Общеизвестно, что драгоценные металлы и камни входят в число очень дорогих материалов на нашей планете, но в мире существуют вещества, стоимость которых запредельна даже по отношению к золоту, платине или бриллиантам. Одним из таких материалов является графен – двумерный материал из одиночного слоя атомов углерода (примерно в 300 тыс. раз тоньше стандартного листа бумаги), которые соединены между собой структурой химических связей в виде гексагональной решётки по типу пчелиных сот (рис.1). 1 грамм чистого графена, который используется в электронике, стоит около 28 млрд. долларов США (при этом 1 грамм графена, смешанного с пылью — около 1 тыс.долларов США). Во многом цена обусловлена «сыростью» нынешних технологий его получения.
Графен стал первым в истории двумерным материалом. Интересно, что ещё в 40-50хх годах теоретические расчёты показали, что у таких структур будут удивительные свойства, при этом по другим расчётам получалось, что они вовсе невозможны, т.е. не могут существовать, так как материал из одного слоя атомов просто сожмётся в кулак и он не сможет быть ровным. Позже удалось доказать, что такой материал всё-таки теоретически возможен, но он будет иметь волнообразную поверхность. В 60х новому материалу даже придумали его нынешнее название, но теория так и оставалась теорией, поскольку экспериментаторам никак не удавалось практически получить листы графена. В 90х получили тонкие плёнки графита, но это были относительно толстые структуры в 10 слоёв графена.
И только в 2004 году учёным удалось получить и исследовать монослой атомов графена. За эти работы британские физики российского происхождения, Андрей Гейм и Константин Новосёлов, в 2010 году получили Нобелевскую премию по физике: «за новаторские эксперименты по исследованию двумерного материала графена».
Как же они смогли получить графен? На самом деле, это может повторить каждый - приклеим к кристаллу графита кусочек скотча, а затем отклеим его — на скотче останется тонкий слой графита. Повторим эту операцию еще раз — приложим скотч к тонкому слою и снова отклеим. Слой станет еще тоньше, так как раз за разом снимается микрослой углерода. Повторив процедуру еще несколько раз, мы и получим графен, т.е. одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла.
Алмаз, карандашный графит и графен состоят из одних и тех же строительных блоков: атомов углерода (С), из которого на ~11% состоит Земная поверхность и на ~21% наше собственное тело. Тем не менее, именно конфигурация связей между этими атомами имеет принципиальное значение.
В кристаллической решётке алмаза атомы углерода размещаются очень плотно, причём каждый из них прочно связан с четырьмя окружающими его атомами. Алмаз состоит из связанных между собой тетраэдров (рис.2).
Кристаллическая решётка графита слоистая (рис.2). Каждый атом углерода прочно связан с тремя окружающими его атомами, однако плоские слои связаны между собой слабо. Графит хорошо отслаивается, но если взять отдельно один слой, т.е. графен, в нём связи ещё более прочные, чем в алмазе. Графен настолько прочный, что полотно площадью 1 м2 (его вес составляет всего 0,77 г) может выдержать груз весом 4 кг. Его можно связать в узел, и он не рассыплется.
В алмазе все электроны чётко связаны со своим атомом и у них нет шансов вырваться на свободу, поэтому алмаз является диэлектриком.
В графите каждый атом прочно связан с тремя соседними атомами, но четвёртый довольно слабо связан с соседним слоем, поэтому он может спокойно двигаться. Это приводит к тому, что один электрон всегда свободен, поэтому графит является проводником электрического тока.
Графен уникален тем, что он не является ни проводником, ни полупроводником, ни диэлектриком, а является полуметаллом. Необычное поведение электронов в нём заключается в огромной скорости их движения, словно бы они вовсе не обладают массой. В действительности, конечно, масса электронов остается все той же, что и в любом веществе, а во всём «виноваты» атомы углерода графенового каркаса, притягивающие заряженные частицы и образующие особенное периодическое поле.
Следствием такого поведения стала большая подвижность электронов — они перемещаются в графене на околосветовых скоростях, что гораздо быстрее, чем в кремнии. По этой причине многие ученые надеются, что основой электроники будущего станет именно графен.
Сверхвысокая электропроводность графена позволяет получить скорость в чипах в сто раз большую, чем у их современных кремниевых собратьев. Микросхемы на основе графена станут легче, стабильнее в работе, будут потреблять меньше электроэнергии и меньше её рассеивать в виде тепла (не требуется охлаждение).
Так как графен прозрачный, токопроводящий и гибкий (последнее особенно актуально для современных гаджетов), то его также планируется применять в гибкой электронике (рис.3) и солнечных батареях.
Графен может потеснить и обычные литий-ионные аккумуляторные батареи, широко применяемые в настоящее время во многих электронных устройствах. Для сравнения удельная ёмкость литий-ионного аккумулятора составляет 200 Вт/ч на 1 кг веса, а графеновый аккумулятор такого же веса имеет ёмкость 1000 Вт/ч. Установка такого аккумулятора в электромобиле Tesla Model S позволит увеличить пробег автомобиля с 334 км до 1015 км на одном заряде.
Добавление графенового слоя и смешение графена с литием позволяет существенно усовершенствовать аккумуляторы: получившаяся конструкция лучше проводит ток и меньше нагревается, за счёт чего полностью аккумуляторы заряжаются за считанные минуты, а срок их жизни продлевается до 1500 циклов перезарядки. Результаты таких модификаций уже нашли производственное применение.
Так как графен непроницаем (нет таких атомов или молекул, которые могли бы через него пройти; даже самые маленькие атомы – атомы гелия – не могут пройти через слой графена) и прочен, то из него можно делать высокоточные детекторы газа и специальные покрытия. Любые молекулы, которые попадают на графен, застревают в нём. Это приводит к замедлению или отклонению электронов в графене. Уменьшение проводимости как раз и регистрируют приборы. Графен позволит определять даже одну-единственную молекулу вещества.
Для фильтров в графене планируется делать отверстия определённого диаметра, через которые будут проникать одни элементы, например, вода, а соли через них уже не пройдут. Таким образом, это дешёвый способ получения сверхтонких фильтров для опреснения и очистки воды, который приведёт к прорыву в решении проблемы нехватки питьевой воды на нашей планете.
Лак с добавлением графена обеспечивает высокую коррозионную стойкость. Наши улицы обильно посыпают в зимнее время года специальными солями, которые смешиваются со льдом и снегом. Данная кашица налипает на днище автомобиля, что приводит к его агрессивной коррозии. Такие недорогие и экологичные покрытия могут обеспечить долгий срок службы покрытых им элементов автомобиля. Графен может оказаться незаменимым в тех ситуациях, когда от агрессивных факторов внешней среды надо будет защитить крошечные механизмы и микроскопические узлы современных электромеханических устройств.
Глобальная тенденция сводится к созданию более лёгких, но более прочных материалов. Сделать новый материал легче относительно легко, но как сделать его более прочным и при этом нехрупким? Выходом является покрытие материалов графеном. За счёт того, что графен может растягиваться (вплоть до 20%), но при этом его тяжело порвать, он защищает основной материал, на который он сверху нанесён, от трещин, компенсирует напряжения и т.д.
Графен ждёт и большое медицинское будущее. В ходе опытов на мышах оказалось, что, будучи введённым в кровеносную систему больных раком мышей, графен избирательно накапливается в опухолях. Если после этого использовать высокую поглощающую способность графена на ближних инфракрасных частотах и облучить опухоль лазером, то она буквально сгорит, а мышь выздоровеет. Причем, что особенно вдохновляет, исследователи не нашли у подопытных мышей никаких побочных действий такого лечения. В экспериментах использовался графен, покрытый биосовместимой оболочкой из полиэтиленгликоля («голый» графен нестабилен в живом организме).
Конечно, пока рано говорить, что появилась волшебная палочка, которая одним мановением вылечит всех больных. Группы, на которых проводилось исследование, были слишком маленькими, а время эксперимента — слишком коротким, и вполне возможно, что какой-нибудь побочный эффект всё-таки ускользнул от внимания ученых.
По планам разработчиков графен будет использован для производства тончайших, самых легких, самых непроницаемых презервативов представленных когда-либо. Вот только он едва различим невооружённым глазом и может улететь от лёгкого движения воздуха.
Как только «волшебные» свойства графена подтвердились, учёные со всего мира буквально кинулись изучать графен. В ЕС открылся институт, который занимается только изучением графена. Всего в мире зарегистрировано более 50 тысяч патентных заявок с упоминанием графена. Больше половины из них принадлежит Китаю, следом идут Южная Корея, США, Япония и Тайвань.
В научном сообществе тестирование свойств графена стало почти мемом. Тема стала настолько хайповой, что учёные из Чехии и Канады из Брненского технического университета решили доказать абсурдность непрекращающихся попыток улучшить электрохимические свойства графена путём добавления к нему новых элементов. Для этого они решили создать допированный куриным помётом графен, который действительно оказался лучше чистого вещества по электрокаталитическим свойствам.
Но все графеновые мечты могут так и остаться мечтами, если не будет налажено недорогое производство этого материала. Главным камнем преткновения является то, что графен, полученный обычными методами, подходит только для фундаментальной науки, так как астрономически дорог для технических приложений и массового производства.
Материал статьи подготовлен с использованием материалов следующих источников:
· http://ru.wikipedia.org – свободная энциклопедия Википедия,
· http://youtube.com – международный видеоархив,
· http://forbes.ru – финансово-экономический журнал,
· http://trends.rbc.ru – новостной сайт РБК о технологиях,
· http://nplus1.ru – российское научно-популярное интернет-издание «N+1»,
· http://ria.ru – информационное агентство РИА Новости.
