Schwerpunkte

Graphen und Sonnenkollektoren

Graphen besteht aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen, die in einem sich wiederholenden Muster von Sechsecken miteinander verbunden sind. Es ist ein zweidimensionales Material mit erstaunlichen Eigenschaften. Es ist extrem stark und fast vollständig transparent und auch erstaunlich leitfähig und flexibel. Graphen besteht aus Kohlenstoff, der reichlich vorhanden ist und ein relativ preiswertes Material sein kann. Graphen hat ein scheinbar endloses Potenzial, bestehende Produkte zu verbessern und neue zu inspirieren.

Solarzellen benötigen Materialien, die leitfähig sind und das Durchdringen von Licht ermöglichen, wodurch sie von der hervorragenden Leitfähigkeit und Transparenz von Graphen profitieren. Graphen ist zwar ein großartiger Leiter, aber es ist nicht sehr gut darin, den in der Solarzelle erzeugten elektrischen Strom zu sammeln. Daher suchen Forscher nach geeigneten Möglichkeiten, Graphen zu diesem Zweck zu modifizieren. Graphenoxid (GO) zum Beispiel ist weniger leitfähig, aber transparenter und ein besserer Ladungssammler, was für Sonnenkollektoren nützlich sein kann.

Das leitfähige Indium-Zinoxid (ITO) wird mit einer nicht leitfähigen Glasschicht als transparente Elektroden in den meisten organischen Solarmodulen verwendet, um diese Ziele zu erreichen, aber ITO ist selten, spröde und macht Sonnenkollektoren teuer. Viele Forschungen konzentrieren sich auf Graphen als Ersatz für ITO in transparenten Elektroden von OPVs. Andere suchen nach Möglichkeiten, Graphen zur Verbesserung der Gesamtleistung von Photovoltaikgeräten, hauptsächlich OPVs, sowie bei Elektroden, aktiven Schichten, Grenzflächenschichten und Elektronenakzeptoren zu verwenden

Graphen verwendet in optischen Linsen

Graphen wird für den Einsatz in Linsen, insbesondere in intelligenten Kontaktlinsen, erforscht, um Funktionen wie elektromagnetische Interferenzen (EMI) Abschirmung, Dehydrierungsprävention und Infrarotsicht bereitzustellen. Unsere Forscher untersuchen, wie die einzigartigen Eigenschaften von Graphen - wie Festigkeit, Leitfähigkeit und Transparenz - genutzt werden können, um fortschrittliche Optiken für Anwendungen im Gesundheitswesen und Augmented Reality zu schaffen.

Schlüsselanwendungen und -eigenschaften

Abschirmung von elektromagnetischen Störungen (EMI): Graphenbeschichtete Kontaktlinsen können schädliche elektromagnetische Wellen blockieren, die durch gewöhnliche Linsen strömen, wodurch das Risiko von Augenschäden möglicherweise verringert wird.

Dehydrierungsschutz: Die Fähigkeit des Materials, als Barriere zu wirken, kann helfen, Feuchtigkeit im Auge zu speichern und Trockenheit zu lindern, die oft durch herkömmliche Kontaktlinsen verursacht wird.

Infrarot-Vision: Forscher haben Graphen-basierte Sensoren entwickelt, die Infrarotlicht (Wärme) erkennen und in ein sichtbares Bild umwandeln können, das auf die Netzhaut projiziert wird.

Augmented Reality (AR): Graphen kann verwendet werden, um intelligente Kontaktlinsen mit AR-Fähigkeiten zu erstellen, einschließlich Funktionen zur Verbesserung der Sehkraft oder zur korrekten Farbwahrnehmung.

Fortschrittliche Sensoren: Graphen kann in Kontaktlinsen integriert werden, um Sensoren zur Überwachung der Augengesundheit zu erzeugen, z. B. zur Erkennung von Blutgefäßen oder Entzündungen.

Abstimmbare Linsen: Die Forschung konzentriert sich auch auf die Entwicklung ultradünner, flacher Linsen aus Graphen, die Licht fokussieren können und kompakter und möglicherweise einfacher herzustellen sind als herkömmliche Linsen.

Graphen in der Energiespeicherung

In der heutigen zunehmend elektrifizierten und drahtlos vernetzten Welt wächst die Nachfrage nach verbesserter Energiespeicherung weiter. Insbesondere Elektroautos und mobile Anwendungen benötigen Speichergeräte mit hoher Energiedichte und hoher Leistungsdichte für eine erweiterte Reichweite und ein schnelles Laden.

Neue Batterie- und Superkondensatortechnologien werden entwickelt, um diesen Anforderungen gerecht zu werden, basierend auf neuen Technologiedesigns und neuartigen Materialien. Graphen hat das Potenzial, sowohl Batterie- als auch Superkondensatorgeräte zu beeinflussen.

Plaid Technologies Inc. testet Graphen aufgrund seines hohen Seitenverhältnisses leicht zu verteilende, hochleitfähige Graphenplättchen, die ideale Elektrodenzusätze für Batterien und Superkondensatoren sind.

Plaid Technologies entwickelt und bewertet weiterhin neue Materialmöglichkeiten in Graphen-Energiespeichergeräten.

Graphen in der Luft- und Raumfahrttechnologie

Luft- und Raumfahrtingenieure betrachten Graphen und andere fortschrittliche Materialien als Schlüsseltechnologien für die nächste Generation von Flugzeugen und Raumfahrzeugen. Die Fähigkeit, Strukturen und Geräte herzustellen, die leichter, stärker, widerstandsfähiger sind, weniger Energie verbrauchen und neue Fähigkeiten haben, kann nur passieren, wenn wir eine neue Klasse von Materialien haben, mit der wir diese Objekte der nächsten Generation bauen können.

Darüber hinaus besteht der Trend in der Luft- und Raumfahrttechnik darin, die Funktionalität von Teilen zu erhöhen, so dass sie mehrere Probleme gleichzeitig lösen. Ingenieure haben diesen Fortschritt beispielsweise erreicht, indem sie entweder die Polymermatrix modifiziert oder eine multifunktionale Beschichtung hinzugefügt haben, die Graphen enthält.

Derzeit sind kohlefaserverstärkte Polymerteile (CFRP) zum Hauptmaterial in Luft- und Raumfahrtkomponenten geworden, einschließlich Rumpf, Vorderkanten- und Flügeloberflächen, um ein geringes Gewicht, hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu bieten.

Heute können Graphen-fähige Strukturen jedoch ein gewisses Maß an Gewichtseinsparungen ermöglichen, indem sie CFRP in Bezug auf das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht verbessern. Darüber hinaus bringen graphenfähige Teile auch viel mehr Funktionalität. Beispielsweise kann die elektrische Leitfähigkeit von Graphen eine Möglichkeit bieten, Blitzeinschläge zu mildern und auch Elektronik wie Sensoren in die Flugzeugstruktur einzubetten.

Graphen kann dazu beitragen, die Visionen von Luft- und Raumfahrtingenieuren zu verwirklichen, bei denen keine Drähte durch ein Flugzeug aufgereiht werden müssen, sie werden alle in seine verschiedenen Strukturen eingebettet. Und das Flugzeug wird vollständig selbstdiagnostisch sein; mit Sensoren, die in die Graphen-fähigen Polymere eingebettet sind, wird es möglich sein, die Belastungen und Belastungen, die sich auf dem Flugzeug entwickeln, bis ins kleinste Detail zu erkennen.

Graphen ist nicht nur ein theoretisches Material der Zukunft, sondern bietet bereits bedeutende kommerzielle Vorteile in Bereichen, die für den Luft- und Raumfahrtsektor von entscheidender Bedeutung sind oder modifiziert werden können. Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, gibt es mehrere Systeme, Teile und Anwendungen, die von Graphen profitieren können und werden.

Graphen hat außergewöhnliche Eigenschaften, die es für eine Vielzahl von Anwendungen attraktiv machen - die Festigkeit, Flexibilität, thermische und elektrische Leitfähigkeit von Graphen und seine Transparenz verleihen ihm Eigenschaften, die vielen anderen Materialien, mit denen es in Luft- und Raumfahrtanwendungen konkurrieren, weit überlegen sind.

Graphen befindet sich im Vergleich zu Kohlefaser in der Luft- und Raumfahrtindustrie auf einem beschleunigten Entwicklungspfad - Kohlefaser wurde erstmals in den späten 1960er Jahren in die Luft- und Raumfahrtindustrie eingeführt, was Jahrzehnte dauerte, bis die Industrie das Material vollständig übernommen hatte, da es schwereres und schwächeres Aluminium ersetzte. Es hat sich gezeigt, dass Graphen kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFRPs) mit größerer Schlagfestigkeit noch leichter und stärker macht.

Graphen ist bereit, die Erweiterung der Funktionalität kritischer Luft- und Raumfahrtteile zu ermöglichen - Luft-Designer und -Ingenieure suchen zunehmend nach verschiedenen Teilen, um verschiedene Zwecke zu erfüllen. Zum Beispiel würde die Materialabdeckung eines Flügels idealerweise eine hohe Festigkeit und Haltbarkeit bieten, aber unglaublich leicht sein. Sie würden sich auch wünschen, dass Strom durchströmen kann, um die Flügel zu enteisen. Oder mit demselben Strom könnten Sie die darin eingebetteten Sensoren mit Strom versorgen, um Belastungen zu erkennen. Graphen hat das höchste Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht aller Materialien der Welt. Es ist auch ein ausgezeichneter Stromleiter - besser als Kupfer - so dass Strom auch durch ihn fließen könnte, um einen Flügel zu enteisen oder Elektronik durch ihn zu leiten.

Graphen in Elektro- und Fahrzeugen

Das rasante Wachstum von Elektrofahrzeugen (EVs) treibt die Nachfrage nach effizienteren, langlebigeren und nachhaltigeren Batterietechnologien an. Während Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ionen) die EV-Landschaft dominiert haben, haben sie mehrere Einschränkungen, darunter lange Ladezeiten, Verschlechterung über mehrere Zyklen und Sicherheitsbedenken.

Graphen, ein bahnbrechendes Material, das für seine außergewöhnlichen elektrischen und thermischen Eigenschaften bekannt ist, entwickelt sich zu einem Game-Changer in der Batterietechnologie. Durch die Integration von Graphen in Energiespeicherlösungen wollen Forscher und Unternehmen die Batterieleistung deutlich verbessern. Dieser Artikel untersucht die Vorteile von Graphenbatterien, den Forschungsfortschritt, die Herausforderungen bei der Kommerzialisierung und die Auswirkungen auf Elektrofahrzeuge.

Vorteile von Graphenbatterien gegenüber Li-Ionen-Batterien

Batterien auf Graphenbasis bieten mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Li-Ionen-Batterien, was sie für die EV-Industrie sehr vielversprechend macht.

Schnelleres Aufladen: Graphen ermöglicht eine schnelle Elektronenbewegung, wodurch die Ladezeiten erheblich verkürzt werden. Während Li-Ionen-Batterien 30–60 Minuten brauchen, um eine vollständige Ladung zu haben, könnten Graphen-Batterien möglicherweise innerhalb weniger Minuten aufgeladen werden.1,2

Höhere Energiedichte: Li-Ionen-Batterien haben eine begrenzte Energiespeicherkapazität. Mit ihrer hohen Oberfläche und überlegenen Leitfähigkeit können Graphenbatterien mehr Energie im gleichen Volumen speichern, was die EV-Reichweite erweitert.1,2

Längere Lebensdauer: Herkömmliche Batterien verschlechtern sich bei wiederholten Ladezyklen. Graphen-Batterien weisen weniger Verschleiß auf, was zu einer längeren Lebensdauer führt und den Bedarf an häufigem Austausch verringert.1,2

Verbesserte Effizienz: Graphen verbessert den Ionentransport und reduziert Energieverluste beim Laden und Entladen. Dies führt zu einer besseren Gesamtbatterieleistung und einer verbesserten Fahrzeugeffizienz.1,2

Verbesserte Sicherheit: Überhitzung und thermisches Auslaufen sind häufige Probleme bei Li-Ionen-Batterien. Die überlegene Wärmeleitfähigkeit von Graphen leitet Wärme effizient ab, wodurch das Risiko von Bränden und Explosionen minimiert wird.

Quantencomputing und Graphen

Graphen ist aufgrund seiner einzigartigen elektronischen und mechanischen Eigenschaften, die verwendet werden können, um Qubits zu erzeugen und zu stabilisieren, Quanteninformationen effizient zu übertragen und ultradünne Quantenschaltungen zu bauen, ein vielversprechendes Material für die Quantencomputing. Zu den potenziellen Anwendungen gehören die Erstellung robuster topologischer Qubits, die Entwicklung neuartiger spintronischer Geräte zur Verbindung von Qubits und die Verbesserung von Komponenten wie Einzelphotonendetektoren. Die Forschung erforscht Möglichkeiten, die Fähigkeit von Graphen zu nutzen, um exotische Materiezustände zu beherbergen und magnetfreie Quanteneffekte zu ermöglichen, die den Weg für leistungsfähigere und effizientere Quantencomputer ebnen.

Wie Graphen im Quantencomputing verwendet wird

Qubit-Erstellung und Stabilisierung:

Die Eigenschaften von Graphen werden erforscht, um neue Arten von Qubits zu schaffen, die grundlegenden Einheiten der Quanteninformation.

Forscher untersuchen Graphen-Nanotorus, um Qubits zu kodieren und magnetische und elektrische Felder zu nutzen, um sie zu kontrollieren und Fehler zu reduzieren.

Es kann verwendet werden, um stabilere topologische Qubits zu erzeugen, die weniger anfällig für Umwelteinflüsse sind.

Quanteninformationsübertragung:

Die hohe Elektronenbeweglichkeit von Graphen macht es ideal für die Herstellung von spintronischen Geräten, die Elektronenspin verwenden, um Informationen zu übertragen.

Jüngste Durchbrüche haben magnetfreie Spinströme in Graphen gezeigt, die verwendet werden könnten, um Qubits in einer Quantenschaltung effizient miteinander zu verbinden, ohne dass große Magnetfelder erforderlich sind, stellt SciTechDaily und ScienceDaily fest.

Integration und Fehlerreduzierung:

Die hohe Leitfähigkeit und das minimale elektrische Rauschen von Graphen können dazu beitragen, die Fehlerraten bei Quantenberechnungen zu reduzieren.

Es hat das Potenzial, Quantencomputer mit der vorhandenen klassischen Elektronik zu integrieren.

Neue Geräteanwendungen:

Die Forschung hat die Verwendung von Graphenplasmonen für Quantencomputing-Aufgaben untersucht.

Die einzigartigen elektronischen Eigenschaften von Graphen werden auch zur Entwicklung hocheffizienter Einzelphotonendetektoren genutzt.