Графен: что это такое, где применяется и как получить материал, который изменит будущее

• Графен: что это
• Области применения
• Кто открыл графен
• Что делает его уникальным
• Как получить графен
• Проблемы и перспективы

Графен: что это

Графен — одноатомный слой углерода, организованный в двумерную гексагональную решетку. Простыми словами, это супертонкий материал, соединенных в виде формы пчелиной соты.

Еще графен — базовый структурный элемент графита, того самого, из которого сделаны карандашные стержни. Однако в отличие от графита, он существует в виде плоского листа толщиной в один атом. То есть это первый двумерный материал, обнаруженный в природе.

Области применения

От спортивных кроссовок до космических кораблей: вот как этот «чудо-материал» меняет реальность.

Электроника и нанотехнологии

Графен может стать основой посткремниевой эры. Его высокая проводимость и миниатюрность открывают путь к созданию сверхбыстрых транзисторов, гибкой электроники и прозрачных сенсорных экранов. Например, компания Samsung анонсировала графеновые аккумуляторы, заряжающиеся примерно за 15 минут. Пока эта технология находится в разработке.

В смартфонах будущего экраны не разобьются при падении, а батареи будут заряжаться за считанные минуты — и все благодаря графену. Его уже тестируют в гибких дисплеях, которые можно свернуть в рулон, и в процессорах, где электроны мчатся без сопротивления.

Датчики на основе графена в умных часах улавливают пульс точнее, а в телефонах — делают фото четче даже в темноте.

Энергетика

В солнечных панелях графен повышает эффективность преобразования света, а в аккумуляторах увеличивает емкость и скорость заряда. Представьте панели, тонкие как пленка, которые можно наклеить на окно — а они работают даже в облачную погоду.

Ученые из Массачусетского технологического института, Сколтеха и Университета Аалто в Хельсинки разработали графеновые суперконденсаторы, способные хранить энергию в разы дольше традиционных батарей.

Медицина

Свойства графена позволяет использовать его для доставки лекарств, создания имплантатов и диагностики.

Графеновые датчики размером с молекулу могут следить за уровнем сахара в крови без прокола пальца. Имплантаты из графена, гибкие и биосовместимые, способны «обмануть» иммунитет — их тестируют для восстановления нервов. Даже антибактериальные повязки с графеном уже заживляют раны быстрее, убивая инфекцию без лекарств.

Исследования Университета Манчестера показали, что графеновые мембраны могут эффективно фильтровать воду, удаляя даже соли тяжелых металлов. А ученые из МГУ недавно представили свои разработки: для улучшения свойств наномембраны они добавили в материал оксид графена.

Композитные материалы

Добавление графена в пластик, металл или бетон усиливает их прочность, легкость и устойчивость к коррозии.

Например, автомобильные компании тестируют графеновые кузовы для снижения веса машин и расхода топлива.

Космические технологии

Сверхлегкие и прочные графеновые материалы идеальны для космических аппаратов.

Кто открыл графен

В 2004 году Андрей Гейм и Константин Новоселов совершили открытие, похожее на магический фокус. Экспериментируя с графитом, они приклеили к нему кусочек скотча. Отрывая липкую ленту, забирали тончайшие слои графита. Повторяя этот процесс снова и снова, исследователи впервые в истории выделили материал толщиной в один атом.

Казалось бы, что особенного в чешуйке углерода? Но открытие оказалось невероятным. Структура вещества, напоминающая проволочную сетку из шестиугольников, сочетает парадоксальные свойства:

• прочнее алмаза,
• прозрачнее стекла,
• гибкий как пластик,
• проводит ток лучше серебра.

До этого ученые считали, что такие материалы не могут существовать в реальности — их описывали лишь в теориях.

Открытие стало прорывом. В 2010 году дуэт получил Нобелевскую премию по физике, а графен назвали «материалом будущего», способным перевернуть прикладные сферы жизни.

Что делает его уникальным

Если бы материалы могли быть супергероями, графен занял бы почетное место в рейтинге. Невероятно тонкий, он напоминает невидимый плащ с суперспособностями, о которых раньше можно было только фантазировать.

Вот что делает его таким особенным:

• Прочность и гибкость. Графен в 200 раз прочнее стали, при этом обладает исключительной гибкостью. Его можно растянуть на 20% без повреждений — недостижимо для большинства материалов.

• Электропроводность. Электроны в графене движутся со скоростью, близкой к скорости света, что делает его идеальным проводником. Это свойство превосходит медь и кремний.
• Теплопроводность. Отводит тепло лучше любого металла. Эта особенность может спасти гаджеты от перегрева: для наглядности достаточно представить ноутбук, который никогда не тормозит из-за высокой температуры.
• Прозрачность. Поглощая всего 2,3% света, графен почти прозрачен, что особенно актуально для дисплеев и солнечных панелей.
• Химическая стабильность. Устойчив к агрессивным средам — это расширяет сферы применения.

Получается, графен — универсальный материал, способный заменить традиционные вещества в разных областях.

Как получить графен

Производство — сложная задача, которая требует баланса между качеством, стоимостью и масштабом. Есть несколько основных методов: у каждого свои преимущества и ограничения, а выбор зависит от требуемых свойств и области применения.

Механическое отслаивание

Он же «метод скотча» — первоначальный способ, использованный Геймом и Новоселовым. Остается эталоном для получения высококачественного графена.

Графит обрабатывают липкой лентой, постепенно отделяя слои до одноатомной толщины.

Несмотря на простоту, метод непрактичен для массового производства из-за низкого выхода.

Химическое осаждение из газовой фазы (CVD)

Наиболее перспективный промышленный метод. Углеродсодержащие газы (например, метан) подаются на металлическую подложку из меди или никеля, где при высоких температурах происходит распад молекул и образование графена.

CVD позволяет создавать большие листы материала, пригодные для электроники.

Главные минусы способа: высокая стоимость и энергозатратность.

Химическое окисление и восстановление графита

Графит обрабатывают кислотами и окислителями, превращая в оксид графита. Затем его подвергают термическому или химическому восстановлению.

Полученный материал дешев, но содержит дефекты, снижающие его свойства.

Это не экологичный способ: в работе используют серную кислоту и перманганат калия.

Электрохимическое расслоение

Графит помещают в электролит, и под действием тока происходит его расслоение.

Метод экологичнее химического окисления и позволяет контролировать качество.

Из недостатков: трудности с очисткой готового сырья и непредсказуемый размер хлопьев.

Технологии быстро и уверенно шагают вперед. Держите руку на пульсе: пользуйтесь современными гаджетами. Новые модели ноутбуков и телефонов — это прежде всего удобство и помощь в работе, учебе и общении. Оформляйте дебетовую карту Совкомбанка, чтобы получить кешбэк до 30% на выбранные категории — так шопинг будет еще выгоднее.

Проблемы и перспективы

Несмотря на потенциал, графен сталкивается с вызовами. Массовое производство остается дорогим: стоимость одного грамма высококачественного материала может достигать нескольких тысяч долларов. 

Кроме того, методы вроде CVD требуют сложного оборудования, а дешевые аналоги материала страдают от неоднородности структуры.

Экологические аспекты также вызывают вопросы. Некоторые химические методы производства связаны с токсичными отходами — а это противоречит концепции устойчивого развития. Ученые ищут «зеленые» альтернативы, например, использование растительного сырья для синтеза.

Графен не просто улучшает существующие технологии — он создает новые возможности. Его способность объединять несовместимые ранее свойства — прочность и гибкость, прозрачность и проводимость, делает его универсальным инструментом для инженеров и ученых.

Однако он все еще остается технологией, которая больше обещает, чем реализует. Сейчас графен находится на переходном этапе: от лабораторных экспериментов к коммерциализации. Надеемся, что уже в ближайшее десятилетие мы увидим его в умной одежде с сенсорами, в сверхъемких батареях для электромобилей, в имплантатах, отслеживающих здоровье в реальном времени.

Успех зависит от преодоления технических и экономических барьеров. Как и в случае с пластиком или кремнием, потребуются годы, чтобы графен стал частью повседневной жизни.