7 февраля 2016

Беседка №75. Графен, супергерой в 2D

Илья Субботин

Рассказ о том, как тонкая пластинка из углерода толщиной в один атом сможет начать революцию в мире мобильных технологий и не только.

Возможно, вы уже слышали о графене. С самого открытия графена ученые расхваливают его поистине огромный потенциал по преображению мира: от космических лифтов до медицинских нано-устройств. Но что такое графен? Каковы его характеристики и самые интересные сценарии применения? Как он может изменить индустрию мобильной электроники?

Первый в своём роде

Графен является первым двумерным материалом, известным человеку. Атомы большинства материалов расположены в 3D, а графен состоит из одного слоя атомов углерода. По сути, это лист углерода толщиной в один атом.

В 2004 году графен был отделён от графита, еще одной формы углерода, двумя профессорами Университета Манчестера, Андре Геймом и Константином Новоселовым. Их работа в том же году была отмечена Нобелевской премией по физике, которая сделала Новоселова самым молодым лауреатом награды в области физики. Это научное признание дало толчок к основанию государственного института графена в Великобритании, задачей которого стало дальнейшее исследование материала.

Не верится, но экзотический графен был впервые получен совершенно простым способом при помощи обычной скотч-ленты. Визуально процесс представлен в видео.

Кристаллы графена толщиной в один атом были отделены в момент озарения повторным наклеиванием полоски скотча на уголь, каждое из которых уменьшало толщину кристаллов до тех пор, пока она не достигла толщины атома. Единый слой атомов формирует двумерную структуру, похожую на соты. Графен имеет все преимущества углерода в части легкости и в то же время прочности — можно вспомнить, как углеволокно (комбинация углеродной ткани и эпоксисмолы под давлением воздуха) изменило космическую индустрию и машиностроение именно благодаря этим свойствам. Углеволокно также постепенно приходит и в мобильную электронику: Dell и Lenovo уже используют его для придания своим ноутбукам одновременно прочности и легкости. Помимо этих свойств у графена имеется ряд неплохих особенностей, об этом далее.

Исследования различных свойств и применений графена на данный момент предполагает практически безграничное количество сценариев использования. В мобильных технологиях графен применим во многих комплектующих, от прозрачных и гибких экранов и аккумуляторов нового поколения, которые могут работать намного дольше сегодняшних экземпляров до невероятно мощных процессоров.

Суперконденсаторные аккумуляторы на базе графена

Батареи нового поколения в своей основе будут иметь не электрохимические цепочки (например, литий-ион), а суперконденсаторы, в которых энергия вырабатывается от электрического тока, а не от контролируемой химической реакции. Суперконденсаторы гораздо быстрее перезаряжаются и они более долговечны и надежны в различных температурных условиях, чем современные батареи. Они также намного дороже.

Суперконденсаторы используют большую площадь c активированным углеродом, которая помогает хранить и выделять электрозаряд. Их мощность можно увеличить при помощи графена, имеющего еще большую площадь, благодаря своей двумерной структуре. На данном этапе ценовой диапазон промышленно синтезированного графена довольно широк, но нижний ценовой порог считается конкурентноспособным по сравнению с активированным углеродом. что позволит сделать суперконденсаторы более доступными при увеличении объёма производства.

Рынок нуждается в лучшей технологии в аккумуляторах. Благодаря, дешевым суперконденсаторам могут появиться батареи с более долгим временем работы и почти мгновенной зарядкой. Подобное развитие положительно скажется на пользовательском опыте и окружающей среде. Хранимое в наших устройствах электричество будет расходоваться более эффективно и поможет сэкономить на счетах за электроэнергию. Также, производство таких аккумуляторов будет основываться на более экологически чистых и широко распространенных ресурсов, в отличии от лития.

Гибкие / складывающиеся экраны

Гибкие и полупрозрачные экраны уже появились на рынке благодаря таким производителям, как LG, Слухи также указывают на планы Samsung по выпуску телефона со складывающимся экраном. Эти новые сценарии используют тонкий слой органических светодиодов (OLED) в тонкой пластине. Что касается материалов: команда под руководством одного из первооткрывателей графена, Кости Новоселова, разработала двумерный LED-полупроводник, использующий диоды и металлический графен на атомном уровне, что даёт невероятно тонкий форм-фактор. Нужно признать, что сейчас довольно непросто представить, как все эти инновации смогут работать вместе в реальном мире. Новые форм-факторы будут доступны для пользователей через пять лет. Как бы то ни было, есть время оценить спрос на новые экраны на рынке.

Прощайте, кремниевые микросхемы..?

Исследование электропроводности графена предполагает, что его свойства как полупроводника при комнатной температуре позволяют достичь сверхпроводимости (например, путем добавления нормированных примесей в естественную «сотовую» структуру графена). Эти открытия наводят на мысль о потенциально высоком спросе на подобные компоненты для различных вычислительных технологий благодаря их способности улучшать скорость и эффективность последних, особенно в части проблем с перегревом. В этой сфере проводится всё больше исследований, результаты которых постоянно демонстрируют значительное улучшение теплопроизводительности микропроцессоров после нанесения нескольких слоев графена. При изучении процесса ученым удалось добиться понижения рабочих температур более, чем на 13 градусов, удваивая энергоэффективность при каждых 10 градусах. И да, это значит, что графен и новейшие 2D-материалы со временем заменят стандартные кремниевые микросхемы.

Некоторые читатели, возможно, подумают: «Да, все мы слышали слухи о перегреве в первом поколении Snapdragon 810, проблемы были решены во втором поколении процессора, который установлен, например, в Nexus 6P и линейке Xperia Z5. Так что такого в этом исследовании и какой нам от него толк?»

Потенциал графена находится за пределами любых значимых изменений, которые мы наблюдаем при смене поколений смартфонов. Графен может изменить всю структуру сверхвысокопроизводительных вычислений в таких сферах, как глобальное предсказание климата, космос, анализ больших объёмов информации и исследование искусственного интеллекта. Эти сферы требуют большего объёма вычислительных ресурсов и эффективности и всегда будут актуальны.

За последние десять лет всё более явно проявляет себя проект IoT (Internet of Things), и в связи с этим улучшение обработки информации и увеличение скорости соединений также преобразят нашу повседневную жизнь. Хочется надеяться, что это поможет нам остаться выше стресса. Графен как суперпроводник будет одним из ключевых компонентов, который позволит добиться более высокой скорости обработки данных. Смартфон в его текущем виде сохранит свой форм-фактор, не стоит ожидать значительного улучшения в скорости повседневных операций, всё потому, что процессоры и так уже очень быстры. Однако, по мере того, как графен выходит на рынок, легко представить легкую, как пёрышко, версию Google Glass или умные часы, которые меньше 1.2 см в толщину. Конечно, все устройства будут эффективно подключаться и «общаться» друг с другом.

В тандеме с улучшениями в облачных супервычислениях и скорости соединений такое трио устройств сможет задействовать «мобильных ассистентов» с индивидуально выстроенным искусственным интеллектом. Просто представьте достижения в Google Now / Siri / Cortana за последние два года и умножьте на сто.

«Умная» контактная линза

Возможно, стоит подумать о сценариях за пределами смартфона. Недавно мне рассказали о разработке графеновых мульти-электродных структур для хирургических имплантантов. Они являются ключевыми компонентами для так называемого интерфейса «мозг-машина» в нейрологии. Эта технология позволяет людям с припадками или различными заболеваниями моторно-двигательного аппарата при помощи электростимуляции отдельных участков мозга компенсировать потерю информации по причине заболевания. Подобные схемы будут использовать сверхпроводимость графена для более быстрой скорости передачи и биологической совместимости.

Сможет ли графен стать тем супер-материалом, которого мы ждали? Несомненно, но потребуется время, чтобы заместить зрелую индустрию кремниевых компонентов. Также, как и превосходящие OLED не получили доминирующую позицию на рынке, так и графеновые технологии должны будут доказать своё превосходство над кремниевыми.

Оригинальная статья, автор — Эрдем Пулку

Elir: несмотря на внешне утопический характер повествования, автор довольно развёрнуто расписал преимущества графена как универсального материала для многих компонентов в различных отраслях технологии. Преимущество новых технологий будет внушительным, в этом нет сомнений, остаётся только дождаться активного включения производителей в «графеновую» гонку. Поистине удивительные свойства графена дополняются его способностью создавать трёхмерные структуры при помощи определённого наложения пластинок друг на друга, а-ля киригами. Ложкой дёгтя станет лишь «война» с кремниевыми микросхемами, которые так просто не сдадутся, тем самым откладывая инновации. Будущее все ближе.

Twitter