Чудодейственная сила графена

21.06.18 | Рубрика: Литиевые источники тока. Просмотры: 469

Графен, за новаторские исследования которого дали Нобелевскую премию 2010 года, уральские учёные получили ещё в 1988 году. Впрочем, всё по порядку. Разработку учёных Института высокотемпературной химии УрО РАН по получению графено-алюминиевых композитов Роспатент внёс в список 100 самых значимых изобретений 2017 года. И есть за что.

Вечный карандаш

Заведующая лабораторией химических источников тока, доктор химических наук Людмила Елшина показала нам некоторые образцы нового материала. Лёгкие и прочные провода, которые не окисляются, фольга, на вид как обычная алюминиевая, но прочнее в десятки раз. Есть вечный карандаш, который пишет, как обычный, но сносу не знает. Но главное – полным ходом идут испытания принципиально нового химического источника питания, алюминиево-ионного аккумулятора, который заменит, наконец, привычные для всех гаджетов литиево-ионные.

– По большому счёту, такие источники питания – это вопрос энергетической безопасности страны, – рассказывает Людмила Августовна. – Признанный мировой лидер производства литиевых аккумуляторов – Китай, потому что у них есть литий, есть он ещё в Венесуэле, Перу и Чили, а у нас его нет. Представьте, что завтра прекратятся поставки – мы моментально останемся без связи. В чём минус литиевых аккумуляторов? Во-первых, они взрываются, и их запрещено перевозить крупными партиями в самолётах. Во-вторых, литий неустойчив, окисляется даже азотом воздуха, не говоря уж о кислороде. В-третьих, вы, наверное, замечали, что со временем ваши телефоны надо всё чаще заряжать? За один год работы ёмкость литиевых батарей падает на 30 процентов, на второй год – на 50 процентов, а там уже надо покупать новый.

Мы сейчас работаем над алюминиево-графеново-ионным аккумулятором, который намного дешевле, пожаро- и взрывобезопасен, быстро заряжается и медленно разряжается, будет дольше служить. Ну, может, будет чуть потяжелее, граммов на 40, уже сейчас активные пользователи вынуждены подключать дополнительные источники питания к основным, которые весят больше. На эти исследования у нас заключён договор с Иркутской электросетевой компанией из группы компаний En+ Group, входящей в холдинг «Базовый элемент». Во всём мире ведутся научные исследования по замене литий-ионных аккумуляторов, человечество входит в постлитиевую эпоху. В Европе даже создали научную коллаборацию «АЛИОН» с годовым бюджетом в 850 млн евро. И дело не только в гаджетах – рано или поздно мир всё равно перейдёт на электромобили. Надеюсь, нас не опередят. А то выйдет, как с графеном…

Графен получился нечаянно

С графеном у Людмилы Елшиной особые отношения. Как известно, за синтез графена британские учёные российского происхождения Андрей Гейм и Константин Новосёлов (наш земляк, кстати, родом из Нижнего Тагила) получили Нобелевскую премию 2010 года. А Людмила Августовна получила совершенно нечаянно графен ещё в 1988 году! Она работала тогда над кандидатской диссертацией по алюминиевой тематике. Нанесла покрытие на поверхность твердого алюминиевого электрода, отмыла и увидела, что на поверхности воды плавает какая-то тонюсенькая прозрачная плёночка.Сделали анализ – углерод, да и только. Пошла к своему научному руководителю со словами, что это какой-то очень странный углерод. Но никто тогда не понял – ну и что с ним делать в таком виде? Недооценили, а могли бы стать нобелевскими лауреатами. Что ж, в науке такое случается.

После известия об открытом способе получения графена Людмила Елшина вернулась к тем экспериментам, но уже с другой целью: был конкретный заказ на крепкий алюминий для авиации. Путь виделся только один – сделать композитный материал. Самый классический пример композитного материала – это железобетон, где железная арматура выполняет роль матрицы, а наполнителем служит бетон. В нашем случае был замысел соединить несоединимое: алюминий и графен в качестве крепкого и пластичного наполнителя. Но графен и алюминий абсолютно индифферентны друг к другу, поэтому в электролизных ваннах, где плавят алюминий, в качестве анодов используют графитовые стержни. Самый простой вариант – смешивание. Но алюминий на воздухе моментально окисляется, покрывается оксидной плёнкой, и перемешивать его с графеном бесполезно, новых свойств получить не удаётся. Решили попробовать внедрить углерод в алюминиевые расплавы под слоем солевых флюсов.

– Мы его обманули! – смеётся Людмила Августовна. – Атомы углерода проникают в расплавленный алюминий, а при остывании алюминиевой капли углерод самоорганизуется в графеновые плёнки . Мы делали многочисленные поперечные шлифы, и концентрация графена во всех слоях алюминиевого композита остаётся постоянной. И получили чудный композит: увеличились и пластичность, и твёрдость, что обычно исключено (тут или-или), никакого окисления, всегда как новенькие, электропроводность увеличилась на 10 процентов. Незаменимые провода для ЛЭП и микросхем, космоса! И не нужны будут тяжёлые и дорогие медные провода.

– Ох, не дадут хода вашим разработкам медные короли…

– На медных королей найдутся алюминиевые.

– Остаётся узнать цену вопроса.

– Наш композит очень дёшев в производстве. Алюминия у нас много, а графен можно получить даже из луковой и чесночной шелухи – мы проводили такие опыты. Будущее вообще за композитами, материалы в чистом виде исчерпали свои возможности.

Источник: Областная газета

Метки:: графен