Графен

В октябре Шведская королевская академия наук объявила лауреатов Нобелевской премии по физике. Ими стали двое ученых — выходцев из России Константин Новоселов и Андрей Гейм. Свою награду они получили за создание графена — нового материала с уникальными электрическими, оптическими и механическими свойствами.
Графен (ударение на последний слог) — новый материал с многообещающими свойствами. Сфера его применения — создание скоростных компьютеров, качественных и дешевых плоскопанельных экранов и солнечных батарей, а также суперчувствительных газовых детекторов, способных обнаружить малейшую утечку газа.
Графен обладает уникальными свойствами. Это самый тонкий материал из всех ныне существующих — толщиной в один-единственный атомный слой. При этом он чрезвычайно прочен, с учетом его толщины это самый прочный материал в мире. Он великолепный проводник электричества и тепла и к тому же прозрачен.
Все началось в 2004 году, когда Андрею Гейму и Константину Новоселову впервые удалось получить графен в свободном состоянии. Это стало крупным открытием, несмотря на то что графен — вещество простое по определению: это чистый углерод. Но каждый атом углерода в нем жестко связан с тремя соседними атомами и является двумерной сеткой.
При всей простоте конструкции поразителен сам факт существования графена в свободном виде, что идет вразрез с теорией. В середине 1930-х годов выдающиеся физики Лев Ландау и Рудольф Пайерлс предположили, что двумерные кристаллы, подобные графену, неустойчивы и легко разрушаются под действием тепловых флуктуации. То есть кристалл должен попросту растаять. Но оказалось, что графен, напротив, весьма прочен. Тончайший слой углерода имеет волнообразную структуру, и этого достаточно для сохранения его устойчивости.
Как ни странно, все мы знакомы с графеном, правда, в несвободной форме. Графитовый стержень карандаша — это множество слоев графена, удерживаемых за счет электрических сил. Если провести карандашом тончайшую линию, то в ней вполне могут оказаться графеновые прослойки, что активно используется учеными при исследовании свойств материала. Куском чистого графита осторожно проводят по поверхности другого материала, например оксида кремния, и обнаруживают на нем небольшие хлопья графена. Их при желании можно переместить на другую подложку.
При добавлении в графем атомов кислорода получается прочный графеноксид.

Исследование графена перешло уже в практическую плоскость: недавно была основана компания Graphene Industries, продающая графен по 28 рублей за квадратный микрометр. Возможно, очень скоро этот бизнес принесет хорошую прибыль, ведь на точку в конце этого предложения приходится примерно 100 тыс. квадратных микрометров.
Хлопья графена, которые продает компания, в действительности гораздо меньше: их площадь, как правило, составляет несколько тысяч квадратных микрометров. И продукт пользуется популярностью, например, в области новейшей электроники, ведь он великолепный проводник. При комнатной температуре его электрическое сопротивление минимально среди всех известных материалов и на 35% ниже сопротивления меди, в настоящее время используемой в современных микрочипах.
Прозрачный, крохотный, теплопроводный Графен — прозрачный материал. Через сетку из атомов углерода проходит до 97,7% света. А прозрачный электропроводящий устойчивый материал представляет собой находку для плоскопанельных экранов.

Яркость пикселей в плоскопанельных экранах определяется напряжением между двумя электродами, один из которых обращен к зрителю. Эти электроды обязательно должны быть прозрачными. В настоящее время для производства прозрачных электродов применяется оксид индия, легированный оловом (ITO), но ITO является дорогостоящим и не самым устойчивым веществом. К тому же мир вскоре исчерпает свои запасы индия. Графен является более прозрачным и более устойчивым, чем ITO, и уже был продемонстрирован ЖК-дисплей с графеновым электродом. Немецкие ученые также использовали графен в качестве прозрачного электрода в солнечной батарее, и осталось только найти подходящие способы массового производства графена.

Большой потенциал у материала и в других областях электроники. В апреле 2008 года ученые из Манчестера продемонстрировали самый крохотный в мире графеновый транзистор. Идеально правильный слой графена управляет сопротивлением материала, превращая его в диэлектрик. Становится возможным создание микроскопического переключателя питания скоростного нано-транзистора для контроля движения отдельных электронов. Чем меньше транзисторы в микропроцессорах, тем быстрее он сам, и ученые надеются, что графеновые транзисторы в компьютерах будущего станут размером с молекулу, учитывая, что современные кремниевые технологии производства микротранзисторов практически достигли предела своих возможностей.
Графен не только отличный проводник электричества. У него высочайшая теплопроводность: колебания атомов легко распространяются по углеродной сетке ячеистой структуры. Тепловыделение в электронике — серьезная проблема, поскольку существуют пределы высоких температур, которые электроника способна выдержать. Но если графен рассеивает тепло, то производительность микрочипов может быть повышена.
Американским ученым было непросто измерить теплопроводность графена. Они изобрели совершенно новый способ измерения его температуры, расположив пленку из графена длиной в 3 мкм над точно таким же крохотным отверстием в кристалле диоксида кремния. Затем пленку нагрели лазерным лучом, заставив ее вибрировать. Эти вибрации помогли рассчитать температуру и теплопроводность.
Датчик, реагирующий на одну молекулу
Изобретательность ученых не знает границ, если речь идет об использовании феноменальных свойств нового вещества. В августе 2007 года был создан самый чувствительный из всех возможных датчиков на его основе. Он способен отреагировать на одну молекулу газа, что поможет своевременно обнаружить наличие токсинов или взрывчатых веществ.
Чужеродные молекулы мирно опускаются в графеновую сеть, выбивая из нее электроны либо добавляя их. В результате меняется электрическое сопротивление графенового слоя, которое и измеряется учеными. Даже самые маленькие молекулы задерживаются прочной графеновой сеткой. В сентябре 2008 года ученые из Корнельского университета в США продемонстрировали, как графеновая мембрана, подобно тончайшему воздушному шару, надувается за счет разницы давлений в несколько атмосфер по обеим ее сторонам. Эта особенность графена может быть полезной при определении протекания различных химических реакций и вообще при изучении поведения атомов и молекул.
Графен можно комбинировать
Получать большие листы чистого графена пока еще очень сложно, но задачу можно упростить, если слой углерода смешать с другими элементами. В Северо-Западном университете США графит окислили и растворили в воде. Результатом стал бумагоподобный материал — графеноксидная бумага. Она очень жесткая и довольно проста в изготовлении. Графеноксид пригоден в качестве прочной мембраны в аккумуляторах и топливных элементах.

Мембрана из графена — идеальная подложка для объектов изучения под электронным микроскопом. Безупречные ячейки сливаются на изображениях в однородный серый фон, на котором четко выделяются другие атомы. До сих пор было практически невозможно различить в электронном микроскопе легчайшие атомы, но с графеном в качестве подложки можно будет разглядеть даже малые атомы водорода.
Суперпластик можно будет использовать в производстве самолетов
Возможности применения графена можно перечислять до бесконечности. Недавно физики Северо-Западного университета США выяснили, что графен можно смешивать с пластиком. Результат — тонкий суперпрочный материал, выдерживающий высокие температуры и непроницаемый для газов и жидкостей.
Сфера его применения — производство легких автозаправочных станций, запчастей для автомобилей и самолетов, прочных лопастей ветровых турбин. В пластик можно упаковывать пищевые продукты, надолго сохраняя их свежими.
В 200 раз прочнее стали
Графен не только тончайший, но и самый прочный в мире материал. Ученые из Колумбийского университета в Нью-Йорке убедились в этом, поместив графен над крошечными отверстиями в кристалле кремния. Затем нажатием тончайшей алмазной иглы попытались разрушить слой графена и измерили силу давления. Оказалось, что графен в 200 раз прочнее стали. Если представить себе графеновый слой толщиной с пищевую пленку, он бы выдержал давление острия карандаша, на противоположном конце которого балансировал бы слон или автомобиль.

Гибкий и прозрачный
Так как графен прозрачен, устойчив и при этом хороший проводник электричества, он идеально подходит для производства плоскопанельных экранов и солнечных батарей, где требуется использование прозрачных электродов. Ученые из Англии и России доказали возможность производства ЖК-дисплеев с использованием графеновых электродов. Правда, в эксперименте 2008 года использовался микроэкран с изображением менее 30 мкм. и пока пользы от такого экрана немного. Выход — в создании намного большего по размеру графенового электрода. Его реальность доказала другая группа ученых, из США: пятислойный графен позволит увеличить прозрачную и электропроводящую поверхность дисплеев.

Неудивительно, что физики, химики и инженеры многих университетов по всему миру набросились на графен. С момента открытия графена прошло не так много времени, но каждый месяц его кристалл поворачивается к нам новыми гранями. История графена — еще в самом начале.