ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГАФРЕНА В РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЯХ ПРОМЫШЛЕНОСТИ

Введение.

Графен – это плоское соединение атомов углерода. Если параметры графена, то толщина его будет равна толщине одного атома углерода, из-за этого соединение называется плоским. Чуть подробнее рассматривая графен, можно сказать, связи углерода находятся в sp²-гибридизации и соединены посредством σ- и π-связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку.

Структурная формула звена графена представлена на риссунке 1.

Рисунок 1. Структура звена графена

Химическая формула графена C_n, графен является неорганическим полимером. Рассматривая его проводящие свойства, графен можно отнести к полуметаллам. Кристаллическая решётка графена гексагональная.

В своей работе я рассматриваю перспективы применения графена.

1.Графен как электрод.

Первое что хотелось бы рассмотреть это применение графена в качестве электрода.

Электроды должны очень хорошо проводить электрический ток. Чтобы найти решения этой проблемы были исследованы металлические сетки, металлические нанопроволоки и оксиды металлов. Однако из-за низкой прозрачности этих материалов эффективность не была улучшена, и оксид олова по-прежнему остается единственным кандидатом на использование прозрачного проводящего электрода. Графеновые материалы недавно были исследованы как электроды. После сравнения между графеном и другими заменителями оксида олова, сообщалось, что аппаратура содержащая графеновый анод и катод, дает эффективность преобразования мощности значительно больше, нежели другие экземпляры. Такое применение на гибких подложках может быть использовано в экономически эффективном и широкомасштабном рулонно-торцовом процессе для изготовления электродов, что делает графен перспективным материалом для замены оксида олова.

CVD-графен обеспечивает более высокую прозрачность и проводимость, чем те, которые получены методом Хаммера. Это явно объясняется тем фактом, что графен, полученный по методу Хаммера, содержит атомы углерода sp³ и структурные дефекты, которые ограничивают связность π-связи и влияют на ее подвижность носителей заряда. Кроме того, метод CVD позволяет получить лист графена большого размера (<30 дюймов), более высокую проводимость и количество контролируемых листов, что приводит к относительно более высокой производительности устройства. Как правило, коэффициент пропускания тонких пленок графена является ключевым фактором для их характеристик, и он обратно пропорционален его проводимости (σ) и толщине. Электроды на основе GO показывают более высокий коэффициент пропускания по сравнению с CVD графеном из-за их морфологических дефектов, которые облегчают коэффициент пропускания света. В этом случае были изготовлены гибкие OPV без упаковки на основе CVD-графена в качестве верхнего прозрачного электрода и обнаружили коэффициент пропускания 90% для четырехслойного графена. Характеристики устройства демонстрируют высокую стабильность при более медленном разложении органических материалов, в том числе благодаря медленной диффузии воздуха в устройство через графен. Сообщается, что несколько слоев графена имеют преимущество перед однослойным графеном из-за их более высокой проводимости и меньшей диффузии в воздухе.

Одно-, двух- и трехслойный графен, изготовленный методом отшелушивания жидкости, сохраняет сопротивление 15, 20 и 8 кОм и прозрачность 93 %, 88 % и 83 % соответственно. Следовательно, для прозрачного проводящего электрода необходим оптимальный баланс между прозрачностью и проводимостью. Субстрат и химическое легирование потенциально могут переносить полуметаллический графен в металлический графен и увеличивать проводимость постоянного тока достаточно, чтобы практически сделать графен приемлемым. Графен ХОПФ обладает лучшими характеристиками по сравнению с графеном, полученным из ГО и химически отшелушивающимся графеном, благодаря их более высокому качеству и лучшей проводимости.

Однако способ CVD имеет такие трудности, как воспроизводимость, массовое производство и обработка после синтеза (то есть перенос и нанесение на желаемые субстраты). Кроме того, характеристики проводящего CVD графена могут быть затронуты процедурой подготовки. Например, процессы изготовления и сохранения могут создавать внутреннюю нагрузку на графен, которая нарушает структуру решетки и вызывает смещение электронной зонной структуры. Эффект деформации сильно зависит от количества графеновых слоев. В графене с небольшим слоем деформация вызывает конкуренцию между межслойной связью и межслойным транспортом, поэтому она может быть использована для настройки электронных свойств, а в некоторых случаях графен может открыть мини-запрещенную зону за счет нарушения симметрии осевой деформацией.

В отличие от этого, полученный из rGO графен может легко образовывать стабильные водные коллоиды и разрабатывать легкий подход к крупномасштабному производству водных дисперсий графена, которые можно легко переносить на субстраты, обрабатывать и контролировать экономически эффективными способами.

2.Гафрен в «зеленой химии».

Материалы на основе графена находят применение в «зеленой химии», такой как очистка воды, улавливание CO₂ и производство возобновляемой энергии.

 Для очистки воды графен должен быть функционализирован, чтобы диспергироваться в растворе. Действительно, было выяснено, что графен эффективен в поглощении органических загрязнителей из водных растворов посредством π-π и других электростатических взаимодействий. В некоторых случаях небольшие органические молекулы или поверхностно-активные вещества использовались для диспергирования графена в органических средах или воде.

Эти молекулы / поверхностно-активные вещества постоянно укладываются на листы графена, тем самым предотвращая агрегацию. Этот тип дисперсии можно охарактеризовать как нековалентный тип химической функционализации, поскольку эти молекулы иммобилизуются на поверхности графена посредством π-π-укладки, Н-связей, электростатических сил. Считается, что высокая емкость адсорбции обусловлена водородными связями, а также π-π-взаимодействиями. Графен можно использовать для поглощения катионов Pb (II) из водного раствора. Было отмечено, что адсорбционная способность сильно зависит от рН раствора (рис. 97). Аналогичным образом продемонстрировали, что фосфат-анионы могут быть удалены из водных растворов с помощью графена при оптимальном значении pH ∼7.

Кинетика абсорбции соответствовала кинетической модели второго порядка, предполагая, что абсорбция контролировалась химически. Абсорбция является эффективным абсорбентом как Cd (II), так и Co (II) из больших объемов воды. Сульфированные графеновые нанолистики, полученные из ГО, очень эффективны при удалении нафталина и 1-нафтола с очень высокой абсорбционной способностью. После функционализирования графеновых листов с полипиролом, результат демонстрировал высокую и селективную абсорбционную способность для катионов Hg (II). Присутствие графена в полипропиле увеличивает плотность заряда пиррольного азота, тем самым увеличивая электростатическое взаимодействие между адсорбатом и адсорбентом. Гибридные аэрогели с углеродными нанотрубками и графенами, изготовленные путем сверхкритической сушки CO₂ их предшественников гидрогеля, демонстрируют чрезвычайно высокую способность к опреснению, высокую способность к связыванию с некоторыми ионами тяжелых металлов и высокую адсорбционную способность для красителей.

Этот гибридный материал демонстрирует перспективы очистки воды благодаря его высокой универсальности, что можно объяснить его легким весом, высокой проводимостью, большой площадью поверхности и иерархически пористой структурой.

3.Гафрен в биологии

Графен может быть сделан люминесцентным, вызывая запрещенную зону. Это может быть достигнуто путем уменьшения связности π-электронной сети с использованием химических или физических методов.434-436. Это делает графен сильным кандидатом для применения в биовизуализации, поскольку он является биосовместимым и отображает флуоресценцию в инфракрасном и ближнем инфракрасном диапазонах.

Пегилированный (поли (этиленгликоль)) нанографеноксид (НПО) проявляет фотолюминесценцию в видимой и инфракрасной областях. Они показали, что противораковое лекарственное средство доксорубицин может быть физически адсорбировано на пегилированной поверхности НПО, которая была функционализирована антителами. Эти антитела позволяли избирательно уничтожать раковые клетки, что можно было контролировать с помощью флуоресценции. Аналогичным образом, нефункционализированный флуоресцеином пегилированный оксид графена (GO) можно использовать для внутриклеточной визуализации. Поли (этиленгликоль) спейсер был введен для предотвращения ГО-индуцированного гашения конъюгированного флуоресцеина. Кроме того, композитный материал показал превосходные свойства, регулируемые по pH. НПО, функционализированная трансферрином, может использоваться для двухфотонной люминесцентной визуализации клеток и фототерапии. Было отмечено, что облучение лазерным источником создает микропузырьки в присутствии НПО, что вызывает мгновенное повреждение клеток на порядок ниже мощности облучения. Было отмечено, что повреждение, вызванное облучением, было чрезвычайно специфичным для конкретного участка, вызывая гибель клеток только в момент облучения, предлагая, таким образом, локализованную терапию. Квантовые точки графена (GQD) использовались для получения изображений в клетках из-за их низкой токсичности и высокого выхода фотолюминесценции. GQD, синтезированные одностадийным сольватермическим методом, также демонстрируют биосовместимость и низкая цитотоксичность, что делает их отличными агентами биовизуализации. GQD можно синтезировать из легкодоступных углеродных волокон смолы путем химического отшелушивания. Авторы показали, что фотолюминесценция GQD может быть адаптирована путем изменения температуры реакции. Было показано, что QD демонстрируют минимальную токсичность и используются в качестве визуализирующих агентов в двух клеточных линиях рака молочной железы человека.

ГО, функционализированный квантовыми точками CdSe / ZnS, может быть использован для визуализации в видимом свете и ближней инфракрасной фототерапии раковых клеток. Образцы облучаются в ближней инфракрасной области, они проявляют снижение флуоресценции, что делает этот композитный материал пригодным для мониторинга обработки.

НПО, функционализированные Fe₃O₄, можно использовать в качестве материала для двойной визуализации, используя фотолюминесценцию, а также магнитно-резонансную томографию. ГО, модифицированный низкомолекулярным разветвленным полиэтиленимином (BPEI-GO), способен действовать как катионный носитель генов.

Было показано, что композит обладает высокой эффективностью доставки и биосовместимостью при использовании в исследованиях трансфекции. Использование композита для биоизображения было показано, когда была прикреплена меченая нить ДНК, и перемещение композита в клетки контролировалось с помощью конфокальной микроскопии. P-сульфонированный графен и арен-модифицированный графен могут быть использован в качестве «включенного» флуоресцентного зонда для L-карнитина как in vitro, так и в живых клетках. Сформированный композит демонстрирует хорошую стабильность в биологических системах, а также низкую токсичность, что делает этот композитный материал потенциально полезным для визуализации, а также для доставки лекарств.

Вывод.

В статье перечислены три наиболее перспективных и пока мало освоенных варианта использования гафрена. Следует еще упомянуть, что гафрен весьма прочный материал и его можно использовать в военных целях. Но в данной статье рассмотрен графен с точки зрения экологии и биологии.

Список литературы:

1. F.Bonaccorso, Z. Sun, T. Hasan, A. Ferrari, Nat. Photonics 4 (2010) 611–622.
2. J.-H. Park, S.J. Kang, S.-I. Na, H.H. Lee, S.-W. Kim, H. Hosono, H.-K. Kim, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 95 (2011) 2178–2185.
3. 3.Kim, H.; Namgung, R.; Singha, K.; Oh, I. K.; Kim, W. J. Bioconjugate Chem. 2011, 22, 2558.
4. 4.Miao, X.; Tongay, S.; Petterson, M. K.; Berke, K.; Rinzler, A. G.; Appleton, B. R.; Hebard, A. F. Nano Lett. 2012, 12, 2745.
5. 5. Peng, J.; Gao, W.; Gupta, B. K.; Liu, Z.; Romero-Aburto, R.; Ge,L.; Song, L.; Alemany, L. B.; Zhan, X.; Gao, G.; Vithayathil, S. A.;Kaipparettu, B. A.; Marti, A. A.; Hayashi, T.; Zhu, J. J.; Ajayan, P. M.Nano Lett. 2012, 12, 844.