Доставить по адресу
Системы доставки на основе графена развиваются в двух направлениях: доставка лекарств и доставка генетического материала.
Доставка лекарств
Для адресной доставки лекарств есть несколько подходов.
Первый, наиболее простой — прикрепление препарата на поверхность носителя напрямую. Например, как упомянутый выше доксорубицин, прочно связанный с поверхностью оксида графена и высвобождающийся только в кислотной среде опухоли.
Более сложный способ — прикрепить к поверхности носителя не только действующее вещество, но и направляющие молекулы — лиганды. Это могут быть, например, поликлональные антитела, фолиевая кислота или трансферрин. Они распознают клетки-мишени и связываются с ними .
Иногда лиганд может быть одновременно и лекарством.
К примеру, международная группа ученых из Университета Северной Каролины и Китайского фармацевтического университета показали, что противоопухолевый белок TRAIL может связываться с поверхностью раковых клеток. В своем исследовании авторы прикрепили два препарата — TRAIL и DOX — к полоскам графена (рис. 4). TRAIL эффективен при доставке к наружной мембране раковой клетки, а DOX — при доставке к ее ядру. Когда конструкция контактирует с раковой клеткой, рецепторы на ее поверхности связываются с белком TRAIL, что позволяет клетке поглотить загруженный доксорубицином графен и оставляет TRAIL на поверхности, где он запускает процесс гибели клеток. Графен с доксорубицином попадают внутрь клетки, кислая среда отделяет DOX от графена и дает ему возможность атаковать ядро .
Рисунок 4. Схема конструкции на основе графена для одновременной доставки TRAIL и DOX
Доставка генетического материала
Генная терапия для лечения таких заболеваний, как болезнь Паркинсона, кистозный фиброз (он же — муковисцидоз ) и различные виды рака, требует наличия транспортера для защиты целевого гена от разрушения. Сейчас в 70% случаев для этого исследователи используют вирусные векторы. Но учитывая их непредсказуемость, многие пытаются создать синтетические аналоги на основе липосом или производных графена. Гибридные молекулы на основе графена вмещают больший объем ДНК или РНК, защищают их от деградации и облегчают поглощение клеткой . «Загрузить» нуклеиновые кислоты на графеновые чешуйки можно благодаря гидрофобным и характерным для аромамолекул π-π взаимодействиям. Последние образуются между кольцевыми структурами нуклеотидов и шестиугольной решеткой углерода в оксиде графена (рис. 5). Предполагают, что участие также принимают и силы Ван-дер-Ваальса. А некоторые исследования показывают, что двойная спираль лучше связывается с оксидом графена при высокой концентрации соли и низком уровне рH , .
Рисунок 5. Схематическое изображение связывания одноцепочечной ДНК с листом функционализированного графена. Находящаяся поблизости ДНКаза легко разрушает свободную цепь, но не вредит связанной с графеном.
Как именно графен с генетическим материалом попадает в клетку — пока остается загадкой. Из возможных вариантов — фагоцитоз и опосредованный белком клатрином эндоцитоз . Кроме того, в некоторых экспериментах используют инфракрасное излучение — оно нарушает структуру мембраны и облегчает проникновение внутрь клетки .
В 2017 году исследователи из Китая показали, что графен можно применять в лечении рака поджелудочной железы. Авторы работы использовали оксид графена с фолиевой кислотой и ПЭГ в качестве носителя для коротких интерферирующих РНК (киРНК). Они «выключают» гены HDAC1 и K-Ras, ответственные за рост злокачественных опухолей, и вызывают смерть раковых клеток. Комбинация такой генной терапии и терапии инфракрасным излучением подавляет рост опухоли in vivo более чем на 80% .
Двухслойный графен
Американские учёные в результате многочисленных опытов обнаружили, что при воздействии на двойной слой графена высоким давлением материал приобретает твёрдость алмаза. Явление уникально тем, что таких качеств нет у однослойного и многослойного наноматериала. В связи с этим ведутся активные изыскания по созданию сверхтонкого защитного покрытия.
Вид двухслойного графена
Открытие непревзойдённых качеств графена рисует перед учёными мира перспективу технологической революции во всех сферах деятельности человечества. Однако, наряду с этим, высказываются мнения, охлаждающие пыл энтузиастов.
Первое – насыпьте в блендер немного графитового порошка. Добавьте воды и моющего средства, и смешайте всё это на высокой скорости. Поздравляем, вы только что получили супер-материал будущего – графен.
Этот на удивление простой рецепт – самый лёгкий способ массового производства чистого графена, плёнок углерода толщиной в один атом. Этот материал способен произвести революцию в индустрии электроники благодаря его необычным электрическим и термическим свойствам. Однако до сегодняшнего дня производство высококачественного графена в больших количествах было весьма сложным процессом – лучшие лабораторные техники позволяли производить его со скоростью не более половины грамма в час.
«Существуют компании, которым удаётся производить графен в гораздо больших объёмах, но его качество отнюдь не идеально», говорит Джонатан Колман из Колледжа Тринити, Дублин.
Команда Колмана получила заказ от Thomas Swan – химической компании из Консетта, Британия, для разработки лучшего решения. Из прежних работ им уже было известно, что графен можно получать из графита, поскольку тот фактически состоит из слоёв графена, сложенных вместе как колода карт.
Команда поместила графитовый порошок и жидкий растворитель в лабораторную центрифугу и заставила её вращаться. Анализ с помощью электронного микроскопа показал, что таким способом действительно можно получать графен со скоростью около 5 граммов в час. А чтобы определить, насколько масштабируем этот процесс, учёные перепробовали множество типов моторов и растворителей. В результате они обнаружили, что обычный кухонный блендер и моющее средство Fairy точно также справляются с этой работой.
Единственная техническая сложность применения этого метода в домашних условиях заключается в том, что необходимый объём моющего средства зависит от свойств графитового порошка – например, распределения размеров его зёрен, и наличия примесей. А эти параметры можно определить только с помощью продвинутого лабораторного оборудования. Также метод не превращает весь графит в графен, так что в конце необходимо каким-либо образом их разделить.
Однако, этот процесс прекрасно масштабируется до уровня промышленного производства – 10000-литровый танк с правильным типом мотора может производить 100 граммов чистого графена в час. И Thomas Swan уже начала работу над пилотной системой.
Развитие производства графеновых батарей
В настоящее время графеновые батареи высокой мощности производят на поточной линии в Испании. Сравнительно дешевые аккумуляторы имеют один существенный недостаток — это большой размер источника питания. Такой тип нашел широкое применение для питания бортовой сети электромобиля, он оказался надежнее и безопаснее своего предшественника литий ионного аккумулятора. В 2021 году испанская производственная компания должна была начать массовое изготовление новых разработок источников питания, но о серийном выходе батарей до сих пор ничего не известно.
Американские и европейские разработчики находятся на стадии научно-исследовательской работы. Однако ученые из Австрии значительно продвинулись вперед. У них получилось разместить монопленку графена в оболочку из гелия, в результате чего стало возможным сохранить пластины на стабильном расстоянии друг от друга. В результате было предотвращено возможное слипание.
Российские разработки направлены на создание магний графенового аккумулятора повышенной емкости с малыми размерами. О массовом производстве пока информации нет.
Графеновый аккумулятор в настоящее время можно считать новым поколением источников питания. В ближайшем будущем станет возможным заменить автомобильную технику с двигателем внутреннего сгорания на экологически чистый транспорт с питанием от графеновых батарей.
Вам также может быть интересно
Аккумуляторы 0
Новая эра в электронике?
Графен – уникальный по своей электропроводности материал: его сопротивление на 35% меньше, чем у меди, а по подвижности носителей заряда он превосходит и кремний, и антимонид индия.
Существующие сегодня чипы памяти и микропроцессоры уже преодолевают технологические границы в 10 нанометров. Процесс дальнейшей миниатюризации представляет значительные сложности. Все громче раздаются голоса, что мы практически достигли пределов кремниевых чипов. Сегодня разработчики топчутся на тактовой частоте около 4 ГГц, не в силах обеспечить дальнейшее увеличение быстродействия.
На основе графена можно делать гибкие экраны электронных устройств. Скорее всего, это станет первой областью применения этого материала
Кремний всем хорош для микроэлектроники, но есть у него и существенный недостаток – низкая теплопроводность. С увеличением плотности элементов и ростом тактовой частоты это становится серьезным барьером для дальнейшего развития отрасли.
Правда, для изготовления полевого транзистора из графена нужно как-то создать в нем запрещенную зону, чтобы задавать два состояния, пригодных для двоичной логики: непроводящее и проводящее. Однако уже сегодня предложены несколько способов решения данной проблемы, и это позволяет надеятся на скорое появление подобных транзисторов. Инженеры полагают, что быстродействие графеновых микропроцессоров может быть на порядок выше существующих – на основе этого материала уже построены транзисторы, модуляторы, микросхемы, работающие на частотах выше 10 ГГц.
Помимо высокой электропроводности, графен отличается практически полной прозрачностью. Он поглощает всего лишь 2% света, причем в самом широком оптическом диапазоне. Список материалов, одновременно обладающих этими качествами, очень ограничен, и графен лучше их всех. Поэтому это идеальный материал для жидкокристаллических дисплеев. Кроме того, он отличается высокой механической прочностью, так что скоро вы сможете забыть о разбитых экранах смартфонов и ноутбуков. Мы уже можем получать материал подходящего качества, и сейчас вопрос стоит только в снижении его себестоимости.
Графен не только прочный и прозрачный, он еще и отличается прекрасной гибкостью – пластину из этого материала можно растянуть чуть ли не на 20%. Поэтому уже в ближайшем будущем нас точно ожидает эра гибкой электроники. Подобные девайсы уже не раз демонстрировались на выставках, но до коммерческого использования дело пока не дошло. Весьма активен в этом направлении корейский гигант Samsung.
Еще одной ожидаемой областью применения графена является производство различных измерительных устройств, датчиков, сенсорных систем. Например, газовые датчики из этого материала могут реагировать буквально на единичные акты адсорбции/реабсорбции молекул — то есть работать на пределе чувствительности для таких устройств. Еще в 2015 году специалисты из Американского химического общества (ACS) на основе графена разработали прототип тепловизора с высокочувствительной матрицей, не требующей охлаждения. В будущем это позволит создавать качественные и, главное, недорогие тепловизионные приборы и обычные телекамеры, способные вести съемку в полной темноте.
Графен – один из главных претендентов на смену кремния в микропроцессорах
Кто из нас не мечтал о новом смартфоне или ноутбуке с батареей, запаса которой хватало хотя бы на несколько дней? Очень может быть, что уже в ближайшем будущем это станет реальностью. Графен имеют максимальное отношение поверхности к объему, благодаря чему прекрасно подходит для аккумуляторов и суперконденсаторов.
Разработки в этом направлении ведутся самым активным образом. Несколько лет назад испанские инженеры сообщили о создании графенового аккумулятора для электромобилей, который может заряжаться всего за восемь минут, на 77% дешевле литиевых аналогов и в два раза легче их по весу. Разработчики утверждают, что заряда достаточно для 1000 километров пробега.
В 2017 году Институт передовых технологий Samsung (SAIT) заявил о создании революционной батареи на основе «графеновых шариков». Она, якобы, в несколько раз превосходит существующие аналоги по скорости зарядки и имеет на 45% большую емкость.
Как довести характеристики уже существующих электронакопителей до совершенства?
Если к обыкновенным материалам для изготовления электродов батареи добавлять графен, то их характеристики будут улучшены в значительной степени. Аккумуляторы изготовленные с применением графеновой технологии, могут порадовать потребителя низкой массой, долговечностью, а также впечатляющей ёмкостью. Не может не восхищать и скоротечность зарядки такого оборудования.
Графен имеет возможность обеспечить улучшение свойств электронакопителя разными методами. Конкретно, речь идёт о плотности энергии и форме. Итогом становится то, что литий-ионные электробатареи, да и другие разновидности АКБ, могут быть усовершенствованы посредством внедрения графена в анод электроаккумулятора
Также, учёные выяснили, что разработка гибридных материалов, может иметь важность для повышения качества накопителя. К примеру, симбиоз графена и катализа оксида ванадия, можно применять на Li-ion катодах
Он способен обеспечить ускоренный процесс зарядки, а также высокую устойчивость цикла зарядки. В этой ситуации, гибрид будет обладать повышенной энергоёмкостью, не слабой электропроводностью и именно графен служит основой для всего этого.
Учёные затрачивают не малые ресурсы на поиск новых типов активного материала для электродов, так как это поможет вывести аккумуляторы на совершенно иной уровень продуктивности и живучести. Кроме того, подобное оборудование хотят лучше приспособить для устройств больших размеров. Наноструктурированные материалы ионно-литиевых АКБ, могут быть стать удачным решением.
К примеру, работники Венского университета в сотрудничестве с международными учёными создали новое наноструктурированное анодное вещество для ионно-литиевых аккумуляторов, увеличивающее срок эксплуатации и ёмкость электронакопителей.
Нанокомпозит 2D/3D на основе смешанного оксида металла и графена, изобретённый парой учёных и их коллегами, может в значительной степени улучшить электрохимические характеристики Li-ion АКБ. Данный материал вполне способен организовать новый подход к более рациональному применению накопителей в больших устройствах — это электрические либо гибридные средства передвижения. Естественно, более совершенный материал, как всегда, переигрывает литий-ионное исполнение: батареи на его основе стабильно удерживают свою функциональность на протяжении 3000 циклов заряда/разряда, а вот Li-ion электронакопители утрачивают свою эффективную работоспособность уже после примерно 1000 циклов зарядки.
Графеновый бум
За 7 лет после вручения премии вышло больше 130 тыс. научных работ, посвященных графену и его свойствам. Доля таких исследований среди всех остальных выросла с 0,2% в 2010 году до 1% в 2016-м.
Профессор Катарина Паукнер в Будапеште, 2016 год
Исследователь Прабхурадж Балакришнан в Лондоне, 2017 год
Доктор Хан Лин в Мельбурне, 2019 год
В научном сообществе тестирование свойств графена стало почти мемом. Доходит до того, что в графен добавляют куриный помет, чтобы проверить, как это отразится на его качествах .
Всего в мире зарегистрировано более 50 тыс. патентных заявок с упоминанием графена. Больше половины из них принадлежит Китаю, следом идут Южная Корея, США, Япония и Тайвань.
В Китае исследованиями занимаются государственные вузы. В 2013 году здесь создали Инновационный альянс графеновой промышленности, который пророчит Китаю в этой сфере долю в 80% от общемировой.
В остальных странах в графен активно вкладываются коммерческие компании. В Евросоюзе за это отвечает проект Graphene Flagship с инвестициями в €1 млрд . В США — Национальная графеновая ассоциация, в консультативный совет которой входят представители Apple, IBM и Cisco.
В графене заинтересованы гиганты аэрокосмической отрасли: Boeing, Lockheed Martin, Airbus и Thales. Они рассчитывают, что новые материалы позволят им в разы снизить расход топлива — как композиты, которые экономят до 30% горючего в Boeing 787. Электронные корпорации включились в графеновую гонку в надежде, что это принесет им лидерство на рынке смартфонов и аксессуаров к ним.
Среди них — Samsung : компания уже скупила десятки патентов, которых хватит на целую линейку продуктов с графеном. В частности, она представила новый тип аккумуляторов, которые можно будет заряжать за рекордные 12 минут. Такие появятся в новых смартфонах бренда не позднее 2021-го года. Их главный конкурент — Apple — запатентовала акустические диафрагмы с графеном для использования в устройствах следующих поколений. И это, судя по всему — только начало.
В России тоже занимаются изучением графена и даже патентуют электронные устройства на его основе — на базе в Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ. Двое ученых-выпускников этого вуза — гендиректор ведущего производителя Graphene 3D Lab Inc. Елена Полякова и профессор Свободного университета Берлина Кирилл Болотин — входят в ту самую американскую ассоциацию.
Эпитаксия и разложение
Следует упомянуть ещё два метода: радиочастотное плазмохимическое осаждение из газовой фазы (англ. PECVD) и рост при высоком давлении и температуре (англ. HPHT). Из этих методов только последний можно использовать для получения плёнок большой площади.
Работы посвящены получению графена, выращенного на подложках карбида кремния SiC(0001). Графитовая плёнка формируется при термическом разложении поверхности подложки SiC (этот метод получения графена гораздо ближе к промышленному производству), причём качество выращенной плёнки зависит от того, какая стабилизация у кристалла: C-стабилизированная или Si-стабилизированная поверхность — в первом случае качество плёнок выше. В работах та же группа исследователей показала, что, несмотря на то, что толщина слоя графита составляет больше одного монослоя, в проводимости участвует только один слой в непосредственной близости от подложки, поскольку на границе SiC-C из-за разности работ выхода двух материалов образуется нескомпенсированный заряд. Свойства такой плёнки оказались эквивалентны свойствам графена.
Графен можно вырастить на металлических подложках рутения и иридия.
Ожидания и реальность
На дворе 2021 год, а это значит, что Graphenano занимаются «массовым» производством аккумуляторов уже два года, однако встретить электромобиль на дороге — большая редкость не только для России. Все характеристики и данные, обнародованные корпорацией, довольно неопределенны. В целом они никак не выходят за рамки общепринятых теоретических представлений о том, какими параметрами должен обладать графеновый аккумулятор для электромобиля.
К тому же до сих пор все, что было представлено как потребителям, так и инвесторам, — это только компьютерные модели, никаких настоящих прототипов. Добавляет проблем и то, что графен — материал, который очень дорог в производстве. Несмотря на громкие заявления ученых о том, как его можно будет «печатать на коленке», на данном этапе снизить удается только стоимость некоторых компонентов.
Свойства графена
Интерес ученых к графену вызван рядом его уникальных свойств. Этот материал по факту:
В 300 раз прочнее стали. Это действительно очень прочный материал. Но, нужно понимать, что когда его сравнивают со сталью, то имеется в виду не та сталь, что используется для создания металлоконструкций. Речь идет о монослое стали. Причина прочности кроется в особой кристаллической решетке. Она представляет собой структуру в виде сот с атомом углерода на каждом узелке. Это идеальное строение решетки, не оставляющее пустых пространств.
Обладает очень высокой электропроводностью. Графеновая пленка имеет очень высокую скорость движения заряда. Это достигается за счет ее тонкости. Электрод при движении по ней не находит никаких преград
Это важное свойство для электроники. Процессоры на графене могут работать в тысячи раз быстрее устройств, созданных на базе кремния.
Высокая гибкость
Она также достигается за счет очень малой толщины материала и особенностей его кристаллической структуры. Это свойство потенциально может использоваться для создания гибкой электроники (телефонов, телевизоров и т. д).
Максимально достигнутая теплопроводность.
Большая площадь поверхности. Теоретически всего 15 килограмм графена могут покрыть все планшеты, телефоны и другие сенсорные экраны в мире тончайшей пленкой.
Красота не требует жертв
Специалисты Северо-Западного университета (США) превратили чёрный «от природы» графен в суперстойкую краску для волос.
В ходе эксперимента американские учёные покрыли образцы человеческого волоса раствором из листов графена. Так, физикам удалось превратить светлые, платиновые волосы в угольно-чёрные. Новый цвет оставался стойким на протяжении 30 смывов.
Краска на основе графена обладает дополнительными преимуществами, утверждают американские исследователи. Каждый покрытый ею волос подобен маленькому проводу, способному проводить тепло и электричество. Это означает, что волосы, окрашенные графеновой краской, легко рассеивают статическое электричество и решают проблему электризующихся волос.
- globallookpress.com
Американские учёные также полагают, что их краска абсолютно безвредна.
«Наружный слой ваших волос, или кутикула, выполняет защитную функцию и состоит из тонких клеток наподобие рыбных чешуек. Чтобы приподнять эти чешуйки и позволить молекулам краски быстро проникнуть в волосы, используются аммиак, перекись водорода или органические амины», — сообщил автор исследования Цзясин Хуан.
Из-за подобных манипуляций волосы постепенно истончаются. Проблему позволяет решить краска, которая покрывает волосы, но не проникает в их структуру. Однако такая краска очень быстро смывается. Как утверждают специалисты Северо-Западного университета, их изобретение позволяет справиться с обеими проблемами.
В индустрию моды и красоты графен начал проникать ещё в 2017 году, когда британская компания CuteCircuit представила платье с элементами из этого чудо-материала. Платье Graphene Dress со встроенными светодиодами благодаря графену меняет цвет «в такт» дыханию его обладательницы.
- Платье на основе графена, Манчестер, 2017 год
- Reuters
«Материал будущего» выполняет в платье одновременно две задачи: он является датчиком, улавливающим частоту дыхания, а также питает светодиоды, которые и меняют цвет платья. Разработчики умной одежды считают, что графен можно использовать для получения тканей, которые будут радикально менять свой цвет. Презентация Graphene Dress состоялась на родине этого материала — в Манчестере.
Приложения с графеном
Благодаря своей гибкости и хорошая электропроводность, графен может стать одним из самых полезных материалов для изготовления электронных устройств.
Вычисление
Использование графена в вычислениях может дать компьютерам более высокую скорость и снизить потребление электроэнергии, если чипсы сделаны из графена вместо кремния. Есть оценки, указывающие на то, что жесткий диск сделанные из графена, могут иметь большую емкость, чем существующие жесткие диски, при сохранении того же размера.
электроника
Например, в настоящее время есть несколько компаний, которые работают над разработкой проводящие чернила печатать схемы из графена. Кроме того, его гибкость позволяет изготавливать устройства с гибкими экранами, которые могут складываться или катиться сами по себе.
Мобильная телефония
Новое поколение мобильных телефонов может идти рука об руку с графеном. Гибкие, складные и тактильные экраны, прототипы которых многие бренды уже создают, но еще не вошли в рынок. На данный момент должно быть любопытно управлять полностью гибким и универсальным мобильным телефоном.
Подключение к Интернету
Наносхемы графена позволяет значительно повысить скорость и качество беспроводных соединений. Несколько лет назад заговорили о графене как о заменителе волокна. Хотя это далеко не так во всем мире, в 2011 году исследователи из Кембриджского университета были смогли продемонстрировать, что графен способен улавливать большое количество света. Эта особенность может сделать его хорошим вариантом при создании кабелей, способных передавать информацию с более высокой скоростью.
Наушники
Графен способен ограничивать вибрацию и обеспечивать более чистый звук. Вот почему некоторые бренды, такие как Xiaomi уже используют небольшие компоненты из этого материала в некоторых своих моделях наушников. Производитель MediaDevil в 2019 году Медиадьявол CB-01 были первыми проводными наушниками, сделавшими ставку на эту технологию.
батареи
На данный момент кажется, что литиевые батареи выполняют свою функцию и способны обеспечить нам хорошую автономность и более быструю зарядку наших смартфонов, хотя через несколько лет этого может оказаться недостаточно, поскольку мы проводим все больше и больше часов в день, подключаясь к устройству с аккумулятором.
В будущем , графеновые батареи может позволить нам иметь до в десять раз больше емкости и завершить зарядку гораздо быстрее. Некоторым компаниям уже удалось сделать шаг в сторону внешних аккумуляторов. Пока мы ждем, когда графеновые батареи станут доступны каждому, нам придется довольствоваться беспроводными батареями, которые у нас есть сегодня.
