 мм/с. Пример печати сотовой структуры показан на рис. 4. Видно, что листы графена сориентированы вдоль оси филамента (экструдируемой нити из сопла принтера). За счет печати сотовой структуры, при которой сохраняются высокие механические характеристики, присущие графену, можно получать ультралегкие, гибкие и прочные материалы для различных приложений.

 

Рис. 4. 3D-печать образцов с сотовой структурой при разном увеличении: а) масштаб 1:1, b) макромасштаб, с) микромасштаб

Рис. 4. 3D-печать образцов с сотовой структурой при разном увеличении: а) масштаб 1:1, b) макромасштаб, с) микромасштаб
 

 

Один из популярных материалов для 3D-печати — это полимер PLA (на основе полимолочной кислоты, поэтому он может биоразлагаться). Обычно он усилен различными добавками, которые улучшают механические свойства (прочность на разрыв, изгиб, ударную прочность) и теплопроводность. Примером таких добавок может служить базальтовое фиброволокно (10–30% по массе) с наночастицами талька (магниевый силикат: Mg3Si4O10(OH)2, 2D, 5–15%) и нановолокнами сепиолита (магниевый силикат: Si12Mg8O30(OH)4(OH2)4 . 8H2O, 1D, 5–10%), которые повышают прочностные характеристики в 1,5–2,5 раза [19]. Аналогичный результат получается при использовании графеновых материалов, например, углеродных нанотрубок.

 

Компании «Русграфен» и «Графенокс» (РФ) создали линейку электропроводящих красок и чернил на основе графена, предназначенных для создания методами трафаретной и струйной печати гибких шлейфов и электрических плат, RFID- и NFC-меток.
Графеновые краски также применимы в качестве эффективных антистатических, защитных и нагревательных покрытий.

 

 

СТРОИТЕЛЬСТВО

 

Большинство примеров разрушения бетонов связано с наличием дефектов в структуре цемента, которая образуется за счет реакции гидратации — взаимодействия цемента с водой. При этом цемент из порошка превращается в кристаллические волокна, которые со временем сцепляются друг с другом, образуя внутреннюю матрицу бетона. Поэтому многие специалисты предлагали добавлять в цемент наноматериалы для получения новых свойств матрицы. Так, введение углеродных нанотрубок (carbon nanotubes — CNTs) [20], оксида графена (graphene oxide — GO) [21] в цемент увеличивает прочность на сжатие на 50% (CNT) и на 33% (GO), при этом введение тонких (толщиной 100 нм) чешуек промышленного графита заметно улучшает теплопроводность [22]. Водопроницаемость бетона с подобными добавками уменьшается на 400% по сравнению со стандартным бетоном. При соблюдении всех требований проекта при строительстве здания потребуется вполовину меньше такого бетона с добавками графена.

 

Добавки в строительные смеси на основе цемента графена в виде многослойных чешуек (GNP — graphene nanoplatelet), углеродного волокна (VCF — virgin carbon fibers, 0,05% от объема) и восстановленного углеволокна (RCF — recycled carbon fibers, 0,2% от объема) не только улучшают механические характеристики изделий из таких смесей, но и позволяют проводить постоянный контроль за состоянием сооружения [23]. К таким параметрам относятся внутренние напряжения, давление, трещины, температура и т. д. Мониторинг состояния сооружений повышает их безопасность, долговечность и эксплуатационные качества. Осуществляется мониторинг с помощью неразрушающих методов путем регистрации pH среды, влажности и степени коррозии арматуры, а также сенсоров, фиксирующих появление трещин и разрушений. Работа таких сенсоров основана на измерении электросопротивления материала с добавками GNP (~4–6,4% от веса цемента), при такой концентрации GNP сопротивление материала зависит от нагрузки.

 

Результаты тестирования бетонных смесей с добавками графена показали следующие преимущества:
— на 16% увеличение прочности на растяжение;
— на 22% увеличение прочности на сжатие;
— на 12% улучшение модуля упругости;
— на 72% снижение проницаемости для воды и солей.

 

 

Заключение

 

 

Уникальные свойства GRM позволяют использовать их в качестве ключевых материалов-прекурсоров для исследований и разработок во многих областях: хранении энергии, электронике, очистке от загрязнений, в нефтегазовой отрасли, в области катализаторов, при создании тонких пленок, сенсоров и биосенсоров, в создании композитных материалов с новыми свойствами и другими еще не открытыми приложениями.

 

Пять лет назад группа экспертов сделала прогноз по графеновым материалам и их производным (GRM) на период в 10 лет [24] с разбивкой по срокам: 2–3 года, 3–7 лет, 7–10 лет. Можно самостоятельно проанализировать, насколько точным оказался прогноз по ключевым направлениям, что нового появилось за это время, что не попало в прогноз, но по факту окажет огромное влияние на перспективы использования GRM. При этом важно отметить академические и промышленные аспекты GRM.

 

1. Фундаментальные исследования и разработки материалов и компонентов GRM для электроники:
• период 2–3 года: понимание основных кинетических процессов и влияние на них дефектов;
• период 3–7 лет: изучение электронных, оптических и термомеханических свойств гибридных структур на основе различных 2D-кристаллов с графеном, определение ограничений для них, внедрение 10 нм и затем 5 нм производственной технологии;
• период 7–10 лет: интеграция гибридных приборов и развитие метрологических систем на основе графена, а также высокотехнологичного инструментария для электроники.

 

2. Биомедицина и биотехнологии: основная проблема — решение вопросов безопасности использования GRM, оценка их влияния на клетки и организмы.

 

3. Сенсоры:
а) портативные умные приборы:
– носимые умные приборы с сенсорами состояния,
– гибкие и портативные умные приборы для развлечений и поиска в интернете,
– частично или полностью гибкие мобильные телефоны;
б) энергонезависимые автономные сенсоры:
– химические и биосенсоры для контроля качества пищи, контроля безопасности, контроля окружающей среды, датчики ДНК,
– гибкие приборы для сбора и хранения энергии,
– умные сенсоры, интегрированные в изделия,
– искусственная сетчатка.

 

4. Гибкие приборы и устройства:
– получение GRM-материалов для печати электроники на гибких подложках,
– гибкие антенны, чувствительные экраны, пользовательские интерфейсы, печатные RFID-метки, гибкие светодиоды (OLED), электронная бумага в рулоне,
– гибкие приборы с искусственным интеллектом.

 

5. Приборы для энергетики:
– легкие энергоемкие устройства для многоразового хранения и использования электрический энергии (батареи и суперконденсаторы),
– легкие устройства (топливные элементы) для безопасного хранения и использования водорода.

 

6. Получение GRM и композитных материалов на их основе для применения в различных приложениях, в промышленных масштабах и высокого качества. Очевидно, что материалы с менее высокими требованиями первыми появятся на рынке, например, для гибких электронных приборов, солнечных элементов, батарей и суперконденсаторов. Приборы, которые требуют высокого электронного уровня качества, как, например, для приборов с изменяющейся памятью, в спинтронике (твердотельная электроника с использованием спина электрона), появятся значительно позже только после отработки технологии их получения.

 

7. Новые свойства GRM в гибридных материалах — высокотемпературная сверхпроводимость при малом угле поворота листов графена и односторонняя теплопроводность — откроют новые приложения для GRM-материалов.

 

 


Литература
1. Free-standing graphene paper for energy application: Progress and future scenarios R. Karthick, Fuming Chen, Сarbon 150 (2019) 292e310.
2. Stec A. Fire toxicity — The elephant in the room? Fire Safety J 2017; 91: 79–90.
3. Advances in photocatalytic disinfection of bacteria: Development of photocatalysts and mechanisms. Wanjun Wang, Guocheng Huang, Jimmy C. Yu, Po Keung Wong. JOURNAL OF ENVIRONMENTAL SCIENCES 34 (2015) 232–247.
4. Kongsong, P., Sikong, L., Niyomwas, S., Rachpech, V., 2014. Photocatalytic antibacterial performance of glass fibers thin film coated with N-doped SnO2/TiO2. Sci. World J. 2014, 869706.
5. Zhang, Y., Zhu, Y.K., Yu, J.Q., Yang, D.J., Ng, T.W., Wong, P.K., et al., 2013. Enhanced photocatalytic water disinfection properties of Bi2MoO6-RGO nanocomposites under visible light irradiation. Nanoscale 5 (14), 6307–6310.
6. A. Subramani, J. G. Jacangelo, Emerging desalination technologies for water treatment: a critical review, Water Res. 75 (2015) 164–187.
7. Yu Y, Wu QY, Liang HQ, Gu L, Xu ZK (2017) Preparation and characterization of cellulose triacetate membranes via thermally induced phase separation. J App Polym Sci 134.
8. Das MR, Sarma RK, Saikia R, Kale VS, Shelke MV, et al. (2011) Synthesis of silver nanoparticles in an aqueous suspension of graphene oxide sheets and its antimicrobial activity. Colloids and Surfaces B Biointerfaces 83: 16–22.
9. Li J, Liu X, Lu J, Wang Y, Li G, et al. (2016) Anti-bacterial properties of ultrafiltration membrane modified by graphene oxide with nano-silver particles. J Colloid Interface Sci 484: 107–115.     
10. A Comprehensive Review on Polymeric Nano-Composite Membranes for Water Treatment Zahid et al., J Membr Sci Technol 2018, 8:1 DOI: 10.4172/2155–9589.1000179
11. Lee J, Chae HR, Won YJ, Lee K, Lee CH, et al. (2013) Graphene oxide nanoplatelets composite membrane with hydrophilic and antifouling properties for wastewater treatment. J MemSci 448: 223–230.
12. Lim MY, Choi YS, Kim J, Kim K, Shin H, et al. (2017) Cross-linked graphene oxide membrane having high ion selectivity and antibacterial activity prepared using tannic acid-functionalized graphene oxide and polyethyleneimine. J Mem Sci 521: 1–9.
13. Benchmarking of graphene-based materials: real commercial products versus ideal graphene. A. Kovtun, E. Treoss, N. Mirotta, A. Scidà, A. Liscio, M. Christian, F. Valorosi, A. Boschi, R. Young, C. Galiotis, I. Kinloch, V. Morandi, V. Palermo. https://doi.org/10.1088/2053–1583/aafc6e
14. Graphene and other 2D materials: a multidisciplinary analysis to uncover the hidden potential as cancer theranostics, L. Fusco, A. Gazzi, G. Peng, Y. Shin, S. Vranic, D. Bedognetti, F. Vitale, A. Yilmazer, X. Feng, B. Fadeel, C. Casiraghi, L. Delogu, Theranostics 2020, Vol. 10, Issue 12, 5435–5488. doi: 10.7150/thno.40068
15. Hegab HM, ElMekawy A, Zou L, Mulcahy D, Saint CP, Ginic-Markovic M. 2016 The controversial antibacterial activity of graphene-based materials. Carbon 105, 362–376. (doi:10.1016/j.carbon.2016. 04.046)
16. Shin SR et al. 2016 Graphene-based materials for tissue engineering. Adv. Drug Deliv. Rev. 105, 255–274. doi:10.1016/j.addr.2016.03.007
17. Heerema SJ, Dekker C. 2016 Graphene nanodevices for DNA sequencing. Nat. Nanotechnol. 11, 127–136. doi:10.1038/nnano.2015.307
18. Three-dimensional graphene-based materials by direct ink writing method for lightweight application. Xiao You, Jinshan Yang, Qian Feng, Kai Huang, Haijun Zhou, Jianbao Hu, Shaoming Dong, International Journal of Lightweight Materials and Manufacture 1 (2018), 96–101.
19. Effects of 1D and 2D nanofillers in basalt/ Poly (Lactic Acid) composites for additive manufacturing A. Zotti, S. Zuppolini, T. Tábi, M. Grasso, G. Ren, A. Borriello, M. Zarrelli. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2018.08.128
20. S. Chuah, Z. Pan, J. G. Sanjayan, C. M. Wang, W. H. Duan, Constr. Build. Mater. 2014, 73, 113 surfactant functionalized graphene (FG) graphene nanoplatelets of industrial grade (IG)
21. E. Horszczaruk, E. Mijowska, R. J. Kalenczuk, M. Aleksandrzak, S. Mijowska, Cem. Concr. Compos. 2015, 78, 1.
22. A. Sedaghat, M. K. Ram, A. Zayed, R. Kamal, N. Shanahan, Open J. Compos. Mater. 2014, 4, 1.
23. Evaluating the Self-Sensing Ability of Cement Mortars Manufactured with Graphene Nanoplatelets, Virgin or Recycled Carbon Fibers through Piezoresistivity Tests A. Belli, A. Mobili, T. Bellezze, F. Tittarelli, P. Cachim.
24. Andrea Ferrari, Francesco Bonaccorso, Vladimir Falko, Konstantin S. Novoselov et al. Science and technology roadmap for graphene, related two-dimensional crystals, and hybrid systems, Nanoscale 7(11), 2014, www.researchgate.net/publication/265971822 

 

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 7-2020

 

 

Внимание!
Принимаем к размещению новости, статьи
или пресс-релизы с ссылками и изображениями.
ritm@gardesmash.com

 

Реклама наших партнеров