Электронная и полупроводниковая промышленность считается основным фактором, способствующим росту мирового рынка графена. На быстрый рост рынка графена влияет и рост спроса на бытовую электронику, в первую очередь мобильных телефонов и планшетов.
В 2018 году мировой рынок графена оценивался примерно в 35 миллионов долларов, а к 2021 году прогнозируется, что объем мирового рынка графена превысит 150 миллионов долларов.
Кроме того, прозрачные проводящие пленки на основе оксида графена используются в качестве сырья в автомобильной промышленности, пытаясь укрепить конструкции транспортных средств и производить более экологичные и легкие автомобили.
Уменьшение общего веса автомобиля снижает расход топлива и снижает выбросы углерода, что дает дополнительные экологические преимущества. Кроме того, дополнительный спрос будет со стороны аэрокосмической и оборонной промышленности.
Исключительные проводящие и теплопроводящие свойства графена открывают возможности для электроники следующего поколения, такой как батареи и солнечные панели.
Поддельный графен
Основная проблема при отсутствии правил и стандартов заключается в том, что некоторые поставщики продают поддельный графен. Эти подделки никогда не соответствуют уникальным свойствам материала, удостоенного Нобелевской премии. Это вызвало необходимость создания нормативов и стандартов графена.
По словам Яри Кинарета, директора Graphene Flagship, «отсутствие стандартов было основным препятствием для коммерциализации графена и слоистых материалов».
Графен (Gr) стал одним из самых универсальных и многообещающих наноматериалов. С момента своего открытия в 2004 году графен превратился в суперматериал, который произвел революцию в областях от электроники до телекоммуникаций, от авиакосмической отрасли до автомобилестроения и здравоохранения.
Однако до сих пор очень мало сделано с точки зрения правил и стандартов. Комитет по стандартизации Graphene Flagship Standardization Committee (GFSC) недавно выпустил первый, в своем роде, сертификат стандартизации.
Графен: самое универсальное вещество, доступное человечеству
Благодаря уникальной комбинации превосходных свойств графена этот суперматериал является надежной отправной точкой для новых революционных технологий в широком диапазоне областей.
Графен подобен гигантской молекуле, доступной для химической модификации, с потенциалом для самых разных применений, от электроники до композитных материалов.
Свойства графена
- толщина в один атом (в миллион раз тоньше человеческого волоса)
- самый прочный из обнаруженных соединений (в 100-300 раз прочнее стали)
- самый легкий из известных материалов (один квадратный метр весит примерно 0,77 миллиграмма)
- чрезвычайно гибкий
- непроницаемый для молекул
- высокая электрическая и теплопроводность - графен позволяет электронам течь намного быстрее, чем кремний
- прозрачный проводник
- в нем исключительным образом сочетаются электрические и оптические функции.
Стандартизация графена: о потребностях и проблемах
Несоответствия в консистенции и качестве исходного материала могут иметь огромное негативное влияние на характеристики графена. Отсутствие стандартов на рынке графена создает проблемы как для исследований, так и для промышленности.
Подавляющее большинство онлайн-поставщиков продают графен с практически нулевой консистенцией с точки зрения толщины или чистоты. На данный момент не существует универсальных стандартов, определяющих качество или количество слоев, которые должен иметь материал, чтобы продаваться как графен.
Без этих стандартов на рынке нет регулирования. Это означает, что отрасли, которые собираются совершить свой первый визит в эту область, должны быть особенно осторожны при покупке сырья у онлайн-поставщиков.
Установленные стандарты могут стимулировать инновации, повысить эффективность и снизить затраты, снизить риски, а также повысить вероятность выхода продукта на рынок. Таким образом, отсутствие стандартов в графене является серьезным препятствием для исследований и инноваций графена; и это нужно решать.
Проблемы
- Отсутствие общепринятого определения:
«Техническое определение графена - это просто однослойный углерод: слой атомов углерода толщиной в один атом», - говорит Кристиан Пункт, старший научный сотрудник Graphene Flagship партнера Технологический институт Карлсруэ (KIT), Германия. Идеальный однослойный графен является фокусом многих рабочих пакетов и проектов Graphene Flagship, а также является ключом к появлению графена на рынках фотоники и электроники стоимостью в несколько миллиардов евро.
Но производство однослойного графена в больших масштабах обходится дорого, и для многих исследователей многослойные хлопья, которые значительно дешевле и более широко доступны, идеально подходят. Кристиан Пункт предлагает аналогию: «Когда вы пишете карандашом, отметка на бумаге будет содержать немного графена. Но в этом случае в существовании идеального однослойного графена нет необходимости, потому что вам просто нужно, чтобы карандашный след был черным».
- Ученым необходимо разработать более подходящие способы характеристики графена как во время, так и после производственного процесса:
«Примером этого является графен, полученный путем химического осаждения из паровой фазы. Исследователи пытаются точно определить структуру и свойства графена по мере его роста», - говорит Кристиан Пункт. Наиболее распространенным методом оценки качества графена является рамановская спектроскопия, которая теперь стала стандартом в промышленности, и ученые Graphene Flagship надеются, что она станет ключом к анализу среднего производства графена.
Точно так же ученым необходимо разработать более совершенные методы для определения химических свойств порошков оксида графена, используемых для изготовления полимерных композитов. «Мы можем использовать метод, называемый рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией, но он часто бывает сложным и дорогим. Быстрые спектроскопические измерения были бы лучше, но они нуждаются в дальнейшем развитии», - говорит Кристиан Пункт.
- Сферы применения графена только появляются, поэтому многие ключевые контрольные характеристики и ключевые показатели эффективности еще не установлены:
«Нам нужна подробная информация о взаимосвязи свойств и характеристик в графене, многие из которых еще не полностью известны или поняты», - говорит Кристиан Пункт.
Ученые, создающие полимерные композиты на основе графена с упором на механическую прочность, должны приложить много усилий с точки зрения планирования и разработки, чтобы определить оптимальный тип графена, который обеспечивает наиболее желаемые механические свойства.
- Перспективы торговли:
«Графен используется как маркетинговый термин», - говорит Кристиан Пункт. «Если бы мы оценивали графен по качеству поверхности и количеству слоев, графен «Grade A», конечно, продавался бы лучше, чем более низкие сорта. Таким образом, вряд ли такая схема будет согласована. Это не является необоснованным. Графен якобы более низкого сорта действительно был бы лучшим выбором для определенных приложений.
По словам Панкта, требования к структуре и качеству материала транзисторов и аккумуляторов практически противоположны. «Нам необходимо определить схему классификации графена, которая была бы ясной и поддающейся количественной оценке, и которая удовлетворяла бы как исследователей, так и коммерческих продавцов графена. Это действительно подчеркивает важность Комитета по стандартизации флагманского графена», - говорит Кристиан Пункт.
Помимо однослойного графена, промышленности иногда требуются другие спецификации, даже различные типы слоистых материалов. Некоторые продукты, такие как фотонные и электронные устройства, нуждаются в чистом однослойном графене, тогда как другие, такие как композиты и функциональные материалы - нет..
