Магический графен, или Нобелевка из мусорной корзины

0 2

В 2010 г. Нобелевская премия по физике была присуждена двум ученым, Андрею Гейму и Кон­стантину Новоселову, за прорыв в экспериментальном исследовании двумерного материала графена.

Надо сказать, что оба лауреата, хотя и «родом из СССР», но уже давно работают за границей. Гейм ро­дился в 1958 г. в южном городе Сочи, а Новоселов — в 1974 г. в суровом уральском Нижнем Тагиле. Оба они получили высшее образование в Московском физико­техническом институте.

Магический графен, или Нобелевка из мусорной корзины

Лауреаты Нобелевской премии по физике за 2010 г. Андрей Гейм (слева) и Константин Новоселов (справа)

Гейм, работая в Институте физики твердого тела Академии наук СССР (Черноголовка), в 1987 г. защи­тил кандидатскую диссертацию («Исследование меха­низмов транспортной релаксации в металлах методом геликонового резонанса») и уже в 1990 г., получив сти­пендию Английского королевского общества, уехал из Советского Союза. С тех пор он работает за границей, сначала в Нидерландах (Университет Св. Радбода, Ней­меген), а позже в Великобритании (Университет Ман­честера). Как писал сам Гейм: «… условия для исследо­ваний в Неймегене были гораздо лучше, чем в России, и в конечном счете позволяли выжить в научном плане: спасибо «загранице»».

Константин Новоселов работает с Геймом с 1999 г., начав его аспирантом в Нидерландах. Сейчас оба они — профес­сора Университета Манчестера, Гейм — гражданин Нидерландов, а Новоселов — Великобритании. Кстати, после того, как бывшие россияне удостоились самой пре­стижной научной награды, их приглашали вернуться и поработать в российском иннограде «Сколково», однако Гейм заочно отказался от этого предложения.

Можно добавить, что Андрей Гейм пока единственный ученый, умудрившийся од­новременно получить как престижную и серьезную Нобелевскую премию, так и шутливую — Шнобелевскую. Лауреатами Шнобелевской премии становятся уче­ные, работы которых «сначала заставляют смеяться, а потом думать». Другая фор­мулировка критериев отбора — «исследо­вания», которые невозможно или не нужно повторять. Вручается эта награда ежегодно, накануне Нобелев­ской недели, и эта церемония совершенно не похожа на чопорное мероприятие в Стокгольме — в зале запу­скаются бумажные самолетики, гостям представляется премьера мини-оперы, посвященной теме церемонии, лауреаты выступают с короткой речью. Но если их из­лияния затягиваются, то специальная восьмилетняя де­вочка прерывает речь криком: «Мне скучно!»

Магический графен, или Нобелевка из мусорной корзины

Медаль лауреата шутливой Шнобелевской премии, вручаемой за «исследования», которые невозможно или не нужно повторять

Андрей Гейм удостоился Шнобелевской премии в 2000 г. (совместно с сэром М. Берри из Бристольского университета) за свои работы «по левитированию лягу­шек при помощи магнита». Парящая в воздухе лягуш­ка, фотография которой даже вошла в учебники, стала результатом исследований Геймом магнитных свойств металлов, диэлектриков и полупроводников и нагляд­ной демонстрации того, что ничтожная магнитная вос­приимчивость воды (из которой на 70 % состоит тело лягушки) — в миллиарды раз меньшая, чем у железа, — тем не менее в чрезвычайно мощных магнитных полях (около 20 Тл) оказывается достаточной для компенса­ции земного притяжения.

Магический графен, или Нобелевка из мусорной корзины

Парящая в чрезвычайно мощном магнитном поле лягушка ( эта фотография вошла в учебники), парящая в воздухе рыбка и левитирующий жук

Интересно мнение одного из манчестерских аспи­рантов, работавшего с Геймом: «… эти ребята полны сарказма и много пьют, но знаете, здесь все хотят рабо­тать у Андрея».

****

Но вернемся к графену (сам термин «графен» был введен в 1962 г. немецким физиком Ханс-пете Боем). Двумерный кристалл графен — это одна из разновид­ностей углерода, который является основой всей жизни на Земле. Способность его атомов образовывать слож­ные цепи является фундаментальной для органической химии. Атомарный углерод демонстрирует необычайно сложное поведение, которое выражается в образова­нии ряда существенно различающихся по свойствам структур. До недавнего времени были известны три его аллотропные формы (аллотропными формами называ­ют вещества, сходные по составу, но различающиеся химическим строением). Для углерода явление алло­тропии обусловлено способом размещения атомов или молекул в кристаллической решетке. Уже давно были известны такие формы углерода, как алмаз, графит и карбин. Несколько десятилетий назад были открыты фуллерены (класс аллотропных форм углерода, пред­ставляющий собой выпуклые замкнутые многогранники, фуллерен С60 по форме напоминает футбольный мяч) и нанотрубки. Кстати, фуллерен обязан своим названи­ем американскому архитектору Ричарду Фуллеру, чьи конструкции строились по этому принципу.

Таким образом, до 2004 г. были известны следующие аллотропные формы углерода:

  • трехмерные (3D — алмаз, графит). В алмазе эле­ментарный строительный блок — тетрайдр. Графит имеет плоскую слоистую структуру, соседние слои сдви­нуты на полпериода решетки, причем сильная химиче­ская связь существует лишь в пределах одного слоя;
  • одномерные (1D — нанотрубки). Нанотрубка — одномерная углеродная структура, все атомы которой находятся на поверхности. Электронные и оптические свойства такой системы полностью определяются ее гео­метрией, и в первую очередь диаметром нанотрубки, т. е. это материал, обладающий варьируемыми свойствами;
  • нульмерные (0D — фуллерены).

В этой последовательности не хватало двумерной формы, долго сопротивлявшейся всем эксперимен­тальным попыткам ее получить. Многочисленные по­пытки синтезировать двумерные атомные кристаллы графита заканчивались неудачей. Эти трудности не были сюрпризом для исследователей, поскольку име­лось серьезное теоретическое обоснование того, что двумерные кристаллы и не могут существовать. Дей­ствительно, более семидесяти лет назад Лев Ландау и Рудольф Пайерлс доказали, что таких материалов существовать не может: силы взаимодействия между атомами должны смять их в гармошку или свернуть в трубочку (нанотрубки). Теория указывала, что смеще­ния атомов в низкоразмерных кристаллических решет­ках под воздействием тепловых флуктуаций становятся сравнимыми с межатомными расстояниями при любой конечной температуре. Это было подтверждено многи­ми экспериментальными наблюдениями. В самом деле, температура плавления тонких пленок быстро снижает­ся с уменьшением толщины, и пленки становятся неста­бильными (разделяются на островки или распадаются) уже при толщине в десяток атомных слоев.

Поэтому атомные монослои долгое время были из­вестны только как неотъемлемая часть более сложных 3D-структур. Ранние попытки выделить графен концен­трировались на методе химического отслоения. С этой целью образец графита сначала расслаивался так, что плоскости графена отделялись промежуточными слоями атомов или молекул. Обычно в результате получались новые 3D-материалы. Однако в некоторых случаях меж­ду атомными плоскостями удавалось вставить большие молекулы, что обеспечивало лучшее разделение, и обра­зованные структуры могли рассматриваться как изоли­рованные слои графена, встроенные в 3D-матрицу. Ис­пользовалось и выращивание графена на поверхности другого монокристалла. А при использовании подхода, аналогичного выращиванию углеродных нанотрубок, по­лучались графитовые пленки толщиной более 100 слоев.

И вот в 2004 г. в группе под руководством Андрея Гейма наконец-то удалось получить «неуловимый» гра­фен в стабильном состоянии, да еще и весьма незамы­словатым и малозатратным способом, не требующим сложного оборудования. Этот способ позже получил красивое название — усовершенствованная техника микромеханического скалывания. Дальнейшие иссле­дования показали, что графен обладает целым набором уникальных кристаллических и электронных свойств, делающих его «лакомым кусочком» для новой физики и потенциальных электронных приложений. Результаты этих усилий и были оценены научной общественностью присуждением Нобелевской премии.

Магический графен, или Нобелевка из мусорной корзины

Кусок графита (3D-материал)

Вот как позже описал историю получения графена Андрей Гейм в своей нобелевской лекции: «Осенью 2002 года прибыл наш первый манчестерский аспирант, Да Цзян, и мне нужно было придумать для него тему диссертации. Было ясно, что первые несколько меся­цев ему будет необходимо изучать английский язык и ознакомиться с лабораторией, соответственно для на­чала я предложил ему очередной «побочный» экспери­мент. Задача состояла в том, чтобы изготовить пленку графита настолько тонкую, насколько это возможно. Если получится, то я обещал, что мы будем изучать ее «мезоскопические» свойства… Я просчитал, что если нам повезет и удастся создать тонкие пленки из гра­фита, то в них уже смогут проявиться эффекты элек­трического поля и/или некоторые другие интересные свойства, похожие на те, что имеются в углеродных на­нотрубках (начало 2000-х гг. было как раз пиком попу­лярности исследования нанотрубок. — Прим. автора). При наихудшем сценарии, поскольку наши мезоскопи­ческие образцы представляли бы собой монокристал­лы, это помогло бы прояснить дискуссионные вопросы, касающиеся графита.

Магический графен, или Нобелевка из мусорной корзины

Андрей Гейм с макетом графеновой плоскости в руках

Для изготовления тонких графитовых пленок я дал Да Цзяну таблетку пиролитического графита (поликри­сталлический углеродный материал, получаемый мето­дом химического газофазного осаждения при пиролизе углеводородов, характеризуется высокой термической стойкостью, отсутствием открытой пористости и исполь­зуется в качестве конструкционного и тигельного мате­риала в производстве чистых металлов, монокристал­лов и полупроводников. — Прим. автора) с толщиной в несколько миллиметров и диаметром в два с половиной сантиметра и предложил ему использовать полироваль­ную машину. У нас была специальная машина, обес­печивавшая субмикронную точность. Через несколько месяцев Да заявил, что достиг предельной толщины, и показал мне крошечный кусочек графита на дне чашки Петри. Я взглянул на графит в оптический микроскоп и оценил его толщину примерно в 10 мкм. Слишком тол­стый подумал я и предложил попробовать использовать полировальную жидкость. Однако, как оказалось, для получения этого образца Да уже отработал всю таблет­ку (стоимостью около 500 долларов. — Прим. автора). На самом деле это была моя вина. Более того, я по ошибке дал ему образец высокоплотного пиролитиче­ского графита, вместо высокоориентированного графи­та, который легче шлифовался.

Магический графен, или Нобелевка из мусорной корзины

Графен (верхний рисунок) — это 2D (двумерный) строительный материал для других углеродных аллотропных модификаций. Он может быть свернут в 0D-фуллерен (слева), скручен в 1D-углеродную нанотрубку (в центре) или уложен в 3D-штабеля, образуя графит (справа)

Олег Шкляревский, старший научный сотрудник из Харькова, работал рядом и вынужденно услышал весь ход моих поддразниваний, на сей раз о горе, которую следует шлифовать до размера песчинки. Олег вме­шался, принеся с собой кусок скотча — самоклеящейся ленты с графитовыми чешуйками, которую он только что выудил из мусорной корзины. В самом деле, вы­сокоориентированный пиролитический графит — это стандартно используемый материал для сканирующей туннельной микроскопии, где образец со свежей по­верхностью обычно готовится путем отслаивания верх­него слоя графита с помощью липкой ленты. Мы годами использовали эту технику, но никогда внимательно не смотрели на то, что же мы выбрасываем вместе с лентой. Я посмотрел в микроскоп на остатки графита и обнаружил фрагменты намного меньшей толщины, чем та, что была у Да. Только тогда я осознал, как это было неразумно с моей стороны — предложить полироваль­ную машину. Полировка умерла, да здравствует скотч!»

Магический графен, или Нобелевка из мусорной корзины

Биосфера архитектора Фуллера. (Павильон США на «Экспо-67», ныне музей «Биосфера» в Монреале, Канада)

Как шутил позже Константин Новоселов: «За то, что мы ее (ленту) подобрали и исследовали, нас обозвали garbage scientists — мусорными учеными».

Спустя несколько лет в интервью веб-сайту Sciencewatch Александр Гейм так описал метод усовер­шенствованной техники микромеханического скалыва­ния: «Вы ставите (липкую ленту) на графит и очищаете ею верхний слой графита, хлопья графита остаются на вашей ленте… Тогда вы складываете ленту пополам и приклеиваете ее к хлопьям на верхней части и разде­ляете их снова. Вы повторяете эту процедуру 10 или 20 раз. Каждый раз хлопья разделяются на все более тонкие и тонкие. В конце у вас остаются очень тонкие хлопья, которые все еще на вашей ленте».

Магический графен, или Нобелевка из мусорной корзины

Структура фуллерена (0D)

Уже в первых экспериментах площадь полученных чешуек графита достигала одного квадратного милли­метра, что было вполне достаточно, чтобы перенести материал на подложку и исследовать его механиче­ские и электронные свойства. Здесь, по мнению самих ученых, существенной составляющей успеха стало на­блюдение, что тонкие фрагменты (чешуйки) графита, помещенные на пластину кремния, покрытую тонким слоем оксида, выглядели окрашенными в разные цвета вследствие интерференции. Это указывало на то, что некоторые фрагменты оптически прозрачны, и, более того, по цвету можно было судить о том, какие из них наиболее тонкие. Авторы считают, что если бы не этот достаточно простой, но эффективный способ сканиро­вать подложку с помощью оптического микроскопа в по­исках кристаллов графена, их, вероятно, не открыли бы и по сей день.

Магический графен, или Нобелевка из мусорной корзины

Кристаллическая решетка графена — слой графита толщиной в один атом

Но важно было не только получить то, что считалось невозможным, — слои графита толщиной в один атом, но и определить их физические свойства. Этим и заня­лись исследователи — в 2004 г. в престижном журна­ле Science вышла первая статья Гейма и Новоселова, в которой суммировались результаты их интенсивных исследований. Проводимость, прочность, стабильность графена оказались уникальными (каждое из изученных свойств превосходило аналогичные свойства материалов-конкурентов).

Магический графен, или Нобелевка из мусорной корзины

Процесс разворачивания нанотрубки

Сам Гейм считает самым удивительным из получен­ных экспериментальных результатов то, что отдельные атомные плоскости вообще сохраняют свою целост­ность в свободном состоянии и обладают проводимо­стью. Как же примирить теоретически предсказанную нестабильность двумерных кристаллов с фактом полу­чения графена?

Соображения следующие — любой существующий метод получения графена использует 3D-кристалл, а не рост 2D. Графеновые листы изначально формируются либо в объеме, либо в верхнем слое эпитаксиальной подложки. 2D-кристаллы графена, извлеченные из объ­емного 3D-материала, остаются как бы замороженными в метастабильном состоянии потому, что их небольшие размеры (существенно меньше 1 мм) и сильные межа­томные связи препятствуют образованию дислокаций или других дефектов кристаллической решетки вслед­ствие тепловых флуктуаций даже при повышенной температуре. Дополнительным аргументом служит то, что извлеченные 2D-кристаллы становятся практически стабильными вследствие мягкого сжатия в третьем из­мерении (когда кристалл становится не идеально пло­ским, а, например, волнистым). Это ведет к увеличению энергии упругой деформации, но подавляет тепловые колебания. Температуры, требующиеся для необра­тимого разрушения графена на воздухе, по крайней мере, в два раза превышают комнатную. Таким обра­зом, обычные условия земной среды оказались вполне подходящими для сохранности графеновой решетки и, соответственно, существования графена.

Магический графен, или Нобелевка из мусорной корзины

Следы графита, оставшиеся на скотче (а). Некоторые кристаллики оптически прозрачны, если взглянуть на них через оптический микроскоп (б). На подложке из оксида кремния светопроницаемые кристаллики дают различные оттенки голубого цвета (в). Одно из самых первых устройств для измерения электрических свойств графена, изготовленное с помощью «сургуча и веревки» (г)

Оглядываясь назад, можно отметить, что слоистая структура графита, который можно представить в виде стопки из слабосвязанных графеновых плоскостей, была известна уже очень давно. Именно благодаря та­кой структуре рисуют обычные карандаши, и монослои графита при внимательном исследовании можно обна­ружить в любой карандашной надписи или рисунке. По­лучается, что графен буквально годами был у всех на глазах, прямо перед нашим носом, но только современ­ное развитие научных исследований позволило понять, что же это на самом деле.

Магический графен, или Нобелевка из мусорной корзины

Применения графена

Ценность нового материала для развития физиче­ских исследований трудно переоценить. «Фактически графен открывает новую научную парадигму — «реля­тивистскую» физику твердого тела, в которой квантовые релятивистские явления (часть которых нереализуема даже в физике высоких энергий) теперь могут быть ис­следованы в обычных лабораторных условиях… Впер­вые в твердотельном эксперименте можно исследовать все нюансы и многообразие квантовой электродинами­ки» (Гейм, Новоселов, Морозов).

То есть многие явления, для изучения которых требовалось строительство огромных ускорителей элементарных частиц, теперь можно исследовать, вооружившись гораздо более простым инструментом — тончайшим в мире материалом.

Магический графен, или Нобелевка из мусорной корзины

Гипотетический пример, демонстрирующий механическую прочность графена. Графеновый гамак площадью 1 м2 (его масса меньше миллиграмма) способен выдержать взрослого кота массой 4 кг. Для сравнения: стальной гамак той же площади (если бы нам удалось его сделать той же толщины) удерживал бы в 100 раз меньше — всего 40 г.

При изучении графена выяснилось, что этот самый тонкий из когда-либо полученных объектов в то же вре­мя и самый прочный материал. Если бы удалось из гра- фенового волокна соткать нить хотя бы в метр длиной, то, как полагают ученые, ее прочность и гибкость были бы достаточны, чтобы такую нить можно было исполь­зовать для лифта в космос. Этого кусочка хватило бы, чтобы растянуть его от поверхности Земли до геостаци­онарной орбиты. Графен исключительно хорошо прово­дит электрический ток (носители заряда в нем являют­ся безмассовыми дираковскими фермионами) и тепло, очень упругий и непроницаем для любых молекул.

В общем, графен оказался весьма перспективным с точки зрения не только развития физических исследова­ний, но и различных практических приложений, начиная от электроники и заканчивая композитными материала­ми. Обычно, чтобы новый материал из академической лаборатории превратился в коммерческий продукт, тре­буется около 40 лет. Но графен и здесь рекордсмен — он проходит этот путь с невиданной скоростью. И, по­хоже, добьется титула материала, который быстрее других перешел из науки в настоящее производство.

****

Будучи полупроводником, графен обладает проводи­мостью, как у одного из лучших металлических проводни­ков — меди. Оказалось, что у графена носители заряда ведут себя как релятивистские частицы с нулевой эффек­тивной массой, в результате чего имеют весьма высокую подвижность. Сейчас физики работают над дальнейшим увеличением подвижности носителей заряда в графене. Если научиться получать «свободновисящие» пленки графена (без подложки SiO2), то подвижность можно уве­личить на два порядка — до 2*106 см2/В.с.

Магический графен, или Нобелевка из мусорной корзины

Схема одноэлектронного транзистора на базе графена. Слева показана схема транзистора, состоящего из графеновых истока (source) и стока (drain), соединенных островком (island) из проводящего материала или из квантовой точки, шириной около 100 нм. Справа показан тестовый транзистор, изображение которого увеличено в 40 000 раз. Островок транзистора настолько мал, что способен уместить только один электрон в один момент времени. Если к островку подходят новые электроны, то они отбрасываются электростатической силой. Любой электрон из истока квантово-механически туннелирует (есть отличная от нуля вероятность его прохождения через энергетический барьер) к островку, после чего «исчезает», просачиваясь к истоку. Напряжение, приложенное к третьему электроду — затвору (не показан на микроснимке), управляет входом и выходом электрона с островка, таким образом регистрируя либо логический 0 (на островке нет электрона), либо 1 (электрон на островке)

Кроме того, в графене был обнаружен амбиполяр­ный эффект электрического поля, при котором его со­противление изменялось примерно в 100 раз. То есть графен можно перестраивать из состояния, близкого к нормальному металлу с довольно высокой кон­центрацией электронов (1021 см-3), до металла с такой же концентрацией дырок — проделать весь путь, минуя «полупровод­никовое» состояние с не­высокой концентрацией зарядов. Таким образом, свойства графена легко изменить простым изме­нением напряжения на затворе.

Очевидно, что все эти качества графена вкупе с его нанометровой тол­щиной делают его канди­датом на материал, ко­торый мог бы заменить в электронике, в том числе и в будущих быстродей­ствующих компьютерах, уже не удовлетворяющий современным запросам кремний. Чем больше скорость носителей, тем выше рабочая частота и тем больше можно обработать операций в единицу времени. Вдо­бавок графен обладает и высокой теплопроводностью, что очень важно для электронных устройств — новые более миниатюрные и быстрые графеновые микросхе­мы будут греться намного меньше кремниевых. Иссле­дователи полагают, что новый класс графеновой наноэ­лектроники с базовой толщиной транзисторов не более 10 нм (сегодня уже получен полевой транзистор на гра­фене) — дело обозримого будущего.

Магический графен, или Нобелевка из мусорной корзины

Графен направляет часть кинетической энергии обратно в «пулю», благодаря чему листы графена рассеивают энергию удара гораздо эффективнее стали

Благодаря уникальным оптическим свойствам весь­ма перспективно применение графена и в фотонике (дисциплина, занимающаяся фундаментальными и прикладными аспектами работы с оптическими сигна­лами, а также созданием на их базе устройств различ­ного назначения). Здесь графен может использоваться в качестве сверхбыстрого модулятора световых пуч­ков — насыщающегося поглотителя (НП). НП исполь­зуются для реализации режима самосинхронизации мод и формирования сверхкоротких, фемтосекундных (1 фемтосекунда = 10-15 ф импульсов в лазерах ближ­него инфракрасного диапазона. Такие импульсы важны для развития оптических коммуникаций, лазерной хи­рургии, в том числе офтальмологической, зондирова­ния загрязнений в атмосфере и спектроскопии.

При этом графен открыл фантастическую возмож­ность создания нелинейно-оптических элементов для практически неограниченного спектрального диапазо­на — от средней инфракрасной до терагерцовой обла­сти, в отличие от других НП, которые работали только в определенном ограниченном диапазоне длин волн. При создании компактных лазеров на основе фотонных кристаллов графен рассматривается как единственный подходящий насыщающийся поглотитель, способный сохранить миниатюрность таких устройств.

Благодаря тому, что пленка графена практически прозрачна, она может прекрасно подойти и для изготов­ления прозрачных сенсорных экранов. Для этих целей традиционно использовались оксиды металлов или тонкие металлические пленки. Однако существующие технологии их производства сложны и дороги, поэтому поиск новых типов тонких проводящих пленок продол­жался.

Уже существуют тестовые образцы мобильного те­лефона Lenovo c тач-экраном, сделанным из графена, который внешне ничем не отличается от обычного. Для изготовления экранов мобильных телефонов японская компания Sony уже готовит производство 100-метровых рулонов графена. На выставке «NanoTubes — 2010» специалисты компании демонстрировали гибкие ди­сплеи с диагональю до 70 сантиметров, где один из про­водящих электродов сделан из графена.

Магический графен, или Нобелевка из мусорной корзины

Графен рассматривается как основа микроэлектроники будущего.

Будучи прочнейшим и одновременно одним из са­мых жестких известных материалов, графен является идеальным кандидатом для армирования высококаче­ственных композитов. Имея толщину всего в один атом, он не может расколоться, что придает ему максимально возможную прочность на изгиб. Высокое аспектное от­ношение (отношение поперечного размера к толщине) позволяет графену быть идеальным ограничителем рас­пространения трещин. Что же касается взаимодействия со связующим материалом — главной проблемы всех нанокомпозитных наполнителей наподобие углеродного волокна или углеродных нанотрубок, — то химическая модификация поверхности или краев графена может су­щественно усилить сцепление графена с полимером.

Разработчики ищут самые разнообразные примене­ния графену, — например, более прочные корпуса авто­мобилей и самолетов, зубные протезы. Этот материал уже применяется в производстве таких спортивных из­делий, как лыжи и теннисные ракетки. Известная евро­пейская фирма Head в сезоне 2015/2016 гг. предлагает женскую коллекцию лыж — 24hr Joy. Это очень легкие лыжи (зачем заставлять нежных женщин кататься на тяжелых лыжах?), использование в их конструкции гра­фитовой пленки в комбинации с другими легкими кон­структивными материалами (короид и углерод) обеспе­чивает снижение веса на 350 грамм при неизменности их рабочих характеристик.

Магический графен, или Нобелевка из мусорной корзины

Графеновый аэрогель, балансирующий на усике растения

Американские ученые из университета штата Масса­чусетс рассматривают возможность использования дву­мерных кристаллов графена для создания брони нового поколения. Результаты их экспериментов свидетельст­вуют, что графен может выдерживать более сильные удары, чем сталь, которую он превосходит по прочности в 8-10 раз. Обстреливая листы графена шариками из кремния, ученые выяснили, что графен в состоянии по­глощать энергию порядка 0,92 МДж/кг, тогда как сталь в сопоставимых условиях обычно поглощает порядка 0,08 МДж/кг. Помимо этого было установлено, что графен на­правляет часть кинетической энергии обратно в «пулю», рассеивая энергию удара гораздо эффективнее стали. Потенциальным недостатком графена можно считать то, что «снаряды» оставляют более широкие (чем в стали) входные отверстия. Чтобы решить эту проблему, ученые рассчитывают комбинировать графен с другими материалами.

Магический графен, или Нобелевка из мусорной корзины

Гибкий мобильный телефон фирмы Samsung

Исследователи из Китая создали из графена мате­риалы толщиной с лист бумаги, которые реагируют на дистанционное управление самостоятельным склады­ванием.

В основе материала с такими необычными свойст­вами — слои оксида графена, дополненные соединени­ями из водорода и кислорода. На этот «скелет» нара­щены слоистые полоски из модифицированного оксида графена, содержащие поры, в которые могут внедрять­ся молекулы воды.

Магический графен, или Нобелевка из мусорной корзины

Гибкое мобильное устройство фирмы Apple

Полоски действуют, как губки, поглощая воду из воз­духа и набухая в условиях повышенной влажности. При нагревании или под воздействием инфракрасного излу­чения они выпускают воду, тогда полоски сжимаются, и весь лист из оксида графена сгибается в местах располо­жение полосок. При этом скорость эффекта удивитель­на — в ходе одного из экспериментов лента материала с одной полоской складывалась и раскладывалась за пять секунд. Уже получены листы, которые складываются в коробку, и «манипулятор», который способен захваты­вать и поднимать предметы в пять раз тяжелее собствен­ного веса. Разновидность подобной технологии может быть перспективна и для использования в конструкции солнечных батарей космических станций и спутников.

Интересно, что сминание графеновой «бумаги» (образованной двумя слоями графена с изолирующим промежутком из гидрогеля) наделяет ее новыми свой­ствами, весьма полезными при создании эластичных суперконденсаторов (источников питания для сле­дующего поколения гибких электронных гаджетов). Подобно батареям, графеновые суперконденсаторымогут хранить электроэнергию, не только химически, а и электростатически. Такой суперконденсатор из смятой графеновой бумаги, можно сгибать, склады­вать и растягивать на 800 % от первоначального раз­мера, причем рабочие характеристики такого устрой­ства не ухудшались даже после 1 000 подобных циклов.

Процесс изготовления графена в домашних условиях

  1. Для создания и наблюдения самого тонкого материала на нашей планете вам понадобятся чистые условия (например, физико-химическая лаборатория, хотя подойдет и обычная комната с хорошей вентиляцией), чистые руки, желательно в перчатках.
  2. Сначала подготовьте подложку, на которую вы будете помещать графен для наблюдения в микроскопе. Для этого нужно взять кремние­вую подложку с естественным оксидом на поверхности, которую перед исследованием следует очистить. Лучше всего для этого подойдет раствор соляной кислоты и перекиси водорода в соотношении 1:3. Поместите пла­стину в раствор на 30 секунд, а затем просушите сжатым азотом.
  3. Приложите отслоенный кусочек графита к ленте-скотч, используя пинцет. Аккуратно сложите ленту пополам, накрыв графит липкой сторо­ной. Несильно прижмите ленту к графиту с обеих сторон и неторопливо раскройте скотч, чтобы можно было наблюдать расслоение графита на две части.
  4. Повторите предыдущий этап раз десять. Чем тоньше будут стано­виться слои графита, тем сложнее будет это делать.
  5. Очень осторожно поместите ленту-скотч с графитом на поверх­ность кремниевой подложки. Используя пластиковый пинцет, удалите воздушные пузырьки между лентой и подложкой. Пройдитесь по поверх­ности образца пинцетом, несильно его придавливая к подложке в течение 10 минут. Затем очень медленно снимите ленту, придерживая подложку.
  6. Поместите ваш образец под 50-, а лучше 100-кратную линзу ми­кроскопа. Вы увидите множество графитовых «чешуек» разных разме­ров и формы, переливающихся всеми цветами радуги. Если вам повезет, вы заметите графен: почти прозрачную, кристаллической формы «че­шуйку», бесцветность которой будет сильно отличаться от ярких цветов «толстых» графитовых собратьев.

К настоящему времени в Манчестерском универси­тете, где и был открыт графен, разработали с его использованием новые лампочки, которые должны посту­пить в широкую продажу уже в этом году. Лампочка с регулируемой мощностью будет содержать светодиод в форме нити, покрытой графеном. По словам создате­лей, благодаря проводящим свойствам графена новая лампочка будет служить дольше и расходовать на 10 % меньше электроэнергии. При этом, как ожидается, и стоимость ее будет несколько ниже существующих светодиодных ламп.

На основе графена собираются делать и газовые датчики. Как было показано, графен абсорбирует мо­лекулы газа из окружающей атмос­феры, которые образуют примеси в слое графена, при этом свойства электронов и дырок зависят от при­роды газа. В результате, наблюдая за изменениями электросопротив­ления графена, можно определить концентрацию соответствующих га­зов в окружающей среде.

И в конце расскажем о совер­шенно новом и очень перспектив­ном направлении, возникшем бла­годаря графену, — это построение новых материалов с «заказными» свойствами.

Как отмечалось выше, свойства двумерных кристаллов сильно от­личаются от свойств трехмерных. Даже два слоя графена, положен­ные один на другой, существенно отличаются от однослойного. К на­стоящему моменту уже научились разбирать на отдельные плоскости не только графит, но и два десятка других материалов. В результате образовалась своеобразная «би­блиотека материалов». А поскольку двумерными кристаллами легко ма­нипулировать, можно создавать стопки этих кристаллов в соответствии с нашими требованиями.

Магический графен, или Нобелевка из мусорной корзины

Графеновая вода, тест IBM

Здесь можно говорить не только о стопках одинако­вых материалов: можно объединять в одну стопку не­сколько различных двумерных кристаллов. Например, можно скомпоновать изолирующие, проводящие или магнитные слои, причем свойства результирующего ма­териала будут зависеть от порядка их укладки и легко регулироваться. Теперь мы имеем новый класс мате­риалов, складываемые по желанию, как конструктор «Лего». Открывается совершенно новый мир «матери­алов по требованию».

Первые члены этого огромного семейства уже есть. Складывая монослои изолирующего нитрида бора и графена, можно получить слабо связанные слои гра­фена, взаимодействие между которыми будет зависеть от количества слоев нитрида бора между плоскостя­ми графена. При этом взаимодействие между слоями графена может варьироваться от туннелирования (при одном или двух слоях нитрида бора в промежутках) до чисто кулоновского (при более широких промежутках).

Учитывая, что набор исходных двумерных кристал­лов очень широк, свойства новых материалов могут покрыть гигантский диапазон параметров, совмещая в себе характеристики, ранее невероятные для одного материала.

Разумеется, все вышеперечисленное не исчерпыва­ет список удивительных явлений и разнообразнейших применений графена. Без сомнения, уникальные свой­ства этого объекта, «от которого исходит магия», обес­печат к нему внимание ученых и разработчиков еще не один десяток лет.

Источник: naukatehnika.com
Оставить комментарий

Мы используем файлы cookie. Продолжив использование сайта, вы соглашаетесь с Политикой использования файлов cookie и Политикой конфиденциальности Принимаю

Privacy & Cookies Policy