До сих пор графен добывали в основном вручную — механическим снятием слоев графита.
А заведующий лабораторией физико-химических технологий Института физики твердого тела и полупроводников Владимир Новиков разработал технологию промышленного получения графена. Как он уверяет, случайно: во время одного из экспериментов уронил стеклянную ложечку, которой помешивал реактивы. Ложечка разбилась, и ученый взболтал поднимающуюся в колбе пену первым, что подвернулось под руку — графитовым электродом.
Графитовая пластинка стала похожа на толстую апельсиновую корку. Неопытный исследователь выбросил бы испорченный электрод и начал сначала. А кандидат физико-математических наук Владимир Новиков решил выяснить, что именно и в результате какой реакции он получил.
Как тут не вспомнить крылатое: “Открытия совершаются случайно, но неслучайными людьми”.
Многоликий углеродИз школьных уроков физики каждый вспомнит хотя бы две модификации углерода — алмаз и графит. Специалист-материаловед вспомнит еще несколько: карбен, углеродная нанотрубка, фулерен. Последней по времени открытия формой углерода является графен — структурный родственник графита.
Чтобы объяснить нам разницу между всем известным графитом и полученным лишь в 2004 году графеном, Владимир Новиков складывает в стопку листы бумаги:
— Кристалл графита состоит из отдельных плоскостей, которые отделяются друг от друга так же легко, как сдвигается стопка бумажных листов. Отдельно взятый лист, то есть слой связанных между собой атомов углерода, обладает совершенно иными, чем графит, свойствами.
По прочности на разрыв графен в сотни раз превосходит сталь. Обладает свойствами полупроводника, но в отличие от большинства полупроводников является прозрачным. При самых незначительных воздействиях, например слабом электрическом поле или абсорбции на его поверхности какого-либо вещества, значительно меняет характеристики, которые в “нормальных” кристаллах считаются фундаментальными.
СПОСОБЫ ДОБЫЧИ
Лауреаты Нобелевской премии по физике 2010 года Андрей Гейм и Константин Новоселов добывали графен для принесших им мировую известность опытов при помощи обычного скотча: клейкая лента снимала с графита тонкий слой углерода, который вновь соприкасался с клейкой лентой... И так до тех пор, пока на подложке не оставался один-единственный слой атомов.
До сделанного белорусами открытия самым перспективным в мире считался затратный и трудоемкий метод получения подобных графену материалов окислением. Конечный продукт не отличался однородностью и чистотой, поэтому далеко не в полной мере обладал свойствами графена.
— Наш способ иной, — говорит Владимир Новиков. — Мы тоже внедряем в межслоевое пространство графита молекулы, но они обладают не окислительными, а восстановительными свойствами — это раствор щелочных металлов в жидком аммиаке. Мы тоже разрушаем образовавшиеся соединения, только бросаем материал не в печь, а в воду.
Белорусский графен высокого качества, анализ показывает отсутствие в нем “лишних” атомов кислорода, серы и азота, которые обычно присутствуют в графеноподобном веществе.
— Отсюда целая гамма возможностей применения, — комментирует собеседник. — На основе графена можно создавать самую современную полупроводниковую технику. Можно в разы удешевить стоимость сенсорных экранов, заменив прозрачные полупроводники из дорогого оксида индия на дешевые графеновые. Можно, прививая графену соответствующие группы атомов, “научить” его различать запахи и создать чувствительные, как собачий нос, приборы. Или добавлять прочный наноматериал в пластмассу в качестве “арматуры” и придавать пластику немыслимую до сих пор прочность, покрывать трубопроводы проводящим лаком, который позволит обогревать трубы в холодное время года...
В Институте физики твердого тела и полупроводников уже разрабатывают новые материалы и технологии с ипользованием графена.
Возможность получения большого количества графена может совершить прорыв в машиностроении. Вернее, в электромобилестроении: на основе этого вещества можно создать миниатюрные конденсаторы большой емкости.
— Если графит разделить на “листики” графена, а их смять, из небольшого кристалла получится громадный ворох, — продолжает Владимир Новиков. — В результате грамм углерода может занимать поверхность в несколько гектаров. Емкость конденсатора пропорциональна площади его поверхности. Поэтому запасенная энергия миниатюрного конденсатора из графена будет сопоставима с энергией, которую накапливают гальванические элементы.
Только гальванический элемент — например, аккумулятор мобильника — заряжается несколько часов, а конденсатор — за считанные секунды. Так же мгновенно он может отдать запасенную энергию, если у вас не мобильный телефон, а электромобиль, который надо за несколько секунд разогнать до скорости 100 км/час. Перспективные гибридные электромобили обязательно должны быть оснащены не только батареями, но и конденсатором.
Еще одна сфера применения графена — улучшение всех без исключения типов химических источников тока. В частности, литиевых аккумуляторов, на которые переходит мир. Пока ученые не смогли “научить” их быстро заряжаться и отдавать энергию. Но уже есть повод для размышления: катоды и аноды батарей содержат слабопроводящие основные компоненты. Если добавить какой-то компонент, который собирал бы этот ток с поверхности слабопроводящих веществ... В общем, благодаря сотрудникам Института твердого тела и полупроводников у ученых всего мира появилось много тем для размышления.
