Графен: что это за материал, кем был открыт и его свойства

Что такое графен?

Ученые давно обнаружили, что углерод имеет две основные, но совершенно разные формы:

• графит — мягкий черный материал в грифелях карандашей;
• алмаз — сверхтвердые блестящие кристаллы в ювелирных изделиях.

Оба этих радикально разных материала состоят из одних и тех же атомов углерода. Но атомы внутри них расположены по-разному, и это придает двум формам совершенно разные свойства.

Так что же такое графен? Графен представляет собой однослойный графит. Он имеет плоскую кристаллическую решетку, состоящую из взаимосвязанных шестиугольников атомов углерода, тесно связанных друг с другом. Слои имеют высоту всего один атом. Следовательно, чтобы получить графен толщиной 1 мм, потребуется стопка примерно из 3 миллионов таких слоев.

Кристаллическая решетка графена. Фото: КоммерсантЪ

Зачем ученые добавляют в графен куриный помет

С момента вручения премии было опубликовано более 130 000 научных статей о графене и его свойствах. Доля таких исследований среди всех остальных увеличилась с 0,2% в 2010 г до 1% в 2016 г.

В научном сообществе проверка свойств графена стала чуть ли не мемом. Доходит до того, что на график добавляют куриный помет, чтобы проверить, как это повлияет на качества.

Всего в мире зарегистрировано более 50 000 патентных заявок с упоминанием графена. Более половины из них принадлежат Китаю, за ним следуют Южная Корея, США, Япония и Тайвань.

В Китае исследования проводятся государственными университетами. В 2013 году здесь был создан Инновационный альянс графеновой промышленности, который прогнозирует долю Китая в 80% от мировой доли в этой области.

Нобелевская премия за графен

Впервые о графене заговорили в 2004 году, когда Андрей Гейм и Константин Новоселов, британские ученые русского происхождения, опубликовали статью в журнале Science. В нем говорилось о новом материале, который был получен с помощью обычного карандаша и ленты. Ученые просто снимали изоленту слой за слоем, пока не добрались до самого тонкого атома. В 2010 году за это им была присуждена Нобелевская премия. С тех пор прошло десять лет.

Графеновый бум

За 7 лет после присуждения премии было опубликовано более 130 000 научных статей, посвященных графену и его свойствам. Доля таких исследований среди всех остальных увеличилась с 0,2% в 2010 г до 1% в 2016 г.

Проф. Катарина Паукнер в Будапеште, 2016 г. Исследователь Прабхурадж Балакришнан в Лондоне, 2017 г. Доктор Хан Лин в Мельбурне, 2019 г

В научном сообществе проверка свойств графена стала чуть ли не мемом. Доходит до того, что в графен добавляют куриный помет, чтобы проверить, как это повлияет на качества

Всего в мире зарегистрировано более 50 000 патентных заявок с упоминанием графена. Более половины из них принадлежат Китаю, за ним следуют Южная Корея, США, Япония и Тайвань.

В Китае исследования проводятся государственными университетами. В 2013 году здесь был создан Инновационный альянс графеновой промышленности, который прогнозирует долю Китая в 80% от мировой доли в этой области.

В других странах коммерческие компании активно инвестируют в графен. В ЕС за это отвечает проект Graphene Flagship с инвестициями в €1 млрд. В США — Национальная графеновая ассоциация, в консультативный совет которой входят представители Apple, IBM и Cisco.

Графеном заинтересовались гиганты аэрокосмической отрасли: Boeing, Lockheed Martin, Airbus и Thales. Они рассчитывают, что новые материалы позволят им значительно снизить расход топлива — например, композиты, которые экономят до 30% топлива в Боинге 787. Компании-производители электроники присоединились к гонке графена, надеясь, что это даст им лидерство в области смартфонов рынок аксессуаров.

Среди них Samsung: компания уже купила десятки патентов, которых достаточно для целой серии продуктов с графеном. В частности, она представила аккумулятор нового типа, который можно зарядить за рекордные 12 минут. Они появятся в новых смартфонах бренда не позднее 2021 года. Их главный конкурент, Apple, запатентовала акустические мембраны с графеном для использования в устройствах следующего поколения. И, видимо, это только начало.

В России тоже изучают графен и даже патентуют электронные устройства на его основе — на базе Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ. Два выпускника-исследователя этого вуза — генеральный директор ведущего производителя Graphene 3D Lab Inc. Елена Полякова и профессор Свободного университета Берлина Кирилл Болотин — члены той же американской ассоциации.

Нефтедобыча, самолеты, мода – далее везде?

Графен также может быть использован в добыче нефти и газа. Уже есть несколько патентов на графенсодержащие жидкости, которые можно использовать в скважинах для управления свойствами так называемой «фильтрационной корки». Графен используется для покрытия полимерных труб, что позволит создавать новые типы нефте- и газопроводов.

Автомобилестроение, робототехника, даже легкая промышленность — коммерческий потенциал графена очень высок.

Согласно междисциплинарной базе данных Scopus, включающей регистрации пяти ведущих патентных ведомств, в мире насчитывается более 50 000 заявок и патентов, в которых упоминается графен. Более половины принадлежит Китаю — и доля продолжает расти, за ней в группе лидеров следуют Южная Корея, США, Япония и Тайвань.

С графеном экспериментируют не только исследователи электроники, но и дизайнеры. В 2017 году британские дизайнеры создали платье из нового материала. В платье есть светодиоды, работающие на графене. Также он выполняет функцию мониторинга дыхания, в результате чего платье подсвечивается в зависимости от частоты и глубины дыхания модели. Интересная тенденция использования цифровых технологий в моде отражает общую тенденцию внимания к человеку и его чувствам, эмоциям, индивидуальным реакциям.

Мы уже видели на подиумах платья с кардиомониторами и даже встроенными детекторами лжи, так что использование графена и здесь открывает большие возможности. Кроме того, двойная (двухслойная) пряжа под названием диамен представляет собой материал необычайной прочности, способный выдержать удар пули, при этом по толщине он похож на кашемировый свитер, а также его можно очень компактно сложить.

Здесь открывается огромная перспектива, уже исследованная писателями-фантастами, от производства тончайших бронежилетов и бронированных смокингов до широчайшего использования новых материалов в аэрокосмической отрасли. Boeing, Airbus, Thales и другие авиакомпании рассчитывают, что использование графена позволит снизить расход топлива до 30% и создать новые самолеты с невиданными ранее характеристиками.

Российским авиакомпаниям, очевидно, имеет смысл присмотреться к новому материалу.
Медицина также рассматривает графен. Он оказался биосовместимым. То есть он способен интегрироваться в биологические ткани, не повреждая их.

Продолжаются исследования по борьбе с раком. Поскольку графен светочувствителен, способен преобразовывать свет в электричество и тем самым воздействует на живые клетки, он может стать материалом, уничтожающим раковые клетки. В то же время, поскольку потенциал покоя раковых клеток ниже, чем у здоровых, фототок будет разрушать только больные клетки.

Где уже используют графен?

Сейчас графен успешно используется в электронике. Самый популярный продукт — powerbank 3: производители обещают, что он заряжается за 20 минут, а топовый смартфон заряжается за полчаса.

Есть также графеновые куртки и платья. Последний, в частности, оснащен светодиодами 4, которые реагируют на дыхание и температуру тела изменением цвета.

Теннисные ракетки с графеном весят на 300 грамм меньше, чем обычные теннисные ракетки с такой же силой удара.

Наконец, графеновое моторное масло предназначено для снижения износа двигателя.

Температур может быть несколько

Группа исследователей под руководством Антона Кривцова, чл.-корр. РАН, директор Высшей школы теоретической механики. Так, ученики Кривцова Виталий Кузькин в соавторстве с Игорем Беринским из Тель-Авивского университета недавно опубликовали статью в старейшем британском научном журнале «Философские труды Королевского общества».

В этой статье под названием «Выравнивание энергии в двумерной гармонической решетке графена» исследуется поведение графена, когда он входит в состояние теплового равновесия. Как поясняет Виталий Кузькин, вопрос о том, что такое тепловое равновесие, сводится к вопросу о том, что такое температура: «Сам по себе этот вопрос нетривиален. Температура – ​​это энергия хаотического движения атомов. Но в таких материалах, как графен, может быть несколько температур.

В таких малых системах колебания атомов могут вызывать распространение одной энергии в одном направлении, другой — в другом, и они не равны. Эти исследования, хотя и остаются в рамках фундаментальной науки, которая, как известно, позволяет серьезным исследователям удовлетворять свое любопытство без привязки к практике, но открывают значительные возможности.

Исследования Массачусетского технологического института показывают, что углеродные нанотрубки способны целенаправленно и практически без потерь передавать тепло, что открывает удивительные, поистине революционные перспективы, например, в области охлаждения ноутбуков и компьютеров.

Кто открыл графен?

Теоретические исследования графена начались в середине 20 века, но в течение нескольких десятилетий никто не мог получить этот материал на практике. Графен был получен в лаборатории только в 2004 году российскими учеными Андреем Геймом и Константином Новоселовым, работавшими в британском университете Манчестера. Используя клейкую ленту, они сняли верхний слой графита. Затем исследователи растянули ленту, чтобы разбить графит на еще более мелкие слои.

Проделав большую работу, они обнаружили, что у них есть несколько кусков графита толщиной всего в один атом — другими словами, графена. В знак признания важности своего открытия Гейм и Новоселов были удостоены Нобелевской премии по физике.

Андрей Гейм и Константин Новоселов.

Графен обещает быстрее восстановить сломанные кости и даже предотвратить перелом.

Когда вы были ребенком, вы когда-нибудь подписывались на одноклассника, если он сломал руку или ногу? У тебя был с собой чемодан? Сломанные кости для ребенка — это очень плохо: несколько катастрофических секунд, за которыми следуют месяцы утомительного отдыха и восстановления. Но у детей в будущем может быть другая история, поскольку новые технологии позволяют нам переосмыслить то, как мы восстанавливаем сломанные кости.

Физики рассчитали время состояния суперпозиции графеновых кубитов.

Возможность практического использования квантовых компьютеров стала на шаг ближе благодаря графену. Специалисты из Массачусетского технологического института и их коллеги из других научных учреждений смогли рассчитать время суперпозиции, в которой могут находиться кубиты на основе графена. О результатах исследования сообщается в статье Nature Nanotechnology.

Кто вкладывается в изучение графена

В других странах коммерческие компании активно инвестируют в графен. В ЕС за это отвечает проект Graphene Flagship с инвестициями в €1 млрд. В США — Национальная графеновая ассоциация, в консультативный совет которой входят представители Apple, IBM и Cisco.

Графеном заинтересовались гиганты аэрокосмической отрасли: Boeing, Lockheed Martin, Airbus и Thales. Они рассчитывают, что новые материалы позволят им значительно снизить расход топлива — например, композиты, которые экономят до 30% топлива в Боинге 787. Компании-производители электроники присоединились к гонке графена, надеясь, что это даст им лидерство в области смартфонов рынок аксессуаров.

Ученые создали из графена самовосстанавливающееся антикоррозийное покрытие.

Трудно поверить, что даже самые мелкие трещины в металле однажды могут привести к разрушению целых конструкций. Впрочем, за примерами далеко ходить не надо – падающие мосты, лопнувшие трубопроводы и многие другие катастрофические последствия зачастую являются следствием коррозии, образующейся в крошечных трещинках, царапинах и вмятинах, которые очень трудно обнаружить. Наиболее распространенным методом борьбы с коррозией является нанесение защитных покрытий, изолирующих поверхность металла от вредного воздействия окружающей среды. Проблема в том, что при нарушении этого покрытия эффективность теряется.

Читайте также: Военачальники » Фонд полководцев победы

Миф о токсичности графена

Влияние графена на организм человека до конца не изучено, но и токсичность графена никто не доказал. Единственную опасность представляет графен, который получается при смешивании графита или углерода с водой: попав внутрь клетки, такие мелкие частицы действительно могут ее убить [2].

Но сейчас в биоэлектронике используют другой способ получения графена — методом химического осаждения из газовой фазы. Частицы довольно крупные. Затем они прикрепляются к субстрату и больше не могут проникать через клеточную мембрану.

Первое устройство на базе графена появится на рынке «в ближайшие два месяца».

Русские аборигены, работающие в Великобритании, Константин Новоселов и Андрей Гейм в 2004 году создали графен — полупрозрачный слой углерода толщиной в один атом материал, который потенциально может изменить наш мир и найти свое применение в различных сферах, от производства квантовых компьютеров до производства фильтров для получения чистой питьевой воды. Прошло 15 лет, но мир под влиянием графена не изменился. Почему?

Свойства графена

То, как графен ведет себя как материал, удивляет многих исследователей. Перечислим основные характеристики.

Прочность и жесткость

Графен считается самым прочным из когда-либо обнаруженных материалов. Он примерно в 200 раз прочнее стали. Примечательно, что графен одновременно жесткий и эластичный. Это означает, что материал можно растянуть на невероятную величину (20-25% от первоначальной длины) без разрыва.

Электронные свойства

Они также очень необычны. Электроны в графене очень подвижны, что открывает возможность создания компьютерных чипов, которые работают быстрее и потребляют меньше энергии, чем те, которые мы используем сегодня.

Оптические свойства

Ультратонкий графен толщиной всего в один атом почти полностью прозрачен. Графен пропускает около 97-98% света. Для сравнения: для оконного стекла этот показатель не превышает 90%.

Фото: Средний

Синий фосфор — новый двухмерный материал, способный потеснить графен.

Изобретенный в начале 21 века графен уже нашел свое применение во многих областях науки и техники. И даже дали ученым, изучавшим его, Нобелевскую премию. Однако двумерная структура, подобная этому углеродистому материалу, была предсказана и для других элементов периодической таблицы химических элементов, и недавно были изучены очень необычные свойства одного из этих веществ. И это вещество называется «синий фосфор».

«Бионические грибы» — новый способ получения электроэнергии при помощи бактерий и нанотехнологий.

Что можно сделать из обычных грибов? Наверняка у вас есть далеко не один рецепт, чтобы сделать их вкусными. Но, как оказалось, чтобы получить от гриба какую-то пользу, вовсе не обязательно иметь кулинарные таланты. Но если вы разбираетесь в физике, биологии и знаете свойства графена, вам вполне по силам превратить шампиньоны в источник для выработки электроэнергии.

Графен поможет защититься от комариных укусов.

Несмотря на то, что лето уже подходит к концу, об укусах комаров (и других неприятных насекомых) можно забыть до следующего года, прятать средства для отпугивания «комаров» на зиму еще рано. Однако вполне вероятно, что уже через пару лет вы сможете пользоваться по-настоящему высокотехнологичной защитой от укусов комаров. И речь идет не об очередном «чудо-спрей», а о веществе, которое покроет вашу кожу сверхпрочным слоем графена, через который не укусит ни один комар.

Что еще можно делать из графена

Графен также используется для изготовления дешевых солнечных батарей, устройств для опреснения морской воды, гибких дисплеев, сверхпрочных бронежилетов, сверхчувствительных микропроцессоров, компонентов для дронов и космических ракет, телефонов с бесконечной перезарядкой и умной одежды .

Для России наиболее перспективным применением графена может стать добыча нефти и газа. Графен используется для изготовления жидкостей, позволяющих контролировать толщину и свойства фильтрационной корки буровых растворов. Также возможно изготовление полимерных труб и покрытий для нефте- и газопроводов с использованием графена.

Будущее графена в России

В России тоже изучают графен и даже патентуют электронные устройства на его основе — на базе Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ. Два выпускника-исследователя этого вуза — генеральный директор ведущего производителя Graphene 3D Lab Inc. Елена Полякова и профессор Свободного университета Берлина Кирилл Болотин — члены той же американской ассоциации.

Samsung и графен

Компания уже купила десятки патентов, которых достаточно для целого ряда продуктов из графена. В частности, она представила аккумулятор нового типа, который можно зарядить за рекордные 12 минут. Они появятся в новых смартфонах бренда не позднее 2021 года. Apple, их главный конкурент, запатентовала акустические мембраны с графеном для использования в устройствах следующего поколения. И, видимо, это только начало.

Где можно применять графен в будущем?

Есть еще одно свойство графена: он биосовместим, то есть взаимодействует с живыми клетками. Ученые обещают, что материал поможет диагностировать и лечить рак [5]. Это делается с помощью графенового чипа, обеспечивающего повышенную чувствительность. На поверхность чипа высаживают раковые клетки и тестируют на них различные лекарства.

Такие чипы можно использовать и для тестирования других препаратов, а также для определения биомаркеров: иммуноглобулина, ДНК, нейрональных биорецепторов.

Графен также используется для изготовления дешевых солнечных батарей, устройств для опреснения морской воды, гибких дисплеев, сверхпрочных бронежилетов, сверхчувствительных микропроцессоров, компонентов для дронов и космических ракет, телефонов с бесконечной перезарядкой и умной одежды.

Для России наиболее перспективным применением графена может стать добыча нефти и газа. Графен используется для изготовления жидкостей, позволяющих контролировать толщину и свойства фильтрационной корки буровых растворов. Также возможно изготовление полимерных труб и покрытий для нефте- и газопроводов с использованием графена.

Экономика инноваций Трубный единорог: фоторепортаж от уникального сибирского стартапа

Графен готовится к сверхпроводимости.

Атомы углерода могут образовывать связи несколькими способами. Чистый углерод может существовать в различных формах, включая алмаз, графит, нанотрубки, молекулы в форме футбольного мяча или гексагональную сотовую сеть, известную как графен. Этот экзотический, строго двумерный материал является прекрасным проводником электричества, но не сверхпроводником. Возможно, это скоро изменится.