Графен — XXI зууны гайхамшигт материал

Болор

• 2025-06-12
• chemistry, CVD, graphene, graphene material, hexagonal lattice, Mechanical Exfoliation, Reduction of Graphene Oxide

Электроник, эрчим хүч, эрүүл мэнд, механик инженерчлэл, батлан хамгаалах зэрэг өргөн хүрээнд хэрэглэгдэх боломжтой энэхүү материал яг юунд ашиглагдаад байгаа вэ?

Графен гэж юу вэ?

Графен бол нэг атомын зузаантай, хоёр хэмжээст бүтэцтэй, нүүрстөрөгчийн атомуудаас бүрдсэн материал юм. Карбоны атомууд зургаан өнцөгт бүтэцтэй (hexagonal lattice) зохион байгуулагдсан байдаг бөгөөд энэ бүтэц нь зөгийн сархинагтай төстэй.
Графен нь 2004 онд анх Андре Гейм, Константин Новоселов нарын судалгаагаар олж илрүүлсэн бөгөөд энэ нь тэдэнд 2010 онд Физикийн Нобелийн шагнал авчирсан юм.

Графений онцлог шинжүүд

• Физик болон химийн шинж чанар
  • Нэг атомын зузаантай (0.345 нанометр) – Дэлхийн хамгийн нимгэн материал
  • Механик бат бөх – Гангаас 200 дахин хүчтэй, суналтын бат бэх нь 130 ГПа хүртэл хүрдэг
  • Цахилгаан дамжуулах чадвар өндөр – Электронууд бараг саадгүй урсдаг (ballistic transport)
  • Дулаан дамжуулах чадвар өндөр – 5000 Вт/(м·К)
  • Гэрлийн тунгалаг байдал – 97.7% хүртэл гэрлийг нэвтрүүлдэг
  • Уян хатан – 20% хүртэл сунгаж болох уян хатан чанартай

Графены хэрэглээний боломжууд

1. Электроник ба мэдээллийн технологи
   • Хэт өндөр хурдны транзистор – Графены транзистор нь цахиурынхтай харьцуулахад илүү хурдан ажиллах чадвартай
   • Мэдрэгч төхөөрөмжүүд (Sensors) – Хийн мэдрэгч, химийн мэдрэгч, био мэдрэгч зэрэгт маш мэдрэмтгий
   • Ирээдүйн компьютерууд – Квант компьютерийн процессор, энергийн хэмнэлттэй схем
2. Эрчим хүч ба батарей
   • Суперконденсатор – Цэнэг хурдан хураах чадвартай, батерейнаас илүү үр ашигтай
   • Лити-ион батарей – Илүү их багтаамжтай, удаан эдэлгээтэй батарей боловсруулахад хэрэглэнэ
3. Механик инженерчлэл ба хамгаалалтын системүүд
   • Хэт бат бөх материал – Үл хугарах дуулга, хуягласан хэрэгсэл, нисдэг тэрэг, машинд зориулсан хамгаалалтын бүтэц
   • Хөнгөн бүтэц – Агаарын болон сансрын салбарт
4. Дулааны инженерчлэл ба оптик
   • Дулаан дамжуулалтын хэрэгсэл – Дулаан ялгаралтыг багасгах хүйтэн процессор, радиатор
   • Оптик төхөөрөмж – Гэрэл мэдрэгч, фото-детектор
5. Эрүүл мэндийн салбар
   • Био мэдрэгч – Цусны найрлагыг тодорхойлох, өвчний шинж тэмдгийг илрүүлэх
   • Эмийн бодис хүргэлт – Нано түвшний эм хүргэх системд ашиглах боломжтой

Графены үйлдвэрлэл ба тулгарч буй сорилтууд

Графеныг үйлдвэрлэхэд хэд хэдэн арга байдаг:

• Механик хальслах (Mechanical Exfoliation) – Хамгийн анхны арга, гэхдээ бага хэмжээний гарцтай
• Химийн уусмалын аргаар гаргах (Chemical Vapor Deposition, CVD) – Өндөр чанартай графен үйлдвэрлэх гол арга
• Химийн аргаар гаргах (Reduction of Graphene Oxide) – Илүү хямд өртөгтэй боловч чанар бага зэрэг буурдаг

Сорилтууд:

• Өндөр чанартай, их хэмжээгээр үйлдвэрлэх
• Хэрэглээнд тохируулан графены шинж чанарыг хянах
• Үйлдвэрлэл болон хэрэглээний өртгийг бууруулах

Дүгнэлт

Графен бол орчин үеийн шинжлэх ухааны хамгийн сонирхолтой, ирээдүйтэй материалуудын нэг. Электроникс, эрчим хүч, эрүүл мэнд, механик инженерчлэл, батлан хамгаалах зэрэг өргөн хүрээнд хэрэглэгдэх боломжтой.
Гэхдээ графен үйлдвэрлэх арга, өртөг, тогтвортой чанар зэрэг асуудлуудыг шийдвэрлэх нь дараагийн шатны судалгааны зорилт юм.