Юный техник, 2015 № 10

ВЕСТИ ИЗ ЛАБОРАТОРИЙ Вещество, которое изменит мир

Углерод — один из самых распространенных химических элементов на Земле — до недавних пор был известен в 3 модификациях — уголь, графит и алмаз. Ныне обнаружено, что в природе существует еще и 4-я модификация — графен.

Он представляет собой углеродную пленку толщиной в 1 атом, кристаллическая решетка которой имеет форму сетки из шестиугольников. Получают графен из природного графита, который добывается в шахтах и карьерах и из которого делают, например, простые карандаши. Возможен также синтез этого вещества. В итоге получают прозрачную, чрезвычайно тонкую, очень легкую (0,77 мг/см³), водонепроницаемую, эластичную, гибкую и одновременно удивительно прочную пленку.

По словам нобелевского лауреата Константина Новоселова, «графеновая лихорадка» началась во многом потому, что поразительное разнообразие свойств графена обеспечивает многочисленные возможности его промышленного использования. «На самом деле, возможности практически безграничны, — уверяет К. Новоселов. — А потому и область применения постоянно расширяется»…

Вот лишь некоторые примеры. Графен является лучшим проводником электричества из когда-либо известных. Жесткие диски из графена имеют возможность хранения данных в 1 000 раз большего объема, чем современные. Гибкие графеновые полупроводники, которые можно свернуть и сложить, лягут в основу самых разных устройств со сверхтонкими экранами. Камеры ночного видения с графеновыми сенсорами позволят осуществлять фото- и видеосъемку без источников света. Пригодится графен и в аккумуляторных батареях и ультраконденсаторах длительного срока действия для мобильных телефонов, компьютеров и электромобилей, а также для сверхбыстрых телекоммуникационных сетей.

Более того, графен представляет собой идеальную основу для создания новых материалов «под заказ» в зависимости от конкретных нужд. Эльза Прада, научный сотрудник Мадридского института материаловедения Высшего совета по научным исследованиям Испании CSIC, работавшая вместе с К. Новоселовым, указала, в частности, на флюорографен. Так называется двумерный аналог тефлона, имеющий исключительные смазывающие и изолирующие свойства. А гексагональный нитрит бора (прозрачный кристаллический изоляционный материал высокой твердости) в комбинации с графеном улучшает свои электромеханические свойства…

Группе ученых из Чжэцзянского университета (Китай) под руководством профессора Гао Чао удалось создать самое легкое на сегодняшний день вещество (плотностью всего 0,16 мг/см³). Этот ультралегкий гель получен на основе углеродных нанотрубок, вода из которых была извлечена путем сухого замораживания, и пленок оксида графена, из которого затем был извлечен кислород. Среди возможностей применения аэрогеля отмечают его перспективное использование в качестве мощного абсорбента, например, при очищении акваторий от разлившейся нефти.

Ученые также изучают возможности использования графена в процессе опреснения воды — для удаления соли из морской или солоноватой воды. Так, сотрудникам компании Lockheed Martin удалось таким образом просверлить пленку графена толщиной в 1 атом, что получились отверстия, достаточно большие, чтобы пропустить молекулы воды, и достаточно маленькие, чтобы удержать молекулы соли. При этом образовавшаяся мембрана обладает высокой производительностью.

Гибкий графеновый полупроводник можно свернуть и сложить

Транзистор, основанный на вертикальной графеновой гетероструктуре (Манчестерский университет).

Опреснение воды по технологии компании Lockheed Martin.

Между тем еще одной замечательной характеристикой графена является непроницаемость. «Ученые по всему миру работают над различными возможностями применения этого свойства, например, в производстве водонепроницаемых тканей для водолазных и космических скафандров», — говорит профессор Политехнического университета Валенсии Франсиско Касес.

Испанские ученые из Химико-физического института в Мадриде и Института фотонных наук в Барселоне также открыли способность графена полностью поглощать световые волны разной длины. Это свойство графена позволяет, в частности, создавать сенсоры инфракрасного излучения, фотоаппараты, солнечные панели.

В настоящее время матрицы цифровых компактных фотоаппаратов не позволяют получать детальные изображения при недостаточном освещении. Группа ученых из Наньянского технологического университета в Сингапуре под руководством профессора Ван Цицзе создала фотосенсор из чистого графена, который в недалеком будущем позволит получать четкие изображения даже в темноте без фотовспышки.

Все дело в том, что новый сенсор почти в 1 000 раз более чувствителен как к видимому свету, так и к ИК-излучению, чем современные. Причем производители должны будут лишь заменить используемые сегодня матрицы на графеновые, не внося никаких других изменений в производственный процесс. По мнению авторов открытия, графеновые сенсоры также позволят снизить стоимость фотоаппаратов, которые к тому же будут потреблять в 10 раз меньше энергии.

Солнечный парус из графена

Исследователи из Нанькайского университета (Китай) обнаружили, что при воздействии на графен лазерным лучом материал начинает перемещаться. Движется он и под действием солнечных лучей. По мнению ученых, это происходит потому, что при поглощении световой энергии графен испускает электроны, которые силой отдачи заставляют его двигаться в направлении, противоположном источнику света. Пока остается загадкой, почему электроны осуществляют движение в строго определенном направлении. Тем не менее, это свойство графена может оказаться полезным при разработке перспективных космических парусников, которые смогут передвигаться, используя лишь энергию солнечного света.

Ученые Манчестерского университета подтвердили способность графена «самовосстанавливаться». При повреждении кристаллической решетки атомы графена притягивают к себе свободные атомы углерода, заполняя по мере необходимости образовавшиеся «дыры».

Графеновый «ламинат».

Полагают, что в скором будущем графен станут получать рулонами, словно обои.

До сих пор практическое применение графена осложняется отсутствием технологии его массового производства. Однако, похоже, теперь и эта проблема может быть решена при помощи технологии, разработанной специалистами из Национальной лаборатории Ок-Ридж.

Группа исследователей, возглавляемая Иваном Власюком, при помощи модернизированной ими технологии осаждения из паровой фазы изготовила «ламинат» на основе специального полимерного материала, верхним покрытием которого служат листы графена. Кроме того, аналогичная технология позволила получить на поверхности полимера не только квадратные листы, но и достаточно длинные графеновые ленты и тонкие волокна. Причем количество дефектов тонкой пленки, производимой при помощи нового процесса, в 50 раз меньше, чем при использовании других технологий.

Еще одну перспективную технологию производства графена предложила группа испанских ученых из Национального института угля. Исследователям удалось получить графен из кокса — продукта каменного угля и нефти. Новая технология уже запатентована и позволяет надеяться, что в скором будущем графен станет довольно-таки распространенным и дешевым материалом.

С. НИКОЛАЕВ