Графен може вирішити п'ять найбільших проблем світу

У вересні 2015 року світові лідери зібралися на історичному саміті ООН, щоб прийняти цілі в області стійкого розвитку (SDG). Сімнадцять цих амбіційних цілей та індикаторів допоможуть направити і скоординувати уряди і міжнародні організації для вирішення глобальних проблем. Наприклад, SDG 3 передбачає «забезпечення здорового способу життя і доступного благополуччя для всіх людей у будь-якому віці». Інші включають доступ до чистої води, зменшення наслідків змін клімату та доступну охорону здоров'я.

Якщо ви вважаєте, що цих цілей важко досягти, ви праві. У всіх сімнадцяти категоріях існують проблеми, які не дозволять їм здійснитися до вказаної дати у 2030 році. Однак у поєднанні з прогресом на соціально-політичній арені прогрес в галузі науки і техніки може стати ключовим прискорювачем цього процесу.

Давайте приведемо всі цілі SDG:

1. Повсюдна ліквідація бідності у всіх її формах
2. Ліквідація голоду, забезпечення продовольчої безпеки та покращення живлення та сприяння сталому розвитку сільського господарства
3. Забезпечення здорового способу життя та сприяння добробуту для всіх у будь-якому віці
4. Забезпечення всеохоплюючого та справедливого якісної освіти і заохочення можливості навчання протягом усього життя для всіх
5. Забезпечення гендерної рівності та розширення прав і можливостей жінок і дівчаток
6. Забезпечення наявності та раціональне використання водних ресурсів і санітарії для всіх
7. Забезпечення доступу до недорогих, надійним, стійким і сучасних джерел енергії для всіх
8. Сприяння неухильному, всеохватному і стійкого економічного зростання, повної і продуктивної зайнятості та гідної праці для всіх
9. Створення міцної інфраструктури, сприяння забезпеченню всеохватной і стійкою індустріалізації та впровадження інновацій
10. Зниження рівня нерівності всередині країн та між ними
11. Забезпечення відкритості, безпеки, живучості і стійкості міст і населених пунктів
12. Забезпечення раціональних моделей споживання і виробництва
13. Прийняття термінових заходів по боротьбі зі зміною клімату та його наслідками
14. Збереження і раціональне використання океанів, морів і морських ресурсів в інтересах сталого розвитку
15. Захист, відновлення екосистем суші і сприяння їх раціональному використанню, раціональне управління лісами, боротьба з опустелюванням, припинення і звернення назад процесу деградації земель і припинення процесу втрати біологічного різноманіття
16. Сприяння побудові миролюбних і відкритих товариств в інтересах сталого розвитку, забезпечення доступу до правосуддя для всіх і створення ефективних, підзвітних і заснованих на широкому участю установ на всіх рівнях
17. Зміцнення засобів досягнення сталого розвитку та активізація роботи механізмів глобального партнерства в інтересах сталого розвитку

Складно? Можливо. Але у вчених, здається, є відповідь. Всього одне слово: графен. Футуристичний матеріал з зростаючим набором потенційних застосувань.

Графен складається з щільно з'єднаних атомів вуглецю, розташованих в решітці товщиною в один атом. Це робить його найтоншим речовиною у світі, яке при цьому в 200 разів міцніше сталі, гнучке, невизначене, самовідновлюватися, прозоре, що проводить і навіть надпровідний. Квадратний метр графена вагою всього в 0,0077 грама може витримувати чотири кілограми навантаження. Це дивовижний матеріал, що, втім, не дивує вчених і технічних фахівців.

Заголовки, що рекламують графен як диво-матеріал, регулярно з'являлися протягом останніх десяти років, і перехід від обіцянки до реальності дещо затягнувся. Але це логічно: щоб новий матеріал знайшов себе у всіх сферах життя, потрібен час. Між тим ці роки дослідження графену дали нам довгий список причин не забувати про нього.

З тих пір як графен уперше виділили в 2004 році в Манчестерському університеті — і ця робота отримала Нобелівську премію в 2010 році — вчені по всьому світу знаходили все нові способи використання і, що важливо, створення графена. Одним з головних факторів, що стримують широке поширення графена, було масштабне виробництво дешевого графена. На щастя, в цьому напрямку були зроблені семимильні кроки.

У минулому році, приміром, група з Канзаського державного університету застосувала вибухи для синтезу великих кількостей графена. Її метод простий: заповніть камеру ацетиленом або етиленом і киснем. Використовуйте свічку запалювання автомобіля для детонації. Зберіть утворився за підсумком графен. Ацетилен і етилен складаються з вуглецю і водню, і коли водень поглинається при вибуху, вуглець вільно пов'язується із самим собою, утворюючи графен. Цей метод ефективний, тому що все, що потрібно, це одна іскра.

чи Зможе цей метод почати графенових революцію, як вважають деякі, ще належить дізнатися. Що очевидно, так це те, що разом з настанням цієї революції почнуть вирішуватися багато проблем. Наприклад…

Чиста вода

Шоста ціль з позначених в SDG значиться як «забезпечити доступність і стійке управління водою і санітарією для усіх». За підрахунками ООН, «дефіцит води зачіпає більше 40% світового населення і, за прогнозами, зростатиме».

Фільтри на основі графену цілком могли б стати рішенням. Джиро Абрахам з Манчестерського університетудопоміг розробити масштабовані сита з графенового оксиду для фільтрації морської води. Він стверджує, що «розроблені мембрани корисні не тільки для опріснення, але і для зміни розміру пір в атомних масштабах, що дозволяє фільтрувати іони у відповідності з їх розмірами».

Крім того, дослідники з Університету Монаш і Університету Кентуккі розробили графенові фільтри, які можуть відфільтровувати що завгодно, за розмірами перевищує один нанометр. Вони кажуть, що їх фільтри можуть бути використані для фільтрації хімічних речовин, вірусів або бактерій в рідинах. Їх можна використовувати для очищення води, молочних продуктів або вина або для виробництва фармацевтичних препаратів.

Викиди вуглецю

Тринадцята мета в списку SDG присвячена прийняттю «невідкладних заходів по боротьбі зі зміною клімату та його наслідками».

Звичайно, одним з головних винуватців зміни клімату є надмірна кількість вуглекислого газу, що виділяється в атмосферу. Графенові мембрани могли б вловлювати ці викиди.

Вчені з Університету Південної Кароліни та Університету Ханьянг в Південній Кореї самостійно розробили фільтри на основі графена, які можуть використовуватися для відділення небажаних газів від промислових, комерційних і житлових викидів. Генрі Фолі з Університету Міссурі стверджував, що ці відкриття стали «чимось на зразок святого Грааля».

З їх допомогою світ міг би зупинити зростання CO₂ в атмосфері, особливо зараз, коли ми подолали важливий показник у 400 частин на мільйон.

охорона Здоров'я

Безліч людей по всьому світу не мають доступу до адекватної охорони здоров'я, але графен може перевернути і це питання догори дном.

Перш за все, висока механічна міцність графена робить його ідеальним матеріалом для заміни частин тіла, таких як кістки, і завдяки своїй провідності він може замінити частини тіла, які вимагають електричного струму, наприклад, органи і нерви. Фактично вчені з Мічиганського технологічного університету працюють над застосуванням 3D-принтерів для друку нервів на основі графену, і ця команда розробляє біосумісні матеріали, використовуючи графен для проведення електрики.

Графен також можна використовувати для створення біомедичних датчиків для виявлення хвороб, вірусів та інших токсинів. Оскільки впливу піддається кожен атом графена — з-за того, що графен товщиною в один атом, — датчики можуть бути надзвичайно чутливими. Датчики на основі оксиду графена могли б виявляти токсини на рівнях, у 10 разів менших, ніж вимагають сучасні датчики. Їх можна було б розміщувати на шкірі або під нею і надавати лікарям і вченим величезну кількість інформації.

Китайські вчені навіть створили датчик, здатний виявляти всього одну клітину. Більш того, учені з Манчестерського університету повідомляють, що оксид графену може знаходити і нейтралізувати ракові стовбурові клітини.

Інфраструктура

Дев'ята мета SDG полягає в «створенні міцної інфраструктури, сприяння забезпеченню всеохватной і стійкою індустріалізації та впровадження інновацій». Композити, посилені графеном, і інші будівельні матеріали можуть наблизити нас до цієї мети.

Недавні дослідження показали, що чим більше додається графена, тим краще стає композит. Це означає, що графен можна додавати до будівельних матеріалів — бетону, алюмінію, що зробить їх міцніше і легше.

Гума також поліпшується завдяки додаванню графена. Дослідження, проведене GrapheneFlagship і її партнером Avanzare, повідомляє, що «графен посилює функціональність гуми, за рахунок поєднання електричної провідності графену і механічної міцності з відмінною корозійною стійкістю». З таких гум можна було б робити більш стійкі до корозії труби.

Енергія

Сьома завдання — забезпечення доступу до недорогих, надійним, стійким і сучасних джерел енергії для всіх. Із-за легкості, провідності і міцності на розтяг графен може зробити екологічну енергію ефективнішою та дешевшою.

Наприклад, графенові композити можна було б використовувати для створення більш універсальних сонячних панелей. Дослідники з Массачусетського технологічного інституту кажуть, що «за допомогою графена можливо зробити гнучкі, недорогі і прозорі сонячні елементи, які можуть перетворити практично будь-яку поверхню в джерело електроенергії». Завдяки графеновым композитам також можливе створення великих і легких вітрових турбін.

Крім того, графен вже використовується для поліпшення традиційних літій-іонних батарей, які зазвичай використовуються в побутовій електроніці. Проводяться також дослідження графенових аерогелів для зберігання енергії і суперконденсаторів. Все це знадобиться для великомасштабного зберігання чистої енергії.

За наступні десять років графен майже напевно знайде безліч застосувань в реальному світі і не тільки допоможе ООН і її учасникам досягти поставлених цілей SDG, але і поліпшить все в нашому світі, від сенсорних екранів до МРТ-апаратів і транзисторів.