Графен, которого не может быть…

Возьмите простой карандаш и что-нибудь нарисуйте — что может быть проще? Рисунок получится благодаря тому, что в карандаше есть графитовый стержень. Графит — это природный материал, его братья — уголь и алмаз. Казалось бы, ну что в этом минерале особенного? Жирный на ощупь, цвет темно-серый, с металлическим блеском. Если хорошенько нагреть — сгорит. Однако графит теперь — материал будущего…

Что такое карандаш, мы знаем с детства. Спросите любого ребенка, и он сразу ответит — это такая палочка, которой можно рисовать и которая часто ломается. То есть все мы знаем, что графит — очень хрупкий материал. Отчасти это правда, но не так все просто. Когда мы слегка нажимаем на грифель карандаша, графит расслаивается, а на бумаге остается тонкая полоска.

Эта полоска — графен, вернее несколько слоев графена, соединенных друг с другом. Они легко отслаиваются, отчего создается иллюзия хрупкости графита. На самом деле каждый слой графена в двести раз прочнее стали. Это тем более удивительно, что толщина слоя графена — всего один атом. Материал из графена настолько тонкий, что это невозможно себе даже представить. А еще он очень гибкий, и его можно сворачивать в трубочки диаметром несколько нанометров (миллионная доля миллиметра).

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.

Необычное применение скотча

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.

Сумасшедшие электроны

Графен обладает уникальным свойством — его скорость электропроводности сопоставима со скоростью света. Остановимся на этом подробнее.

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.

Так вот, у графена, хотя это и не металл, нет запрещенной зоны, поэтому электроны свободно перемещаются, что создает серьезную проблему — транзистор из графена невозможно выключить полностью, а значит, в устройстве, содержащем такой транзистор, будет постоянная утечка электроэнергии.

Но есть в этом и положительная сторона. Благодаря тому, что на массу электрона графена практически не влияют электрические поля других заряженных частиц — их просто нет рядом с ним, — он способен передвигаться с фантастической скоростью. Настолько быстро, что его скорость можно описать только с помощью теории относительности Эйнштейна, а сам графен впору сравнивать с ускорителем частиц.

Такая умопомрачительная скорость передвижения электронов позволяет им очень чутко реагировать на высокочастотные электромагнитные поля, а значит, графеновый транзистор будет включаться и выключаться очень быстро.

Для чего он нужен?

Так для чего ученые мучаются с этим своенравным материалом? Возможности графена поистине безграничны. Многие даже называют его «материалом будущего». Если только ученым удастся создать в графене запрещенную зону, человечество шагнет на следующую ступень научно-технического прогресса. Ведь из графена можно делать любые компоненты и даже целые электрические цепи с фантастической электропроводностью.

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.