Графеновые нанотрубки: прорыв в полимерной промышленности
Полимеры с улучшенными графеновыми нанотрубками становятся все более востребованными в промышленности: инновации помогают создать экосистему с более высокой эффективностью и долговечностью. Как пишет портал Plastics News Europe, любой сектор производства выигрывает от применения нанотрубок из графена, от ветряных турбин и автошин до банальной бытовой антистатической упаковки.
Новые достижения и основные проблемы в области нанополимеров были одними из ключевых тем обсуждения на саммите по нанотехнологиям в области материаловедения в 2019 году (NAUM) в Киото, Япония, 5-6 ноября. В научном съезде приняли участие 450 делегатов из 31 страны: инженеры и ученые обсуждали новые применения крошечных трубок, сочетающих в себе постоянные антистатические свойства и надежные механические характеристики.
Группа Lehvoss представила свои результаты по улучшению характеристик PA6, PA12, PPS и TPU с составами графеновых нанотрубок, которые уже доступны в промышленном масштабе.
«С помощью графеновых нанотрубок компания смогла разработать первый на рынке электропроводящий материал для лазерного спекания, подходящий для технологий плавления в станине и технологии FFF. Если вы думаете о приложениях [идеи], то это носители, лотки, корпуса, коммутаторы, контейнеры и медицинское оборудование», — сказал Марко Берт, менеджер по разработке продуктов Lehvoss Group.
Шведская группа по производству резины и пластмасс Trelleborg AB подчеркнула способность графеновых нанотрубок обеспечивать проводимость и повышать устойчивость к старению и истиранию в термопластах. Компания использовала материалы для решения вопроса о поперечном сечении радара (RCS) в ветряных турбинах. Как правило, в аэропорту вечной проблемой остается с радиолокационными системами захода на посадку.
Использование графеновых нанотрубок в термопластичных компонентах помогло компании создать скрытый объект, способный поглощать более 99% падающей радиолокационной волны. «Целый гигаватт энергии возобновляемой энергии может быть разблокирован с помощью этой технологии», — пояснил Адам Невин, глава отдела инноваций Trelleborg Applied Technologies.
Финская компания Arctic Biomaterials специализируется на экологически чистых и биоразлагаемых пластмассах. «Мы создаем биоразлагаемые композиты с нанотрубками Tuball», — сказал Ари Рослинг, директор отдела исследований и разработок.
Графеновые нанокомпозиты — будущее полимерной промышленности
Графеновые нанокомпозитные материалы весьма востребованы в медицине. Например, преодолев типичные недостатки, биоразлагаемые полимерные нанокомпозиты пригодны для прямой доставки электростимуляции в клетку, а также для использования в качестве тканевого материала для остеосинтеза и для восстановления нервной системы и сердца.
Нанотрубки могут быть использованы в качестве компонента материала для переходной электроники и антистатической упаковки. Огромный рынок, уже вовсю внедряющий графеновые нанотрубки, — это каучуковые фабрики и шинные заводы.
«Ключевой проблемой для отрасли является сочетание механических характеристик со стабильным уровнем электропроводности», — отметила Екатерина Горбунова, вице-президент по эластомерам компании OCSiAl.
Эксперты OCSiAl отмечают, что нанотрубки решают эту проблему в натуральных каучуках. Описывая их как «третью большую революцию» в шинной промышленности (после изобретения радиальной конструкции и технологии кремнезема) Жан-Николя Хельт, разработчик OCSiAl, сказал, что графеновые нанотрубки улучшили «все ключевые свойства одновременно». Иными словами, они идеальны, раз помогли разом решить все проблемы при производстве автомобильных шин.
Нанотрубки Tuball оптимизируют общую производительность шин, улучшают стойкость к истиранию, продляя срок их службы. Графеновые нанотрубки улучшают также сцепление на мокрой поверхности, что повышает безопасность, обеспечивая отличную электропроводность и защиту электрооборудования автомобиля. Нанополимеры из графена гарантируют беспрецедентное улучшение сопротивления качению, что снижает средства на проведение ТО и потребление топлива.
Японский многонациональный производитель Daikin Industries также использует нанотрубки Tuball для увеличения прочности на разрыв, проводимости и модуля фторэластомеров, которые из-за своей термической и химической стойкости уже пользуются повышенным спросом в автомобильной и полупроводниковой промышленности.
В Новосибирске запущено крупнейшее в мире производство графеновых нанотрубок
Новосибирский производитель углеродных нанотрубок OCSiAl (портфельная компания «Роснано») вывел на производственную мощность вторую установку по синтезу графеновых нанотрубок — Graphetron 50. Инвестиции в проект составили 1,3 млрд рублей.
Graphetron 50 — крупнейший в мире реактор по синтезу графеновых в нанотрубок. В тестовом режиме он был запущен весной 2019 года. Первая установка Graphetron 1.0 начала работать в 2014 году. Суммарная мощность двух линий составит 75 т в год, с возможностью увеличения до более чем 100 тонн в год. Теперь компании принадлежит более 90% всех мировых мощностей по производству графеновых нанотрубок.
Графеновые нанотрубки — универсальная добавка для материалов, которая улучшает их свойства, например, придает электро- и теплопроводность, повышает прочность. Основными заказчиками продукции выступают производители различных видов пластиков, композитных материалов, резин, литий-ионных аккумуляторов, а также химические концерны. Порядка 90% графеновых нанотрубок идет на экспорт в Китай, Японию и страны Европы. Свою продукцию компания поставляет под брендом TUBALL.
При этом OCSiAl вместе с партнерами разрабатывает новые технологии для расширения сферы применения графеновых нанотрубок. Так, в России впервые были применены технологии создания антистатических композитных полов, стеклопластиковых труб и упрочненный асфальт.
Президент OCSiAl Юрий Коропачинский оценивает объем рынка нанотрубок в 2021-2022 годах в 100-150 т. «У нас нет таких обьемов синтеза. Чтобы обеспечить 2022 год, нам нужно половину объемов иметь на складе. Главный фактор роста потребления — революция в области электротранспорта и следующие за ней революции в производстве батареек, шин, материалов для корпусов электроавтомобилей», — объяснил Юрий Коропачинский. Он не исключил роста производства в Новосибирске до 150 т нанотрубок в год: «Это продукция на более чем 200 млн долларов».
OCSiAl владеет единственной в мире масштабируемой технологией промышленного синтеза графеновых нанотрубок и является мировым лидером по объему производственных мощностей. Автор уникальной технологии — российский ученый-физик, академик РАН Михаил Предтеченский.
Одностенные углеродные нанотрубки являются универсальным наномодификатором, улучшающим механические свойства, электро- и теплопроводность различных материалов. Так, добавка 0,1% одностенных углеродных нанотрубок алюминию увеличивает его прочность в два раза, добавка 0,01% к некоторым пластикам делает их электропроводящими, добавка 0,001% в бетон делает его прочнее на 50%.
Производство и научно-исследовательский центр компании находятся в новосибирском Академгородке. Пилотная промышленная установка синтеза одностенных углеродных нанотрубок Graphetron 1.0, была запущена в новосибирском Академгородке в конце 2013 года.
В OCSiAl работают более 450 сотрудников из 16 стран мира. В научно-исследовательском отделении компании работают более 100 ученых.
В 2019 году второй TUBALL CENTER был открыт в Шанхае (Китай). Третий TUBALL CENTER планируется открыть в Люксембурге в 2020 году.
Региональные отделения OCSiAl работают в Европе, США, Корее, Китае (Шэньчжэнь, Шанхай), Гонконге и России, представительства — в Мексике, Израиле, Японии, Индии, Австралии, Германии и Малайзии. Помимо собственных офисов и представительств, OCSiAl имеет партнеров и дистрибьютеров в 45 странах.
В марте 2019 года рыночная капитализация OCSiAl превысила $1 млрд.
Очередная пачка бюджета отправилась в карман чубайсу? ))
Не Ч*у*б*а*й*с ли строил? У нас в городе тоже завод открывали по кремнию — уникальный, единственный, ЗАКРЫТЫЙ И РАЗОРЕННЫЙ, РАСПИЛЕННЫЙ И ОТМЫТЫЙ
Почему графеновые нанотрубки это нормально, а гомеопатия плохо? там же от графена одна нанотрубка всего лишь остается)
мы тут хуй без соли доедаем а вы со своими нанотрубками.
Сколько же дерьма в комментариях. От дерьма. Была бы это статья «Илон Маск запустил уникальное производство нанотрубок», местные дрочеры мониторы от восторга бы забрызгали, вопя «мы все просрали» и херача поклоны на закат. Россия — это не чубайс и путин. Россия — это ВЫ, срущие на нее даже по такому поводу, по которому в любой другой стране носы бы от гордости задрали. Хорошо что я не живу в России, хотя и обидно за нее.
Кажется, где-то пару миллиардов спиздили.
На крупнейшем заводе, в крупнейшем цеху, в крупном автоклаве выпускают огромные нанотрубки. Российские нанотрубки — самые большие нанотрубки в мире! Ура!
Я извиняюсь, я не повторится ли история с полиэтиленом? Кто-нибудь вообще проверял, как эти супер прочные и супер эффективные материалы потом будут разлагаться? кто всё это супер прочное г**** будет утилизировать и за чей счёт? Во сколько это всё будет обходиться? может быть, уже сейчас надо на уровне ООН обложить эти трубки утилизационным сбором, чтобы потом они не плавали в океане и не попадали в пищевые цепочки?
Поролон из ПЭТ-бутылок
Российские ученые из ВятГУ разработали технологию получения тепло- и звукоизоляционных материалов из использованных пластиковых бутылок. И речь не только про импортозамещение. А главное, сделать это за счет вторичной переработки, то есть из отходов.
Вопросами переработки пластиковых отходов ученые ВятГУ занимаются восемь лет. На данный момент полностью отработан процесс разложения бутылок в лабораторных условиях и получены опытные образцы новых материалов.
«Процесс переработки осуществляется химическим способом по замкнутому циклу с минимальным количеством отходов. Иными словами, мы превращаем пластиковые бутылки обратно в простые химические вещества – мономеры, а из них, как из кирпичиков, заново собираем новые материалы. Так, мы смогли синтезировать антисептик для древесины и вязкие смолы, которые можно использовать в производстве резиновых смесей. Но самые актуальные и интересные материалы, это вспененные полиуретаны, примером которых является хорошо известный поролон. Они дают хорошую тепло- и звукоизоляцию и имеют легко регулируемую структуру – размер пор и жесткость», – пояснил заведующий кафедрой химии и технологии переработки полимеров Вятского государственного университетаРоман Веснин.
Ученые уже ведут переговоры с промышленными партнерами, заинтересованными в организации производства таких вспененных полиуретанов. Этот материал может быть использован для теплоизоляции зданий и коммуникаций, в том числе труб, а как поролон – при изготовлении мебели и для упаковки.
Космос древних времен
Паук в балтийском янтаре (39 000 000 лет),размер 2мм
Нано технологии
Сегодня был по работе у одной бабули, пошёл в ванную руки помыть и в глаза бросилась вот эта штуковина. Одет на шланг подачи воды в стиралку. На мой вопрос : — » Ну что, помогает ? » . Ответила утвердительно. Ещё наверно рублей пятсот за него отвалила..
Простите, снимал на тапок..
Выпуск свободного планетария Stellarium 1.0
После 20 лет разработки состоялся релиз проекта Stellarium 1.0, развивающего свободный планетарий для трехмерной навигации по звёздному небу. Базовый каталог небесных объектов насчитывает более 600 тысяч звёзд и 80 тысяч объектов глубокого космоса (дополнительные каталоги охватывают более 177 млн звёзд и более миллиона объектов глубокого космоса), а также включает информацию о созвездиях и туманностях. Код проекта написан на С++ с использованием фреймворка Qt и распространяется под лицензией GPLv2. Сборки поставляются для Linux, Windows и macOS.
В интерфейсе предоставляются гибкие возможности масштабирования, 3D-визуализации и симуляции различных объектов. Поддерживается проецирование на купол планетария, создание зеркальных проекций и интеграция с телескопом. Для расширения функциональности и управления телескопом могут использоваться плагины. Предоставляется возможность добавления собственных космических объектов, симуляция искусственных спутников и реализация своих форм визуализации.
В новой версии осуществлён переход на фреймворк Qt6 и обеспечен приемлемый уровень точности воспроизведения прошлых состояний. Предложена новая значительно улучшенная модель освещения неба. Повышена детализация при симуляции затмений. Расширены возможности астрономического калькулятора. Улучшена работа на экранах с высокой плотностью пикселей (HiDPI). Улучшен дизеринг. Добавлены сведения о восприятии объектов звёздного неба в культуре народов архипелага Самоа.
Тараканий Бар "Кручёные Сиськи" отменяется.
Учёный создал лазерную турель с ИИ, которая убивает тараканов.
Программно-инженерная разработка Ильдара Рахматулина, научного сотрудника Университета Хериот-Ватт в Эдинбурге (Шотдандия), позволила сделать реальностью лазерную турель с искусственным интеллектом (ИИ), которая уничтожает тараканов. Об этом сообщает онлайн-журнал Vice. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru .
«Я начал с Jetson Nano, который позволил мне использовать методы глубокого обучения для обнаружения объекта с высокой степенью точности», – пояснил Рахматулин. Jetson Nano – это небольшой компьютер, который может запускать алгоритмы машинного обучения.
Компьютер обрабатывает цифровой сигнал с двух камер, чтобы определить положение таракана. Затем он передает эту информацию на гальванометр, который нужным образом меняет направление лазера, чтобы точно выстрелить в цель.
Согласно описанию в научной статье, Рахматулин пробовал эту конфигурацию при различных уровнях мощности лазера. Сперва он обнаружил, что при низких уровнях мощности может влиять на поведение тараканов, вызывая с помощью лазера их реакцию бегства. Таким образом, потенциально можно «отучить» насекомых прятаться в определенном темном месте.
При более высоких уровнях мощности тараканы были эффективно «нейтрализованы» – другими словами, убиты. Рахматулин предоставил все данные и инструкции (в том числе о надлежащих мерах предосторожности) по своей лазерной турели в свободном доступе в Сети, чтобы другие исследователи также могли опробовать эту разработку.
«Я использовал очень дешевое оборудование и недорогую технологию. Все исходники загружены на мой GitHub, и любой может увидеть, как это сделать и использовать, в программном обеспечении – открытый исходный код», – отметил Рахматулин. Он упомянул, что другие уже начали пробовать его с другими насекомыми, такими как шершни, что имеет свой похожий смысл – избавиться от вредителей в сельском хозяйстве.
В дополнение к открытому исходному коду проекта, потенциальные возможности широкого применения технологии также делают его весьма перспективным. Эта разработка может стать жизнеспособной альтернативой механическим ловушкам, а также химическим веществам, которые часто наносят вред окружающей среде и нацелены на неинвазивные виды насекомых. Не говоря уже о том, что такой метод дешевле.
По информации Рахматулина, все использованное им оборудование стоит в пределах 250 долларов США. Это заметно дешевле, чем стоимость материалов, инструментов и услуг специалистов, которые сейчас требуются для осуществления борьбы с вредителями другими, более привычными методами.
Впрочем, прототип устройства – лазерной турели для борьбы с насекомыми-вредителями, даже если он хорошо показал себя в академических исследованиях, предстоит еще серьезно усовершенствовать, прежде чем его можно будет развернуть в больших масштабах.
Например, в отчете об исследовании отмечается, что лазерная точка меньшего размера стала бы более эффективной для уничтожения тараканов, но это пока что трудно реализовать. Помимо этого, способность устройства точно контролировать, какие именно части тела насекомого будут повреждены, также будет полезна.
Полет в прошлое
Насекомое в балтийском янтаре (39 000 000 лет)
Клетка здорового Человека
Ничего не могу добавить и описывать не берусь. Из таких крох состоим мы, каждый, в любом месте и любых обстоятельствах.
Московское предприятие разработало бортовой авиационный кабель повышенной прочности
Изделие обеспечивает высокую скорость передачи данных даже в условиях экстремальных перегрузок и может выдержать удар молнии. Диапазон рабочих температур — от -60° до +150°.
Авиационный оптический кабель применяют в системах навигации и радиолокации, на флоте, для визуализации параметров полета, а также для линий электропередачи в качестве чувствительного элемента измерителей токовых нагрузок. Он совместим с зарубежными системами благодаря стандартной толщине.
Ранее такие кабели привозили в Россию из-за рубежа. В ближайшее время изготовят опытную партию и проведут предварительные испытания, а серийное производство начнется в 2023 году.
Пейзаж в магнитном поле
Магнитная жидкость в поле одного магнита под микроскопом
Эффект наблюдателя
Магнитная жидкость в поле 4 плоских магнитов под микроскопом
Дрон на ионной тяге продержался в воздухе почти пять минут
Стартап из Флориды Undefined Technologies показал испытательный полет дрона Silent Ventus на ионной тяге. Дрон смог продержаться в воздухе 4,5 минуты, его отличительной особенностью является отсутствие пропеллеров, а также низкий уровень шума — менее 75 дБ. Для сравнения, наиболее популярные коммерческие дроны генерируют шум в диапазоне 85—96 дБ, но есть и менее шумные (у некоторых DJI Mavic, например, всего 70 дБ).
Предыдущий прототип Undefined Technologies смог удерживаться в воздухе 25 секунд, при этом уровень шума достигал 90 дБ. В планах стартапа — выпустить в 2023 году модель с уровнем шума менее 70 дБ и временем полета 15 минут. Затем, в 2024 году, начать выпуск коммерческих моделей.
Для увеличения времени полета компания модернизировала химический состав аккумуляторов, что также позволило уменьшить вес батарей.
В Undefined Technologies не раскрывают всех тонкостей проприетарной технологии, рассказывают лишь, что система генерирует «ионное облако», которое, окружая дрон, позволяет ему подниматься в воздух.
Гоблин вернулся?
Тестирование винтового летательного аппарата от компании «Omni Hoverboards».
Фотофакт. Повреждения лопастей ветрогенераторов и что из этого следует
На фото ниже приведены эрозионные повреждения передней кромки лопастей ветрогенераторов.
Данные повреждения лопасть, будучи установленной на ветрогенераторе в шельфовой зоне Северного моря, получила всего за два года эксплуатации.
Но примечательны даже не столько сами повреждения, сколько то, что вызвало их. Это самые обычные капли дождя! Казалось бы, данный тип повреждений был бы ожидаем для засушливых районов, где ветер переносит частички песка и пыли, и в условиях большой влажности, присущей Северному морю, его не должно было бы быть. Однако расчёты показали, что при суммировании скоростей свободного падения капли и скорости вращения лопастей, тангенциальная скорость удара капли дождя о переднюю кромку лопасти ближе к наружному диаметру не падает ниже 80 м/с (288 км/ч). Если принять средний размер капли за 3мм (в реальности он варируется в зависимости от погодных условий от 0.5мм до 5мм) и вес 14мг, то получим, что суммарная сила воздействия на лопасть от такой капли будет равна 76N (приблизительно 7.6кг в весовом эквиваленте). Вроде бы немного? Но если посчитать, на какую площадь приходится данное воздействие (при условии, что капля при соударении расплющивается до 6мм), то получаются внушительные 26,5 атмосфер. То есть поверхность передней кромки лопасти подвергается воздействию микрогидроударов (вспомните, что делает кавитация с гребными винтами судов).
При наличии поверхностных дефектов (царапин, трещин и т.п.) полученных ещё на этапах изготовления, транспортировки и установки данное разрушительное воздействие только усиливается.
Чем чреваты подобные повреждения? Надо понимать, что повреждения как на фото вовсе не требуют немедленной замены лопасти из-за угрозы её разрушения. Однако они серьёзно нарушают аэродинамику лопасти и ведут к снижению эффективности ветрогенератора снижая вырабатываемую им мощность. Предварительные оценки (довольно оптимистичные) показывали, что падение эффективности составит всего 5%, но одно из исследований, результат которого был опубликован в июле прошлого года, показывает, что падение выработки электроэнергии вызванное эрозией лопастей может достигать 25%.
Почему проблема именно с каплями дождя, а не, скажем, с градом? Разрушительное воздействие града на лопасти работающей турбины куда более катастрофично, но более предсказуемо. Поэтому турбины на время неблагоприятных погодных условий либо сильно замедляют, либо вообще останавливают. Воздействие же капель дождя не было учтено должным образом и никому в голову не приходило, что турбины надо замедлять ещё и на время не столь уже редкого в Северном море дождя.
Исследования показали, что дождевая эрозия была сильно недооценена и лопасти потребуют замены гораздо раньше, нежели заявленные в рекламных буклетах 20-25 лет. Как выясняется масштабных исследований на этот счёт до последнего времени не производилось. И только сейчас, в связи с ростом парка ветрогенераторов и с сокращением субсидий со стороны государства, большинство эксплуатирующих компаний всерьёз озаботились проблемой продления срока службы турбин.
Уже предлагаются решения различной степени эффективности, от защитных плёнок и покрытий до подачи сжатого воздуха через сеть микроотверстий на поверхности лопасти, но любое из них однозначно приведёт в той или иной степени к удорожанию строительства и эксплуатации ветрогенераторов. Так же к удорожанию приведёт ужесточение правил транспортировки и монтажа лопастей с целью избежать появления поверхностных дефектов, которые способны усилить эрозию.
Источник №2 — тут статья на английском языке
Источник №3 — ссылка на PDF файл на английском языке про все виды повреждений
Источник №5 — ссылка на PDF файл на английском языке о физике воздействия капли на лопасть
Как устроена крупнейшая установка по производству графена
Запуск Graphetron 50 закрепил лидирующие позиции OCSiAl на глобальном рынке: теперь компания контролирует почти весь мировой рынок графеновых нанотрубок. Запущенная в 2019 году в тестовом режиме установка Graphetron 50 компании OCSiAl вышла на плановую мощность — 50 тонн в год.
«На наших глазах стартап из новосибирского Академгородка, начинавшийся фактически с одной, но очень амбициозной идеи — создать абсолютно новый материал будущего — вырос в глобального лидера рынка с промышленной технологией производства графеновых нанотрубок. В 2019 году он стал первым и пока единственным в нашей стране "единорогом" в секторе material based. Сегодня, когда запускается крупнейшая в мире установка синтеза нанотрубок, я испытываю гордость за всю команду проекта во главе с Юрием Коропачинским и Михаилом Предтеченским», — заявил бывший председатель правления «Роснано» Анатолий Чубайс.
OCSiAl владеет единственной в мире масштабируемой технологией промышленного синтеза графеновых нанотрубок и является мировым лидером по объему производственных мощностей. Автор уникальной технологии — российский ученый-физик, академик РАН Михаил Предтеченский.
Первую промышленную партию OCSiAl синтезировала в 2015 году — 1,2 тонны, что превысило весь объем этого материала, когда-либо произведенный с момента его открытия в 1991 году. Сегодня научно-исследовательский реактор Graphetron 1.0 , изначально рассчитанные на производство тонны трубок, синтезирует 25 тонн нанотрубок в год — технология оказалась уникально масштабированной.
Как говорит основатель компании Юрий Коропачинский, предельный коэффициент масштабирования в химической промышленности 6, за редким исключением 8. Уже Graphetron 1.0 показал коэффициент выше 10. Поэтому 50 тонн графеновых нанотрубок на Graphetron 50 — это только самое начало. Изменилась и технология производства — если Graphetron 1.0 компания запускала год, то Graphetron 50 заработал сразу — невиданные результат при технологиях такой сложности. Одна из основных задач — трудность протекания каталитических реакций на таких площадях — один грамм нанотрубок имеет площадь поверхности 1500 кв. м, а одновременно в реакторе Graphetron 50 находятся десятки килограммов трубок. Ранее эта задача считалась неразрешимой.
Интересной особенностью подобных реакций является то, что себестоимость продукции падает как 1 на объем реактора в степени 3/2. Поэтому с ростом размера Graphetron материал становится все дешевле, и все качественнее. По мере роста размера реактора, в конечных графеновых трубках все меньше металлических частиц, и все больше трубок. И если на первом графетроне сначала синтезировали трубки 75% чистоты, потом 80%, то на новом реакторе получается 85% и выше, компания вплотную подошла к рекордной 90% чистоте.
На сегодня главный рынок для OSCiAl — автомобильная промышленность, вернее, аккумуляторы для машин. Современные аккумуляторы с катодами высокой емкости на основе материалов с высоким содержанием никеля (NCM 622, NCM 811, NCA) и графитовыми анодами достигают энергоёмкости в 240-250 Вч/кг, что позволяет легковому автомобилю иметь пробег на одной зарядке на уровне 400 км. Однако, при этом пробег электромобиля все равно существенно ниже пробега автомобиля с ДВС аналогичного класса, а его стоимость выше на 25%. Для того, чтобы электромобили стали действительно массовыми и могли конкурировать с авто с ДВС по пробегу и цене, энергоёмкость батареи должна быть на уровне 300-350 Вч/кг. На сегодняшний день единственно доступной технологией, позволяющей достигнуть данных показателей по энергоёмкости, является замена графитового анода в литий-ионной батарее на анод с высоким содержанием кремния. На уровне 20% (SiO).
Теоретическая удельная энергоёмкостью кремния более чем в 10 раз выше, чем у графита — 4200 мАч/г против 370 мАч/г. Однако, при добавлении такого высокого процента кремния в анод батареи, существенно падает ее срок службы. Это связано с тем фактом, что в ходе циклов заряда/разряда батареи кремний меняет свой объём более чем в 6 раз. При таком объёмном расширении анод трескается, что и ведёт к падению сроку службы батареи. Это фундаментальная проблема кремнийсодержащих анодов, у которой не было решения, что и останавливало процесс создания более энергоемких батарей, так нужных современному автопрому.
Решением стало применение графеновых нанотрубок в качестве проводящей и повышающей прочность добавки в кремнийсодержащие аноды. Нанотрубки создают плотную, разветвлённую и прочную сеть внутри анода, которая позволяет частицам анодного материала оставаться электрически связанными, и, соответственно, активными даже в ходе их существенного объемного расширения. Данный эффект от применения нанотрубок сделал возможным использование высокого содержания кремния в анодах без значимого негативного влияния на срок службы батaреи.
Ряду крупнейших производителей удалось создать батареи с энергоёмкостью свыше 300 Вч/кг и сроком службы свыше 1000 циклов заряда/разряда. И графеновые нанотрубки оказались единственным решением, позволяющим это сделать. Де факто использование графеновых нанотрубок везде, где в аноды требуется добавления кремния стало мировым стандартом в индустрии литий-ионный источников тока. Уже сейчас 7 из 10 ведущих производителей аккумуляторов либо начали массовое производство, либо находятся на стадии предсерийных испытаний источников тока с кремниевыми анодами, содержащими графеновые нанотрубки OCSiAl.
Уникальное вещество и его применения
Индустриализация графена является одной из наиболее востребованных тематик в области наноматериалов
В 2010 году за новаторские эксперименты по исследованию двумерного материала — графена — были удостоены Нобелевской премии Константин Новоселов и Андрей Гейм. Графен — это двумерная структура, в которой атомы углерода выстроены в вершины правильных шестиугольников. Графен является составной единицей графита и используется как теоретическая модель для описания других аллотропных форм углерода, таких как фуллерены и нанотрубки. Хотя первые лабораторные экспериментальные образцы графена были получены относительно недавно, существует уже немало исследований по применению графена в различных областях. «Ъ-Наука» рассказывает о некоторых из них.
Фото: Предоставлено "Графенокс"
Фото: Предоставлено "Графенокс"
Графен имеет уникальные электронные и оптические свойства, связанные с его зонной структурой. В первой зоне Бриллюэна графена существуют особые точки К и К`, вблизи которых энергия электронов линейно зависит от волнового вектора. Таким образом, графен — полупроводник с нулевой запрещенной зоной, а движение электронов в нем описывается не уравнением Шредингера, как в объемных полупроводниках, а уравнением Дирака для безмассовых квазичастиц. Вследствие этого в графене наблюдается полуцелый квантовый эффект Холла и сверхвысокая подвижность электронов. Графен имеет также выдающиеся оптические характеристики. Например, величина оптического поглощения света в нем составляет 2,3% от интенсивности падающего излучения и не зависит от длины волны.
В последние два года совершен прорыв в понимании свойств неупорядоченного графена. Например, в 2018 году было сделано фундаментальное открытие — сверхпроводимость в скрученном графене. Американские физики предложили модель, которая качественно объясняет явление сверхпроводимости.
Интервью Нобелевского лауреата Константина Новоселова
Алексей Арсенин, заместитель директора центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, обратил наше внимание на работы с гибридными структурами, которые сочетают два и более двумерных материалов, в том числе слои двумерных материалов, повернутые друг относительно друга. Если мы сделаем полость в материале толщиной в один слой, то это еще один объект для исследований — 2D nothing. В 2019 году в Черноголовке защищена докторская диссертация по графену Павла Островского из Института теоретической физики им. Л. Д. Ландау. Им, в частности, построена полная симметрийная классификация возможных типов примесей в графене. Профессор Олег Язев из EPFL (Федеральная политехническая школа Лозанны, Швейцария) так охарактеризовал нам работу Островского: «Диссертация объединяет серию теоретических работ, направленных на понимание электронной проводимости в графене с учетом двумерности и уникальной электронной структуры, свойств, которые делают его столь непохожим на известные металлы и проводники. Особое внимание уделено электронной проводимости в присутствии примесей».
Применения графена
Нобелевский лауреат Константин Новоселов (Манчестер) в эксклюзивном интервью для «Ъ-Науки» рассказал, что ему трудно оценить мировое производство графена в тоннах или деньгах. Что касается крупнейших потребителей графена, то он отметил следующие (далеко не все!):
- Huawei использует графен для терморегуляции смартфонов;
- BYD (Китай) применяет графен в аккумуляторных батареях;
- Samsung планирует (или уже использует) графен в кремниевых чипах для контроля контактного сопротивления;
- в автомобилестроении ряд компаний, например Ford Motor, применяют полимерные композиты с графеновым наполнителем;
- канадская Ora Graphene Audio Inc. производит композиционный материал для беспроводных акустических наушников GRAPHENEQ TM.
Графен в России
В России собственная графеновая индустрия пока только складывается.
Причастные крупные корпорации, например «Росатом», «Ростех», «Роснефть», «Газпром», пока не афишируют тему графеновых материалов, испытывая готовые продукты, например уплотнители от АО «НП «Унихимтех»» (Подольск) на основе графеносодержащих мультислойных структур, графеновые смазки от ООО «ПКФ Альянс» (Санкт-Петербург), корозионно-стойкие покрытия от ООО «Глобал АКЗ».
Интервью профессора, доктора химических наук Дарьи Андреевой
«Сейчас одно из наиболее востребованных применений графена — это теплоотвод в электронных устройствах. В нашей лаборатории сейчас есть проект, направленный на решение этой задачи. Мы разрабатываем теплопроводную пасту для микроэлектроники на основе наших графеновых нанопластин»,— рассказал нам генеральный директор ООО «Русграфен» (Протвино) Максим Рыбин. Кроме того, в ООО «Русграфен» совместно с ООО «ГрафенОкс» (Черноголовка) научились делать различные виды графеновых красок и чернил для гибкой электроники. «Мы можем наносить тонким слоем чернила в качестве активного элемента сенсора и электропроводящие краски в качестве электродов»,— пояснил Максим Рыбин.
По словам генерального директора ООО «Актив-нано» (Санкт-Петербург) Галины Черник, компания разработала тонкорасщепленный графит (few-layer graphene, малослойный графен). Продукт изготавливают с помощью механических методов, без химических реагентов и высоких температур. Окисления углеродного материала не происходит. Удельная площадь поверхности малослойного графена составляет 250–500 кв. м/г, что соответствует средней толщине в пять-десять слоев атомов углерода. Удельная электропроводность материала достигает 100–200 сименс на сантиметр, что в несколько раз выше, чем у электропроводящих саж. Порошок малослойного графена можно применять в электропроводящих и теплопроводящих материалах и в качестве твердой смазки в порошковой металлургии.
Позиция правительства РФ
В 2019 году сформирована группа проектов Graphene Technology Group, сооснователями которой являются Максим Гудков Максим и Максим Рабчинский. В группу входят проекты Graphene Technology, GraphSensors и GraphApta (ООО «Граф-СК», ООО «ГрафСенсорс»). Группа разработала дешевый и масштабируемый метод синтеза оксида графена, который позволяет получить оксид графена высокой чистоты (доля примесей не превышает 0,1 ат.%) с требуемыми размерами монослойных частиц в диапазоне от 500 нм до 100 мкм. Также разработаны масштабируемые методы получения набора функционализированных графенов с контролируемым составом функциональных групп. По словам руководителя проекта Максима Гудкова, производимые материалы представляют большой интерес для электронной промышленности (сенсорные экраны, суперконденсаторы, различные датчики и микроэлектронные чипы), отрасли композитных материалов (аэрокосмическая промышленность, медицинские имплантаты, инженерные материалы), для каталитической отрасли (носители для водородных энергетических катализаторов) и других. За ближайший год компания планирует нарастить объем производства до 10 кг оксида графена в месяц, что позволит снизить цену с текущих 695 руб. за 1 г до 280 руб.
Рынок графена в США
Проект GraphSensors направлен на разработку и производство высокоселективных мультисенсорных газовых чипов на основе графена, обладающих рядом уникальных характеристик: большой набор диагностируемых и идентифицируемых газов (сенсор способен распознавать до семи газов в смеси), низкое энергопотребление (5–10 мВт), возможность работы в бескислородной атмосфере и отсутствие необходимости нагрева чипа. Руководитель проекта Максим Рабчинский прокомментировал: «Наши чипы можно использовать как для диагностики содержания компонентов в газовых смесях, так и для более комплексных задач: диагностики заболеваний человека (Breath Biopsy), идентификации различных запахов, например кофе, табака, вин, мяса, список практически не ограничен. Чипы могут быть интегрированы как в системы «Электронный нос» (Electronic nose), так и в классические многоканальные газоанализаторы».
Проект GraphApta направлен на разработку портативных тест-систем персонального использования для регулярной диагностики течения инфекционных заболеваний, таких как ВИЧ, гепатит, заболевания, передаваемые половым путем. Тест-системы представлены одноразовыми тест-полосками на основе графеновых покрытий и компактного измерительного блока, гепатометра, с доступом к облачному сервису для хранения данных о динамике заболевания. Использование системы позволит проводить диагностику в любое время и в любом месте по аналогии с обычным глюкометром при высокой селективности, чувствительности, а также простоте и дешевизне прибора. По словам руководителя проекта Ивана Комарова, планируется создание как персональных устройств, так и коммерческих решений с расширенными эксплуатационными характеристиками для компаний, занимающихся мониторингом здоровья и анализом вирусных заболеваний.
Джеймс Бейкер, директор Graphene Engineering Innovation Centre
— Господин Бейкер, какие технологии применяются в Евросоюзе для производства графена?
— Существуют две основные методики (но в них много вариаций) получения графена. Методика «сверху вниз» (Top-down) начинается с графита, который через различные способы расщепляют на слои или пластинки графена. Методика «снизу вверх» (Bottom-up) начинается с атомов углерода или углеродсодержащего газа, например CH4 (метан), и с помощью таких процессов, как CVD (химическое осаждение из газовой фазы), образуется пленка графена на листе подложки (например, меди).
В активе АО «НИИграфит» (Москва) разработка гибких пьезодатчиков с графеновыми контактами, графенсодержащие высокоанизотропные теплорассеивающие пластмассы, имеющие коэффициент теплопроводности свыше 200 Вт/мК в одном направлении и 10–20 Вт/мК в другом, с теплостойкостью до 180оС и прочностью более 50 МПа. Реализуемые проекты сосредоточены в области разработки конкурентоспособного технологического процесса получения графена из природного графита методом жидкофазной эксфолиации. Результатом должна стать коммерческая линейка суспензий графеновых препаратов, которые можно использовать для модификации полимеров и композиционных материалов, для получения жидких теплоносителей, смазывающих материалов, проводящих контактов, чернил, оптических покрытий.
Импорт графеновых продуктов
В 2019 году началось продвижение импортных графеновых продуктов на российский рынок. Так, ООО «Альфарок Материалс» (Москва) ввезло из Испании фотокаталитическую краску Graphenstone. Андрей Буслаев, исполнительный директор ООО «ГК Генезис ГНП» (Москва), сообщил «Ъ-Науке» о выводе в августе нынешнего года на рынок России и СНГ швейцарского моторного масла «Genesis GNP Engine Oil» и масла трансмиссионного «Genesis GNP Gear Oil» с присадками графена.
Испытания показали, что коэффициент трения в новом машинном масле снижен с 0,12 до 0,02, коэффициент износа двигателя уменьшается в два-три раза, а расход топлива автомобиля падает на 30% на атмосферных двигателях и на 15% для турбомоторов.
Лю Чжуньфань, Пекинский графеновый институт
— Укажите, пожалуйста, ведущие компании по производству графена в Китае.
— Согласно Глобальному индексу графена, опубликованному китайской службой экономической информации (CEIS) в 2018 году, Китай и США лидируют в графеновой промышленности. В целом производство графена можно классифицировать как CVD-метод получения графеновой пленки и методы получения графеновых порошков. Некоторые примеры китайских производителей графена: CVD-пленки (Beijing Graphene Institute, Chongqing Graphene Technology Co., Ltd.,2D Carbon (Changzhou) Tech Inc., Ltd., Wuxi Graphene film Co., Ltd., Nanjing Ji Cang Nano Tech Co., Ltd.); графеновых порошков (SuperC (Dongguan) New Materials Technology Co., Ltd., Ningbo Morsh Co., Ltd., Qingdao Haoxin Technology Co., Ltd., Xiamen Knano Graphene Technology Co., Ltd., Baotailong Co. Ltd., The Sixth Elements (Changzhou) Materials Technology Co., Ltd., Shandong Leadernano Technology Co., Ltd.).
И много еще
Есть и другие применения графена, такие как добавки в бетон, антибактериальные ткани, фильтрующие и адсорбирующие графеновые материалы и прочее. Изучается применение графена в полевых транзисторах, в лазерах в качестве насыщающихся поглотителей для реализации режима пассивной самосинхронизации мод при генерации ультракоротких импульсов. Так как все эти применения были разработаны всего за несколько лет, то можно говорить о необходимости более подробного изучения свойств графена и наблюдаемых в нем эффектов для полного раскрытия потенциала этого углеродного наноматериала, который, по прогнозам, весьма велик.
Антонио Кастро Нето, сингапурский Графеновый центр
— Укажите, пожалуйста, ведущие компании по производству графена.
— Мировой рынок графена сложен, с тысячами компаний, производящих его,— от пленок до порошков, с различными уровнями качества и стандартизации. Мне трудно выделить отдельные компании. В Сингапуре ведущей компанией является 2D Materials с мощностью 12 тонн графена в год. Она получила предварительные инвестиции от CBMM, компании, которая является главным поставщиком ниобиевых продуктов и технологий. «Брак» между графеном и ниобием имеет огромный потенциал применения — в частности, в твердотельных аккумуляторных батареях. Это передний край электроаккумуляторной технологии — в отличие от обычных жидкоэлектролитных, твердотельные батареи не воспламеняются, и они очень дешевы. Эту технологию развивает сингапурская компания Graphene Watts.