Введение
Графен можно смело назвать материалом из серии "удивительное - рядом". Он является двумерной модификацией углерода, одного из самых распространенных элементов во Вселенной, а точнее – одной из его углеродных структур. Весь секрет в форме воплощения: графен — это монослой атомов углерода, соединенных в двумерную кристаллическую решетку. Толщина слоя такой "пленки" составляет ровно один атом (минимально возможный атомный размер).
Одна из главных привлекательностей графена заключается в том, что его добавление практически в любой материал придает последнему, порой, совершенно фантастические свойства, которыми не наградила его природа, в том числе по прочности, долговечности и устойчивости к внешним воздействиям. Графен, в качестве упрочняющей добавки всего в единицы процентов, а, иногда, и доли процента, способен радикально изменить ключевые свойства всех известных базовых материалов (металлы, цемент, керамика, полимеры, краски, покрытия, стекло и пр.) Иначе говоря, графен способен радикально изменить материальный мир вокруг нас.
Графен является самым прочным материалом на Земле. В 300 раз прочнее стали. Лист графена площадью в один квадратный метр и толщиной, всего лишь в один атом, способен удерживать предмет массой 4 килограмма. Графен, как салфетку, можно сгибать, сворачивать, растягивать. Бумажная салфетка рвется в руках. С графеном такого не случится.
Благодаря двумерной структуре графена, он является очень гибким материалом, что позволит использовать его, например, для плетения нитей и других верёвочных структур. При этом тоненькая графеновая «верёвка» по прочности будет аналогична толстому и тяжёлому стальному канату.
Графен обладает высокой электропроводностью. Он практически не имеет сопротивления. Скорость электронов в графене составляет 10 000 км/с, хотя, в обычном проводнике скорость электронов порядка 100 м/с. И, при добавлении графена, например, в металлический провод, его электрическое сопротивление заметно снижается.
Графен обладает высокой электроемкостью. Удельная энергоемкость графена приближается к 65 кВт*ч/кг. Данный показатель в 47 раз превышает тот, который имеют столь распространенные ныне литий-ионные аккумуляторы.
Графен обладает высокой теплопроводностью, которая в 10 раз превышает теплопроводность меди. Он превосходят вольфрам по температуре кипения (3700°С);
Для графена характерна практически полная оптическая прозрачность. Он поглощает всего 2,3 % света.
Графеновая плёнка пропускает молекулы воды и при этом задерживает все остальные, что позволяет использовать ее как фильтр для воды,
Графен – самый легкий материал, приблизительно в 100 раз легче обычной воды.
Он инертен к окружающей среде, многослойный графен может впитывать радиоактивные отходы.
Благодаря броуновскому движению (тепловым колебаниям) атомов углерода в листе графена, он способен «производить» электрическую энергию.
Графен является основой для сборки различных не только самостоятельных двумерных материалов, но и многослойных двумерных гетероструктур.
При протекании соленой воды по листу графена, последний способен генерировать электрическую энергию за счет преобразования кинетической энергии движения потока соленой воды в электрическую (т.н. электрокинетический эффект).
Все вышеперечисленные свойства графена доли толчок к широким исследованиям возможности его использования в различных областях знаний. Можно смело утверждать, что графен — одна из наиболее перспективных технологий нашего времени, его можно рассматривать, как материал будущего, или революцию в создании принципиально новых материалов. Поскольку, графен, по существу, позволяет получать принципиально новые материалы, то, вполне возможно, что мы стоим на пороге создания новой таблицы Менделеева.
Ситуация с графеном в мире. Реально полученные результаты
Сегодня в мире, графен и технологии на его основе активно используются в аэрокосмическом секторе, автомобильной промышленности, биомедицине и здравоохранении, электронике, энергетике, экологии и ряде других секторов экономики. Иначе говоря, сегодня уже трудно назвать такую область знаний, куда бы ни проникли, в том или ином виде, технологии с использованием графена.
Ежегодный рост продаж графеновых компонент и продуктов на их основе на сегодня – самый больший из всех типов существующих продуктов и услуг – около 37% в год.
В мире началась гонка за лидерство в производстве графена и материалов с его добавками. Но, к сожалению, Россия в этом процессе не участвует. То ли по незнанию, а точнее, непониманию преимуществ этих технологий, то ли по присущему нам сегодня безразличию ко всему происходящему вовне.
Поскольку графеновая тематика не получила должного признания, из страны работать за рубеж уезжают талантливые ученые. Кстати сказать, первоначально графен был, по сути, нашей разработкой. Работы по исследованию этого материала выли выполнены российскими в прошлом физиками Андреем Геймом и Константином Новоселовым из Манчестерского университета, за которые они получили Нобелевскую премию. Эти их работы, по существу, и вызвали наблюдаемый сегодня бум в науке, связанной с графеном и технологиями на его основе. И если до этого графеном занимались лишь в нескольких элитных научных лабораториях, то теперь его активно исследуют и изучают во всем мире: более 100 тыс. публикаций за последние 15 лет.
Сегодня в подобных исследованиях лидирует Китай, которому принадлежит более половины публикаций и заявок на патенты. В 2013 году в Китае создали Инновационный альянс графеновой промышленности. Кроме того, руководство страны сделало индустрию новых материалов на основе графена одним из приоритетов своей 13-й пятилетки (2016-2020 гг.).
Сегодняшний объем мирового рынка графена оценивается в $150 млн. Объем же реализации рынка продуктов на основе графена к 2030 году оценивается в 800 млрд. долларов.
Разработки этого «чудо - материала», в отличие от России, пользуются господдержкой во многих развитых странах. В Евросоюзе, например, запущен проект Graphene Flagship: вложения в 2014–2020 годах оцениваются в 1 млрд. евро. Впервые в истории ЕС целый крупный проект был направлен на то, чтобы внедрить в практику это недавнее научное открытие.
Помимо стран-лидеров, активно работающих с графеновой тематикой, на этот путь встали Австралия, Бразилия, Израиль, Индия, ЮАР, Япония. Но сегодня очевидно, что рынок графена только набирает обороты.
Графеновые технологии развиваются самыми высокими темпами среди всех видов технологий и технических направлений. Объем мирового рынка графеновых технологий, по оценкам экспертов, составит:
- к 2025 г. – 60 млрд. долларов,
- к 2035 г. – 360 млрд. долларов,
- к 2045 г. – до 1 трлн. долларов.
Наблюдается сильная дифференциация финансирования по регионам и отраслям:
- Европа – более 1 млрд. долларов на исследования;
- США и Канада – около 1 млрд. долларов;
- Индия и Китай – около 300 млн. долларов;
- Россия – менее 1 млн. долларов;
- остальной мир – около 50 млн. долларов.
Хотя, поскольку сегодня графеновый рынок только складывается, наметить действительные темпы его роста и даже очертить его границы сложно. Поэтому, справедливости ради, следует заметить, что в различных исследованиях цифры могут заметно различаться.
Приведем примеры нескольких конкретных реальных зарубежных разработок.
Так, учёные Нью-Йоркского университета обнаружили и доказали, что два слоя графена по прочности равны алмазу. В будущем это открытие может дать толчок к созданию бронежилетов нового типа – незаметных тонких и лёгких. Иными словами, из двух атомарных слоев можно создать третий материал, вовсе не существующий в природе.
Графеновая пленка оказалась отличным фильтром для воды, поскольку она пропускает молекулы воды и при этом задерживает все остальные. Возможно, это поможет снизить стоимость опреснения морской воды. В Манчестерском университете разработаны масштабируемые сита из оксида графена для фильтрации морской воды.
В Массачусетском технологическом институте разработана технология, позволяющая делать в листах графена отверстия определённого диаметра и получать сверхтонкие фильтры для высокой степени опреснения и очистки воды.
В феврале 2018 года специалисты Объединения научных и прикладных исследований Австралии (CSIRO) предложили дешёвый способ массового и недорогого производства листов графена. По мнению представителей CSIRO, разработанная технология позволит отказаться от дорогостоящих и многоступенчатых методов очистки воды и способна привести к прорыву в решении проблемы нехватки питьевой воды.
В "умных" часах графен используется в качестве прозрачных электродов в сенсорных экранах, заменяя дорогой оксид индия-олова. А в перспективе экраны гаджетов станут гибкими - здесь пригодится способность графена к механическому растяжению. Еще один класс гаджетов, которые должен породить графен, - сверхчувствительные камеры и датчики. Оптические сенсоры на основе графена в сотни раз расширят диапазон действия, обеспечив видимость при плохой погоде и недостатке освещения, а также смогут "просвечивать" объекты насквозь.
С графеном связывают надежды на применение в микроэлектронике, в создании квантовых компьютеров, некремниевых транзисторов на основе туннельного эффекта между двумя слоями графена.
Использование графеновых добавок позволит заметно снизить вес аппаратов различных типов, начиная от авиационных и космических, до автомобилестроения, а, следовательно, и уменьшить расход топлива.
Графен используется также в качестве компонента для буровых растворов и для покрытий трубопроводов. В судостроении его уже применяют для покрытия (покраски) судовых корпусов.
В медицинских исследованиях графен демонстрирует противораковые свойства. В частности, окись графена выборочно поражает стволовые клетки, относящиеся к категории раковых. В журнале Oncotarget опубликована статья, в которой показано, что применение графена дало положительный результат в борьбе против шести разных видов рака. Показано, что инфракрасное излучение, которое генерирует графен при нагревании, ускоряет регенерацию клеток организма, нормализует кровообращение и метаболизм.
Английские ученые преуспели в формировании ультрафиолетового излучения с поверхности графена. Это может пригодиться для производства совершенно новых УФ-ламп на основе графена без использования токсичной ртути, которую сегодня пока приходится применять в таких лампах, используемых для уничтожения бактерий и вирусов.
Исследователи из США проводят опыты по прямому «апгрейду» живых организмов с помощью графена: пауки и шелкопряды, которым этот материал подмешали в корм, стали сильнее и начали плести более прочную нить.
Специалисты Института графена (Москва) обнаружили, что выращиваемые в открытом грунте овощи растут более активно и их урожайность заметно выше обычного, если их поливать водой с ничтожным содержанием графена.
Приведенные примеры дают лишь приблизительное представление о разнообразии графеновых технологий и степени интереса к ним в мире.
Е.В. Аметистов, профессор, член-корреспондент РАН,
Генеральный директор Института графена
С.В. Мищеряков, профессор, к.т.н., д.э.н., Генеральный директор Корпоративного энергетического института. (Москва)
Продолжение в следующей части