Олег ГАЛКИН,

Графен, перспективный материал толщиной в один атом углерода, недавно пополнил длинный список своих качеств. Он оказался непроницаемым для всех газов и жидкостей, за исключением воды. Британские ученые Рауль Нейр и Александр Гейм шутки ради попробовали отфильтровать водку через графеновую пленку. Оказалось, что с каждым разом напиток становился все крепче и крепче. О других чудесных свойствах графена и перспективах его использования в Беларуси рассказал корреспонденту TUT.BY заведующий лабораторией Института физики твердого тела и полупроводников НАН Беларуси Владимир Новиков.

Работы над изучением графена в белорусской лаборатории ведутся уже не первый год. И чем больше исследователи им занимаются, тем больше удивляются его возможностям. Сверхлегкий и сверхпрочный, обладающий высокой тепло- и электропроводностью, он кажется скорее придуманным писателями-фантастами, нежели существующим на самом деле.
 
Скотч и другие высокие технологии
“Сам по себе графен – лишь одна из форм существования углерода. Как графит или алмаз. Но благодаря очень прочным связям между атомами углерода, по прочности на разрыв он в сотни раз превосходит сталь. Поэтому если ввести графен, например, в пластик, то можно значительно увеличить его прочность. Всего десятые доли процента такой добавки увеличат модуль упругости этого пластика раза в два-три!" – привел пример возможного применения материала Владимир Новиков.

Многие необычные характеристики графена были описаны еще в 80-е гг. XX в., но на практике получить его образцы долгое время не удавалось. Некоторые ученые с мировым именем даже сомневались, что он вообще может существовать в природе. Доказать обратное смогли в 2004 году работающие в британской лаборатории физики Александр Гейм и Константин Новоселов. Причем первые графеновые пленки появились на свет в результате манипуляций, далеких от высоких технологий. Будущие нобелевские лауреаты использовали для их изготовления обычный скотч. С помощью клейкой ленты они снимали с поверхности графита тонкие слои углерода, которые затем прикладывали к подложке из окисленного кремния. Механическое отшелушивание мелких крупинок углерода до сих пор является наиболее простым и распространенным методом для производства чистых образцов графена. Недостаток его заключается в том, что времени у исследователя он отнимает уйму, а выход полезного материала получается небольшой.
 
Сегодня широко используется также ряд химических методов его получения, позволяющих в больших количествах и куда быстрее изготовить искомое вещество. Однако, как пояснил Владимир Новиков, полученный таким образом материал не является чистым графеном из-за наличия в нем атомов кислорода, серы, азота, а также дефектов структуры в виде "дыр". Поэтому такой материал и не проявляет тех чудо-свойств, которые анонсировали теоретики. Сотрудники белорусского института разработали и запатентовали свой способ получения графена. Вкратце он заключается в следующем: между слоями графита они помещают аммиак и натрий, полученное таким образом соединение окунают в воду, где происходит гидролиз, в результате которого графит расщепляется на отдельные слои. А за ними, собственно, и идет охота! По словам заведующего лаборатории, этот способ позволяет сохранить чистоту механического, и, в то же время, результативность классических химических методов.
 
“Еще одним достоинством нашего метода является то, что весь процесс происходит при крайне низкой температуре. Она составляет -33°С. Дело в том, что из-за того, что связь между атомами в углеродных соединениях очень прочна, ее очень сложно разорвать. И практически все известные методы их получения связаны с экстремальными воздействиями на вещество. Например, графен обычно получают при очень высоких температурах. Чтобы синтезировать алмаз, необходимо приложить давление чуть ли не как в центре Земли. Для производства нанотрубок нужна электрическая дуга с температурой порядка +3.000°С. То есть эти преобразования всегда связаны с очень большой затратой энергии и проводятся в экстремально жестких условиях. Я же рассматриваю разные формы углерода как своего рода полимер, и предпочитаю применять для их преобразования методы синтетической химии при низких температурах ”, - подчеркнул Владимир Новиков.
Таким образом, способ белорусских ученых не только новаторский, но и менее затратный с экономической точки зрения.
 
Идеальный графен представляет собой гексагональную кристаллическую решетку
 

Материал будущего

Свойства графена настолько необычны, что его внедрение, по мнению ученых, в перспективе позволит сделать ряд прорывов во многих сферах науки и техники.

Так, Александр Гейм и Константин Новоселов опубликовали летом прошлого года результаты исследования, согласно которому его использование может значительно ускорить работу интернета. Благодаря высокой скорости и мобильности электронов в графене созданные на его основе сети передачи данных будут работать в десятки, а может быть, и сотни раз быстрее, чем нынешние волоконно-оптические сети.
 
Разделенный на отдельные слои графит представляют собой очень пористый материал. Разложенные на площади в 2000 м² слои графена весят всего 1 грамм. Гигантская удельная поверхность такого материала позволяет создать на его основе конденсаторы огромной емкости, сопоставимые по накопленной энергии с аккумуляторами. Только современные аккумуляторы заряжаются часами, а графеновые конденсаторы будут накапливать энергию за считанные секунды. Сочетание аккумуляторов с графеновыми суперконденсаторами позволит в разы увеличить пиковые мощности любых электротехнических устройств и одновременно существенно повысить их коэффициент полезного действия.
 
Еще одна перспективная сфера применения графена – прозрачные проводящие покрытия в сенсорных дисплеях, поддерживающих технологию "мультитач", а также в солнечных панелях. Сегодня при их изготовлении активно используются такие спорные с экологической точки зрения химические элементы, как индий и галлий. Кроме того, эти вещества относительно мало распространены в природе, поэтому их получение связано с повышенными материальными затратами. Углерода же в земной коре полно.
 
Более того, графену пророчат роль преемника кремния при создании микропроцессоров нового поколения. Его использование позволит поднять их тактовую частоту более чем в 1000 раз, и тем самым перейти в терагерцевый диапазон. Закат кремниевой электроники, похоже, уже начинается - о создании первого микрочипа на основе графена уже сообщила в начале февраля группа ученых из Массачусетского университета.
 
Такова перспектива на будущее. А пока что реализовать на практике все эти устройства, предсказанные учеными-теоретиками, сегодняшний уровень технологического развития не позволяет. Ученые еще не научились получать графен в промышленных масштабах, не говоря уже о том, чтобы создавать с его помощью амбициозные коммерческие продукты. Для реализации большинства из них необходимо развивать технологию создания идеальных, непрерывных кристаллических решеток графена относительно большого размера. Сегодня с ним работают пока что лишь в исследовательских лабораториях. Однако первые материалы и технологии с использованием графена уже разрабатываются. В том числе и в Беларуси.
 
Белорусские реалии

Белорусская наука сегодня поставлена в такие условия, что от нее требуют практической отдачи чуть ли не на этапе фундаментальных исследований. Эта участь постигла и отечественных исследователей графена. Впрочем, у них уже имеются определенные наработки в этой области. Поэтому не исключено, что в ближайшее время НАН Беларуси займется экспортом графена и производством простейших продуктов на его основе.
 
Заведующий лабораторией Института физики твердого тела и полупроводников Владимир Новиков сообщил, что в стенах института уже разработана технология токопроводящего лака с графеновым наполнителем. Он предназначен для быстрого нагревания поверхностей, таких как металлы, ткань, строительные материалы. Такой лак может оказаться полезным при производстве посуды или одежды. "Существует еще проблема обледенения самолетов. Когда самолет меняет высоту, на его закрылках всегда образуется лед. И это чрезвычайно опасно. С наледью борются разными способами, однако эффективного решения проблемы до сих пор нет. Возможно, поможет токопроводящий лак, который будет нагревать замерзающую поверхность", - рассказал ученый.
 
Планируется также использовать графеноподобное вещество в качестве добавки в полимеры, чтобы увеличить их прочность. Эта своеобразная "наноарматура" позволит увеличить конкурентоспособность белорусской продукции, идущей на экспорт. "Полиэфирные волокна, которые идут в корд, немного не дотягивают по прочности по отношению к cвоим конкурентам на мировом рынке. Такая добавка, на мой взгляд, самый быстрый и дешевый способ поднять качество полимеров от белорусских производителей", - пояснил исследователь.
 
Впрочем, в этих двух случаях речь идет не о классическом однослойном графене, а об одной из его многочисленных модификаций - так называемом расширенном графите, содержащем помимо однослойных структур тонкие листы толщиной в несколько атомов. Что же касается самого графена, то здесь белорусскими учеными достигнуты определенные успехи в работах над созданием суперконденсатора большой емкости, предназначенного для внедрения в автомобильную промышленность.
 
"Принципиально-то понятно, как его делать, но здесь нужны дополнительные исследования", - резюмировал Владимир Новиков.
 
 
Материал для изготовления электродов суперконденсатора
 
 
Суспензия графена в жидкости, препарат для создания тонких проводящих слоев
 
-40%
-30%
-40%
-50%
-15%
-35%
0071694