#чтиво | Чудо графеновой революции
Представьте себе материал в миллион раз тоньше бумаги. Невероятно прочный, сложенный из «пчелиных сот», незаметных невооруженному взгляду. Гибкий, эластичный, стабильный при комнатной температуре. Обладающий высокой тепло- и электропроводностью. Представили? Перед вами графен — наиболее подходящий кандидат на роль революционера во многих отраслях высоких технологий.
Новак Джокович, чемпион Australion Open и лучший теннисист мира, приходит на корт с оружейным чехлом (на котором стоит пометка «G»), пристегнутым к запястью спортсмена. Из него серб достает ракетку, частично сделанную из графена, первого чудо-материала 21 века.
Head, австралийский производитель спортивного обмундирования, с радостью признает свою рекламу, но не признается, сколько стоит ракетка из графена. Зато компании вроде Samsung или IBM не упускают свой шанс и с радостью раздувают шумиху.
Что такое графен?
Это слой углерода в один атом, неопределенно долго простирающийся в двух измерениях. Он обладает удивительными свойствами, включая отличную электро- и теплопроводность, механическую прочность и оптическую чистоту, превосходя любой другой материал.
Исследования графена, как и разработка виртуального мозга, получат от Евросоюза денежную поддержку в размере 1 миллиарда евро. Такой выбор обусловлен тем, что в ближайшие десять лет исследование материала, который десять лет назад известен не был, будет очень полезным.
«Многие превосходные свойства графена оправдывают его прозвище «чудесного материала», — сообщает «путеводитель по графену» — этакая брошюра, опубликованная в журнале Nature, в написание которой принимали участие Андрей Гейм и Костя Новоселов, впервые получившие изолированный графен в 2004 году в Манчестерском университете.
Графеновые горизонты
Список потенциальных применений графена воистину огромен. В электронике он ранжируется от ультра-быстрых транзисторов до складных компьютерных дисплеев и светоизлучающих диодов. Он обещает более эффективные лазеры и фотодетекторы, он может трансформировать электрические хранилища и продукцию от батарей до солнечных батарей. Композитные материалы, содержащие графен могут усилить крылья самолетов, а в биомедицине улучшить доставку лекарств и тканевую инженерию.
Профессор Гейм считает невозможным выделение одной наиболее интересной и перспективной области применения:
«Поле настолько настолько велико, что сосредоточение в одном из направлений приведет к ослаблению развития в целом», — говорит он. — «Примеров миллион. Десять тысяч исследовательских документов о графене было опубликовано в прошлом году».
Несмотря на отсутствие объективной оценки необходимых расходов на исследование графена, Гейм считает, что на сегодняшний день необходимо тратить около 1 миллиарда в год.
Правительства всего промышленного мира тратят свои деньги, чтобы принять участие в графеновой революции. Великобритания выделила более 60 миллионов фунтов, чтобы остаться на передовой как страна, откуда все и началось. Со временем желающих поучаствовать в этом деле (особенно компаний) стало становиться все больше.
В этом месяце Манчестерский университет раскрыл планы по выделению 61 миллиона фунтов стерлингов на создание Национального института графена, который будет закончен в 2015 году. Его цель — стать «основным мировым центром по исследованию графена». Кэмбридж на прошлой неделе объявил о создании Кэмбриджского графенового центра и выделил 30 миллионов на исследования. Евросоюз тратит миллионы евро на подобные исследования — и самая главная программа на 1 миллиард только ускорит процесс. Сам Гейм полагает, что это только семена, из которых взойдет нечто.
И как это часто происходит, когда появляется горячая новая технология, концерны по всей Европе начинают переживать, не отстают ли они от американских и азиатских конкурентов.
Опасения основаны на анализе патентов, например. Последние данные говорят, что к концу 2012 года в Китае появилось 2204 патентных заявки, связанных с графеном, в США — 1754, в Южной Корее — 1160, а в Великобритании — только 54.
Но объемы патентов ерунда, по сравнению с остальным. Европе на так агрессивна в патентовании, но зато находится в центре исследований графена в эти дни.
«Графеновая гонка далека от завершения», — говорит Квентин Таннок (Quentin Tannock), глава CambridgeIP. — «У Великобритании огромный потенциал, который обеспечит светлое будущее в общей картине».
Не стоит забывать, что Гейм и Новоселов получили Нобелевскую премию в 2010 году. И конечно же, ученые привлекают крупные корпорации для совместной работы в этой области.
«Мы хотим привлечь пять-шесть компаний — не больше десяти — которые будут тесно сотрудничать с нами», — отмечает Новоселов. — «Мы изучим технологии, которые они используют в своей продукции, а они увидят, на что способна наука».
И хотя Samsung развернула широкую рекламную кампанию в 2010 году и расписала в красках о том, как изменится наша жизнь с появлением графена, сейчас компания молчит. Обозреватели верят в появление гибких дисплеев на основе графена.
IBM более дальновидная в этом плане. Супратик Гуха (Supratik Guha), глава IBM по физическим исследованиям, говорит, что компания работает над высокочастотными графеновыми транзисторами, новой технологией для укладывания графеновых листов в электронике, а также терагерцевыми устройствами.
Терагерцевая область электромагнитного спектра, лежащая между инфракрасными и микроволновыми частотами, имеет большие перспективы в зондировании, рентгенографии и коммуникации на коротких дистанциях. Терагерцевые волны проходят сквозь пластик и живые ткани, но ученые не могут их контролировать на данный момент.
«Мы можем попробовать графен для модуляции и контроля терагерцевого излучения», — говорит Гуха.
Компании вроде Samsung и IBM обладают преимуществом, потому что уже работают в области углеродных нанотрубок — по сути, тот же графен, свернутый в цилиндры на молекулярном уровне — поэтому уже изучили некоторые свойства графеновых листов.
Несколько небольших компаний по всему миру делают и продают графен. Например, Graphene Industries, ответвление Манчестерского университета.
«Мы продаем монокристаллический графен академиям, IBM и крупнейшим полупроводниковым компаниям мира», — сообщил Питер Блейк (Peter Blake), исполнительный директор компании.
Graphene Indistries добывает графен механическим путем, напоминающим «скотчевый метода», первоначально используемый Геймом и Новоселовым. Сырье графита, форма углерода, добываемая в нескольких странах, состоит из триллионов графеновых листов, стоящих вертикально. Используя правильное оборудование, оказывается невероятно просто отделять один лист от другого.
Отчет Lux Research предсказывает, что рынок графена вырастет с 9 миллионов долларов в прошлом году до 126 миллионов уже в 2020 году. Также аналитики предупреждают об угрозе перепроизводства, потому что родилось уже достаточно много бурлящих стартапов, «производящих графен и его прекурсоры».
Постепенно начинают появляться продукты, содержащие графен, вроде ракеток Head. Ральф Швенгер, специалист по ракеткам, говорит, что добавление графена перераспределяет вес, укрепляет и повышает маневренность ракетки. При этом руководитель австрийского отделения Head признает, что шумиха вокруг графена слишком раздута.
Не так давно мы писали о том, что Vorbeck разрабатывает литий-ионные аккумуляторы с графеновыми электродами — вот еще применение графена. Они даже обещают сделать гибкую батарею, которую можно вписать в лямку рюкзака, чтобы заряжать смартфон во время прогулки.
Гибкие дисплеи для пользовательских устройств появятся в течение трех лет, но никто не обещает, что сверхбыстрые процессоры и чипы памяти станут на конвейер в течение хотя бы десяти лет. Для многих применений графен потребует значительных физических или химических изменений. Пока рано говорить о продаже тех или иных патентов за огромные деньги, но все впереди, потому что это ноу-хау будет одним из ключевых двигателей прогресса в 21 веке.
Что касается инвестиций, инвесторам стоит понимать, что несмотря на активное развитие отрасли, графен пока представляет собой малоприменимый материал в коммерческих целях. В среднесрочной перспективе окупиться может разве что крупномасштабное производство высококачественного графена и применение графена в композитных материалах. В долгосрочной перспективы комплексные применения графена мощно сыграют в сферах здравоохранения и повседневной жизни.
Первооткрываетели графена предупреждают, чтобы мы не разочаровывались.
«Слишком много шумихи, и я думаю, нужно немного поумерить ожидания, которые все растут и растут», — говорит Гейм.
Тем не менее, Андрей Гейм уверен на сто процентов, что в конечном итоге графен, несмотря на то, что сейчас из него разве что ракетки и чернила делают, произведет революцию в сферах электроники, энергетики, аэрокосмической и биотехнологической сферах.
«Как правило, новому материалу нужно лет сорок, чтобы перекочевать из исследовательских институтов в магазины, так что графен пока еще только ребенок», — говорит он.
Но что можно сказать о материале, если даже будучи ребенком он является самым прочным, самым проводящим, самым гибким и самым обсуждаемым в мире?
Методы получения графена:
1. Механическое отслаивание
Липкий скотч наклеивается на блок графита (из которого делаются грифели для карандашей), прижимается, потом отделяется. После этого скотч склеивается с другим скотчем и разделяется, чтобы уменьшить слой графита, находящийся на клейкой подложке. В итоге скотч с тонким слоем графита прижимается к очень гладкой поверхности (например, кремнию) и убирается, оставляя на кремние слой графита в атомарных масштабах — чистый графен. Размер образца в таком случае составляет менее 1 мм, а используется он обычно в исследованиях графена.
2. Химическое отслаивание
Графит подвергается воздействию растворителей, которые при содействии ультразвука расщепляют листы графита на однослойные хлопья и пластинки. Чем больше дробить графит, тем больше будет материала. Потом однослойные кусочки графена можно объединить с помощью центрифуги. Этот графен уже можно использовать в одежде, красках, чернилах, композитных материалах, прозрачных проводящих материалах и медицине.
3. Химическое отслаивание с применением оксида графена
Этот метод похож на второй, только изначально графит подвергается окислению. Пластинки оксида графита подвергаются химической реакции и получается оксид графена. Далее включается центрифуга. Потом результат посредством термической или химической обработки возвращается к состоянию графена. Полученные образцы могут быть бесконечны в своих размерах, но превосходят те, что получены в результате простого химического отслаивания.
4. Химическое осаждение из паровой фазы
Сырье (обычно, уголь) нагревается в печи под низким давлением до 1000 градусов Цельсия. Это закаливает уголь. Сквозь печь пропускаются метан и водород. Атомы углерода из метана оседают на угле и кристаллизуются в графеновый лист. Размеры образцов составляют в пределах 1 мм, но их можно использовать в фото-, наноэлектронике, полупроводниках и медицине.
5. Карбид кремния
Небольшой кусочек карбида кремния (10 на 10 мм) располагается в коробочке с небольшой дырочкой. Коробка заполняется аргоном или остается с вакуумом и нагревается до 1500 градусов Цельсия. Молекулы кремния словно «воспаряют» с поверхности, оставляя графеновый лист. Размер образца составляет 100 мм и может использоваться в транзисторах или других электрических устройствах.
Источник: ft.com