Будущее технологий: двумерные материалы

БУДУЩЕЕ ТЕХНОЛОГИЙ — ДВУМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ | РАЗБОР 00:00 Технологическое средневековье • Современные технологии, такие как ракеты и смартфоны, основаны на принципах, разработанных в середине прошлого века. • Принцип работы ракет не изменился с 1940-х годов: контролируемый взрыв химического топлива толкает металлическую трубу вверх. • Компьютерные чипы продолжают развиваться по закону Гордона Мура, но достигли физического предела из-за квантовых эффектов. 01:26 Проблемы современных технологий • Транзисторы стали настолько маленькими, что между ними осталось всего несколько атомов, что приводит к квантовым эффектам и перегреву чипов. • Литий-ионные аккумуляторы улучшились лишь незначительно за последние полвека. • Проблема не в учёных, а в материалах, которые достигли физического предела. 02:21 Двумерные материалы как будущее • Двумерные материалы толщиной в один атом обладают уникальными свойствами: они проводят электричество без сопротивления, прочнее стали в 200 раз и прозрачны. • Открытие первого двумерного материала — графена — привело к Нобелевской премии. 03:30 Открытие графена • В 2004 году физики Гейм и Новоселов создали графен с помощью скотча и графита. • Графен обладает невероятными свойствами: электроны в нём ведут себя как безмассовые частицы, материал прозрачен и прочен. 06:24 Свойства графена • В графене каждый атом углерода соединён с тремя соседями, создавая идеальную гексагональную структуру. • Связи между атомами углерода в графене одни из самых прочных в природе. • Графен почти полностью прозрачен и проводит тепло в десять раз лучше меди, при этом сам не нагревается. 11:44 Многослойный графен • Складывание атомных слоёв графена создаёт новые материалы с уникальными свойствами. • При более чем десяти слоях получается привычный графит из карандаша. • Это открытие открывает возможности для создания новых материалов с уникальными свойствами. 12:40 Двумерные материалы других элементов • Учёные уже создали целый зоопарк двумерных материалов, каждый со своей «суперспособностью». • Возможность создания двумерного кремния, золота и других элементов открывает новые перспективы в науке и технологиях. 12:54 Открытие графена и его последствия • Графен открыл новые возможности для изучения двумерных материалов. • Дисульфид молибдена в монослое имеет прямую запрещённую зону, что делает его эффективным полупроводником. • Гексагональный нитрид бора BN — идеальный изолятор, химически инертный и прозрачный. 14:49 Проблемы с двумерным кремнием • Двумерный кремний SiC имеет гофрированную структуру из-за крупных атомов кремния. • Расчёты обещают совместимость с существующими технологиями и ускорение, но стабильные образцы пока не получены. 15:06 Максены и их возможности • Максены — это двумерные материалы, которые можно «конструировать» под конкретные задачи. • Титан, ванадий и молибден придают максенам различные свойства. • Синтезировано более тридцати максенов, теоретически возможны сотни. 16:44 Сверхпроводимость графена • Два слоя графена, повёрнутые относительно друг друга на 1,1 градуса, становятся сверхпроводниками. • Это открытие открыло новое направление — твитронику. 18:03 Применение графена в повседневной жизни • Графен в смартфонах эффективно отводит тепло от процессора. • В теннисных ракетках графен делает их прочнее и легче. • Графеновые мембраны в наушниках расширяют частотный диапазон. 19:49 Антикоррозийные покрытия и медицинские применения • Графеновые покрытия защищают от коррозии лучше традиционных красок. • Графеновые сенсоры определяют биомаркеры рака на ранних стадиях. 21:12 Графен в дисплеях и батареях • Графен идеален для электродов в гибких экранах. • Графиновые аноды позволяют заряжать смартфоны за 15 минут и выдерживают больше циклов зарядки. 22:09 Будущее графена • Графеновые батареи для электромобилей сделают их практичными. • Квантовые компьютеры на основе графена будут доступны широкому кругу пользователей. • Графен уже используется в автомобильных шинах, красках, бетоне и презервативах. 23:04 Проблемы массового производства • Основная проблема — массовое производство двумерных материалов. 23:19 Стоимость и перспективы графена • Высококачественный графен стоит до тысячи долларов за грамм, что более чем в пятнадцать раз дороже золота. • В 2010 году цена графена составляла 100 тысяч долларов за грамм, а к 2030 году прогнозируется снижение до 10 долларов за грамм. • Пример алюминия показывает, как цены на материалы могут значительно снижаться со временем. 24:11 Проблемы масштабирования и интеграции • Методы массового производства графена, такие как химическое осаждение и жидкофазная эксфолиация, пока не обеспечивают достаточного качества. • Интеграция графена в