Удивительный материал графен, впервые открытый в 2004 году, продолжает радовать ученых все новыми полезными свойствами. А получивший за его открытие Нобелевскую премию физик из Манчестерского университета Андрей Гейм публикует все новые статьи в ведущих научных журналах, описывающие эти свойства.
Ранее учеными уже было открыто множество интересных свойств этого вещества, состоящего всего из одного слоя атомов углерода, — оптических, механических, магнитных.
Новая статья в Nature — новое свойство, на этот раз при использовании графена в качестве мембраны. Чем графен напоминает сито и почему, нобелевский лауреат рассказал «Газете.Ru».
Ученым давно известно, что графен не пропускает никакие жидкости и газы, это позволяет использовать его в составе антикоррозионных материалов и герметичных упаковок.
К примеру, самому маленькому из атомов —
атому водорода требуется время жизни Вселенной, чтобы пройти через монослой графена.
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, от которых оторвали электрон. Известно, что в присутствующем в атмосфере водороде всегда есть и свободные протоны.
Физики использовали два контейнера, один из которых был пуст, а во втором находилась смесь из газа аргона и водорода. «Мы наблюдали, что водород из одного контейнера перемещался в другой, где водорода не было», — пояснил Гейм «Газете.Ru». Способность тонкой мембраны не пропускать ничего, кроме протонов, может найти широкое применение,
и в первую очередь в приборах, на которые сегодня устремлены взоры экологов и автомобилестроителей, — топливных элементах.
В них водород, окисляясь в кислороде, способен без горения производить электрический ток. Однако низкий КПД существующих установок связан с тем, что современные мембраны проводят не только протоны, но и газ — водород, кислород, метанол и другие вещества.
Прогнозируя развитие топливных элементов, министерство энергетики США надеется, что проводимость их мембран к 2020 году превысит хотя бы 50 сименсов на квадратный сантиметр.
«Мембрана — это все. Это сердце и мозги топливных элементов.
А в наших мембранах при температурах выше 100°C мы уже имеем показатели, превышающие требуемые на один-два порядка, около 1000 сименсов», — пояснил ученый.
Поэтому можно надеяться, что открытие мембранных свойств графена даст мощный толчок в использовании топливных элементов на транспорте и в энергетике. Еще одним полезным применением может стать получение водорода из окружающей нас атмосферы. «Пропуская небольшой ток через мембрану, из атмосферы мы получаем только водород.
Графен, грубо говоря, работает, как сито», — рассказал Гейм.
И хотя в своих экспериментах ученые моделировали эти процессы на микромасштабах и не собрали даже миллиграмма водорода, они показали, что эти механизмы работают и масштабируемы. «В атмосфере довольно много водорода, и каждые сто лет он восстанавливается. И 1% этого водорода мы можем даром получать из атмосферы», — предполагает Гейм. В будущем, уверены авторы открытия, на основе графеновых мембран можно будет получать водород из атмосферы и использовать его для производства электрической энергии.
«Когда ты знаешь, как это должно работать, то установка весьма проста. Берешь сосуд с содержащим водород газом, с одной стороны, прикладываешь небольшое напряжение и собираешь чистый водород — с другой стороны. И этот водород уже можно сжечь в топливном элементе», — пояснил идею соавтор открытия Марчело Лозада-Идальго.