Ученые Индийского института науки (IISc) совместно с Национальным институтом материаловедения Японии впервые зафиксировали в графене поведение электронов как почти идеальной квантовой жидкости.

Идеальная квантовая жидкость - абстрактная модель вещества, свойства которого определяются квантовыми эффектами, а не классической гидродинамикой, где идеальной жидкостью называется жидкость без вязкости и сил внутреннего трения.

В сверхчистых образцах исследователи обнаружили резкое расхождение между теплопроводностью и электропроводностью — отклонение от закона Видемана—Франца превысило 200 раз при низких температурах.

Команда изготовила исключительной чистоты однослойные образцы графена и одновременно измеряла перенос заряда и тепла. Вместо ожидаемой пропорциональности в металлах ученые увидели обратную зависимость: рост электропроводности сопровождался падением теплопроводности и наоборот. Анализ показал, что механизмы переноса заряда и тепла «расцепляются», но при этом оба подчиняются универсальной величине, связанной с квантумом проводимости — фундаментальной константой электронного транспорта.

Необычный режим проявился вблизи так называемой точки Дирака, где графен не является ни металлом, ни изолятором. Здесь электроны и дырки перестают вести себя как независимые частицы и текут подобно жидкости с минимально возможной вязкостью — дираковскому флюиду. По оценкам авторов, эта «квантовая жидкость» во много раз менее вязкая, чем вода, и по своим свойствам напоминает кварк-глюонную плазму, наблюдаемую на крупных ускорителях.

Открытие делает графен удобной и доступной лабораторией для проверки идей из физики высоких энергий и астрофизики — от термодинамики черных дыр до масштабирования энтропии запутанности — в настольных экспериментах. С прикладной точки зрения дираковский флюид открывает путь к новым типам квантовых сенсоров, способных усиливать сверхслабые электрические сигналы и фиксировать крайне слабые магнитные поля, отмечают в IISc.

- Графен также эффективен против вирусов. Например, во время пандемии COVID-19 были разработаны графеновые покрытия для масок, которые разрушают белковую оболочку вирусов, включая SARS-CoV-2 и штаммы гриппа. Такие маски могут самоочищаться и используются многократно .

Испытания показали, что графеновые покрытия уничтожают до 90% вирусных частиц.

🧠 3. Применение в медицине и диагностике

Биосенсоры: Графен используется для создания высокочувствительных сенсоров, способных обнаруживать биомаркеры заболеваний (например, рака, болезни Паркинсона) или вирусы всего за минуту .

Нейродевайсы: Графеновые имплантаты помогают лечить нейродегенеративные заболевания (например, болезнь Паркинства) за счёт высокой проводимости и биосовместимости. Они стимулируют мозговую активность без побочных эффектов, характерных для металлических электродов .

Лечение рака: Графен может избирательно накапливаться в раковых опухолях. При облучении лазером он нагревается и уничтожает раковые клетки, не повреждая здоровые ткани. Эксперименты на мышах показали полное уничтожение опухолей без рецидивов .

4. Биосовместимость и безопасность

- Высококачественный графен, произведённый методом химического осаждения из газовой фазы (CVD), биосовместим и нетоксичен. Он не вызывает иммунных реакций и может использоваться в имплантатах и медицинских устройствах .

⚠️ Однако некоторые формы графена (например, мелкие частицы) могут проникать в клетки и потенциально причинять вред. Поэтому важно использовать графен в контролируемых условиях

Перспективные направления

- Графен применяется в фильтрах для воды и воздуха, благодаря способности. вредные вещества и патогены .

- Он также используется в тканевой инженерии для ускорения регенерации клеток и лечения повреждённых тканей .

Графен действительно защищает от болезней через свои уникальные физические, химические и биологические свойства. Его применение варьируется от антимикробных покрытий до инновационных методов лечения и диагностики. Однако некоторые технологии ещё находятся в стадии разработки и требуют дальнейших исследований для широкого внедрения в медицину.

Чем графен крут?

1. В 200 раз прочнее стали, но в 6 раз легче – если бы графен был супергероем, он бы избивал сталь и не напрягался.

2. Гибкий, как настроение кота – можно сгибать и растягивать, а он всё равно остаётся крепким.

3. Прозрачный, но проводит электричество – идеальный кандидат для будущих сенсорных экранов и ультратонкой электроники.

4. Лучшая теплопроводность среди известных материалов – тепло проходит через него, как пятничное пиво через организм.

5. Может фильтровать воду на молекулярном уровне – а значит, графеновые фильтры могут решить проблему пресной воды во всём мире.

Где его уже используют (и где мечтают использовать)?

• Электроника – гибкие дисплеи, суперконденсаторы, батареи, которые заряжаются за секунды и работают неделями (мечта, а не телефон).

• Медицина – искусственные органы, ультрачувствительные датчики и даже нейроинтерфейсы.

• Строительство – графеновый бетон прочнее, легче и долговечнее, а это значит, что мосты перестанут рассыпаться, как мои планы на утреннюю пробежку.

• Авиация и космос – лёгкие и прочные материалы для самолётов, спутников и будущих марсианских станций.

Почему мы ещё не живём в графеновом будущем?

Проблема в производстве – пока графен дорог, капризен и не всегда ведёт себя так, как обещает теория. Учёные ищут способы удешевить процесс, и когда это произойдёт, графен ворвётся в нашу жизнь так же быстро, как мемы в интернет.

В общем, если в ближайшие годы вам предложат телефон с графеновой батареей, которая держит заряд месяц – берите, не раздумывая. А пока остаётся только восхищаться тем, как человечество снова умудрилось случайно открыть нечто гениальное.

Вы бы хотели жить в мире, где графен используется повсюду? Или скотч с карандашом – всё, что нам нужно?

Профессор JCU Мохан Джейкоб говорит, что некоторые пластиковые отходы разлагаются на мелкие фрагменты, часто достигающие микронных размеров.

«Эти микропластики известны своей неразлагаемостью и нерастворимостью в воде и представляют собой растущую угрозу для рыб, животных и людей», - сказал профессор Джейкоб.

Доктор Адиль Зафар из JCU говорит, что свойства микропластика позволяют ему поглощать органические загрязняющие вещества.

«Попадая в воду, они в конечном итоге включаются в морские и человеческие пищевые цепи. К сожалению, микропластик нарушает морскую жизнь и размножение кораллов», - говорит доктор Зафар.

По его словам, переработка микропластика сталкивается со значительными трудностями из-за трудоемких процессов разделения и высокой стоимости, что приводит к очень низкому уровню восстановления ресурсов во всем мире.

«Переработка, которая предполагает превращение пластиковых отходов в более ценные материалы, а не просто их разрушение, пользуется большим спросом», - сказал доктор Зафар.

Команда исследователей измельчила пластиковые бутылки до микропластика, а затем с помощью новой технологии синтеза в микроволновой плазме при атмосферном давлении превратила отходы в графен - углеродный материал толщиной в один атом, который тверже алмаза, в 200 раз прочнее стали и в пять раз легче алюминия, и который находит широкое применение в нескольких отраслях промышленности.

«Примерно из 30 мг микропластика за 1 минуту образовалось около 5 мг графена. Эта скорость производства значительно выше, чем достигалась ранее, и представляет собой более простую и экологичную альтернативу существующим методам», - говорит доктор Зафар.

По его словам, это исследование является важной вехой в данной области. Полученный графен может быть использован в различных областях, включая производство различных датчиков и очистку воды, в том числе для поглощения PFAS.

«Это исследование не только открывает новый подход к синтезу графена, но и способствует достижению более широкой цели - смягчению негативного воздействия загрязнения микропластиком на наши экосистемы», - сказал профессор Джейкоб.