Graphen: Entdecken Sie das Material, das die Technologie revolutionieren könnte
Kredit: Newsweek
Graphen ist unglaublich stark, unglaublich flexibel und gut für die Umwelt. Wir haben einen 2D-Wissenschaftler gefragt, ob es die Menschheit für immer verändern könnte.
Stellen Sie sich ein Material vor, das hundertmal stärker als Stahl ist, sich aber leicht zu einem Armband um Ihr Handgelenk biegen lässt. Stellen Sie sich vor, es ist leicht, leitet Wärme und ist vollkommen zweidimensional: nein, nicht nur dünn, sondern besteht buchstäblich aus der Dicke eines einzigen Atoms.
Ein solches Material scheint so schön, um wahr zu sein, dass selbst Science-Fiction aus Angst, es sei nicht realistisch genug, davon Abstand nimmt.
Graphen ist jedoch echt.
Dies ist ein Material des 21. Jahrhunderts, das irgendwie alle Möglichkeiten des modernen Lebens erfüllt: so langlebig wie Diamant, aber dennoch flexibel und förderlich für unseren unstillbaren Appetit auf Elektrizität. Warum verschmelzen wir also nicht Super-Smartphones aus dieser Technologie? Sicherlich könnte Graphen die Immobilienkrise beenden, IoT-Geräte länger halten und Batterien, wie wir sie kennen, ausrotten? Könnten wir wirklich einen Fahrstuhl zum Mond bauen aus dem Material, das sich im Kern eines Bleistifts befindet?
Im Moment wirft Graphen mehr Fragen auf, als es tatsächlich beantwortet; Viele dieser Fragen sind natürlich phantasievolle Vorstellungen davon, wie wir die Menschheit überfordern können. Wir stellen uns unsere Welt in 50 Jahren aus Glas, Metall und Silizium vor, doch dieses Material könnte unsere Zukunft neu erfinden.
Woher kommt Graphen?
Dieses Material gibt es erst seit 15 Jahren. Die Menschheit hat schließlich Jahrhunderte damit verbracht, herauszufinden, wie man Eisen, Feuer und Stahl am besten nutzbar macht. Es ist verständlich, dass die Entdeckung einer völlig neuartigen Substanz nicht sofort zu ihrer Umsetzung innerhalb von Monaten führt. Es ist jedoch leicht, sich für Graphen zu begeistern; uns selbst voraus zu sein und uns echte Städte im Stil von vorzustellen Schwarzer Panther Wakanda. Allein die Entdeckung von Graphen schickte Schockwellen durch die wissenschaftliche Gemeinschaft.
„Diese Entdeckung hat in der Folge zu einer ganz neuen wissenschaftlichen Disziplin geführt – der zweidimensionalen Materialwissenschaft – die darauf abzielt, Graphen und seine verwandten Materialien zu erforschen, zu verstehen und zu nutzen“, sagt Dr. Nicky Savjani, ein 2D-Materialwissenschaftler, der derzeit in einer multidisziplinären Zusammenarbeit arbeitet zwischen der University of Manchester und ESR Technology in Warrington. Dr. Savjani arbeitet mit zweidimensionalen Nanomaterialien wie Graphen und hat in Organogoldchemie promoviert.
„Graphen kann man sich am einfachsten als eine Wabenschicht aus Kohlenstoffatomen vorstellen, die völlig flach ist“, erklärt Dr. Savjani. „Obwohl seine Existenz über 50 Jahre zuvor theoretisiert wurde, wurde Graphen erstmals 2004 von den Professoren Andre Geim und Kostya Novoselov an der Universität Manchester isoliert. Sie entdeckten, dass sie durch einfaches Abschälen von Schichten eines Graphitkristalls ein Material mit Eigenschaften und Merkmalen fanden, die noch nie zuvor gesehen wurden.“
Das gefundene Material war Graphen. Geim und Novoselov wurden 2010 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet für ihre Entdeckung, die die Türen zu mehr Forschung, mehr Finanzierung und mehr Interesse an dem Material öffnete. Dank dieser Entdeckung ist Dr. Nicky Savjani nur einer von Tausenden von Wissenschaftlern, die an 2D-Materialien arbeiten.
„Es gibt zahlreiche Wachstumsprobleme bei der Ausweitung der Produktion und Anwendung des Materials auf den Verbrauchermarkt“, sagt Dr. Savjani. „Die Wissenschaft von Graphen steckt noch in den Kinderschuhen; wir lernen immer noch so viel über seine grundlegenden Eigenschaften. Aber die wissenschaftliche Gemeinschaft entdeckt mit atemberaubender Geschwindigkeit neue Erkenntnisse über das Material.“
IoT erobert die Welt. Es wird nicht lange dauern, bis Smart Homes alltäglich sind: Kühlschränke und Glühbirnen, die mit dem Internet verbunden sind, sind nur die ersten Wellen eines Technologie-Tsunamis.
Die Zahl der IoT-Geräte vervielfacht sich Jahr für Jahr mit erstaunlicher Geschwindigkeit. Obwohl wir das Wachstum des IoT ursprünglich auf der Grundlage dessen prognostiziert hatten, was mit den derzeit verfügbaren Materialien sinnvoll war, könnten neue Materialien den Arbeiten einen Strich durch die Rechnung machen. Nehmen wir zum Beispiel an, dass Batterien komplett neu gestaltet werden können. Wenn Batterien länger halten und beispielsweise ein Smartphone in weniger als einer halben Stunde vollständig aufgeladen werden können, könnten wir die IoT-Revolution noch weiter und noch schneller ausweiten.
„Graphen wird bereits in Flaggschiff-Smartphones implementiert“, sagt Dr. Savjani. „Huawei verwendet Graphen als Ersatzkühlsystem, es leitet angeblich Wärme schnell ab und hält das Gerät auch unter starker Belastung kühl, während es nur minimales Gewicht hinzufügt. Samsung entwickelt graphenmodifizierte Lithium-Ionen-Batterien, von denen berichtet wird, dass sie die Ladekapazität erhöhen und die Ladezeiten auf ein Fünftel der aktuellen Ladetechnologien verkürzen; All dies wirkt gleichzeitig feuerhemmend und reduziert die bekannten Explosionsrisiken von Lithium-Ionen-Zellen erheblich.“
Batterien sind nur ein Beispiel dafür, wie Graphen das Internet der Dinge aufladen könnte. Das Material könnte durchaus in Geräte, Wearables und Erfindungen integriert werden, die wir noch nicht einmal gesehen haben.
„Die Anwendungen von Graphen jenseits von Telefonen sind erschöpfend“, bestätigt Dr. Savjani. „Es kann verwendet werden, um die Empfindlichkeit von Touchscreens zu verbessern Gestensteuerung indem Sie einfach mit dem Finger über den Bildschirm fahren. Es könnte auch vorhandene elektronische Materialien – wie Silizium für Computerchips oder Kupfer, Blei und Indium-Zinn-Oxid als Leiter – ersetzen, um die „Miniaturisierung“ elektronischer Architekturen von Computerchips und anderen elektronischen Komponenten zu unterstützen.“
Da elektronische Architekturen immer kleiner werden, verbessern sich die Möglichkeiten der Datenverarbeitung. Graphen könnte dies beschleunigen.
„Dies könnte dazu beitragen, die nächste Generation von Computern unglaublich schnell zu machen; damit wir uns davon lösen können Moores Gesetz, was derzeit die Verbesserung der Computergeschwindigkeit einschränkt.“
Graphen könnte eine Vielzahl von IoT-Vorteilen haben
Graphen kann nicht nur in Batterien und Chips verwendet werden. Dies ist ein multifunktionales Material, das zum Bau der Hardware von Wearables und IoT-Geräten verwendet werden könnte, nicht nur der Software.
Dr. Savjani glaubt, dass eines der bestimmenden Merkmale von Graphen – seine Flexibilität – dazu führen könnte, dass Smartphones selbst komplett neu gestaltet werden. „[Graphen] könnte zu Smartphones führen, die so dünn wie Papier sind, gefaltet oder gerollt und in komplexe Oberflächen integriert werden können, während sie die gleiche Leistung wie aktuelle Smartphones bieten“, sagt er.
Die Massenpopularität der flexiblen Smartphones steht offenbar vor der Tür, dank Leuten wie Samsung's Fold-Design. Telefone, die aus einem Material bestehen, das faltet und biegt sich wie Papier sind jedoch eine ganz andere Perspektive: Sind sie überhaupt als Smartphones einzustufen?
Wenn wir also nicht mehr an ein starres Rechteck aus Glas gebunden sind, um zu kommunizieren, wohin gehen wir von hier aus? AR-Headsets sind eine Innovation, die sich eher wie ein „wann“ als wie ein „wenn“ anfühlt; Könnten wir auch einen Anstieg bei intelligenter Kleidung und die Revolution bei Wearables sehen?
„Mit Blick auf einen weiteren Entwicklungszyklus wird Graphen dazu beitragen, tragbare Technologien zu ermöglichen“, bestätigt Dr. Savjani. „Beweise haben gezeigt, dass auf Graphen basierende Elektronik und Technologien die mechanischen und elektronischen Eigenschaften der Materialien nutzen könnten, um ultradünne Elektronik herzustellen, die flexibel, dehnbar und tragbar ist.“
Internetgeschwindigkeiten könnten mit Graphen verbessert werden
2020 soll das Jahr von 5G werden. 2019 wurden die Grundlagen der Technologie gelegt, von Fernsehwerbung, die die Blitzfähigkeit von 5G zeigte, bis hin zum Glastonbury Festival, das eine Demonstration eines 5G-Telefons bot.
Die Umstellung auf die Mobilfunktechnologie der fünften Generation wird voraussichtlich die Welt verändern, trotz Bedenken einiger. Mehr Daten bedeuten schnelleres Internet, die Möglichkeit größerer Downloads und dies könnte unweigerlich zu größeren, besseren Inhalten auf Geräten führen. Drahtloses Internet – ob 5G oder Wi-Fi – ist jedoch immer noch begrenzt.
„Einer der einschränkenden Faktoren für die Verbesserung der drahtlosen Internetgeschwindigkeiten ist die zunehmende Überlastung des Mobilfunkspektrums“, sagt Dr. Savjani. „Aufgrund der steigenden Nachfrage nach drahtloser Kommunikation geben Telekommunikationsunternehmen Milliarden für den Erwerb kleiner Slots des Spektrums (zwischen 800 und 2100 MHz) aus, das sporadisch von der Regierung freigegeben wird. Um eine Datenübertragung mit höherer Geschwindigkeit und breiterer Bandbreite zu ermöglichen, ist es daher entscheidend, auf einen ungenutzten Teil des Spektrums zugreifen und dort senden zu können.“
Die Wissenschaft von Graphen steckt noch in den Kinderschuhen; wir lernen immer noch so viel über seine grundlegenden Eigenschaften. Aber die wissenschaftliche Gemeinschaft entdeckt mit atemberaubender Geschwindigkeit neue Erkenntnisse über das Material.
Dr. Nicky Savjani
„Ein vielversprechender Kandidat für die drahtlose Kommunikation ist der Zugriff auf das Terahertz-Band (0.1 THz – 10 THz), das drahtlose Verbindungen mit Terabit pro Sekunde (Tbps) ermöglichen und den Datenfluss um das bis zu 1,000-fache verbessern könnte.“
Graphene wirft alternative Fragen zur Zeitachse des Internets in den 2020er Jahren auf. Wir dachten, dass wir die Richtung kennen, in die das Internet mit 5G gehen würde, aber Graphen könnte all das weit aufbrechen.
„Die Technologie, die es uns ermöglicht, Signale auf diesen Frequenzen zu senden und zu empfangen, wird dringend benötigt. Die aktuelle Technologie kann nur auf einen kleinen Teil dieses Spektrums zugreifen, wobei schwerwiegende Leistungsbeschränkungen eine landesweite Einführung verhindern. Laborstudien haben gezeigt, dass Graphen die Schlüsselkomponente bei der Entwicklung solcher Geräte sein kann, wodurch miniaturisierte Antennen, Wellenleiter und Antennen für Terahertz-Kommunikationsschaltungen gebaut werden können.“
Die Technologie könnte für die Medizin und die Umwelt enorm sein
Ist es egoistisch von uns, über Smartphones und eine weniger klobige Smartwatch nachzudenken, sobald wir von einem neuen Wundermaterial hören? Womöglich. Wir könnten die Allgegenwart des Konsums dafür verantwortlich machen; Es ist schließlich ganz natürlich, neue Informationen auf eine zuordenbare Skala zurückzuführen.
Graphen wird wahrscheinlich Ihren Haushalt auf den Kopf stellen. Ihr Telefon, Ihre Uhr, Küchengeräte, sogar die vier Wände um Sie herum könnten in den kommenden Jahren mit der Substanz infundiert werden. Es ist jedoch eine riesige Welt da draußen und Graphen wird auch das beeinflussen.
Graphen könnte enorm vorteilhaft für die Umwelt sein. Es könnte verwendet werden, um COXNUMX-Emissionen zu reduzieren und möglicherweise sauberere Energiemethoden anzukurbeln.
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Graphen könnte ebenso beeindruckend sein, um das Gesundheitswesen und die Medizin voranzubringen. Das Material hat antimikrobielle Eigenschaften, die Infektionen reduzieren könnten, was es zum perfekten Material für die Beschichtung von Medizinprodukten, aber auch von Implantaten macht. Sollte Gehirnimplantate eher mögen diejenigen, die von Neuralink gehänselt wurden alltäglich werden, ist es wahrscheinlich, dass Graphen verwendet werden könnte.
„Funktionalisiertes Graphen könnte als wirksames Krebsbehandlungssystem verwendet werden: [es] könnte als Arzneimittelträger für die gezielte Abgabe von Chemotherapeutika gegen Krebs verwendet oder in kleine Flüssigkeitsvorrichtungen zur Entfernung von Tumorzellen im Blut eingebaut werden. “, sagt Dr. Savjani. „Ultrakleine Sensoren können auch Diagnosen vor Ort ermöglichen, ohne dass Biopsien erforderlich sind. In anderen Bereichen kann Graphen als strukturelle Plattform für Stammzelltherapien für zahlreiche neurologische und genetische Erkrankungen verwendet werden.“
„Ultradünne und leichte Graphensensoren könnten entwickelt werden; [sie] ermöglichen die Echtzeitüberwachung jeder Körperoberfläche, einschließlich direkt an Organen wie dem Herzen. Es wurde auch in Latexkondome eingearbeitet, um sie dünner, stärker, sicherer und flexibler als je zuvor zu machen, um die Empfängnisverhütung zu unterstützen.“
Worauf warten wir genau?
Wir leben in einer verrückten Welt und selbst daran zu erinnern, ist ein Klischee. Politisch ist der Stoff der Satire real geworden. Kulturell haben wir fast jeden möglichen Weg erkundet und leben jetzt nach dem Gesetz, dass sogar etwas Altes für jemanden neu ist.
Technologisch schreiten die Dinge bekanntermaßen mit immer höheren Geschwindigkeiten voran. Teils, um unseren unstillbaren Appetit auf Neues zu stillen, teils, weil Unternehmen der Konkurrenz einen Schritt voraus sein müssen, und teils, weil wir es können.
Betrachten Sie ein Küchengerät wie einen Kühlschrank. Denken Sie daran, wie es in den amerikanischen Diners der 1950er Jahre ausgesehen hat und wie es im Jahr 2019 aussieht. Die Funktion ist identisch. Es gab so wertvolle kleine Updates, einfach weil es nie eines geben musste. Ganz anders das Handy, das heute wie ein ganz anderes Objekt aussieht als sein ziegelsteinartiger Vorgänger.
Technologie ist ein Marathonläufer, mit dem der Durchschnittsmensch nur schwer Schritt halten kann. Die meisten von uns steigen mit 30 oder 40 aus dem Rennen aus und lassen einfach zu, dass die Technologie über uns hereinbricht: etwas, das unsere Kinder genießen können, und der IT-Typ im Büro, der uns eine kurze Demo davon gibt, damit wir nicht kaputt gehen neuer Drucker.
Die Technologie braucht keine weitere Entschuldigung, um vor uns wegzulaufen, aber Graphen könnte sie liefern. Wenn jeder Aspekt der Technik von diesem Supermaterial durchdrungen wird, von Bildschirmen bis hin zu Batterien, dem Material, aus dem Ihr Telefon besteht, bis hin zum bevorstehenden Gehirnimplantat in Ihrem Kopf, wird es schwierig, mitzuhalten.
Also wo ist das alles? Graphen verspricht unendlich aufgeladene Produkte, COXNUMX-Abscheidung und T-Shirts, die direkt mit dem Internet verbunden sind, also warum haben wir nichts davon gesehen?
„Die Wissenschaft von Graphen steckt noch in den Kinderschuhen; wir lernen immer noch so viel über seine grundlegenden Eigenschaften“, begründet Dr. Savjani. „Aber die wissenschaftliche Gemeinschaft entdeckt mit atemberaubender Geschwindigkeit neue Erkenntnisse über das Material.“
Forschung ist jedoch nicht der einzige Grund dafür, dass Graphen noch nicht überall zu finden ist.
„Die Einführung der neuen Technologie hat auch wirtschaftliche Auswirkungen: Die Fähigkeit, reines, defektfreies Graphen herzustellen, das für den Einsatz in der Elektronik geeignet ist, ist derzeit extrem teuer“, fährt er fort. „Aber mit dem raschen Anstieg der Zahl der Graphenproduzenten auf der ganzen Welt, der Lieferung hochwertiger Materialien zu den schnell sinkenden Kosten, wird die Technologie allen zur Verfügung stehen.“
Die Massenproduktion eines brandneuen Materials ist eine Herausforderung. Dr. Savjani erwartet, dass es ein teurer Prozess sein wird, aber da immer mehr Produkte mit Graphen auf den Markt kommen, werden diese Hindernisse überwunden.
Für diejenigen, die verzweifelt versuchen, mit der Technologie mitzuhalten, sagt Dr. Savjani, dass Graphen als „überteuertes Gimmick“ angesehen wurde. Die Einstellungen ändern sich jetzt.
„Erst jetzt zeigen Produkte das wahre Potenzial von Graphen als Material, das die Welt verändert“, sagt er. „Einige Forscher glauben, dass Graphen in den nächsten zehn Jahren alle Aspekte der Welt durchdringen wird, andere glauben, dass es 30 sein werden.“
„Aber es ist nur eine Frage der Zeit, bis Graphen uns in die nächste technologische Ära führen wird.“
