Графен - материал будущего

В последний раз российские ученые получили Нобелевскую премию по физике четыре года назад. Андрей Гейм и Константин Новоселов были удостоены этой почетной награды за исследование нового, очень перспективного материала — графена. Именно он, как считают многие, определит развитие электроники в XXI веке. Насколько оправданы наши ожидания? Что нового мы узнали о «материале будущего» за время, прошедшее с тех пор, как умолкли фанфары, завершились торжества? Так что же для нас теперь графен?

Когда ученые говорят о нем, то неизменно впадают в мечтательный тон. С графеном связаны самые радужные надежды. Он — как прежде глина, нефть или сталь — может стать в ближайшие десятилетия основой нашей экономики, совершит революцию всюду, где бы его ни взялись использовать. Обозреватель Wall Street Journal обмолвился о «новой золотой лихорадке, вспыхнувшей в науке».

В интервью CNN Андрей Гейм сказал, что ни один другой материал за всю историю человечества не разрабатывали такими быстрыми темпами, как графен. По меркам XX века, проходит лет сорок, прежде чем новый материал будет достаточно хорошо исследован и начнется его массовое использование. Графен, этот необычнейший материал, легче пуха, тоньше паутины, всего через десять лет после его открытия вот-вот войдет в нашу повседневную жизнь.

Для химиков и физиков эксперименты с графеном позволяют понять фундаментальные свойства материи. Для инженеров и конструкторов он открывает новые возможности в проектировании необычайно легких и устойчивых сооружений. Специалистов по электронике и компьютерщиков подкупает тем, что проводит электрический ток почти без потерь.

Возможности применения графена разнообразны, и практика подтверждает это. В любых электронных приборах он станет своим, родным. Графеновые элементы можно использовать в аккумуляторах электромобилей, в лазерах и детекторах. Графеновые покрытия будут наноситься на упаковочные материалы и защитную пленку. Из университетов и научных лабораторий всего мира регулярно приходят известия о все новых изобретениях, которые были бы невозможны, если бы в распоряжении ученых не было такого материала, как графен.

Он долго не давался нам в руки, но теперь, укрощенный Геймом и Новоселовым, начинает и впрямь творить чудеса. Уже в ближайшие годы должны появиться более мощные компьютеры и более эффективные солнечные батареи, созданные на основе графена, гибкие графеновые светодиоды и мониторы.

Разумеется, для того, чтобы эти смелые видения стали явью, нужно преодолеть некоторые препятствия, иначе бы графен давно стал таким же привычным материалом, как пластмасса. Но обо всем — о достижениях и проблемах — по порядку.

С химической точки зрения, графен -это еще одна модификация углерода, известная нам. Углерод — один из самых распространенных химических элементов и один из самых нужных для нас. Практически все жизненно важные биомолекулы содержат атомы углерода; этот элемент является основой различных органических соединений.
графен
В свободном состоянии углерод предстает перед нами то в виде сверкающих алмазов, то в образе матово мерцающих кусков угля. В последние десятилетия широкое распространение получило углеродное волокно -материал, что в десять раз тоньше человеческого волоса и в пять раз прочнее, чем сталь; его используют в космической промышленности и авиастроении. А еще имеются такие экзотичные формы углерода, как углеродные нанотрубки и фуллерены — углеродные молекулы, напоминающие своим строением футбольный мяч. А еще — графен.

Он-то как раз не так уж и экзотичен. На любом письменном столе, если хорошенько поскрести, отыщется немножко графена. Точнее говоря, если взять в руки лежащий на столе карандаш и поскрести его графитовый, то есть углеродный, грифель, то в отслоившихся чешуйках графита непременно найдутся, стоит изучить их под мощным микроскопом, тончайшие графеновые пленки. Они настолько тонки, что, сложив в стопку три миллиона таких пленок, мы получим слой графита толщиной в миллиметр.

Сам графит по своей структуре — это множество таких пленок, сложенных одна на другую. Каждая пленка состоит из бессчетных атомов углерода, расположенных в виде правильных шестиугольников. Соединяясь друг с другом, эти шестиугольники образуют кристаллическую решетку. Подобная структура обуславливает необычные свойства графита. Например, он проводит электрический ток в одном направлении -параллельно пленкам, и не пропускает в другом — перпендикулярно им.

Еще несколько десятилетий назад, заинтересовавшись особой структурой графита, ученые задумались о том, какими свойствами мог бы обладать тончайший — отдельный — его слой. Этот гипотетический слой и получил название «графен». Впрочем, никто тогда не подозревал, что графен — эта сверхтонкая углеродная пленка — может существовать в свободном состоянии. Как бы тщательно мы ни шлифовали и ни полировали на лабораторном столе крохотную чешуйку графита, самый тонкий, полученный нами слой, все равно будет содержать не менее тысячи графеновых пленок.

графен

Сложилось общее мнение, что графеновая пленка, если ее даже и удастся выделить, в чем многие сомневались, будет настолько неустойчивой, что о практическом ее применении не будет идти и речи. Никто ведь не думает о том, как взгромоздить в виде пирамиды мыльные пузыри или нанизать их один за другим на нитку для бус.

Графен — это материал-призрак, материал-мираж. Согласно расхожим взглядам, популярным чуть более десяти лет назад, его вовсе не должно было существовать. Считалось, что материалы могут быть лишь трехмерными, а что касается двумерных материалов — той же графеновой пленки, то они исключительно нестабильны, что доказывает точный математический расчет.

Вот почему статья, опубликованная в 2004 году в журнале Science, произвела эффект разорвавшейся бомбы. Ее авторы, некие Andre Geim и Kostya Novoselov, с таким же успехом могли бы сообщить со страниц «Архитектурного вестника» о том, что живут в доме, построенном из мыльных пузырей. Они рассказывали, конечно же, о другом — о том, что им удалось не только выделить отдельные слои графена (отслаивая их с помощью… обычной клейкой ленты), но еще и исследовать их свойства, но все это тоже звучало, как небылица. Между тем, графеновые пленки, как показали опыты, проведенные с ними, обладали необычайной прочностью и прекрасно проводили электрический ток.

Уже первые эксперименты убедили ученых в том, что графен — это, в самом деле, «чудо-материал». Трудно даже поверить, что может существовать материал толщиной в… один-единственный атом. Но он есть, этот двумерный наноматериал. В принципе, графен можно рассматривать, как вообще единственное известное нам двумерное твердое тело. Его уникальная структура определяет его удивительные свойства.

Состоящий всего лишь из одного слоя атомов, он является самым тонким материалом на свете, ведь, по нынешним научным представлениям, нельзя выделить слой вещества тоньше, чем атом. В то же время графен -один из самых прочных материалов, который только известен, а своей твердостью он превосходит даже алмаз, мерило твердости. При этом удельная масса графена составляет всего один грамм на 1300 квадратных метров. На минуточку! Эти «столько-то метров» близки к стандартной площади бассейна, в котором проводятся соревнования по спортивному плаванию.

Если — проведем мысленный эксперимент! — мы подвесим графеновую пленку толщиной всего в один атомный слой и площадью в один квадратный метр, а затем положим на нее, допустим, кота Шредингера, весящего хотя бы четыре килограмма, то ничего страшного не произойдет, кот будет покачиваться в этом импровизированном гамаке, а вовсе не плюхнется на пол. А ведь такая пленка весит меньше, чем один-единственный ус кота. Если бы нам удалось изготовить лист стали точно такой же толщины, как графеновая пленка, то его прочность была бы в сто с лишним раз ниже, чем графена, — не говоря уж о том, что мы вряд ли научимся «штамповать» подобные стальные листы.

Итак, по своей структуре графен (он очень красив в схематичном изображении) — это уходящая вдаль сеть из соединенных друг с другом шестиугольников. Каждый атом углерода здесь окружен тремя другими атомами, расположенными под углом 120°. Внешне эта структура напоминает пчелиные соты. Химики же немедленно вспомнят структуру бензола -кольца, сцепленные друг с другом.

Атомы углерода не объединены в отдельные группы. Поэтому одинарный слой графена фактически представляет собой одну-единственную громадную, плоскую молекулу, в то время как ее толщина составляет всего одну трехмиллионную долю миллиметра. Электроны, принадлежащие этой «молекуле», могут свободно перемещаться от одного ее конца к другому.

Как известно, электрический ток -это направленное движение заряженных частиц (в нашем случае — электронов). В других веществах электроны надо вырывать из своих убежищ-атомов, в графене же эти толпы бродячих электронов готовы всегда помчаться вперед, только им прикажи. По своей электропроводности графен сравним с медью и в перспективе он (без ущерба для качества) мог бы заменить медные проводки. А ведь в настоящее время около половины всей добываемой меди идет на нужды электротехнической промышленности.

Но дело даже не в экономии меди. «Графеновая электроника» — это прорыв в другое измерение. Что проводки? Они осязаемы, мы же можем уменьшить толщину графенового слоя всего до нескольких нанометров. Графен — самый тонкий материал, который только можно использовать в современной электронике. Благодаря ему решительно уменьшатся в размерах и электронные микросхемы, и сами приборы — они почти достигнут отведенного им природой предела.

Еще одна важная особенность графеновых пленок: электроны могут перемещаться в них лишь в двух измерениях, и это приводит к необычному эффекту. Электроны ведут себя так, словно вообще лишены массы. Их подвижность в графене в 70 раз выше, чем в кремнии.

Несколько месяцев назад журнал Nature сообщил, что ученые из Ганноверского университета в сотрудничестве с американскими физиками впервые сумели разработать графеновые наноструктуры, электрическое сопротивление которых даже при комнатной температуре равно нулю.

Еще раз, что такое электрический ток? В нашем случае это — армия электронов, что целенаправленно движется маршем. Хорошо известно, что при температурах, близких к абсолютному нулю, этот поток заряженных частиц обретает поразительное единство. Потери на электрическое сопротивление сводятся к нулю. Наступает сверхпроводимость. До сих пор это явление наблюдалось только при очень низких температурах. Графен — это первый известный нам материал, который проводит электрический ток без потерь при комнатной температуре.

Сегодня любой компьютерный процессор тратит большую часть энергии впустую — разогревается. Переводит электрическую энергию в тепловую. Любой компьютер — это комнатная печечка, как и вообще любой электроприбор. Значит, если со временем компьютеры будут оснащены графеновыми элементами, те перестанут нагреваться во время работы — не будут терять энергию впустую.

В микроэлектронике графен, рано или поздно, заменит кремний. Из него будут изготавливать все те элементы микросхем, которые сегодня делаются из кремния.

С огромным энтузиазмом ученые в различных лабораториях мира работают над созданием электронных элементов из графена. Так, первооткрыватели графена, Гейм и Новоселов, уже представили первый нормально работающий транзистор из этого «чудо-материала».

Уже появились первые, созданные на основе графена микросхемы и микропроцессоры. Они гораздо меньше по размерам своих кремниевых аналогов. Это позволяет значительно повысить эффективность работы таких процессоров. Количество счетных операций, приходящихся на единицу их объема, выше, чем у кремниевых аппаратов. Кроме того, использование графеновых элементов заметно ускоряет обработку информации. Компьютеры, в которых кремниевые элементы заменят графеновыми, будут работать быстрее традиционных. Теоретически на основе графена можно создавать транзисторы, которые переключаются одним-единственным электроном. Недаром некоторые ученые говорят, что эпоха кремниевой электроники близится к своему завершению.

Есть у графена и немало других вариантов применения. Так, его можно добавлять в пластмассу, заметно повышая ее прочность. Как убедились недавно исследователи, если добавить в нее всего лишь от 0,5 до 2% графена, это придаст ей огнеупорные свойства. При необходимости можно наладить выпуск пластмассы (или, например, резины), проводящей — благодаря графену — электрический ток почти так же хорошо, как любые используемые для этого материалы.

Можно добавлять графен в лаки и краски. Лакокрасочное покрытие, защищенное слоем графена, уже не поцарапаешь так легко.

Графеновые пленки хорошо пропускают солнечный свет. Если нанести покрытие из графена на оконные стекла, то их светопроницаемость можно регулировать, затемняя их летним днем или делая «очень прозрачными» пасмурным осенним.

По этим и другим причинам пластик, упрочненный графеном, — идеальный материал для сенсорных дисплеев. Тонкие, как пластиковые карты, они будут очень чувствительны к любому прикосновению и в то же время прочны. Их не поцарапать, не сломать, они не пропускают воду.

Графен очень тверд и одновременно гибок. Графеновые смартфоны уподобятся листу бумаги: их можно скатать в трубку и убрать в карман — от этого качество их работы не пострадает. Они не разобьются, если их выронить. Их можно даже надевать на руку и носить на запястье, словно наручные часы.

Развивая эту идею, футурологи уже мечтают об «электронной бумаге» -тонких графеновых листах, на которых можно писать точно так же, как на обычной бумаге. При этом она сохранит все написанное в памяти, как это делает компьютер. Электронная бумага проверит орфографию, пунктуацию, поможет в редактировании записей — все, к чему мы привыкли, годами работая за компьютерами.

Первые опытные образцы графеновых смартфонов и электронной бумаги будут созданы, как прогнозируют, уже к 2020 году. Ожидается также появление необычайно чувствительных фотосенсоров, созданных, разумеется, на основе графена, а также солнечных батарей новейшего поколения, чей коэффициент полезного действия будет достигать 60%.

Ученые задумываются и об использовании графена в спин-электронике (речь идет о технологии, в которой — в отличие от традиционной электроники — для обработки информации используется магнитный момент электрона, а не его заряд).

Наконец, повторим еще раз. Ни у одного известного нам материала нет такого высокого предела прочности при разрыве (у стали, например, этот показатель в 125 раз ниже). Подсчитано, что если на геостационарной орбите соорудить космический лифт, а значит, подвесить туда, на высоту около 36 тысяч километров, необычайно прочный трос, то лучше всего для этой цели подходит графен: ведь сделанный из него трос, даже испытывая невероятные нагрузки, непосильные для любого другого материала, все равно выдержит их. Пиковая нагрузка будет достигать лишь 87,3% от его предела прочности.

Поголовная увлеченность этим «чудо-материалом», правда, позволяет забыть, что до сих пор почти не исследовалось, насколько опасен графен для человека, насколько он вреден для окружающей среды. Можно указать разве что на статью, опубликованную в этом году в Environmental Engineering Science (авторы: Брэндон Роджерс, Шэрон Уокер и другие). В ней отмечено, что частицы графена очень быстро распространяются в грунтовых водах, а значит, если графен может нанести вред окружающей среде, то, попадая в них, он очень быстро станет опасным.

Но как же все-таки изготавливать графен? До сих пор выбор был невелик: либо мы получаем графен очень высокого качества, но с чрезвычайно большими затратами, либо изготавливаем его в больших количествах, но качество будет низким.

Незадача в том, что пока нет надежных технологий, позволяющих наладить массовое производство графена. Лишь когда появятся заводы и фабрики по его выпуску, столь же производительные, как современные сталелитейные заводы, — тогда и начнется та самая революция, которую ждут вот уже десять лет, с тех пор, как Гейм и Новоселов в домашних условиях, манипулируя простым скотчем, впервые получили графен.

Исследователи по-прежнему широко применяют метод, предложенный российскими учеными. Взяв обычную клейкую ленту, они прижимали ее к графиту, а затем быстро, рывком, отдирали. На ней оставались частицы графита. Потом ту же ленту наклеивали на кремниевую подложку и снова отрывали ее. Графит оседал на поверхность подложки, в том числе в виде тончайших пленок. Повторив эту процедуру несколько раз, можно получить, наконец, слой графена необходимой толщины.

Для этого метода нужны лишь терпение и аккуратность. Качество полученного графена — несмотря на всю простоту работы — очень высокое. Когда графен получают, используя другие, менее «примитивные» технологии, в его кристаллической решетке неизменно обнаруживают множество дефектов. Однако для промышленного производства эта возня с лентами и подложками неприемлема. Так графен добывают буквально «щепотками», а мы мечтаем о массовом выпуске графеновых смартфонов, и прочее, и прочее.

Гейм и Новоселов поочередно отделяли слои графита механическим путем, но расслоить его можно и химически. Ведь при определенных реакциях атомы некоторых веществ внедряются между слоями углерода и отделяют один слой от другого. Например, если для этой цели используют кислород, то первоначально образуется слой оксида графена. Позднее, опять же химическим путем, можно выделить из этого оксида непосредственно графен. Так, еще в 2008 году Калифорнийский институт наносистем сообщил о разработке «метода массового производства графена», который основан на редукции оксида графена в жидком гидразине.

Графен можно получать также путем пиролиза оксида графита. При быстром нагревании этого материала до температуры 600 — 1000°С его слоистая структура буквально взрывается, газообразная составляющая улетучивается, а в оставшемся веществе образуется новая — гексагональная — структура.

Подобные технологии роднит одно — они ведут от сложного к простому, от общего к частному. Но можно пойти и обратным путем. Можно напылять на подложку молекулы углерода. Там они будут соединяться друг с другом, образуя графен. Преимущество этого метода — от единичного к целому — в том, что можно целенаправленно влиять на характеристики слоя графена.

Уже сейчас подобным способом удается получать графеновые пленки шириной до 70 сантиметров. Эта технология вполне годится для того, чтобы со временем наладить промышленное производство, например, тех же графеновых смартфонов.

Главная проблема здесь в одном — в подложке. Напылять частицы графена на металлические пластины не так уж и сложно, но мы ведь собираемся применять графен иначе — в виде графеновых пленок или покрытий, наносимых на пластик и стекло. Сегодняшний уровень развития техники не позволяет начать массовый выпуск такой продукции. Ученым и изобретателям предстоит еще многое сделать для того, чтобы графен вошел в наш обиход так же естественно, как дерево и стекло, металл и камень.

Еще недавно, в век химии, зародыши новых материалов выкристаллизовывались на дне пробирок, рождались в результате реакций синтеза — теперь новый «чудо-материал» открыли для нас физики. Один из них, ирландский ученый Джонатан Коулман, предложил весной этого года очень неожиданный и до смешного простой способ получения графена в больших количествах… с помощью обычного бытового прибора — миксера.

Для производства «ирландского графена» нужны порошковый графит, вода и немного растворителя (или даже средства для мытья посуды). Если включить миксер в определенном режиме, загрузить в него компоненты в необходимых пропорциях, то…

Пропорции таковы (раскрываем нашу «Поваренную книгу графениста»): на пол-литра воды берем от 20 до 50 граммов порошкового графита и добавляем от 10 до 25 миллилитров моющего средства. Включим миксер на 10-30 минут. За это время зерна графита распадаются на отдельные слои графена (в мыльной, вспененной жидкости этот процесс протекает быстрее).

В результате мы получаем суспензию (взвесь) из тончайших графеновых хлопьев. Теперь их можно наносить на подложку, словно лак, или добавлять в пластмассу в качестве присадки, упрочняющей материал. Эксперименты подтвердили, что «графен из миксера» идеально подходит, например, для производства сенсоров. Получать его можно тоннами, подчеркивает Коулман.

Миксер можно заменить лабораторным оборудованием, лабораторное -фабричным. Эта идея интересна
именно тем, что в перспективе можно наладить производство графена в любом количестве и без дефектов, сообщает журнал Nature Materials. Новая технология приближает нас к тому времени, когда графен, который мы мечтательно зовем «материалом XXI века», широко войдет в наш быт.

И последнее. Сейчас графен, фактически открытый для промышленности российскими учеными, живущими на Западе, является самым важным материалом нанотехнологии. Помнится, что несколько лет назад руководители «Роснано» клятвенно обещали, что к 2015 году Россия завоюет не менее 4 процентов мирового рынка нанотехнологий. Через три месяца это должно произойти. Вы в это верите? Во всем, что, опять виноват Чубайс?

 

Графен для мозга?

Графен может перевернуть наши представления не только о технике, но и о медицине, считают ученые. В приложении к «Заметкам обозревателя» мы помещаем фрагменты интервью с Хосе Антонио Гарридо.

На протяжении нескольких лет он изучает перспективы использования графена в биосенсорике. В настоящее время возглавляемая им группа исследователей из Германии, Франции и Швейцарии, созданная при Мюнхенском техническом университете, разрабатывает имплантаты для головного мозга на основе графена.

- Вот уже несколько лет все только восторженно и говорят о том, что графен, этот слой углерода толщиной в один атом, заменит кремний в компьютерных микросхемах. Однако обещанная революция пока не состоялась.

Хосе Гарридо: Верно. Была определенная эйфория, особенно среди электронщиков. Однако нас интересует совсем другая возможность использования графена, а именно: применение его в нейропротезах и имплантатах головного мозга. Мы занимаемся в том числе имплантатами сетчатки глаза, которые будут стимулировать клетки сетчатки в зависимости от попадающего в них света таким образом, чтобы к слепым пациентам хотя бы частично вернулось зрение. Другой вариант применения наших протезов — это управление искусственными руками или ногами с помощью сигналов, передаваемых головным мозгом, причем снимать эти сигналы нужно будет непосредственно с коры мозга

- В нейропротезах, которые уже успели себя успешно зарекомендовать, как правило, используется кремний. Почему вы делаете ставку на графен?

Хосе Гарридо: Материалы подобных протезов должны быть стабильны в химическом отношении. Или, выражаясь яснее: если мы внедрим эти материалы в ту или иную ткань организма, нельзя, чтобы они со временем растворились в ней. А надо, чтобы они хорошо контактировали с этой тканью и при этом отвечали всем требованиям, которые мы обычно предъявляем к биосенсорам. Графен идеально соответствует этим условиям; он значительно превосходит по своим характеристикам любые другие материалы, которые мы могли бы использовать вместо него.

- Толщина графеновой пленки составляет всего один атом. Насколько это важно?

Хосе Гарридо: Как показывает опыт, у пациентов быстро возникают проблемы с жесткими имплантатами из кремния или металла потому, что они вызывают повреждения соседних тканей, или потому, что организм человека начинает их атаковать. Кроме того, невозможно добиться, чтобы клетки организма идеально контактировали с этими имплантатами. Наоборот, протезы из тончайших слоев графена лучше приспосабливаются к человеческому организму. При этом важную роль играют те самые качества, за которые графен так ценят компьютерщики. Благодаря сотовой структуре этого материала свободные электроны необычайно быстро перемещаются между атомами углерода. Поэтому материал очень чувствителен к любым изменениям, которые происходят в окружающей его среде; он моментально реагирует на них.

- Итак, графеновый транзистор мог бы считывать сигналы, возникающие в моторных центрах коры головного мозга. Но с имплантатом сетчатки или слуховым протезом ведь все наоборот, они должны реагировать на внешние раздражители.

Хосе Гарридо: Правильно. Поэтому мы сосредоточили свое внимание пока лишь на стимуляции клеток, то есть их возбуждении в зависимости от получаемых ими сигналов. Не вижу причин, по которым мы не могли бы использовать для этого графен. Мы надеемся сконструировать на его основе интерфейс, который будет занимать минимум места и выполнять обе задачи: стимулировать клетки организма и контролировать результат. Ведь если обратной связи не будет, значит, нам придется посылать импульсы в клетки организма буквально «вслепую». Понятно, что эффективность протеза в таком случае окажется невысока.

- Будет ли разрабатываемый вами имплантат мозга состоять только из графена или же нет ?

Хосе Гарридо: Нет, ведь ему придется выполнять и другие задачи. Например, у него должна быть система электропитания, а для нее лучше использовать традиционные материалы, например, тончайшие металлические проводки. Все расчеты — как, когда и что стимулировать? — будет осуществлять внешний компьютер. Наконец, мы разрабатываем специальные пластиковые системы крепления, которые будут фиксировать графен. Так что, графен для нас — это последнее звено в цепи. Графеновый элемент должен находиться там, где ткань тела соприкасается с протезом, там, где нужно добиться наилучшего контакта между электроникой и организмом.

- До сих пор вы тестировали ваши транзисторы на клетках, извлеченных из организма млекопитающих. Когда состоятся первые испытания на живых организмах?

Хосе Гарридо: В проводимых сейчас экспериментах мы проверяем совместимость используемых материалов с живыми тканями. Пока речь идет только о материалах — не о самих протезах. Затем нужно будет проверить, насколько совместимы с живыми тканями работающие протезы. Лишь через пару лет, если все эти проверки пройдут успешно, мы приступим к первым клиническим испытаниям этих протезов на людях.