В США впервые синтезировали кристаллический образец графина

Ученые из США впервые синтезировали кристаллический образец графина — ​аллотропной модификации углерода. Появление этого материала было предсказано много лет назад, но получить графин в чистом виде не удавалось. Этот материал необходим для нанои термоэлектроники, производства литийионных батарей и других накопителей энергии.

Атомы углерода в органических соединениях могут образовывать четыре связи с атомами других веществ. Связи эти бывают одинарными, двойными и тройными. В зависимости от типа и кратности связей углерод образует несколько аллотропных модификаций — ​простых веществ, различающихся между собой структурой и свойствами.

Углерод — ​один из лидеров по количеству аллотропов, он существует в форме нанотрубок и фуллеренов, алмаза, графита, графена, угля, карбина и т. д. Если взять графит и срезать с него одноатомный слой, то этот слой будет другой аллотропной модификацией — ​графеном. В этом веществе атомы образуют друг с другом по три химические связи: одну двойную и две одинарные. А если изменить структуру графена так, чтобы связей было две — ​тройная и одинарная, это будет графин. Из-за уникальных полупроводниковых и оптических свойств графину прочат светлое будущее в промышленности.

Ученые предсказали существование графина еще в 1968 году. А в 1987‑м при помощи квантово-механических расчетов они смогли доказать возможность существования подобных углеродных структур и построить первую теоретическую модель структуры графина. С тех пор химикам удавалось получить графин только с помощью особых реакций — ​кросс-сочетания или окислительного сочетания ацетиленов. При этом чаще всего образуются фрагменты графина размером в несколько нанометров, с большим количеством дефектов. А вот синтезировать кристаллический образец никак не получалось.

Новый способ синтеза предложили ученые из Колорадского университета в Боулдере (США). Они предположили, что получить кристаллический графин можно с помощью обратимой химии, то есть реакций, которые позволяют атомным связям самокорректироваться, создавая новые упорядоченные структуры. Ученые использовали органическую реакцию, вызывающую перераспределение и преобразование химических связей в алкинах — ​разновидности углеводорода. В результате получили стабильное кристаллическое вещество с большой степенью полимеризации. Теперь нужно подробно изучить его свой­ства, а также разработать технологию для промышленного производства.

Предполагается, что в будущем графин можно будет применять для создания высокоэффективных полупроводников для смартфонов и компьютеров, более емких литийионных аккумуляторов и других накопителей энергии. А нанотрубки из графина могут использоваться для хранения водорода. Также благодаря пористой структуре графин может найти применение в разделении газов.

Егор Данилов
Начальник лаборатории синтеза и исследования новых материалов, «НИИграфит»

— Исследованиями углеродных наноматериалов ученые занимаются довольно давно. Еще в 1980‑е годы были успешно получены фуллерены, тогда мировое научное сообщество увлеклось этой темой: казалось, что дешевые в производстве фуллерены совершат революцию в технологии и изменят нашу жизнь. Этого не произошло. Потом в 1990‑е открыли углеродные нанотрубки, и все с фуллеренов переключились на них. А вот в последние два десятилетия ученые стали активно изучать графен. Сейчас это одно из основных направлений исследований в области нанотехнологий. Все эти материалы очень интересны и безусловно имеют прекрасные перспективы применения. Однако от промышленного производства, а значит, и массового практического применения, например, графена мы еще далеки. Главная проблема — ​отсутствие воспроизводимых технологий получения одинаковых частиц.

Что касается графина, то этот материал тоже довольно давно изучают, его теоретические свой­ства хорошо описаны. Физики начали заниматься графином еще в 1960‑е годы, тогда же были получены первые многослойные структуры и цепочки карбина. В последние годы ученые активно занимаются синтезом однослойного материала с использованием реакций органической химии. Он может найти применение в новых электронных устройствах, которые будут иметь двухмерную и трехмерную архитектуру вместо традиционной — ​так можно будет добиться очень высокой плотности размещения элементов. Кроме того, вполне возможно, графин окажется более перспективным материалом транзисторов по сравнению с графеном.

Еще много говорят о перспективах графина в области хранения водорода, однако у меня по этому поводу возникает много сомнений: для хранения водорода предлагали использовать множество самых разных углеродных материалов, однако достичь требуемых характеристик в части энергоемкости и надежности пока не удалось. Удастся ли это у графина — ​вопрос. В любом случае ученым потребуется еще пять, а то и 10–15 лет исследований этого материала, прежде чем можно будет говорить о промышленном внедрении.

СЛОВАРЬ

Аллотропные модификации — ​вещества, которые образовались из атомов одного химического элемента, но имеют разное строение.

Фуллерен — ​модификация углерода, представляющая собой замкнутую сферу из 60 атомов углерода.

Графен — ​модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом.

Углеродные нанотрубки — ​цилиндрическая структура, состоящая из одной или нескольких свернутых в трубку графеновых плоскостей.