Графен - материал будущего

ГРАФЕН – МАТЕРИАЛ БУДУЩЕГО

А. Серикбол, студент группы 10В20,

научный руководитель: Федосеев С.Н.

Юргинский технологический институт (филиал) Национального исследовательского

Томского политехнического университета

652055, Кемеровская обл., г. Юрга, ул. Ленинградская, 26

E-mail: aikosha94s@mail.ru

Уже несколько десятилетий  ученые пытаются получить уникальный материал, который позволит многим привычным для нас предметам  быть прочнее и безопаснее, а технологиям  – работать быстрее. Этот материал – графен, тончайшее и гибкое вещество, возможности, применения которого просто безграничны.

Если еще  десять лет назад «материалом  будущего» интересовались только ученые-физики, то теперь разработки в области практического  применения графена привлекают и инвесторов. Недавно стало известно, что Европейский союз выделил известной финской компании более 1 миллиарда евро на проведение экспериментов в этой сфере. Аналитики инвестиционного фонда «MMCIS investments» отмечают, что той компании, которая первой изобретет способ промышленного производства графена и запатентует его, достанутся фантастические прибыли.

Рис.1. Модификации  углерода

Собственно, графен – это продукт расслаивания графита, очень хрупкого материала. Однако чтобы порвать графеновую пленку толщиной в одну сотую миллиметра, понадобится слон, так как это вещество в 300 раз прочнее стали. И при этом толщина слоя графена – всего один атом. Суперпрочность и гибкость графена открывают широкие возможности. Например, из него можно делать пленку для покрытия экранов мобильных телефонов, смартфонов, планшетов, и тогда они не будут разбиваться даже при падении с высоты. Поэтому для сферы компьютерной и мобильной техники графен – это просто золотое дно.

Также «материал будущего»  можно использовать для создания аккумуляторов, которые будут заряжать технику в сотни раз быстрее. В Америке уже ведутся разработки в этом направлении, и первые образцы  батарей с электродами на основе графена могут за считанные минуты заряжать смартфоны, а за несколько часов – электромобили.

Медицинские имплантаты, прозрачные покрытия для мониторов, целые электрические  цепи с высочайшей электропроводностью  и т.д. – перспективы графена огромны.

Впервые удивительная прочность этого материала была доказана учеными из Калифорнийского университета. После эксперимента они заявили: для того чтобы порвать пленку графена толщиной в одну сотую миллиметра, понадобится слон, при этом его вес должен уместиться на площади, равной кончику карандаша.

О свойствах графена  ученые знали давно, но проблема заключалась  в том, как его получить. Расслоить  графит на графен – это все равно  что расслоить тонкую упаковочную  пленку на слои в один атом толщиной. В 1999 году ученый Родни Руофф из Техасского университета попробовал сделать это с помощью тончайшей иглы. Не получилось. Другие ученые пытались с помощью нанокарандаша ставить точки толщиной в один слой графена. Тоже не получилось. Успеха добились двое российских ученых – Константин Новоселов и Андрей Гейм. В 2004 году они наложили на слой графита клейкую ленту. Затем отклеили пленку, потом опять наклеили, и так до тех пор, пока не остался всего один слой графена толщиной в один атом. Ученые сумели перенести этот микроскопический слой на силиконовую пластину и объявили о своей победе над природой.

Удачный эксперимент  сделал Новоселова и Гейма нобелевскими лауреатами. К сожалению, такой способ получения графена не подходит для  его производства в промышленных масштабах – он хоть и дешевый, но слишком трудоемкий. Ученые всего мира стали ломать голову над тем, как же поставить производство графена на поток. Один из возможных способов – эпитаксиальное выращивание. Метод заключается в том, что атомы углерода при определенном на них воздействии сами собой группируются на твердой поверхности, образуя графен. Таким способом, например, уже производят некоторые полупроводниковые материалы для электронной промышленности. Недавно профессору Руоффу удалось изготовить несколько кристаллов графена шириной в полмиллиметра. Теперь он мечтает о производстве рулонов графена шириной в один метр и неограниченной длины.

Графен обладает уникальным свойством – его скорость электропроводности сопоставима со скоростью света. Электропроводность материалов обеспечивается подвижностью электронов в атомах. Например, у металлов некоторое количество свободных электронов находится в так называемой зоне электропроводности, что позволяет им беспрепятственно перемещаться между атомами. А у полупроводников есть еще так называемая запрещенная зона, через которую электронам нужно перепрыгнуть, чтобы материал обрел свойство электропроводности. Для этого применяют дополнительную энергию, например, нагревание.

Специалисты исследовательского центра IBM вплотную подошли к созданию транзистора, который можно переключать сто миллиардов раз в секунду. К сожалению, такой транзистор пока невозможно полностью выключить. Может быть, это не станет помехой для использования, например, в мобильных телефонах или радарах. Но уж точно не подходит для производства компьютерной техники.

Однако ученые работают не покладая рук. Специалисты  из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, США, выяснили экспериментальным  путем, что если поместить двойной  слой графена в электрическое  поле, то возникает та самая запрещенная зона, и ее размер можно регулировать, изменяя силу поля. А профессор Роберт Хаддон из Калифорнийского университета предложил наносить на углеродные полоски химические элементы, влияя на электропроводность графена.

У графена  отличная перспектива в производстве светочувствительных элементов для оптико-волоконной связи. Он может стать прекрасным детектором вредных для здоровья газов и отравляющих веществ. А какие горизонты открывает его уникальная прочность! Уже создан первый образец мобильного телефона с экраном из графеновой пленки, прошитой металлическими волокнами. Такой экран не разобьется и даже не потрескается, если телефон уронить.

Профессору  Родни Руоффу удалось получить окись  графена, соединив атомы кислорода  с атомами углерода. В результате он получил материал, тонкий и гибкий как бумага, но намного прочнее. Из такого материала можно, например, изготавливать космические скафандры. А еще профессор Руофф создал графеновый суперконденсатор.

Своей очереди  ждут пластмасса, обладающая электропроводностью, графеновая пудра для электрических аккумуляторов, контейнеры для длительного хранения пищевых продуктов, сверхпрочные медицинские имплантаты, прозрачные покрытия для мониторов и другие чудо-материалы будущего. Просто прекрасно, что многие из этих удивительных материалов будут созданы уже в ближайшее время. Все-таки нас с вами ждет прекрасное будущее.

Список литературы.

1. Katsnelson M.I. Graphene: Carbon in Two Dimensions. – New York: Cambridge University Press, 2012. – 366 p.
2. Новосёлов К.С. Графен: материалы Флатландии // УФН. – 2011. – Т. 181. – С. 1299–1311.
3. Гейм А.К. Случайные блуждания: непредсказуемый путь к графену // УФН. – 2011. – Т. 181. – С. 1284–1298.
4. Сорокин П.Б., Чернозатонский Л.А. Полупроводниковые наноструктуры на основе графена // УФН. – 2013. – Т. 183. – С. 113–132.