Что такое графен: способ получения, свойства и применение.
Еще в 2010 году. Но несмотря на то, что графен уже используется в некоторых устройствах, пока он не так сильно изменил нашу жизнь, как многие ожидали. О том, почему это так и какие новые двумерные материалы появились вслед за графеном, N+1 вместе с коллегами из «Известий», РИА Новости и «Популярной механики» побеседовал на 60-й научной конференции МФТИ с выпускником Физтеха нобелевским лауреатом Константином Новоселовым.
Графен в повседневной жизни
N+1: Константин Сергеевич, графен
был открыт уже довольно давно,
и вы говорили, что сейчас можно
купить устройства, в которых он
используется. Действительно ли сейчас
уже есть такие устройства?
Такие технологии действительно есть, но они входят в нашу жизнь постепенно . Мы считаем, что графен является уникальным материалом, но он более-менее повторяет путь всех других материалов, особенно углеродных. Так же 50 лет назад происходило с углеродными волокнами. Сначала их использовали в спортивном инвентаре и в машинах. И у графена первое применение было в композитных материалах. А сейчас графен все больше используется для решения проблемы теплоотвода - одной из серьезных проблем современной микроэлектроники. Например, в батарейках графен используется для теплоотвода и для улучшения механических свойств.
Постепенно графен начинает
использоваться для все более и более
технологических приложений. Сейчас
вы можете купить телефон или часы
с тач-падом из графена. У меня
есть несколько. Я купил их в частном
порядке, в магазине, никто не подарил.
Одна из наших компаний работает
в области печатной электроники:
мы печатаем RFID
метки
. А бывшая Nokia пытается
развивать оптические камеры для
инфракрасного диапазона на основе
графена.
N+1: Насколько дешевы сейчас графеновые технологии?
Все зависит от приложения. Сенсорные панели, наверно, проигрывают по цене материалам на основе оксида индия и олова (ITO - indium tin oxide). А RFID-метки - наоборот, очень дешевые по сравнению с медными или алюминиевыми.
Константин Новоселов
Евгений Пелевин / Пресс-служба МФТИ
РИА: В научной фантастике часто рассказывают про броню из графена, солнечные паруса из графена, какие-то строительные конструкции. Можно ли будет создавать в будущем конструкции из графена площадью хотя бы с телевизор?Они есть, их уже делают.
РИА: А более масштабные?
И такие, наверно, делают. Но пленку размером с один телевизор легко сделать.
РИА: Даже в промышленных условиях?
Да, вы можете купить лист графена размером метр на метр, принципиальных проблем здесь нет. Это вопрос рынка: есть ли на это спрос.
Одна из компаний, работающих с LG, пытается использовать графен в качестве барьера для влаги. Сейчас с помощью технологии непрерывного роста они могут получать непрерывную графеновую ленту шириной 20 сантиметров. При такой технологии образующуюся ленту просто подрезают на выходе. Следующая их цель - сделать ленту шириной полметра.
РИА: Пять лет назад вы опубликовали одну из первых статей, посвященных графеновым транзисторам. Удалось ли вам создать «чистый» графеновый транзистор без добавлений каких-то примесей, или это пока нельзя реализовать?
Графеновые транзисторы существуют, но из-за того, что у графена нет запрещенной зоны, они работают не так хорошо. Поэтому мы попытались придумать, как этой проблемы избежать. Для этого мы сделали гетероструктурные транзисторы. Я думаю, что полупроводниковая промышленность заинтересована в подобных материалах, но будут ли именно они использоваться или нет - я не знаю, поскольку эта технология слишком сильно отличается от той, которая используется в традиционных транзисторах.
С другой стороны, мы опубликовали нашу статью, а буквально через полгода Samsung опубликовал в том же журнале статью об очень похожем транзисторе. Но он был на порядок проще, чем наш туннельный транзистор. Наши устройства без графена работать не будут, а с графеном они работают, и их можно сделать, но вопрос, готова ли технология к тому, чтобы это использовать.
ПМ: Из всех этих применений, которые появились за все эти годы, какое применение было на ваш взгляд самым странным (вот недавно, например, из оксида графена фильтр для виски), а какое - таким, о котором вы подумали: черт, жаль, что это сделали не мы?
Вообще у графена применений много, но пока не все они интересны. В данный момент все пытаются просто заменить другой материал графеном. Получается чуть-чуть лучше, но и только. Гораздо интереснее было бы создавать принципиально новые приборы, используя всю комбинацию уникальных свойств графена. Мы сделали, например, контактные линзы, которые могут менять фокус. Для этого нам нужен прозрачный, проводящий, гибкий и прочный материал. И это именно графен, другого такого материала нет. Поэтому мы пытаемся искать для графена такие применения, которые без него в принципе были бы невозможны. Очень легко взять графен и засунуть вместо чего-то другого, а вот придумать ему новое применение не так просто.
«Известия»: А эта технология с линзами уже выходит на промышленное производство или еще нет?
Нет, далеко еще не выходит, этим нужно заниматься. Мы все-таки ученые, мы можем показать, продемонстрировать, что это возможно. А дальше кто-то должен развивать эти технологии. Развитие технологий - это так же сложно и так же долго, как и исследования в лаборатории, если не дольше.
«Известия»: Во время своего выступления на конференции вы говорили про применение графена для военной авиации и создания стелс-технологий. Такие технологии тоже уже существуют ?
Активно над такими технологиями работают китайцы. В Китае есть институт Beijing Institute of Aeronautical Materials, который занимается всеми материалами для китайской авиации. Я с ними общаюсь, но они далеко не все мне рассказывают. Они, в частности, наши материалы проверяют на возможность использования для стелс-технологий, но при этом проверяют и свои материалы и не всегда рассказывают нам что лучше. У них есть очень хорошие разработки по сверхсплавам, которые они используют для лопаток турбин. В одну часть турбины ставятся титановые сплавы, в другую - суперсплавы. Добавление графена сильно улучшает характеристики таких сплавов. В Китае ходят слухи, что какие-то самолеты уже с ним летают. Я не знаю. Но то, что они туда добавляют графен, и свойства меняются в лучшую сторону, это правда - мы участвовали в тестировании.
Графен против нанотрубок
Графен является не единственной низкоразмерной модификацией углерода. Кроме него, существуют углеродные нанотрубки, в которых графеновый слой свернут в однослойную или многослойную трубку, фуллерены - молекулы, в которых атомы углерода располагаются по вершинам усеченного икосаэдра, - или более необычные пентаграфен или фаграфен. Подробнее о самых интересных формах углерода вы можете прочитать в нашем .
ПМ: Вы, наверняка, знаете про компанию «Оксиал» в Новосибирске, которая делает одностенные нанотрубки в каких-то огромных количествах. На своем сайте они предлагают купить сто грамм нанотрубок примерно за 50 тысяч рублей. То есть их уже научились производить довольно много и довольно дешево.Я не уверен, что это дешево.
ПМ: По крайней мере, более-менее доступно. Вы можете объяснить читателям, чем отличается графен от углеродных нанотрубок с точки зрения их возможного применения?
Нанотрубка - это свернутый в трубку графен. Это одномерный объект, а графен - двумерный. В зависимости от применения, вам лучше использовать либо одно, либо другое. Например, если нужно сделать транзистор, то по современной технологии надо сначала получить сплошную поверхность, и потом из нее вырезать транзистор. С нанотрубками это сделать гораздо сложнее.
Структура одностенной углеродной нанотрубки
Wikimedia commons
ПМ: А можно ли сделать те же RFID метки не на графене, а на нанотрубках?Я думаю, что это было бы гораздо дороже. И я не уверен, что оно бы так же хорошо работало. Потому что для этих меток очень важно получить низкое сопротивление. Я думаю, что с использованием графена это получается лучше. Наверное, это в принципе возможно, но будет дороже и хуже.
ПМ: Есть такая мечта (кажется, об этом говорил Обама), что очень хочется получить краску, которой можно было бы покрасить, например, дом и превратить его таким образом в солнечную батарейку.
Да, такими проектами мы как раз занимаемся.
ПМ: И что мешает создать реальную технологию?
В лаборатории это уже существует, но от лаборатории до реальных технологий нужно очень-очень долго идти. Встают вопросы цены, технологичности их нанесения и эффективности. И на каждый из этих сложных технологических вопросов нужно поставить по 10 человек, чтобы они помогали решать их в течение 2-3 лет. Давайте я вам вопрос задам. Вы представляете себе компьютер? Там есть микропроцессор. Эти микропроцессоры делаются из кремния на заводах. Представьте: на заводы приходит тоненькая пластина, там стоят разные станки, на которых выполняются разные операции. Как вы думаете, за какое время из пустой пластины будет сделан микропроцессор?
РИА: Сутки? Месяц?
Три месяца. От одного до трех месяцев. Это только для того, чтобы сделать один микропроцессор. А эту технологию еще нужно отточить, и каждый эксперимент занимает три месяца. Так что разработка технологии - это очень сложный процесс. А люди этого не понимают. Для людей современная технология - это добавить кнопку в Фейсбуке. Я ничего плохого не могу сказать про big data, но все-таки нужно понимать, что такие технологии за один день не рождаются. Это годы упорного труда.
ПМ: А вы уверены, что такие краски, если они появятся, будут именно на графене, а не на нанотрубках, например?
Они конечно, появятся, но на чем они будут работать - не знаю. Я сегодня говорил, что мы создали Институт графена, но исследовать в нем только графен - неправильно. Нам нужно двигаться куда-то дальше. Разумеется, я надеюсь, что в своей жизни смогу придумать еще какой-то материал, который будет более интересен, чем графен. Но, если честно, это вряд ли произойдет. Графен - это только шестиугольники из углерода, проще некуда. Как правило, что-то простое всегда работает. Но надежда всегда есть. Поэтому я не знаю, будут ли, например, краски сделаны из графена или из чего-то еще. Мы чему-то научились с этим материалом, графен открыл дорогу многим другим двумерным материалам. И сейчас мы в основном сфокусированы на других двумерных материалах.
Двумерные материалы
Сейчас ученые могут получать двумерные кристаллы, которые по своим электронным свойствам от графена сильно отличаются. Это могут быть полупроводники, сверхпроводники, изоляторы или ферромагнетики. Например, нитрид бора, ближайший структурный аналог графена, является изолятором. А полупроводниковые двумерные кристаллы обычно получают из халькогенидов переходных металлов (в основном, это сульфиды и селениды вольфрама и молибдена). Наиболее популярным среди них сейчас является сульфид молибдена, но существует и большое количество других соединений с разной шириной запрещенной зоны. Большая часть из них работает в ультра-фиолетовой области, поэтому наиболее перспективным материалом для будущих телекоммуникационных технологий считаются материалы на основе двумерного теллурида молибдена, который работает в той же области длин волн, что и кремниевая электроника.
ПМ: Вы можете назвать три главных конкурента графена среди этих двумерных материалов?Они все разные, и они не конкуренты, они друг друга дополняют. Например, для солнечной батареи вам нужен материал, который хорошо поглощает солнечный свет. Графен все-таки не такой, он прозрачный. Поэтому для этого мы используем те материалы, которые хорошо поглощают солнечный свет, например, дисульфид молибдена. Я рассказывал про относительно новый материал теллурид молибдена, который мы хотим использовать в кремниевой фотонике. Такие работы уже есть, но пока это только экспериментальные работы. После них должен последовать рост в технологиях, а в технологии можно споткнуться и на ерунде. Вот, например, будет температура отличаться от нужной на 10 градусов. Чтобы получить нужный материал, нам нужно на 10 градусов больше, а на производстве - на 10 градусов меньше. И это никак не изменить.
Структура двумерного кристалла дисульфида молибдена
Wikimedia commons
РИА: Почему-то дисульфид молибдена в прессе встречается достаточно редко и не приобрел такой статус, как графен. Хотя по многим параметрам он его .Просто графен - это все-таки уникальный материал. Он очень простой, и при этом обладает набором уникальных свойств. В случае графена с помощью очень простой модели можно получить очень красивый результат. Но как такой результат будет потом использоваться в применениях, я не знаю. Но то, что в графене очень симпатичная физика - это доказано.
РИА: В дисульфиде молибдена, получается, менее симпатичная?
Нет, там тоже есть очень красивые эксперименты, но они немножко более сложные. Например, недавно там был очень красивый эксперимент по контролированию квантового состояния экситона. Там тоже можно много чего сделать. Но это немного сложнее и менее интуитивно понятно, поэтому широкая публика об этом мало что знает.
N+1: А можно ли как-то предсказать, какой именно двумерный материал будет обладать какими-то интересными свойствами? И связаны ли свойства этого двумерного материала со свойствами трехмерного кристалла?
Они часто связаны, но определенные отличия есть. Свойства можно пытаться предсказать, но вопрос, насколько эти предсказания будут точны. Сейчас есть много проектов (по-английски это называется «material genomics»), в которых люди с помощью расчетов смотрят на какие-то материалы и пытаются предсказать их свойства. Сейчас уже существует довольно большое количество материалов, которые можно получить. И исследовать их все экспериментально очень сложно. Поэтому мы очень сильно стараемся развить теорию.
N+1: То есть какой-то однозначной связи между свойствами трехмерного кристалла и одноатомной пленки нет?
Она есть, и до какой-то степени свойства двумерных кристаллов можно предсказать, но не на сто процентов.
«Известия»: И как вы сужаете круг «подозреваемых»? Чисто теоретически? Используете ли вы какие-то алгоритмы ?
Я этим не занимаюсь, но есть люди, которые этим занимаются, и я читаю их статьи. Я думаю: «А вот здорово было бы исследовать, например, двумерные ферромагнетики. Давайте поищем, что сейчас существует, и сделаем». То есть, теоретики предсказывают, а мы выбираем из их предсказаний то, что нам интересно. Иногда мы сами выдумываем, что бы такого интересного попробовать, и пробуем более-менее наугад.
ПМ: Михаил Кацнельсон говорил, что за 50 лет теоретического изучения графена, когда самого графена еще не было, было получено теоретических знаний в 10 раз меньше, чем за пять лет после его получения. Возникает вопрос, а зачем тогда нужны физики-теоретики? Они предсказали, что графен не может существовать. Как вот вы, например, взаимодействуете с теоретиками ?
Взаимодействие экспериментаторов и теоретиков очень важно. Есть проекты, где лидируют теоретики, где они нам подсказывают эксперименты. Есть проекты, где я придумываю эксперимент, потому что мне кажется, что система должна вести себя определенным образом.
ПМ: Вы можете привести самый яркий пример вот такого эксперимента?
Это сложно. Практически все наши проекты проходят в коллаборации с теоретиками. Какие-то очень простые вычисления я и сам могу сделать, по каким-то мне приходится общаться с теоретиками, математиками. Например, проблема экситонов во всех новых двумерных материалах - довольно-таки сложная. Чтобы рассчитать все возможные переходы, мы общаемся с теоретиками.
N+1: А все эти двумерные кристаллы - это обязательно одноатомные пленки? Или это может быть двухатомный или трехатомный слой? В какой момент у такого материала теряются его уникальные двумерные свойства, и графен становится графитом?
Это всегда вопрос. Один слой ведет себя совершено не так, как два. По электронной структуре это очень здорово . А два слоя ведут себя не так, как три. При этом три слоя можно еще и составить по-разному. Можно вот так, а можно вот так (показывает на пальцах разные ориентации одного слоя относительно другого - прим. N+1) . И они себя тоже ведут по-разному. Это сложно сказать, и я не уверен, что есть смысл проводить такую градацию. В зависимости от применения иногда нужно иметь один слой, иногда два, иногда три, иногда пять. Это зависит от конкретного приложения.
Многослойные пироги
Объединив несколько одноатомных слоев разного состава в многослойные гетероструктуры, можно получить сложные функциональные устройства, состоящих из нескольких элементов, выполняющих разные функции: например, для кодирования, в качестве транзисторов или солнечных батарей. Чтобы получить такие сложные многослойные структуры, студентам из группы Константина Новоселова приходится атом за атомом с помощью вандерваальсовых пинцетов составлять нужный двумерный кристалл. В результате один слой нужного состава можно составить примерно за полдня, а на сборку некоторых сложных гетероструктур уходит до полутора недель.
Нужны атомарно плоские слои, а сила притяжения зависит от их химического состава. Между каким-то слоями взаимодействие лучше, между какими-то - хуже. Мы, в основном, работаем с таким, где сильное взаимодействие.
ПМ: А предсказать свойства
такого многослойного пирога - это
пока тяжелая задача?
Да, это всегда очень сложно понять. Эта система сама по себе очень сложная. Как нас учили на физтехе, всегда нужно найти малый параметр и им пренебречь. И нужно определить, каким именно параметром можно пренебречь в конкретном случае. Это наша задача, экспериментаторов. Мы пренебрегаем, и смотрим, получается ли в этом случае описать поведение системы. Если нет, то начинаем этот параметр учитывать. Это сложный итерационный процесс изучения новых материалов.
Александр Дубов
Графен - революционный материал 21 столетия. Это самый прочный, самый легкий и электропроводящий вариант углеродного соединения.
Графен был найден Константином Новоселовым и Андреем Геймом, работающими в Университете Манчестера, за что русские ученые были удостоены Нобелевской премии. На сегодняшний день на исследование свойств графена выделено около десяти миллиардов долларов на десять лет, и ходят слухи, что он может стать отличной заменой кремнию, особенно в полупроводниковой промышленности.
Однако двухмерная структура наподобие этого углеродсодержащего материала была предсказана и для других элементов Периодической системы химических элементов и весьма необычные свойства одного из таких веществ недавно удалось изучить. А называется это вещество «синий фосфор».
Выходцы из России, работающие в Британии, Константин Новоселов и Андрей Гейм создали графен – полупрозрачный слой углерода толщиной в один атом – в 2004 году. С этого момента практически сразу и повсюду мы стали слышать хвалебные оды о самых разных удивительных свойствах материала, обладающего потенциалом изменить наш мир и найти свое применение в самых разных сферах, начиная от производства квантовых компьютеров и заканчивая производством фильтрами для получения чистой питьевой воды. Прошло 15 лет, но мир под влиянием графена так и не изменился. Почему?
Слово "суперматериал" стало достаточно популярным в последнее время: керамический суперматериал, аэрогелевый суперматериал, эластомерный суперматериал. Но один суперматериал затмевает их всех, заработав своим изобретателям Нобелевскую премию, и определив предел научного ажиотажа и вдохновения. У него есть потенциал революционизации обработки информации, хранения энергии, и даже исследования космоса... но он пока ничего не достиг. Он называется графен, и это дедушка всех прорывов в области современного материаловедения. Графен обладает потенциалом одного из самых разрушительных одиночных изобретений всех времен - но почему?
Ученые говорили о графене большую часть последних ста лет, хоть и не всегда называя его этим именем. Идея была достаточно проста: а что если бы мы могли взять алмаз и нарезать его пластинками, толщиной в один атом? Это позволит сделать его так называемым двухмерным веществом, сделанным полностью из углерода, но обладающим такой гибкостью, которая никогда не будет доступна алмазу. У него не только невероятные физические свойства, которые вы можно получить от листового кристалла (он широко цитируется как самый прочный материал по отношению к весу), но он также обладает невероятно высокой электрической проводимостью. Учитывая атомарный размер, графен мог бы предоставить гораздо, гораздо более плотное расположение транзисторов в процессоре, например, и позволить индустрии электроники сделать огромные шаги вперед.
Исследования показали, что в то время, как нарезка алмаза может быть очень сложной, атомно-тонкий углерод крайне легко добывать в малых количествах. Кусочки графена даже получаются, когда школьники пишут чистым графитом на бумаге.
Однако, несмотря на некоторые храбрые попытки получить его на начальном уровне, пришлось ждать до 2004 года, когда, наконец, графен смогли создать достаточно быстро и большого размера, чтобы тот стал полезным. Техника основана на так называемом "снятии" слоев графена с образца при помощи "метода скотча", который заключается в приклеивании и срывании скотча с графита. С каждым отрыванием скотча, с графита снимается по несколько атомов. Английской команде впоследствии присудили Нобелевскую премию за выяснение того, как экономно создать субстанцию, которая, после премии, захватила все научно-исследовательские лаборатории.
Структура графена на молекулярном уровне.
Но волнение все еще сохранилось. Почему? Ну, потому что потенциал материала настолько велик, что его игнорировать просто невозможно.
Невероятные физические свойства графена практически умоляют применить его в разного рода сложных экспериментах. Если бы удалось из такого волокна соткать нить хотя бы в метр длиной, ученые полагают, ее прочность и гибкость были бы достаточно высоки, чтобы нить можно было бы использовать для лифта в космос. Этого кусочка хватило бы чтобы растянуть его от поверхности Земли до геостационарной орбиты. Эти научно-фантастические изобретения станут реальными если производство графена наладится на постоянной основе.
Графеновая вода, тест IBM.
Графен может быть революционным для самых разнообразных областей науки и техники. В биоинженерии ученые пытаются использовать невероятно малый размер графена, чтобы проникнуть в стенки клетки, вводя в нее молекулу, которую хотят ученые. Графен также может использоваться для создания ульра-тонких и анти-биотических водных фильтров для быстрой, простой фильтрации потенциально опасной питьевой воды. Он мог бы просто позволить строительство и дизайн при более маленьких масштабах, чем прежде, и совсем не удивительно, что дизайнеры и инженеры теряют голову, когда речь заходит об этом материале.
Однако, есть ограничения для практически идеальной полезности графена. Несмотря на его высокую проводимость, графен не обладает полезной маленькой "запрещенной зоной", которая нужна для многих приложений в мире электроники. Запрещенная зона вещества это разность потенциалов между проводящей и непроводящей полосой для электронов в этом веществе. А использование приложенного тока для движения электронов между этими состояниями является основой всех современных вычислительных систем. Без умения легко переключать графеновый транзистор между "вкл" и "выкл", регулируя протекающий через него ток, графеновый процессор будет первопроходцем-альтернативой стандартному цифровому исчислению.
Трисульфид титана является примером нового, вдохновленного графеном материала.
Проблема запрещенной зоны также ограничивает графен в усовершенствовании солнечной энергии. Низкое электрическое сопротивление графена может сделать технологии солнечных панелей в разы эффективней, но энергия, которая хранится в фотоне, слишком мала, чтобы активировать графеновый транзистор. Добавление разных загрязнителей в графен для повышения поглощающей способности было основным источником исследования, так как недостаток проводимости графена и его свойство быть запрессованным достаточно плотно, могут предоставить огромный прирост производства энергии, причем очень быстро. Впрочем, как и со всеми изобретениями, основанными на графене, чтобы убедиться с их работоспособности, надо подождать.
Слово "графен" очень часто взаимозаменяемо используется с понятием "карбоновые нанотрубки" или CNT. CNT - полностью соответствуют названию: это листы графена, свернутые в нано-трубки. Стенки трубки толщиной всего в один атом, но трубка более стабильна, и менее активно реагирует с другими веществами, чем простой листовой графен. Многие исследователи добились большего успеха, используя технологию CNT, но поскольку углеродные нанотрубки сделаны из графена, многие из наиболее перспективных применений по-прежнему сдерживаются основной неэффективностью производства.
Графеновый аэрогель, балансирующий на усике растения.
Уже давно решено, что графен изменит мир - единственный вопрос в том, будет это непосредственно, или косвенно. На самом деле, вывод графена на рынок, влияние графеновых технологий на мир - вот что имеется в виду. Но также легко представить, что множество конкретных, графеноподобных материалов с учетом специфики каждого конкретного применения, превзойдут сам графен. Все равно, даже если единственным достижением материала станет вдохновение нового поколения науки двумерных материалов, он будет иметь невероятно большое значение в формировании облика современной технологии.
Сравнительно недавно в науке и технике появилась новая область, которую назвали нанотехнологией. Перспективы данной дисциплины не просто обширны. Они грандиозны. Частица, именуемая «нано», представляет собой величину, равную одной миллиардной доле от какого-либо значения. Подобные размеры можно сравнить только с размерами атомов и молекул. Например, нанометром называют одну миллиардную долю метра.
Основное направление новой области науки
Нанотехнологиями называют те, которые манипулируют веществом на уровне молекул и атомов. В связи с этим данную область науки называют еще и молекулярной технологией. Что же явилось толчком к ее развитию? Нанотехнологии в современном мире появились благодаря лекции В ней ученый доказал, что не существует никаких препятствий для создания вещей непосредственно из атомов.
Средство для эффективного манипулирования мельчайшими частицами назвали ассемблером. Это молекулярная наномашина, с помощью которой можно выстроить любую структуру. Например, природным ассемблером можно назвать рибосому, синтезирующую белок в живых организмах.
Нанотехнологии в современном мире являются не просто отдельной областью знаний. Они представляют собой обширную сферу исследований, непосредственно связанную со многими фундаментальными науками. В их числе находятся физика, химия и биология. По мнению ученых, именно эти науки получат наиболее мощный толчок к развитию на фоне грядущей нанотехнической революции.
Область применения
Перечислить все сферы деятельности человека, где на сегодняшний день используются нанотехнологии, невозможно из-за весьма внушительного перечня. Так, при помощи данной области науки производятся:
Устройства, предназначенные для сверхплотной записи любой информации;
- различная видеотехника;
- сенсоры, полупроводниковые транзисторы;
- информационные, вычислительные и информационные технологии;
- наноимпринтинг и нанолитография;
- устройства, предназначенные для хранения энергии, и топливные элементы;
- оборонные, космические и авиационные приложения;
- биоинструментарий.
На такую научную область, как нанотехнологии, в России, США, Японии и ряде европейских государств с каждым годом выделяется все больше финансирования. Это связано с обширными перспективами развития данной сферы исследований.
Нанотехнологии в России развиваются согласно целевой Федеральной программе, которая предусматривает не только большие финансовые затраты, но и проведение большого объема конструкторских и научно-исследовательских работ. Для реализации поставленных задач происходит объединение усилий различных научно-технологических комплексов на уровне национальных и транснациональных корпораций.
Новый материал
Нанотехнологии позволили ученым изготовить углеродную пластину более твердую, чем алмаз, толщина которой составляет всего один атом. Состоит она из графена. Это самый тонкий и прочный материал во всей Вселенной, который пропускает электричество намного лучше кремния компьютерных чипов.
Открытие графена считается настоящим революционным событием, которое позволит многое изменить в нашей жизни. Этот материал обладает настолько уникальными физическими свойствами, что в корне меняет представление человека о природе вещей и веществ.
История открытия
Графен представляет собой двухмерный кристалл. Его структура является гексагональной решеткой, состоящей из атомов углерода. Теоретические исследования графена начались задолго до получения его реальных образцов, так как данный материал является базой для построения трехмерного кристалла графита.
Еще в 1947 г. П. Воллес указал на некоторые свойства графена, доказав, что его структура аналогична металлам, и некоторые характеристики подобны тем, которыми обладают ультрарелятивистские частицы, нейтрино и безмассовые фотоны. Однако у нового материала есть и определенные существенные отличия, делающие его уникальным по своей природе. Но подтверждение этим выводам было получено только в 2004 г., когда Константином Новоселовым и Андреем Геймом впервые был получен углерод в свободном состоянии. Это новое вещество, которое назвали графеном, и стало крупным открытием ученых. Найти этот элемент можно в карандаше. Его графитовый стержень состоит из множества слоев графена. Каким образом карандаш оставляет след на бумаге? Дело в том, что, несмотря на прочность составляющих стержень слоев, между ними существуют весьма слабые связи. Они очень легко распадаются при соприкосновении с бумагой, оставляя след при письме.
Использование нового материала
По мнению ученых, сенсоры, созданные на основе графена, смогут анализировать прочность и состояние самолета, а также предсказывать землетрясения. Но только тогда, когда материал с такими потрясающими свойствами покинет стены лабораторий, станет понятно, в каком направлении пойдет развитие практического применения данного вещества. На сегодняшний физики, а также инженеры-электронщики уже заинтересовались уникальными возможностями графена. Ведь всего несколькими граммами этого вещества можно покрыть территорию, равную футбольному полю.
Графен и его применение потенциально рассматриваются в производстве легковесных спутников и самолетов. В этой сфере новый материал способен заменить в Нановещество может быть использовано вместо кремния в транзисторах, а его внедрение в пластмассу придаст ей электропроводность.
Графен и его применение рассматриваются и в вопросах изготовления датчиков. Эти устройства, выполненные на основе новейшего материала, будут способны обнаруживать самые опасные молекулы. А вот использование пудры из нановещества при производстве электрических аккумуляторов в разы увеличит их эффективность.
Графен и его применение рассматриваются в оптоэлектронике. Из нового материала получится очень легкий и прочный пластик, контейнеры из которого позволят в течение нескольких недель сохранять продукты в свежем состоянии.
Использование графена предполагается и для изготовления прозрачного токопроводящего покрытия, необходимого для мониторов, солнечных батарей и более крепких и устойчивых к механическим воздействиям ветряных двигателей.
На основе наноматериала получатся лучшие спортивные снаряды, медицинские имплантаты и суперконденсаторы.
Также графен и его применение актуальны для:
Высокочастотных высокомощных электронных устройств;
- искусственных мембран, разделяющих две жидкости в резервуаре;
- улучшения свойства проводимости различных материалов;
- создания дисплея на органических светодиодах;
- освоения новой техники ускоренного секвенирования ДНК;
- улучшения жидкокристаллических дисплеев;
- создания баллистических транзисторов.
Использование в автомобилестроении
Согласно данным исследователей, удельная энергоемкость графена приближается к 65 кВт*ч/кг. Данный показатель в 47 раз превышает тот, который имеют столь распространенные ныне литий-ионные аккумуляторы. Этот факт ученые использовали для создания зарядных устройств нового поколения.
Графен-полимерный аккумулятор - прибор, при помощи которого максимально эффективно удерживается электрическая энергия. В настоящее время работа над ним ведется исследователями многих стран. Значительных успехов достигли в этом вопросе испанские ученые. Графен-полимерный аккумулятор, созданный ими, имеет энергоемкость, в сотни раз превышающую подобный показатель у уже существующих батарей. Используют его для оснащения электромобилей. Машина, в которой установлен может проехать без остановки тысячи километров. На подзарядку электромобиля при исчерпании энергоресурса понадобится не более 8 минут.
Сенсорные экраны
Ученые продолжают исследовать графен, создавая при этом новые и не имеющие аналогов вещи. Так, углеродный наноматериал нашел свое применение в производстве, выпускающем сенсорные дисплеи с большой диагональю. В перспективе может появиться и гибкое устройство подобного типа.
Ученые получили графеновый лист прямоугольной формы и превратили его в прозрачный электрод. Он-то и участвует в работе сенсорного дисплея, отличаясь при этом долговечностью, повышенной прозрачностью, гибкостью, экологичностью и низкой стоимостью.
Получение графена
Начиная с 2004 г., когда был открыт новейший наноматериал, ученые освоили целый ряд методов его получения. Однако самыми основными из них считаются способы:
Механической эксфолиации;
- эпитаксиального роста в вакууме;
- химического перофазного охлаждения (CVD-процесс).
Первый из этих трех методов является наиболее простым. Производство графена при механической эксфолиации представляет собой нанесение специального графита на клейкую поверхность изоляционной ленты. После этого основу, подобно листу бумаги, начинают сгибать и разгибать, отделяя нужный материал. При применении данного способа графен получается самого высокого качества. Однако подобные действия не годятся для массового производства данного наноматериала.
При использовании метода эпитаксиального роста применяют тонкие кремниевые пластины, поверхностный слой которых является карбидом кремния. Далее этот материал нагревают при очень высокой температуре (до 1000 К). В результате химической реакции происходит отделение атомов кремния от атомов углерода, первые из которых испаряются. В результате на пластинке остается чистый графен. Недостатком подобного метода является необходимость использования очень высоких температур, при которых может произойти сгорание атомов углерода.
Самым надежным и простым способом, применяемым для массового производства графена, является CVD-процесс. Он представляет собой метод, при котором протекает химическая реакция между металлическим покрытием-катализатором и углеводородными газами.
Где производится графен?
На сегодняшний день крупнейшая компания, изготавливающая новый наноматериал, находится в Китае. Название этого производителя - Ningbo Morsh Technology. Производство графена начато им в 2012 году.
Главным потребителем наноматериала выступает компания Chongqing Morsh Technology. Графен используется ею для производства проводящих прозрачных пленок, которые вставляют в сенсорные дисплеи.
Сравнительно недавно известная компания Nokia оформила патент на светочувствительную матрицу. В составе этого столь необходимого для оптических приборов элемента находится несколько слоев графена. Такой материал, использованный на датчиках камер, в значительной мере увеличивает их светочувствительность (до 1000 раз). При этом наблюдается и снижение потребления электроэнергии. Хорошая камера для смартфона также будет содержать графен.
Получение в бытовых условиях
Можно ли изготовить графен в домашних условиях? Оказывается, да! Необходимо просто взять кухонный блендер мощностью не менее 400 Вт, и следовать методике, разработанной ирландскими физиками.
Как же изготовить графен в домашних условиях? Для этого в чашу блендера выливают 500 мл воды, добавляя в жидкость 10-25 миллилитров любого моющего вещества и 20-50 грамм толченого грифеля. Далее прибор должен поработать от 10 минут до получаса, вплоть до появления взвеси из чешуек графена. Полученный материал будет обладать высокой проводимостью, что позволит использовать его в электродах фотоэлементов. Также произведенный в бытовых условиях графен способен улучшить свойства пластика.
Оксиды наноматериала
Ученые активно исследуют и такую структуру графена, которая внутри или по краям углеродной сетки имеет присоединенные кислородосодержащие функциональные группы или (и) молекулы. Это оксид самого твердого нановещества, который является первым двумерным материалом, дошедшим до стадии коммерческого производства. Из нано- и микрочастиц этой структуры ученые изготовили сантиметровые образцы.
Так, оксид графена в сочетании с диофилизированным углеродом был недавно получен китайскими учеными. Это весьма легкий материал, сантиметровый кубик которого удерживается на лепестках небольшого цветка. Но при этом новое вещество, в котором находится оксид графена, является одним из самых твердых в мире.
Биомедицинское применение
Оксид графена обладает уникальным свойством селективности. Это позволит данному веществу найти биомедицинское применение. Так, благодаря работам ученых стало возможным использование оксида графена для диагностики раковых заболеваний. Обнаружить злокачественную опухоль на ранних стадиях ее развития позволяют уникальные оптические и электрические свойства наноматериала.
Также оксид графена позволяет производить адресную доставку лекарственных и диагностических средств. На основе данного материала создаются сорбционные биодатчики, указывающие на молекулы ДНК.
Индустриальное применение
Различные сорбенты на основе оксида графена могут быть применены для дезакцивации зараженных техногенных и природных объектов. Крое того, данный наноматериал способен переработать подземные и поверхностные воды, а также почвы, очистив их от радионуклидов.
Фильтры из оксидов графена могут обеспечить суперчистотой помещения, где производятся электронные компоненты специального назначения. Уникальные свойства данного материала позволят проникнуть в тонкие технологии химической сферы. В частности, это может быть извлечение радиоактивных, рассеянных и редких металлов. Так, использование оксида графена позволит добыть золото из бедных руд.
Графен относится к классу уникальных углеродистых соединений, обладающих замечательными химическими и физическими свойствами, такими как прекрасная электропроводность, которая сочетается с удивительной лёгкостью и прочностью.
Предполагается, что со временем он сможет заменить кремний, который является основой современного полупроводникового производства. В настоящее время за этим соединением надёжно закрепился статус «материала будущего».
Особенности материала
Графен, чаще всего встречающийся под обозначением «G», – это двумерная разновидность углерода, имеющая необычную структуру в виде соединённых в гексагональную решетку атомов. При этом общая её толщина не превышает размеров каждого из них.
Для более чёткого понимания, что такое графен, желательно ознакомиться с такими его уникальными характеристиками, как:
- Рекордно высокий показатель теплопроводности;
- Высокие механическая прочность и гибкость материала, в сотни раз превосходящие тот же показатель для стальных изделий;
- Ни с чем несравнимая электропроводимость;
- Высокая температура плавления (более 3 тысяч градусов);
- Непроницаемость и прозрачность.
О необычности структуры графена свидетельствует такой простой факт: при объединении 3-х миллионов листовых заготовок графена суммарная толщина готового изделия будет не более 1 мм.
Для понимания уникальных свойств этого необычного материала достаточно отметить, что по своему происхождению он схож с обычным слоистым графитом, применяемым в грифеле карандаша. Однако, благодаря особому расположению атомов в гексагональной решётке, его структура приобретает характеристики, присущие такому твёрдому материалу, как алмаз.
При выделении графена из графита в образующейся при этом плёнке толщиной в атом наблюдаются его наиболее «чудесные» свойства, характерные для современных 2D-материалов. Сегодня трудно отыскать такую область народного хозяйства, где бы ни применялось это уникальное соединение, и где оно ни рассматривалось бы в качестве перспективного. Особо это проявляется в области научных разработок, ставящих своей целью освоение новых технологий.
Способы получения
Открытие этого материала может быть датировано 2004 годом, после чего учёными были освоены различные методы его получения, которые представлены ниже:
- Химическое охлаждение, реализуемое методом фазовых преобразований (его называют CVD-процессом);
- Так называемое «эпитаксиальное выращивание», осуществляемое в условиях вакуума;
- Метод «механической эксфолиации».
Рассмотрим каждый из них более подробно.
Механический
Начнём с последнего из этих способов, считающегося наиболее доступным для самостоятельного исполнения. Для того чтобы получить графен в домашних условиях, необходимо последовательно произвести следующий ряд операций:
- Сначала нужно подготовить тонкую графитовую пластину, которая затем крепится на клеящейся стороне специальной ленты;
- После этого она складывается вдвое, а затем снова возвращается в исходное состояние (её концы разводятся);
- В результате таких манипуляций на клеящей стороне ленты удаётся получить двойной слой графита;
- Если проделать эту операцию несколько раз, несложно будет добиться малой толщины нанесённого слоя материала;
- После этого скотч с расщеплёнными и очень тонкими плёнками прикладывается к подложке из окисла кремния;
- Вследствие этого плёнка частично остаётся на подложке, образуя графеновую прослойку.
Недостатком этого метода является сложность получения достаточно тонкой плёнки заданного размера и формы, которая бы надёжно фиксировались на отведённых для этого частях подложки.
В настоящее время большая часть используемого в повседневной практике графена производится именно таким образом. За счёт механической эксфолиации удаётся получить соединение довольно высокого качества, но для условий массового производства данный метод совершенно не годится.
Промышленные методы
Одним из промышленных способов получения графена является выращивание его в вакууме, особенности которого можно представить следующим образом:
- Для его изготовления берётся поверхностный слой карбида кремния, всегда имеющийся на поверхностях этого материала;
- Затем заранее подготовленная кремниевая пластина нагревается до сравнительно высокой температуры (порядка 1000 К);
- За счёт происходящих при этом химических реакций наблюдается разделение атомов кремния и углерода, при котором первые из них тут же испаряются;
- В результате такой реакции на пластинке остается чистый графен (G).
К недостаткам этого метода можно отнести необходимость высокотемпературного нагрева, с обеспечением которого нередко возникают трудности технического характера.
Наиболее надежным промышленным способом, позволяющим избежать описанных выше сложностей, является так называемый «CVD-процесс». При его реализации происходит химическая реакция, протекающая на поверхности металлического катализатора при его соединении с газами углеводорода.
В результате всех рассмотренных выше подходов удаётся получать чистые аллотропные соединения двумерного углерода в виде слоя толщиной всего лишь в один атом. Особенностью такого образования является соединение этих атомов в гексагональную решетку за счёт образования так называемых «σ» и «π»-связей.
Носители электрического заряда в решётке графена отличаются высокой степенью подвижности, значительно превышающей этот показатель для других известных полупроводниковых материалов. Именно по этой причине он способен прийти на смену классическому кремнию, традиционно используемому при производстве интегральных микросхем.
Возможности практического применения материалов на основе графена напрямую связаны с особенностями его производства. В настоящее время практикуется множество методов получения отдельных его фрагментов, различающихся по форме, качеству и размерам.
Среди всех известных способов особенно выделяются следующие подходы:
- Изготовление разновидности оксида графена в виде хлопьев, применяемой при производстве электропроводящих красок, а также различных сортов композитных материалов;
- Получение плоского графена G, из которого делаются компоненты электронных устройств;
- Выращивание материала того же типа, применяемого в качестве неактивных компонентов.
Основные свойства этого соединения и его функциональность определяются качеством подложки, а также особенностями того материала, с помощью которого он выращивается. Всё это, в конечном счёте, зависит от используемого метода его производства.
В зависимости от способа получения этого уникального материала, он может применяться для самых различных целей, а именно:
- Графен, полученный путём механического отслаивания, в основном, предназначается для исследований, что объясняется невысокой подвижностью носителей свободного заряда;
- При получении графена методом химической (термической) реакции он чаще всего используется для создания композитных материалов, а также защитных покрытий, чернил, красителей. Подвижность свободных носителей у него несколько больше, что позволяет применять его для изготовления конденсаторов и плёночных изоляторов;
- В случае использования для получения этого соединения метода CVD он может применяться в нано электронике, а также для изготовления сенсоров и прозрачных гибких плёнок;
- Графен, полученный методом «кремниевых пластинок», идёт на изготовление таких элементов электронных устройств, как ВЧ-транзисторы и подобные им комплектующие. Подвижность свободных носителей заряда в таких соединениях максимальна.
Перечисленные особенности графена открывают для производителей широкие горизонты и позволяют сконцентрировать усилия по его внедрению в следующие перспективные области:
- В альтернативные направления современной электроники, связанные с заменой кремниевых составляющих;
- В ведущие химические отрасли производства;
- При конструировании уникальных изделий (таких, например, как композитные материалы и графеновые мембраны);
- В электротехнике и электронике (в качестве «идеального» проводника).
Помимо этого, на основе этого соединения могут изготавливаться холодные катоды, аккумуляторные батареи, а также специальные проводящие электроды и прозрачные плёночные покрытия. Уникальные свойства этого наноматериала обеспечивают ему большой запас возможностей для его использования в перспективных разработках.
Достоинства и недостатки
Достоинства изделий на основе графена:
- Высокая степень электропроводности, сравнимая с тем же показателем для обычной меди;
- Почти идеальная оптическая чистота, благодаря которой он поглощает не более двух процентов видимого светового диапазона. Поэтому со стороны он кажется практически бесцветным и невидимым для наблюдателя;
- Механическая прочность, превосходящая алмаз;
- Гибкость, по показателю которой однослойный графен превосходит эластичную резину. Это его качество позволяет легко изменять форму плёнок и растягивать их при необходимости;
- Стойкость к внешним механическим воздействиям;
- Ни с чем несравнимая теплопроводность, по показателю которой он в десятки раз превосходит ту же медь.
К недостаткам этого уникального углеродистого соединения относят:
- Невозможность получения в достаточных для промышленного производства объёмах, а также достижения требуемых для обеспечения высокого качества физико-химических свойств. На практике удаётся получать лишь незначительные по габаритам листовые фрагменты графена;
- Изделия промышленного изготовления чаще всего уступают по своим характеристикам образцам, полученным в исследовательских лабораториях. Достичь их с помощью рядовых промышленных технологий не удается;
- Высокие нетрудовые затраты, существенно ограничивающие возможности его производства и практического применения.
Несмотря на все перечисленные сложности, исследователи не оставляют попыток освоения новых технологий производства графена.
В заключение следует констатировать, что перспективы у этого материала просто фантастические, поскольку он также может применяться при производстве современных ультратонких и гибких гаджетов. Кроме того, на его основе возможно создание современного медицинского оборудования и препаратов, позволяющих бороться с раком и другими распространёнными опухолевыми заболеваниями.
Видео
