Что такое графен, кто его открыл и где он применяется

Графен — это один из самых перспективных материалов, открытых в последние десятилетия. Он представляет собой одноатомный слой углерода, который обладает невероятными свойствами, такими, как высокая прочность, уникальная проводимость тепла и электричества. В этой статье мы рассмотрим основные свойства графена и его потенциальное применение в будущем.

Что такое графен и почему он уникален

Графен — это одноатомный слой углерода, представляющий собой двумерный материал с гексагональной кристаллической структурой. Он в миллион раз тоньше человеческого волоса и в 200 раз прочнее стали (разумеется, если сравнивать сталь аналогичной толщины), обладает наилучшей из известных материалов тепло- и электропроводностью, и при определенных условиях даже может быть легче воздуха.

Эти свойства делают его полезным для широкого спектра применений, включая электронику, энергетику, медицину, транспорт и многие другие области.

Кто открыл графен

Графен открыли в 2004 году британские ученые российского происхождения Андрей Гейм и Константин Новоселов. Работая в Манчестерском университете, они исследовали свойства углеродных материалов, в том числе графита. Экспериментируя с графитом, они смогли изолировать одноатомный слой углерода, который и получил название графен. Интересно, что в работе они использовали обычный скотч, который позволил отделить слой графита толщиной в один атом углерода. Результаты исследований были опубликованы в журнале Science. За свою работу Гейм и Новоселов были удостоены многих научных наград, в том числе Нобелевской премии по физике в 2010 году.

Безопасен ли графен

Графен состоит из углерода — естественного элемента, не имеющего токсичных свойств. Однако так как это относительно новый материал, свойства графена и его влияние на человека еще только предстоит изучить в долгосрочной перспективе. На текущий момент есть исследования, как доказывающие безопасность графена, так и приводящие к иным выводам. В частности, определенную опасность представляет оксид графена, например, стоит избегать его попадания в легкие.

Кроме того, при работе с графеном необходимо соблюдать соответствующие меры безопасности. Любой материал, может стать опасным, если его используют неправильно или непрофессионально.

Необычные свойства графена

Материал обладает уникальными свойствами, которые делают его полезным для создания различных устройств и технологий. Среди его основных достоинств можно выделить высокую прочность, электропроводность, теплопроводность и прозрачность.

1. Высокая прочность. Это тонкий и прочный материал, который может выдерживать внушительный вес, не ломаясь. Предел его прочности равен 55 Н · м −1. Например, гамак из графена площадью 1 квадратный метр может выдержать кошку весом 4 килограмма, при этом гамак будет практически невидимым.
2. Высокая электропроводность. По этому показателю он превосходит, например, медь. Более того, показатель подвижности носителей заряда в графене выше, чем в кремнии. Это делает его полезным для создания электронных устройств.
3. Высокая теплопроводность. Материал может передавать тепло очень быстро и эффективно (в 10 раз лучше меди), что делает его полезным для создания теплоотводов и терморегулирующих устройств, например, термопасты или охлаждения для центрального процессора компьютера.
4. Прозрачность. Такой тонкий материал сложно увидеть, к тому же он поглощает 2,3% падающего света, поэтому практически прозрачен.
5. Гибкость. Он может быть изогнут в разные формы без потери своих свойств. В сочетании с электропроводностью и прозрачностью материал можно использовать, например, при создании гибкой электроники.

Где уже используют графен

Новый материал уже сейчас используется в различных областях и порой находит совершенно неожиданное применение: от изготовления более легких и прочных теннисных ракеток до использования в составе одежды, для питания внешних светодиодов и в солнечных батареях.

• Электроника. В продаже можно найти самую разную электронную продукцию. Так, канадская компания Ora Graphene Audio выпустила графеновые наушники. Благодаря тому, что материал отлично проводит тепло, он применяется в системах охлаждения смартфонов, также его добавляют в термопасту. Одно из популярных сегодня направлений — аккумуляторы. Существуют даже графеновые лампочки, которые экономичнее и долговечнее светодиодных аналогов.

• Медицина. Применение этого инновационного материала в медицине носит широкий характер: от самых простых изделий вроде медицинских масок до браслетов для мониторинга и борьбы с диабетом и в качестве средства доставки лекарств к раковым клеткам.
• Транспорт. Материал может применяться в создании легких, прочных и гибких материалов для авиации и автомобилестроения. Например, в 2018 году был представлен первый в мире беспилотный летательный аппарат с графеновым покрытием. А простые граждане уже сейчас могут купить велосипедные шины с графеном, спрей-покрытие для защиты кузова автомобиля и присадку для моторного масла.
• Защита. Благодаря высокой прочности этот материал используется для создания защитных покрытий: бронежилетов, шлемов, брони для техники и т. п. Так, китайский ударный вертолет Z-10 получил броню из графена, а в тайской армии закупают инновационные бронежилеты для защиты солдат.

Где можно применять графен в будущем

Этот материал может быть использован для создания новых технологий и продуктов. Его изучением занимаются ученые из разных стран, в нем заинтересованы крупные компании, такие, как Airbus, Samsung, IBM и многие другие. Ниже перечислены лишь некоторые возможные области применения материала в будущем, и его потенциал может быть еще больше раскрыт в научных исследованиях и разработках.

• Квантовые вычисления. Для создания квантовых компьютеров, которые будут работать намного быстрее и эффективнее, чем современные компьютеры. В частности, финские ученые разработали болометр (инструмент для измерения энергетического состояния кубитов) на основе графена, у которого рекордная чувствительность, что позволяет существенно снизить энергопотребление квантовых компьютеров и сделать их компактнее.
• Робототехника. Производство гибких и прочных материалов для роботов, которые будут иметь возможность двигаться и приспосабливаться к различным условиям. Например, индийские ученые рассказывают о самовосстанавливающейся коже для андроидов, а в Австралии разработали биосенсор из графена, позволяющий управлять роботами.
• Космические исследования. Производство легких и прочных материалов для космических кораблей, космических станций и спутников. Так, в Китае ученые предложили перемещаться в космосе при помощи солнечных парусов, изготовленных из графена, а графеновая броня сможет защитить космические аппараты от микрометеоритов.
• Экология. Фильтры с применением графена можно использовать для очистки воды и воздуха, а также для создания более эффективных и экологически чистых источников энергии. Возможно применение и на атомных электростанциях с целью повышения экономичности и снижения вредных выбросов углекислого газа.

Почему графен до сих пор не используется массово

Хотя этот материал имеет огромный потенциал во многих областях, его применение в промышленных масштабах все еще ограничено технологическими проблемами и высокой стоимостью производства. По данным на 2020 год, стоимость тонны графена составляла до $200 000. Однако ученые постоянно находят новые способы производства, например, использование углеродосодержащих отходов в качестве сырья для получения графена, что позволяет снизить затраты. При этом некоторые идеи приходят совершенно случайно.

Для промышленного использования графена необходимо проводить дополнительные исследования и тестирования, инвестировать время и средства, поэтому не стоит ожидать, что все крупные компании в одночасье смогут наладить выпуск продукции. К примеру, компания Ford начала изучение графена в 2014 году, в 2022-м компания применяет его в производстве, используя как добавку к полиуретановой пене, которой обрабатывают кузов автомобилей для снижения шума и вибраций. Серьезно подходят к исследованиям и другие крупные компании вроде химического гиганта BASF или южнокорейского производителя электроники LG.

Таким образом, графен рано или поздно будет применяться массово, однако это не может произойти моментально.

Что еще почитать и посмотреть о графене

1. «Предыстория графена» — статья на сайте «За науку», которая описывает историю открытия и развития представлений о двумерных материалах в физике.
2. «Методы получения графена» — статья на сайте «Русграфен», российской компании, запустившей производство CVD-графена.
3. «Главный элемент жизни» — видео на канале Droider, в котором рассказывается об углероде и других материалах на его основе.
4. Graphene — What Is It? — англоязычная статья на сайте Graphenea, одной из лидирующих компаний по производству графена.