Графен может решить пять крупнейших проблем мира

В сентябре 2015 года мировые лидеры собрались на историческом саммите ООН, чтобы принять цели в области устойчивого развития (SDG). Семнадцать этих амбициозных целей и индикаторов помогут направить и скоординировать правительства и международные организации для решения глобальных проблем. Например, SDG 3 предусматривает «обеспечение здорового образа жизни и доступного благополучия для всех людей в любом возрасте». Другие включают доступ к чистой воде, уменьшение последствий изменений климата и доступное здравоохранение.

Если вы считаете, что этих целей трудно достичь, вы правы. Во всех семнадцати категориях существуют проблемы, которые не позволят им свершиться до обозначенной даты в 2030 году. Однако в сочетании с прогрессом на социально-политической арене прогресс в области науки и техники может стать ключевым ускорителем этого процесса.

Давайте приведем все цели SDG:

1. Повсеместная ликвидация нищеты во всех её формах
2. Ликвидация голода, обеспечение продовольственной безопасности и улучшение питания и содействие устойчивому развитию сельского хозяйства
3. Обеспечение здорового образа жизни и содействие благополучию для всех в любом возрасте
4. Обеспечение всеохватного и справедливого качественного образования и поощрение возможности обучения на протяжении всей жизни для всех
5. Обеспечение гендерного равенства и расширение прав и возможностей всех женщин и девочек
6. Обеспечение наличия и рациональное использование водных ресурсов и санитарии для всех
7. Обеспечение доступа к недорогостоящим, надежным, устойчивым и современным источникам энергии для всех
8. Содействие неуклонному, всеохватному и устойчивому экономическому росту, полной и производительной занятости и достойной работе для всех
9. Создание прочной инфраструктуры, содействие обеспечению всеохватной и устойчивой индустриализации и внедрению инноваций
10. Снижение уровня неравенства внутри стран и между ними
11. Обеспечение открытости, безопасности, жизнестойкости и устойчивости городов и населенных пунктов
12. Обеспечение рациональных моделей потребления и производства
13. Принятие срочных мер по борьбе с изменением климата и его последствиями
14. Сохранение и рациональное использование океанов, морей и морских ресурсов в интересах устойчивого развития
15. Защита, восстановление экосистем суши и содействие их рациональному использованию, рациональное управление лесами, борьба с опустыниванием, прекращение и обращение вспять процесса деградации земель и прекращение процесса утраты биологического разнообразия
16. Содействие построению миролюбивых и открытых обществ в интересах устойчивого развития, обеспечение доступа к правосудию для всех и создание эффективных, подотчетных и основанных на широком участии учреждений на всех уровнях
17. Укрепление средств достижения устойчивого развития и активизация работы механизмов глобального партнерства в интересах устойчивого развития

Сложно? Возможно. Но у ученых, кажется, есть ответ. Всего одно слово: графен. Футуристический материал с растущим набором потенциальных применений.

Графен состоит из плотно соединенных атомов углерода, выстроенных в решетке толщиной в один атом. Это делает его самым тонким веществом в мире, которое при этом в 200 раз прочнее стали, гибкое, растяжимое, самовосстанавливающееся, прозрачное, проводящее и даже сверхпроводящее. Квадратный метр графена весом всего в 0,0077 грамма может выдерживать четыре килограмма нагрузки. Это удивительный материал, что, впрочем, не удивляет ученых и технических специалистов.

Заголовки, рекламирующие графен как чудо-материал, регулярно появлялись на протяжении последних десяти лет, и переход от обещания к реальности слегка затянулся. Но это логично: чтобы новый материал нашел себя во всех сферах жизни, требуется время. Между тем эти годы исследования графена дали нам длинный список причин не забывать о нем.

С тех пор как графен впервые выделили в 2004 году в Манчестерском университете — и эта работа заслужила Нобелевскую премию в 2010 году — ученые по всему миру находили все новые способы использования и, что важно, создания графена. Одним из главных факторов, сдерживающих широкое распространение графена, было масштабное производство дешевого графена. К счастью, в этом направлении были предприняты семимильные шаги.

В прошлом году, к примеру, группа из Канзасского государственного университета применила взрывы для синтеза больших количеств графена. Ее метод прост: заполните камеру ацетиленом или этиленом и кислородом. Используйте свечу зажигания автомобиля для детонации. Соберите образовавшийся по итогу графен. Ацетилен и этилен состоят из углерода и водорода, и когда водород поглощается при взрыве, углерод свободно связывается с самим собой, образуя графен. Этот метод эффективен, потому что все, что требуется, это одна искра.

Сможет ли этот метод начать графеновую революцию, как считают некоторые, еще предстоит узнать. Что очевидно, так это то, что вместе с наступлением этой революции начнут решаться многие проблемы. Например…

Чистая вода

Шестая цель из обозначенных в SDG значится как «обеспечить доступность и устойчивое управление водой и санитарией для всех». По подсчетам ООН, «дефицит воды затрагивает более 40% мирового населения и, по прогнозам, будет расти».

Фильтры на основе графена вполне могли бы стать решением. Джиро Абрахам из Манчестерского университета помог разработать масштабируемые сита из графенового оксида для фильтрации морской воды. Он утверждает, что «разработанные мембраны полезны не только для опреснения, но и для изменения размера пор в атомных масштабах, позволяющего фильтровать ионы в соответствии с их размерами».

Кроме того, исследователи из Университета Монаш и Университета Кентукки разработали графеновые фильтры, которые могут отфильтровывать что угодно, по размерам превышающее один нанометр. Они говорят, что их фильтры могут быть использованы для фильтрации химических веществ, вирусов или бактерий в жидкостях. Их можно использовать для очистки воды, молочных продуктов или вина или для производства фармацевтических препаратов.

Выбросы углерода

Тринадцатая цель в списке SDG посвящена принятию «неотложных мер по борьбе с изменением климата и его последствиями».

Конечно, одним из главных виновников изменения климата является чрезмерное количество углекислого газа, выделяющегося в атмосферу. Графеновые мембраны могли бы улавливать эти выбросы.

Ученые из Университета Южной Каролины и Университета Ханьянг в Южной Корее самостоятельно разработали фильтры на основе графена, которые могут использоваться для отделения нежелательных газов от промышленных, коммерческих и жилых выбросов. Генри Фоли из Университета Миссури утверждал, что эти открытия стали «чем-то вроде святого Грааля».

С их помощью мир мог бы остановить рост CO₂ в атмосфере, особенно сейчас, когда мы преодолели важный показатель в 400 частей на миллион.

Здравоохранение

Множество людей по всему миру не имеют доступа к адекватному здравоохранению, но графен может перевернуть и этот вопрос вверх дном.

Прежде всего, высокая механическая прочность графена делает его идеальным материалом для замены частей тела, таких как кости, и благодаря своей проводимости он может заменить части тела, которые требуют электрического тока, например, органы и нервы. Фактически ученые из Мичиганского технологического университета работают над применением 3D-принтеров для печати нервов на основе графена, и эта команда разрабатывает биосовместимые материалы, используя графен для проведения электричества.

Графен также можно использовать для создания биомедицинских датчиков для обнаружения болезней, вирусов и других токсинов. Поскольку воздействию подвергается каждый атом графена — из-за того, что графен толщиной в один атом, — датчики могут быть чрезвычайно чувствительными. Датчики на основе оксида графена могли бы обнаруживать токсины на уровнях, в 10 раз меньших, чем требуют современные датчики. Их можно было бы размещать на коже или под ней и предоставлять врачам и ученым огромное количество информации.

Китайские ученые даже создали датчик, способный обнаруживать всего одну раковую клетку. Более того, ученые из Манчестерского университета сообщают, что оксид графена может находить и нейтрализовать раковые стволовые клетки.

Инфраструктура

Девятая цель SDG состоит в «создании прочной инфраструктуры, содействии обеспечению всеохватной и устойчивой индустриализации и внедрению инноваций». Композиты, усиленные графеном, и другие строительные материалы могут приблизить нас к этой цели.

Недавние исследования показали, что чем больше добавляется графена, тем лучше становится композит. Это значит, графен можно добавлять к строительным материалам — бетону, алюминию, что сделает их прочнее и легче.

Резина также улучшается благодаря добавлению графена. Исследование, проведенное GrapheneFlagship и ее партнером Avanzare, сообщает, что «графен усиливает функциональность резины, за счет сочетания электрической проводимости графена и механической прочности с отличной коррозионной стойкостью». Из таких резин можно было бы делать более стойкие к коррозии трубы.

Энергия

Седьмая задача — обеспечение доступа к недорогостоящим, надежным, устойчивым и современным источникам энергии для всех. Из-за легкости, проводимости и прочности на растяжение графен может сделать экологичную энергию более эффективной и дешевой.

Например, графеновые композиты можно было бы использовать для создания более универсальных солнечных панелей. Исследователи из Массачусетского технологического института говорят, что «при помощи графена возможно сделать гибкие, недорогие и прозрачные солнечные элементы, которые могут превратить практически любую поверхность в источник электроэнергии». Благодаря графеновым композитам также возможно создание больших и легких ветровых турбин.

Кроме того, графен уже используется для улучшения традиционных литий-ионных батарей, которые обычно используются в бытовой электронике. Проводятся также исследования графеновых аэрогелей для хранения энергии и суперконденсаторов. Все это понадобится для крупномасштабного хранения чистой энергии.

За следующие десять лет графен почти наверняка найдет множество применений в реальном мире и не только поможет ООН и ее участникам достичь поставленных целей SDG, но и улучшит все в нашем мире, от сенсорных экранов до МРТ-аппаратов и транзисторов.