Графен
Никто не догадывался, что в куске графита, практически того самого, что в простых карандашах, содержится суперматериал такой прочности, тонкости, гибкости и электропроводности, что даст фору любому другому из известных на этой планете. Никто не знал, что добыть его окажется так просто. Никто не подозревал, что этот материал напрочь изменит наши мобильные телефоны.
Никто — кроме Андрея Гейма, одного из лауреатов Нобелевской премии по физике 2010 года, назвавшего свою нобелевскую лекцию «Случайное блуждание к графену». По его собственному признанию, он занимался множеством безуспешных проектов многие годы, более или менее «от фонаря». В своей речи в Стокгольмском университете Гейм сказал: «Примерно за 15 лет состоялась пара десятков экспериментов, и, как и ожидалось, — в основном чудовищно провальных. Но три попадания в яблочко все же произошло: левитация, лента гекко и графен». Из этих трех открытий интереснее всего вроде бы первое и второе, однако именно графен взял научный мир кавалерийским наскоком.
Графен часто называют сверхматериалом, и это первое и самое поразительное вещество среди так называемых наноматериалов, единственная субстанция, состоящая из одного слоя атомов. Это полностью углеродное вещество, которое можно изготавливать слоем толщиной в один атом, на планете нет ничего легче — и крепче. Из одного квадратного метра графенового листа — толщиной в один атом, не забудем, — получится гамак, крепости и гибкости которого хватит на целого кота, хотя весить он сам будет, как один кошачий ус. Графеновый гамак для кота будет еще и прозрачным — полное впечатление, что кот висит в воздухе, а электричество этот гамак будет проводить лучше меди. Если верить рекламному шуму, графен положит конец нашим страданиям с телефонными зарядками и позволит нам заряжать электромобили за считанные минуты.
Будущее электроники
Гейм, конечно, не претендует на открытие этого суперматериала: о его существовании знали другие химики и даже были близки к его получению, однако он и его коллега по Нобелевской премии Константин Новоселов обнаружили надежный, хоть и коммерчески сомнительный метод получения графена из графита. Они попросту взяли кусок графита и сняли с его поверхности слой графена с помощью клейкой ленты. Графит — та же штука, из которой делают грифели для простых карандашей, и это попросту стопка сотен тысяч графеновых листов с довольно слабыми связями между ними. Гейм с Новоселовым этого не понимали, пока не пригляделись к куску клейкой ленты, которой чистили кусок графита.
«Графен был у нас буквально перед глазами, у нас под носом, много веков подряд, но никто не понимал, что он такое» Андрей Гейм (р. 1958), советский, нидерландский и британский физик
Хотя есть некоторые разногласия в том, кто и когда именно первым выделил графен, нет никаких сомнений, что статьи, которые будущие нобелевские лауреаты опубликовали в 2004 и 2005 годах, многое изменили в представлениях ученых об этом материале. До той поры кое-кто не верил, что лист углерода в один атом толщиной окажется устойчивым. В исследовании 2005 года были проверены необычайные качества графена как электропроводника, и теперь они вызывают пристальный интерес. Всяких слов про графеновые транзисторы и гибкую электронику, в том числе и про гнущиеся телефоны и солнечные батареи, прозвучало немало.
В 2012 году двое исследователей из университета Калифорнии в Лос-Анджелесе объявили, что создали микросуперконденсаторы на базе графена — наподобие малюсеньких долгоиграющих батареек, заряжающихся за несколько секунд. Аспиранту Махеру Эль-Кади удалось обеспечить электролампочку энергией на целых пять минут, зарядив ее за несколько секунд посредством фрагмента графена. Эль-Кади и его научный руководитель Ричард Кейнер вскоре нашли способ изготавливать такие приборы с помощью лазера в DVD-рекордере и намерены создать производственный аналог, чтобы можно было интегрировать эти крохотные источники энергии во что угодно, от микрочипов до имплантатов типа кардиостимуляторов.
Графеновый сэндвич
Прекрасная электропроводность графена объясняется тем, что каждый углеродный атом в этой плоской сетчатой структуре располагает одним свободным электроном. Эти вольные электроны носятся по поверхности как переносчики заряда. Загвоздка, скорее, в чрезмерной электропроводности графена. Полупроводниковые материалы типа кремния, которые производители чипов применяют для создания микросхем, полезны тем, что они проводят электричество лишь при определенных условиях, то есть их проводимость можно включать и выключать. Вот почему ученые добавляют в графен примеси — или даже перекладывают его сверхтонкими слоями других веществ, чтобы получались материалы с более управляемыми электрическими свойствами.
Еще одно неудобство: производить графен в массовых количествах непросто и недешево. Разумеется, распускать куски графита на графеновые простыни скотчем непрактично. В идеале материаловедам бы разработать способ получения больших листов. Один из наиболее успешных методов — химическое осаждение из газовой фазы, то есть образование слоя атомов на некой поверхности, но этот метод требует сверхвысоких температур. Другие способы, подешевле, еще пока в стадии разработки, и в них применяются промышленных масштабов блендеры или отделение слоев графена от графитовой массы ультразвуком.
Кто-то заикался о левитации?
Это все про графен. А что там Гейм говорил про другие свои эксперименты? Он заставил левитировать воду, просто так вылив ее в лабораторную электромагнитную установку. А еще он левитировал лягушку в пузыре воды. А лента гекко должна была, по замыслу, имитировать липучую кожицу на лапках геккона, но, увы, так здорово, как у ящерицы, сделать не вышло, и эта задумка признания не получила.
Графеновые теннисные ракетки
Графен - это не только электрические свойства: все, что в триста раз крепче стали и весит при этом меньше миллиграмма на квадратный метр, наверняка имеет и другие применения. Вот поэтому в 2013 году производитель спортивного инвентаря ХЕД объявил о включении графена в ручки новых теннисных ракеток. С такой ракеткой Новак Джокович победил в Открытом чемпионате Австралии в том же году. Тут не угадаешь, это он из-за графена выиграл или сам по себе, но способ рекламировать ракетки отменный.
Сетчатое устройство
Структуру графена часто называют сеткой. Как и в графите, углеродные атомы располагаются одноатомным плоским слоем и скреплены между собой крепкими связями, которые непросто разорвать. Каждый углеродный атом связан стремя другими, так получается узор из шестиугольников. В результате один электрон из четырех оказывается «не при деле». Сетчатая структура обусловливает крепость графена, а свободные электроны - проводимость. Углеродные нанотрубки имеют похожее устройство, только сетка у них свернута в тубус. Поскольку графен всего в один атом толщиной и совершенно плоский, его считают двумерным материалом - в отличие от почти всех прочих, трехмерных. А раз состоит он исключительно из углерода, а это четвертый по распространенности элемент на Земле, графен необычайно привлекателен: вряд ли он у нас когда-нибудь истощится.
