Графен: необычный потенциал весьма обычного материала

Слушать /

Генеральная Ассамблея ООН объявила 2014 год Международным годом кристаллографии. Кристаллография – это наука, вклад которой практически во все новые технологии трудно переоценить. Одним из самых интересных научных открытий последних лет является графен – новая форма кристаллического углерода, которая в отличие от алмаза формирует невероятно тонкую кристаллическую сетку атомов. По своей прочности она в 200 раз крепче стали. В 2010 г. двое российских ученых – Андрей Гейм и Константин Новоселов – получили Нобелевскую премию по физике за свои передовые опыты с графеном. Профессор Росица Якимова из Линкьопинского университета в Швеции считает, что в течение ближайшего десятилетия графен может революционизировать сферу новых технологий. С ней побеседовал Никола Крастев.

*****

РЯ: Об этом материале уже написано много, с большой скоростью появляются новые статьи. В основе всего этого интереса лежат необычайные свойства графена – это совершенно новый класс материала.

НК: В чем его инновационность?

Дело в том, что графен – первый двумерный материал, он существует всего лишь в двух измерениях, поскольку толщина кристаллической сетки углерода составляет всего лишь один атом. Графен, так сказать, растет только в ширину и длину, это невероятно тонкий слой. На сегодня графен – самый тонкий материал, который когда-либо был изолирован, толщина, как я уже сказала – всего лишь один атом углерода. Это первое.

Второе, графен – исключительно крепкий материал, его трудно разорвать, он в 200 раз крепче, чем сталь, Именно по причине невероятной своей прочности, предполагается, что у графена огромный потенциал для применения в самых разных технологических направлениях. Графен прекрасно проводит электричество и обладает такими свойствами своей электронной сетки, которые очень интересны для создания новых приборов.

Возможное приложение графена находится пока на теоретической стадии, потому что производство этого материала весьма сложно и не достигло уровня массового производства. Однако в силу большой подвижности электронов в графене можно с уверенностью предсказать создание сверхскоростных транзисторов, которые могут заменить существующие в компьютерах транзисторы на кремниевой основе.

Это даст возможность уменьшить размеры и в то же время увеличить плотность этих приборов, и, что самое интересное, – уменьшить на порядок потребление энергии. Графен – очень многообещающий материал.

НК: С чем это связано и как были обнаружены необычайные свойства графена?

РЯ: Это связано, прежде всего, с его кристаллической структурой: атомы углерода расположены в виде решетки, напоминающей медовые соты. Такое расположение обеспечивает исключительно прочную атомную структуру.

НК: Профессор Якимова, для меня, как обычного человека, довольно необычно выглядит сам факт, что это форма самого обычного вещества – углерода. Почему эта форма углерода была обнаружена так поздно – менее 10 лет назад?

РЯ: На самом деле о существовании графена теоретически стало известно еще в 1947 г. Энергетическая структура графена была предсказана и рассчитана канадским ученым Филиппом Уоллесом. В то время активно проводились исследования свойств разных форм графита. Тот же углерод может образовать обычный графит, из него созданы также алмазы, а в определенных своих модификациях тот же углерод превращается в графен. Все зависит от термодинамических условий, при которых одни и те же атомы образуют связь между собой разными способами.

НК: Расскажите, пожалуйста, в чем состоят трудности практического приложения этого материала?

РЯ: Несмотря на то, что теоретически графен был предсказан еще в 1947 году, в то время он не был разработан. Ученые в то время считали, что такой исключительно тонкий, двумерный материал не может существовать в природе по причине того, что он был бы нестабильным. Предполагалось, что в таком тонком состоянии графен будет распадаться под влиянием окружающей среды. Поэтому никто и не пытался его создать.

Однако в 2004 году графен был впервые изолирован при помощи обычной клейкой ленты, которую прижимали к обычному блоку графита. То, что оставалось на ленте, было один или два слоя графита, который приобретал уже совершенно другие, отличные от графита физические свойства. Это и есть графен.