Что такое графен и как он меняет современность

Материал, обнаруженный в 2004 году, должен был стать революционным. Но практическое применение технологии нашлось только сейчас. 20 лет назад ученые объявили, что создали чудодейственный материал, который изменит нашу жизнь. Они назвали его графеном.

Графен состоит из одного слоя атомов углерода, расположенных в виде гексагональных (шестиугольных) ячеек. Он является одним из самых прочных когда-либо созданных материалов и, кроме того, лучше, чем медь, проводит электричество и тепло.

Казалось, революционную технологию ждут безграничные перспективы: прогнозировали, что благодаря графену появится новое поколение ультрабыстрых процессоров и компьютеров, зарядка батарей ускорится в пять раз, а бетон станет на 35 % прочнее.

Графен даже предлагали использовать в качестве меры против выбоин. Предполагалось, что надо просто добавить его в традиционное покрытие, и с вечным проклятием современных дорог будет покончено.

Ученые Манчестерского университета Андрей Гейм и Константин Новоселов, открывшие новый материал, в 2010 году получили Нобелевскую премию по физике, а при университете был создан Национальный институт графена.

Однако ажиотаж вокруг чудо-материала значительно поутих. Графену еще предстоит совершить революцию в электронике, да и дорожные выбоины всё еще с нами.

Так что же произошло с графеновой революцией? Почему материал до сих пор не изменил наш мир?

Сэр Колис Хамфрис, профессор материаловедения Лондонского университета королевы Марии, дал простой ответ: «Графен по-прежнему остается очень многообещающим материалом. Проблема заключается в масштабировании его производства. Поэтому он не оказал влияния, которое предсказывалось».

Графен изначально получили довольно необычным способом, объяснил Хамфрис. Гейм и Новоселов создали его, наклеив липкую ленту на куски графита и отрывая слои до тех пор, пока не получили материал толщиной в один атом.

«Но так может получиться только крошечная чешуйка, шириной в несколько миллиметров, — добавил профессор. — Из таких кусочков невозможно делать электронику. Для работающих устройств нужны пластины материала толщиной не менее 15 см».

IBM, Samsung и Intel потратили в совокупности миллиарды, пытаясь масштабировать производство графена в пригодной для производства форме и необходимых количествах, однако их попытки не увенчались успехом, считает Хамфрис.

В результате графеновая революция была отложена, однако недавно появились обнадеживающие знаки, что на обещанных перспективах технологии рано ставить крест.

Профессор полагает, что рынок в будущем может получить вторую жизнь благодаря прорыву в создании устройств на основе графена. Хамфрис с коллегами сделали ключевое открытие, обнаружив, что технология, используемая для производства электронных компонентов на основе нитрида галлия, может также использоваться для производства графена в больших масштабах.

«Часть первого графена, полученного этим образом, мы использовали для создания датчика, который может обнаруживать магнитные поля», — сообщил Хамфрис.

С тех пор профессор со своей командой основал в Сомершеме (Кембриджшир, Англия) дочернюю компанию Paragraf. Компания одной из первых в мире стала массово выпускать устройства на основе графена. Два реактора, по форме напоминающих печи для пиццы, производят достаточно графена, чтобы делать 150 тысяч устройств в день.

Paragraf использует устройства в двух целях. Во-первых, для производства сенсоров, измеряющих магнитные поля. С их помощью можно обнаруживать неисправные аккумуляторы в электросамокатах и электровелосипедах, предотвращая возгорания.

Второй сенсор может определять бактериальное или вирусное заражение, для того чтобы решить, назначать ли антибиотики в данном случае. Хамфрис считает, что биосенсоры за несколько минут могли бы диагностировать сепсис.

Хамфрис добавил, что графеновые устройства, скорее всего, будут потреблять меньше энергии.

«Кремниевая эра подходит к концу. Мы достигли предела количества транзисторов, которые мы можем разместить на одном чипе, тогда как энергия, которую они потребляют, удваивается каждые три года. Это означает, что, если ничего не изменится и мы продолжим работать, как прежде, кремниевые устройства будут потреблять всё генерируемое на планете электричество. Это серьезная угроза для планов свести к нулю выбросы углекислого газа. Графеновая технология, возможно, появилась позже, чем мы изначально надеялись, но у нее есть потенциал обойти эти проблемы и реально изменить современную жизнь».

Дарья Васильева, RB.RU

В иллюстрации использовано изображение автора Yaroslav Samoilov (CCBY3.0) с сайта Noun Project и фото автора  AlexanderAlUS  (CC BY-SA 3.0) с сайта Wikimedia Commons.