Если 20 век был веком пластмасс, то 21 век, похоже, станет веком графена — недавно обнаруженного материала, изготовленного из листов углерода толщиной всего в один атом. В научных журналах графен описывают как самый лёгкий, самый прочный, самый тонкий, самый лучший тепло- и электропроводящий материал из когда-либо обнаруженных. Рассказываем, как и где его используют.
Что такое графен?
Учёные давно обнаружили, что углерод имеет две основные, но поразительно разные формы:
- графит — мягкий, черный материал в карандашных грифелях;
- алмаз — сверхтвёрдые, блестящие кристаллы в ювелирных изделиях.
Оба эти радикально отличающихся материала состоят из одинаковых атомов углерода. Но атомы внутри них расположены по-разному, и это дает двум формам совершенно разные свойства.
Так что же такое графен? Графен — это один слой графита. Он имеет плоскую кристаллическую решетку, состоящую из взаимосвязанных шестиугольников атомов углерода, плотно связанных между собой. Слои имеют высоту всего в один атом. Поэтому, чтобы получить графен толщиной 1 мм, понадобится стопка примерно из 3 миллионов таких слоёв.
Кто открыл графен?
Теоретические исследования графена начались в середине 20 века, но на протяжении нескольких десятилетий никто не мог получить этот материал на практике. Графен был произведён в лаборатории только в 2004 году русскими учёными Андреем Геймом и Константином Новосёловым, работающими в британском Университете Манчестера. С помощью клейкой ленты они сняли верхний слой графита. Затем исследователи растянули ленту, чтобы расщепить графит на ещё более мелкие слои. Проделав большую работу, они обнаружили, что у них есть несколько кусочков графита толщиной всего в один атом — другими словами графен. В знак признания важности их открытия Гейм и Новосёлов были удостоены Нобелевской премии по физике.
Свойства графена
То, как графен ведёт себя как материал, удивляет многих учёных. Перечислим его главные характеристики.
Прочность и жесткость
Считается, что графен является самым прочным материалом из когда-либо обнаруженных. Он примерно в 200 раз прочнее стали. Примечательно, что графен одновременно жесткий и эластичный. Это позволяет растягивать материал на удивительную величину (20-25% от его первоначальной длины), не сломав его.
Электронные свойства
Они также весьма необычны. Электроны в графене очень подвижны, что открывает возможность создания компьютерных чипов, которые работают быстрее и с меньшей мощностью, чем те, что мы используем сегодня.
Оптические характеристики
Сверхтонкий графен, будучи толщиной всего в один атом, почти полностью прозрачен. Графен пропускает около 97-98% света. Для сравнения: у оконного стекла этот показатель не превышает 90%.
Как мы можем использовать графен?
Графен часто применяют в медицине. Его используют при создании сенсоров, определяющих биомаркеры. В частности, иммуноглобулин, опасные токсины, а также биомаркеры, связанные с онкологией и сердечно-сосудистыми заболеваниями. Это позволяет врачам по-новому диагностировать заболевания.
Более того, графен считается отличной заменой существующим материалам, которые были доведены до своих физических пределов. Например, кремниевые транзисторы (коммутационные устройства, используемые в качестве запоминающих устройств и логических элементов для принятия решений в компьютерах) за последние несколько десятилетий последовательно уменьшались и становились всё более мощными. Но учёные уже давно выражают опасения, что дальнейшие усовершенствования ограничены законами физики. Замена кремния графеном позволит создать ещё более мелкие и быстрые транзисторы.
Таким же образом графен мог бы революционизировать и другие области технологии, ограниченные традиционными материалами. Например, с его помощью можно создать конкурентоспособные по стоимости и более эффективные солнечные панели и более энергоэффективное оборудование для передачи энергии. Такие компании, как Samsung, Nokia и IBM уже разрабатывают графеновые заменители для сенсорных экранов, транзисторов и флэш-памяти, но разработка всё ещё находится на очень ранней стадии.
