Обнаруженный в пятне карандаша, графен может стать новым суперматериалом, который изменит велосипедную индустрию?
На первый взгляд, графен - простой материал. Это один слой атомов углерода толщиной 0,3 нанометра - в миллион раз тоньше, чем бумага этого журнала. При этом он в 150 раз прочнее стали и на 20% эластичнее. Он проводит электричество лучше, чем медь или золото, со скоростью один миллион метров в секунду. Быстро отдает тепло. Он прозрачен и абсолютно непроницаем, и в 21 веке он должен иметь такое же влияние, как углеродное волокно в 20-м и сталь в 19-м. Неудивительно, что двое ученых-материаловедов из Манчестерского университета, открывших его в 2003 году, Андре Гейм и Константин Новоселов, быстро получили Нобелевскую премию и рыцарские титулы. Но какое это имеет отношение к велосипедам?
Первые последователи Graphene
На рынке начинают появляться первые велосипедные продукты, содержащие графен. Vittoria использует графен в своих последних карбоновых ободах Qurano (см. стр. 20), а Catlike также использует его в своем топовом шлеме Mixino. Создатель карбоновых рам Ричард Крэддок из Craddock Cycles говорит: «Сейчас много ажиотажа вокруг графена, но это только первые набеги. Как и у любого нового материала, его полный потенциал еще не известен, но, скорее всего, максимальная польза заключается не в замене углерода, а в его улучшении. Я бы использовал его, когда это будет доказано».
Пол Вайпер, научный сотрудник Национального института графена при Манчестерском университете, говорит: «Графен может улучшить механические свойства композита, поскольку он может разделить напряжение при добавлении к матрице эпоксидной смолы и сделать ее более жесткой. Вы должны получить правильный баланс, хотя. Большое количество графена, скажем, 10 или 20% матрицы, сделало бы ее действительно жесткой, но в то же время хрупкой.’
Его коллеги в настоящее время совершенствуют использование графена в композитных рамах для аэрокосмической отрасли, а испанский производитель автомобилей Spania уже включает его в шасси суперкара GTA. Так могут ли велосипедные рамы быть следующими? «Нет никаких причин, по которым его нельзя было бы использовать в велосипедных рамах, и я уверен, что кто-то уже работает над ними», - предсказывает Вайпер. Vittoria так верит в графен, что вкладывает деньги в дело. «Пять лет назад мне довелось обедать с основателем Directa Plus, одной из первых фабрик по производству графена в Европе, и мне пришла в голову идея использовать графен в наших продуктах», - говорит президент Vittoria Руди Кампань. «Потом мы решили инвестировать в них, чтобы быть в авангарде».
Vittoria утверждает, что использование графена в новых карбоновых колесах Qurano позволило повысить прочность и боковую жесткость обода на 30%. Но, прежде всего, Кампань с энтузиазмом отмечает: «Улучшенное рассеивание тепла графеном снижает накопленную температуру обода [при торможении], удерживая ее значительно ниже порога, при котором углеродное волокно начинает распадаться».’
Добавить графен к углероду не так просто, как добавить сахар в кофе. Directa Plus поставляет Vittoria графен в виде «нанопластинок» толщиной всего от трех до семи атомов. «Большой задачей было добиться почти идеальной дисперсии графена в маточной смеси эпоксидной смолы для препреговых углеродных листов», - говорит Кампань.
Кусочек вдохновения
«На протяжении десятилетий люди предполагали, что графен существует в аллотропных формах углеродных материалов, таких как графит, уголь и алмаз, но никто не знал, как сделать из него единый двумерный слой», - говорит Вайпер. В момент вдохновения Гейм и Новоселов начали с пятна кристаллического графита - по сути, следа от карандаша - который состоит из нескольких сложенных друг на друга слоев графена, и с помощью липкой ленты они сняли часть графита. Из любопытства они делали это снова и снова, пока, наконец, не выделили единственный слой - чистый графен. Потом протестировали.
«Обычно, когда делаешь материалы все тоньше и тоньше, их свойства ухудшаются», - говорит сам Гейм. «Но мы обнаружили, что с графеном дела обстоят только лучше».
Лаборатории по всему миру в настоящее время производят графен разными способами, с разной степенью чистоты, разными размерами образцов и партиями. Например, Catlike говорит, что использует нановолокна для поддержания прочности своих шлемов Mixino, которые теперь на 10 г легче, чем предыдущие модели. Другие используют его в виде нанолент, а Samsung и Sony утверждают, что изобрели способы изготовления непрерывных листов. Что, пожалуй, удивительно, так это то, что это не слишком дорого. Вы можете купить килограмм нанотромбоцитов менее чем за 150 фунтов стерлингов. По мере создания новых версий материала использование слова «графен» в маркетинговых материалах, несомненно, вызовет путаницу у потребителей. Будет сложно установить, действительно ли продукт, который утверждает, что он «усиленный графеном», содержит субмикроскопический материал и приносит ли он пользу. Это лазейка, которой могут воспользоваться недобросовестные люди.
«Лаборатория может протестировать материал, чтобы убедиться, что он работает так, как заявлено, но вам придется провести химический тест, чтобы убедиться, что графен присутствует», - говорит Вайпер. А поскольку графен присутствует в большинстве форм углерода, даже в угольной пыли, это может быть адом Закона о торговом описании. Но в умелых руках его перспективы для велосипедной индустрии огромны. Потенциальные области применения графена включают предотвращение коррозии на открытых частях, таких как ободья, передние звезды и спицы, или, если они встроены в углеродные компоненты, графеновые нановолокна могут проводить электричество или даже передавать данные. Это уменьшит количество кабелей для электронного переключения передач и велокомпьютеров. В качестве альтернативы он может формировать тензометрические датчики в углеродных ступицах, кривошипах, педалях, звездочках или подошвах обуви, где его нановолокна уменьшат сложность и потенциально снизят цену на измерители мощности.
Наноалмазы уже были покрыты графеном для создания суперсмазок, которые могли бы устранить почти все трения в подшипниках, а уже в следующем году обещают сверхъяркие светодиоды с усиленным графеном. Графеновый суперконденсатор потенциально может хранить больше энергии, чем любые существующие батареи, поэтому также станут возможными значительно более легкие электронные переключающие компоненты. Более того, в настоящее время проводятся испытания по встраиванию графеновых электродов в полипропиленовые волокна, так что в будущем есть даже некоторый потенциал для включения их в одежду. На данном этапе это гипотетически, но может быть момент, когда ваша футболка и шорты станут умными, определяя частоту сердечных сокращений, кровяное давление, температуру, скорость потоотделения и даже активность отдельных мышц. Действительно кажется, что его использование и преимущества не имеют границ.
«Очевидно, что графен настолько нов, что его применение только начинает изучаться», - говорит Кампань. «Потребуются многие годы фундаментальных и прикладных исследований, чтобы придумать новые улучшения существующих продуктов или новые приложения и усовершенствования. Путешествие только начинается».
