Графен — это удивительный материал, который называют главным научным прорывом XXI века. Всего один атом углерода толщиной, а сколько невероятных свойств и возможностей! Давайте разберемся, что это такое, кто его открыл и почему вокруг него столько шума.
Что такое графен простыми словами
Графен — это двумерная форма углерода, представляющая собой слой атомов толщиной всего в один атом. Представьте себе обычный графит (из которого делают грифели карандашей) и мысленно отделите от него самый тонкий возможный слой — вот это и будет графен. Атомы углерода в нем соединены в гексагональную решетку, напоминающую пчелиные соты.
Чтобы понять, насколько это тонкий материал, достаточно нескольких сравнений:
- Графен в 60 раз тоньше самого мелкого из известных вирусов
- В 3000 раз тоньше бактерии
- В 300 000 раз тоньше обычного листа бумаги
История открытия: от теории к Нобелевской премии
Интересно, что графен не был открыт случайно — к нему шли почти полтора столетия. Еще в 1859 году химик Бенджамин Броуди получил суспензию кристаллов оксида графена, а в 1947 году канадский физик Филип Уоллес теоретически описал структуру электронных зон в графене. Сам термин «графен» предложили использовать в 1986 году ученые Бём с коллегами для обозначения монослойного графита.
Но главное событие произошло в 2004 году в Манчестерском университете. Выпускники московского Физтеха Андрей Гейм и Константин Новоселов придумали гениально простой способ получения графена. Они использовали обычный канцелярский скотч! Ученые многократно отшелушивали слои графита с помощью липкой ленты, пока не получили тончайшие пленки толщиной в один атом.
За это открытие в 2010 году Гейм и Новоселов получили Нобелевскую премию по физике «за новаторские эксперименты с двумерным материалом — графеном». В 2013 году еще один российский ученый Михаил Кацнельсон был награжден премией Спинозы за разработку базовых концепций физики графена.
Удивительные свойства графена
Графен обладает целым набором рекордных характеристик, которые делают его уникальным материалом.
Прочность невероятная
Несмотря на свою атомарную толщину, графен — самый прочный материал из всех когда-либо испытанных. Он примерно в 200 раз прочнее стали (при сравнении одинаковой толщины). Представьте себе гамак из графена площадью один квадратный метр. При толщине в один атом он способен выдержать кошку весом 4 килограмма!
Электропроводность
Графен проводит электричество лучше меди. Подвижность электронов в нем настолько высока, что они движутся со скоростью около 1/300 скорости света. При этом материал остается стабильным при комнатной температуре.
Теплопроводность
По способности проводить тепло графен превосходит медь примерно в 10 раз. Теплопроводность графена составляет около 5000 Вт/(м·К) — это один из самых высоких показателей среди всех известных материалов.
Оптические свойства
Графен практически прозрачен — он поглощает всего 2,3% видимого света независимо от его характеристик. Это делает его идеальным кандидатом для создания прозрачных электродов.
Гибкость
Материал можно растягивать до 20% от исходной длины без потери свойств. При этом он остается прочным и эластичным.
Химические свойства
Графен непроницаем для газов, но пропускает воду. Он также обладает антибактериальными свойствами и биосовместимостью, что важно для медицинских применений.
Как получают графен
Сегодня существует несколько методов получения графена:
Механическое отшелушивание — тот самый метод со скотчем, который использовали Гейм и Новоселов. Он позволяет получать самые качественные образцы, но непригоден для массового производства.
Химическое осаждение из газовой фазы (CVD) — метод, при котором углерод осаждают на поверхность металла (обычно меди) в виде тонкой пленки. Так можно получать листы графена метрового размера. С 2010 года доступны образцы, полученные этим методом.
Термическое разложение карбида кремния — еще один способ получения больших площадей графена.
Химическое или электрохимическое расслоение графита — создает суспензии кристаллов графена в жидкостях.
В 2014 году было запущено промышленное производство графена. Крупнейшими производителями сегодня являются США и Китай. Правда, цена пока кусается: один грамм чистого графена для электроники может стоить около 28 миллионов долларов, а смешанного с пылью — около тысячи долларов.
Где уже используют графен
Вопреки скептикам, графен постепенно находит применение в самых разных областях.
Электроника
- Компания IBM создала интегральные схемы на основе графеновых транзисторов
- Канадская компания Ora Graphene Audio выпустила графеновые наушники
- Материал добавляют в термопасту и системы охлаждения смартфонов
- Существуют графеновые лампочки, экономичнее и долговечнее светодиодных
Спорт и транспорт
- Теннисные ракетки с графеном легче обычных, но сохраняют силу удара
- Велосипедные шины с добавлением графена
- Присадки для моторного масла, уменьшающие износ двигателя
- Спрей-покрытия для защиты кузова автомобиля
Медицина
- Медицинские маски с графеном
- Браслеты для мониторинга диабета
- Средства доставки лекарств к раковым клеткам
- Биосенсоры для диагностики рака и неврологических заболеваний
Энергетика
- Графен используют в аккумуляторах и суперконденсаторах для быстрой зарядки
- На его основе создают солнечные батареи с более высокой эффективностью
Перспективы на будущее
Ученые видят огромный потенциал графена во многих областях:
Квантовые вычисления — финские ученые разработали болометр на основе графена для измерения состояния кубитов, что снижает энергопотребление квантовых компьютеров .
Космос — рассматривается возможность создания солнечных парусов из графена для космических аппаратов .
Экология — фильтры для очистки и опреснения воды, удаление радиоактивных загрязнений.
Робототехника — самовосстанавливающаяся «кожа» для андроидов.
Почему графен еще не везде
Казалось бы, если материал такой замечательный, почему мы до сих пор не видим графеновых телефонов и ноутбуков в магазинах? Причины в основном экономические и технологические:
- Высокая стоимость производства (до 200 000 долларов за тонну в 2020 году)
- Сложности с масштабированием технологий
- Необходимость дополнительных исследований безопасности
- Требуется время для внедрения новых материалов в промышленность
Однако процесс идет. Например, компания Ford начала изучать графен в 2014 году, а сегодня уже применяет его как добавку к полиуретановой пене для снижения шума и вибраций в автомобилях.
Безопасен ли графен
Вопрос безопасности графена активно изучается. Сам по себе графен состоит из углерода — естественного элемента, не имеющего токсичных свойств. Однако, как и любой новый материал, он требует осторожного подхода.
Некоторые исследования указывают на потенциальные риски оксида графена при попадании в легкие. Есть теоретические опасения, что наночастицы могут оседать во внутренних органах. Но пока большинство исследований подтверждают, что при контакте с кожей графен не проявляет раздражающих свойств, а вдыхание не вызывает неблагоприятных иммунологических реакций.
Графен часто сравнивают с кремнием, который произвел революцию в электронике в XX веке. Станет ли графен таким же «чудо-материалом» XXI века? Время покажет. Пока же ученые продолжают изучать его удивительные свойства, а инженеры ищут способы сделать его производство дешевле и доступнее.
Как точно заметили в одной из статей, роль графена в потребительских товарах уже ощутима, но не так заметна. Многие могут даже не знать, что их автомобиль, мобильный телефон или клюшка для гольфа содержат графен — и это нормально. Инновации часто работают тихо и незаметно, делая нашу жизнь лучше.
