Юный техник, 2015 № 03

Графен снова удивляет

Удивительный материал графен, открытый в 2004 году, продолжает радовать ученых все новыми полезными свойствами. За прошедшее десятилетие исследователями уже было открыто множество интересных свойств этого вещества, состоящего всего из одного слоя атомов углерода.

Например, ученым известно, что графен не пропускает никакие жидкости и газы. Это позволяет использовать его в составе антикоррозионных материалов и герметичных упаковок. К примеру, даже самому маленькому из атомов — атому водорода — потребуется время жизни Вселенной, чтобы пройти через монослой графена.

Тем более удивительно, когда в своих экспериментах ученые обнаружили, что, несмотря на это, графен в присутствии катализатора, например, платины, отлично пропускает протоны, которые по сути являются теми же атомами водорода, лишившимися электрона.

Физики использовали два контейнера, один из которых был пуст, а во втором находилась смесь газов аргона и водорода. «Мы наблюдали, что водород из одного контейнера перемещался в другой, где водорода не было, — пояснил А. Гейм. — Способность тонкой мембраны не пропускать ничего, кроме протонов, может найти широкое применение, и в первую очередь в устройствах, на которые сегодня устремлены взоры экологов и автомобилестроителей, — топливных элементах».

В них водород, окисляясь в кислороде, способен без горения производить электрический ток. Низкий же КПД существующих установок связан с тем, что современные мембраны проводят не только протоны, но и газ — водород, кислород, метанол и другие вещества, которые в данном случае являются лишь своеобразным «мусором».

Прогнозируя развитие топливных элементов, министерство энергетики США надеется, что проводимость мембран к 2020 году превысит хотя бы 50 сименсов на кв. см. «В наших мембранах при температурах выше 100 °C мы уже имеем показатели около 1000 сименсов», — подчеркнул ученый.

Поэтому можно надеяться, что открытие мембранных свойств графена даст мощный толчок в использовании топливных элементов на транспорте и в энергетике. И хотя в своих экспериментах ученые пока моделировали эти процессы на микромасштабах и не собрали даже 1 мг водорода, исследователи уверены, что эти механизмы в будущем могут быть использованы в промышленных масштабах.

«В атмосфере довольно много водорода, и каждые 100 лет он восстанавливается. И 1 % этого водорода мы можем даром получать из атмосферы. Ведь известно, что в присутствующем в атмосфере водороде всегда есть и свободные протоны», — сказал А. Гейм.

В. ВЛАДИМИРОВ

ОПРЕСНЕНИЕ ВОДЫ

Ученые изучают возможности использования графена в процессе опреснения воды — для удаления соли из морской воды, чтобы сделать воду питьевой или пригодной для других целей.

Так, компании Lockheed Martin, известному производителю военных и авиационных систем, удалось научиться делать в пленке графена достаточно большие отверстия, чтобы в них проходили молекулы воды, но достаточно маленькие, чтобы задержать молекулы соли. Преимуществом нового метода по сравнению с традиционными является чрезвычайная тонкость графена. А чем тоньше фильтрующий материал, тем меньше энергии требуется для работы опреснительной установки.

Многоразовая бумага

До изобретения бумаги, в античные времена, люди писали на дощечках, покрытых воском. Особой палочкой — стилосом — выдавливали буквы и слова. А потом стирали другим, плоским концом того же стилоса.

Такая табличка была удобна для каждодневных записей, однако сохранить на ней написанное сколько-нибудь долго было проблемой. Тут уж в ход шли глиняные таблички, которые после нанесения текста обжигали в огне, словно кирпичи.

Бумага, изобретенная примерно в 105 году н. э. в Китае, для письма намного удобнее. Именно возможность писать, печатать и читать информацию с бумаги позволила человеческой цивилизации быстро развиваться. Да и ныне, в эпоху расцвета компьютерных информационных технологий, около 90 % всех сведений все еще хранятся записанными или отпечатанными на той же бумаге.

При этом, как показывает статистика, большая часть информации, отпечатанной на бумаге, предназначается для одноразового использования. А потом бумага отправляется в мусорную корзину. Получается, зря были вырублены леса, произведены чернила и загрязнены воздух, земля и вода при производстве бумаги.

Но вот недавно были продемонстрированы первые образцы многоразовой бумаги, разработанной группой ученых-химиков из Калифорнийского университета в Риверсайде. Самым интересным в этом изобретении является то, что для печати по этой бумаге не требуется ни чернил, ни тонера.

Принцип действия многоразовой бумаги основан на процессе изменения цвета определенных химических соединений. Говоря проще, «вечный черновик» состоит из 2 слоев тонкой прозрачной полимерной пленки, между которыми находится слой активного вещества, на нем и формируются изображения.

Печать осуществляется при помощи ультрафиолета, который делает бесцветными те участки, куда он попадает. А те участки полимера, куда не попал ультрафиолет, сохраняют свой изначальный цвет, формируя видимые глазом человека достаточно яркие и контрастные текст и изображения.

Многоразовая бумага представляет собой особую пленку, на которой текст печатается или пишется особым способом.

Опытные образцы такой перезаписываемой бумаги смогли выдержать до 20 циклов стирания без потери контрастности и разрешающей способности печатаемых на них изображений.

В зависимости от используемых красителей перезаписываемая бумага может быть синей, красной и зеленой. В состав красителя также входят наночастицы диоксида титана, которые служат катализатором, и целлюлоза, придающая объем и толщину активному слою бумаги.

Процедура стирания происходит за счет химической окислительной реакции, в которой задействован атмосферный кислород. Нагрев бумаги до 115 °C уменьшает время стирания текста до нескольких минут. При комнатной температуре бумага сохраняет видимость намеченных на ней изображений более 3 суток. Этого вполне достаточно для печати на ней газет и множества документов одноразового использования. Кроме того, несложная структура многоразовой бумаги делает процесс ее изготовления простым и не требующим особых затрат энергии.

«Новая бумага является весьма перспективной альтернативой обычной, — считает Ядонг Иин, профессор химии из Калифорнийского университета. — При ее помощи можно будет в будущем удовлетворить все потребности человечества, не нанося при этом серьезного урона окружающей среде».

Сейчас сотрудники лаборатории под руководством профессора работают над созданием в полном смысле слова бумажного варианта своей многоразовой бумаги. В качестве основы будет использоваться волокнистый непрозрачный пластик или даже обычная бумага со специальным покрытием.

Параллельно с этим ведутся работы по увеличению в 100 раз количества циклов печати и стирания, которые может выдержать перезаписываемая бумага. В случае успеха у новой технологии и в самом деле неплохое будущее. Пока же писать на листах, покрытых пластиковой пленкой, обработанной окислительно-восстановительными красителями, получается только с помощью специальных ультрафиолетовых ручек.

В. ПЕТРОВ