Самый прочный и тонкий в мире
В школе создания черновых заметок и черчения ученики пользуются простыми карандашами, сердцевина которого сделана из графита. Это материал, созданный из углеродных пластинок, связанных между собой в шестиугольники. Графен — одна такая пластинка, которую достаточно трудно выделить. Кажется, что сломать графитовый карандаш очень легко; на самом деле, чем тоньше углеродная пластинка, тем она прочнее. Ученые определяют графен как гексагональную решетку атомов углерода толщиной всего в один атом. Если сложно, то это нечто в триста тысяч раз тоньше бумаги и в шестьдесят тысяч раз тоньше самого мелкого вируса.
Сперва исследователям было непросто поверить, что всего один углеродный слой может быть стабильным при комнатной температуре. Благодаря уникальным свойствам и высокому качеству его решетки, графен не только проводит электроны быстрее, чем любое другое вещество, но и выигрывает в прочности у алмаза — наиболее близкого к нему вещества. Алмаз не такой стабильный как графен, который может выдерживать нагрузку более пяти тонн без разрушения.
Еще из топ-качеств: графен обладает структурой полупроводника, при этом способен проводить электричество как проводник. К его свойствам также относят хорошую теплопроводность, упругость и гибкость. Температура его плавления — 3000 градусов. Несмотря на то, что графен в двести раз прочнее стали, если использовать его на подложке из мягкого материала, он перенимает его свойства.
Очевидно, что материал с такими характеристиками должен иметь серьезную причину не стать одним из самых популярных в промышленных и бытовых ситуациях. Причина есть – графен действительно трудно производить. К 2018 году самое большое количество концентрированного графена, которое удалось изготовить, — лист размером с кредитку. Для этого использовалось масло сои, нагретое до 800 градусов и лист никелевой фольги. Соединение двух компонентов привело к упорядочиванию углерода в пластину графена. Попытки получить листы крупнее приводили к ухудшению качества самого материала. Только в последние годы производство графена начало выходить за пределы исследовательских лабораторий.
Еще один недостаток соединения — его возможная токсичность. В 2010 году американские исследователи обнаружили, что один из способов производства графена убивает живые клетки. При размешивании графита или углерода в воде образуются мелкие частицы графена размером меньше ста нанометров. Проходя через клеточную мембрану, такие частицы действительно уничтожают клетку. Метод добычи графена путем химического осаждения газовой фазы позволяет избежать такого исхода. Однородный слой атомов первоначально распределяется по большой площади (100 на 100 миллиметров), которая постепенно уменьшается. После этого слой закрепляется на подложке и токсичность материала падает.
Как сделать открытие на «Нобелевку» с помощью карандаша и скотча
В 2004 году российские ученые, выпускники Московского физико-технологического института, Андрей Гейм и Константин Новоселов выпустили статью, опубликованную в журнале Science. В ней они рассказали, как, имея всего лишь простой графитовый карандаш и скотч, получили новый материал. Исследователи снимали слои графита скотчем пока не дошли до слоя толщиной всего в один атом. За новаторские эксперименты с графеном в 2010 году они стали лауреатами Нобелевской премии, а также удостоились звания рыцарей-бакалавров, дарованного английской королевой.
С тех пор количество научных исследований, посвященных графену, растет с каждым годом. В 2016 году они составляли 1% от всех публикаций в мире, согласно данным Web of Science — крупнейшей базы научных работ. На 2017 год количество работ превысило сто тридцать тысяч. Несмотря на то, что открытие было сделано российскими учеными, почти половина научных публикаций принадлежит китайским исследователям. В 2013 году в Китае был создан Инновационный альянс графеновой промышленности. Эксперты предсказывают, что в будущем в Китае сконцентрируется до 80% мировой графеновой индустрии.
Европейский союз запустил проект Graphene Flagship, в рамках которого взаимодействуют исследовательские организации и промышленные компании, куда вложен 1 млрд евро. В Америке в 2017 году появилась Национальная графеновая ассоциация. Среди членов консультативного совета — представители компаний Apple, IBM, Cisco.
Первооткрыватели — Андрей Гейм и Константин Новоселов — работают в Университете Манчестера в Великобритании. Там же находится Национальный институт графена — масштабный исследовательский центр. Если кого-то удивляет, что многие российские исследователи предпочитают заниматься разработками за рубежом, объяснение простое. В России нет исследовательских центров, которые были бы сосредоточены только на изучении графена и его свойств. Из-за этого нет последовательной государственной поддержки; кажется, что раз Нобелевская премия уже получена, работать в этом направлении уже поздно. Хотя симбиоз научных исследований с практическим применением позволяет постепенно открывать все новые свойства материала.
Бесконечный аккумулятор и сверхпрочные танки – часть того, что позволил сделать графен
Графен лег в основу современной медицинской биоэлектроники. Ученые создают нейродевайсы и биосенсоры, чтобы с их помощью улучшить процесс диагностики и эффективнее лечить болезни. Чтобы такие устройства были доступны в каждой больнице нужно развивать индустрию: нужны тысячи и миллионы экземпляров, в то время как для исследований изготавливается от 10 до 100 штук. Также, графен может способствовать уничтожению раковых клеток, так как способен преобразовывать свет в электричество.
Нефте- и газодобывающие компании по всему миру изучают графеносодержащие жидкости. В перспективе их можно использовать в буровых растворах и для изготовления полимерных труб и покрытий для нефте- и газопроводов. Графен — многообещающее направление для исследований в области возобновляемой энергетики, например в разработках прозрачных солнечных батарей и аккумуляторов с высокой емкостью. Благодаря своим свойствам, графен способен стать компонентом опресняющего устройства для морской воды. Сверхпрочные бронежилеты и военное оружие, архитектурные сооружения, способные выдерживать взрывы, смартфоны с гибким дисплеем и бесконечным зарядом — все это также потенциальные поля для использования графена.
Компания Samsung ведет активные разработки по внедрению графеновых шариков в аккумуляторы смартфонов. По прогнозам, в случае успеха емкость аккумуляторов увеличится на 45%, а заряжаться телефон станет в пять раз быстрее. Добавление графена в корпус смартфона позволит сделать его в разы удароустойчивее и, возможно, избавит от необходимости носить защитные чехлы.
Это тоже интересно: