Когда случится графеновая революция

После вручения в 2010 году Нобелевской премии по физике за опыты с графеном Андрею Гейму и Константину Новоселову все ждали наступления новой эры электроники. Однако массово применять чудо-материал до сих пор не начали. Мы разобрались почему.

Графен — это слой графита толщиной в один атом. Черная полоска, которую оставляет простой карандаш на бумаге, содержит тысячи слоев графена. Стопка из 3 млн листов графена — не толще 1 мм. При этом материал в 200 раз прочнее стали. Еще более полувека назад существование графена предсказали теоретические расчеты. Но никому не удавалось изолировать тончайший слой и доказать, что он способен находиться в свободной форме. Лишь в 2004 году ученые из Манчестерского университета Андрей Гейм и Константин Новоселов получили графен в лаборатории. Причем сделали они это с помощью подручных материалов — скотча и куска графита, вроде того, что используется в карандашах. Исследователи отслаивали клейкой лентой тончайшие чешуйки графита и переносили их на подложку из оксида кремния, а после с помощью микроскопа искали участки, где получился моноатомный слой.С тех пор началась настоящая графеновая лихорадка: университеты и научные центры по всему миру развернули программы по исследованию нового материала. В Сингапуре открыли центр по изучению двумерных материалов, к которым относится графен, а в Великобритании создали Национальный институт графена.

Материя будущего

Графен имеет уникальную двумерную структуру — атомы углерода формируют плоскость. Из графена образуются остальные модификации углерода — 0D-шары (фуллерены), 1D-нанотрубки и 3D-графит. Связи между атомами в плоской структуре очень прочные: два листа графена, наложенные друг на друга, выдерживают выстрел из огнестрельного оружия. При этом графен невероятно легкий. Созданный на его основе аэрогель на 99,8% состоит из воздуха и выдерживает вес, превышающий собственный в 4 тыс. раз.

Эти свойства уже оценили исследователи из Кембриджского университета: они накормили графеном пауков, и те стали производить паутину в десятки раз прочнее обычной. Пекинский институт авиационных материалов совместно с Национальным институтом графена разрабатывает на основе графена сверхсплавы для облегченных самолетов. Графен обладает электрической проводимостью, и его можно использовать в электронике. Недавно компания Samsung представила новые аккумуляторы, которые вмещают на 45% больше энергии, чем современные литий-ионные батареи, и заряжаются в пять раз быстрее. Ноу-хау — покрытие катода графеновыми шариками.

Кроме прочности и электропроводности у графена есть еще одно свойство: он сам способен создавать энергию. Этот материал хоть и двумерный, но не абсолютно плоский. Структура графена напоминает рябь на воде — случайные колебания атомов создают «волны», которые выгибаются попеременно то в одну, то в другую сторону. Исследователи из Университета Арканзаса поместили лист графена между двумя электродами и получили крошечный источник энергии. 20 тыс. таких генераторов могут бесконечно подзаряжать небольшое устройство вроде электронных наручных часов. Такая батарея уместится на кончике булавки.

Российские разработки

Мир двумерных материалов богат российскими именами. Исследователи из МФТИ создали на основе оксида графена биосенсор для доклинических испытаний лекарств против ВИЧ, гепатита и рака. С помощью чипа, покрытого этим материалом, можно проследить, как идет та или иная химическая реакция между лекарством и живой тканью, выяснить, как вещество действует на вирусы и болезнетворные бактерии. Чувствительность этого чипа в три раза выше, чем у аналогов.

Недавно ученые из СПбГУ модифицировали графен и придали ему свойства «магнитного золота». После взаимодействия с кобальтом и золотом этот и без того уникальный материал приобрел свойства металлов — магнетизм и спин-орбитальное взаимодействие. Эти характеристики позволят использовать графен для усовершенствования квантовых компьютеров.

Согласно базе данных научных публикаций Web of Science, активнее всего в исследовании графена китайцы: 43% работ издали ученые из Поднебесной. За ними американцы, 18%, и корейцы — 8%. Россия в этом рейтинге занимает 14-е место — всего 2% публикаций. 

Братья графена

Получение графена дало толчок к появлению огромного семейства двумерных материа- лов. Особый интерес вызывают те, что созданы на основе металлов. Для них двумерное состояние противоестественно, их просто не должно быть в природе. Считалось, что такие материалы нестабильны в виде монослоя и могут существовать только в виде толстых пленок. Но исследования показали, что это не всегда так.

Одним из недавних открытий в этой области стал двумерный оксид меди. Его в прошлом году создал коллектив ученых из России и Японии. Материал, в отличие от своего объемного аналога ферромагнетика, обладает антиферромагнетизмом — низкой намагниченностью. Это позволяет записать один бит информации всего на 12 атомов, тогда как сегодняшним технологиям требуется несколько тысяч атомов. То есть можно говорить о создании магнитной памяти.

Проблема получения

Почему эти потрясающие разработки не применяются массово? Все дело в том, что произвести много графена не так-то просто. Метод, которым его получили Гейм и Новоселов, называется механической эксфолиацией. Он очень прост и дает материал высочайшего качества. Однако отслаивать скотчем тонну графена придется годами.

За последние 10 лет ученые предложили множество способов промышленного изготовления: химическое отслаивание, жидкофазное и термическое отслаивание, химическое осаждение из газовой фазы, молекулярно-лучевую эпитаксию, лазерную абляцию… Однако достичь таких высоких характеристик, как при механической эксфолиации, до сих пор не удалось. Но методы постоянно улучшаются, и эра графена уже не за горами.

Желающим повторить подвиг Гейма и Новоселова в домашних условиях предлагаем метод, похожий на жидкофазное отслаивание. Возьмите блендер мощностью не менее 400 Вт, налейте в чашу 500 мл воды и 10 мл любого моющего средства, добавьте 20 г толченого грифеля. Далее прибор должен поработать от 10 минут до получаса, до появления взвеси из чешуек графена.