Графен: свойства, получение и применение¶
Графен — это двумерный аллотроп углерода, представляющий собой одноатомный слой атомов углерода, уложенных в гексагональную (шестиугольную) кристаллическую решётку. По сути, графен — это одна атомная плёнка графита: если взять обычный карандашный грифель и аккуратно отделить один слой атомов, получится именно графен. Толщина одного слоя составляет около 0,335 нанометра, то есть примерно в миллион раз тоньше человеческого волоса. Несмотря на экстремальную тонину, графен обладает рекордными прочностью, электропроводностью и теплопроводностью, что делает его одним из изучаемых материалов в современной науке.
¶Структура и свойства
Атомы углерода в графене образуют плоскую сетку из шестиугольников, каждый атом связан с тремя соседями прочными ковалентными связями. Электроны в такой структуре ведут себя как «масса без массы» — они перемещаются почти со скоростью света, что обеспечивает исключительно высокую электропроводность.
Основные свойства графена:
- Прочность. Графен примерно в 200 раз прочнее стали при в 200 раз меньшей массе. Разрывная прочность составляет около 130 ГПа.
- Электропроводность. Подвижность электронов превышает 200 000 см²/(В·с) — это рекорд среди известных материалов.
- Теплопроводность. Около 5000 Вт/(м·К), что в несколько раз выше, чем у меди.
- Прозрачность. Графен поглощает лишь около 2,3 % падающего света, оставаясь практически прозрачным.
- Гибкость. Материал способен деформироваться без разрушения, сохраняя проводимость.
- Газонепроницаемость. Плёнка графена не пропускает даже атомы гелия.
¶История открытия
Графен был выделен в 2004 году группой физиков Манчестерского университета — Андреем Геймом и Константином Новосёловым. Они использовали метод «механического отслаивания»: обычный графитовый материал проклеивали специальной лентой и многократно отслаивали, пока не остался одноатомный слой. За открытие графена и фундаментальные исследования двумерных материалов учёные в 2010 году получили Нобелевскую премию по физике.
До 2004 года считалось, что чисто двумерные кристаллы не могут существовать в принципе — теория предсказывала их нестабильность. Графен доказал обратное.
¶Способы получения
Промышленное производство графена требует иных методов, чем лабораторный «отрыв лентой»:
- Химическое осаждение из газовой фазы (CVD). Медь или никель нагревают в печи и подают углеродсодержащий газ, который разлагается, образуя графеновую плёнку на поверхности металла. Наиболее перспективный метод для получения больших площадей.
- Электролитическое осаждение. Разновидность CVD, позволяющая наносить графен непосредственно на технические детали.
- Окисление и восстановление графита. Графит переводят в графеноксид, а затем восстанавливают до графена. Метод дёшев, но даёт материал с дефектами.
- Пиролиз. Разложение углеродсодержащих соединений на каталитической поверхности.
В России графеновые исследования ведутся в ряде научных центров, в том числе в МГУ, НИТУ «МИСиС» и Институте физики твёрдого тела РАН.
¶Применение
Графен находится на стадии перехода от лабораторных исследований к промышленному внедрению. Основные направления:
- Электроника. Графеновые транзисторы, гибкие экраны, сенсоры, светодиоды.
- Аккумуляторы и суперконденсаторы. Графен повышает ёмкость и скорость зарядки батарей.
- Композитные материалы. Добавление графена увеличивает прочность полимеров и металлов.
- Фильтрация воды. Графеновые мембраны способны пропускать воду, задерживая соли и загрязнения.
- Медицина. Графеновые наночастицы исследуются как носители лекарств и контрастные агенты для МРТ.
- Спортивный инвентарь. Графеновые добавки уже используются в ракетках, велосипедах и обуви.
¶Стоимость и перспективы
Цена графена сильно зависит от качества и формы поставки. Лабораторные образцы высокой чистоты стоят тысячи долларов за грамм, тогда как графеновый порошок для добавок в материалы может стоить десятки долларов за килограмм. Препятствием массовому внедрению остаётся сложность получения крупных плёнок без дефектов и высокая стоимость оборудования.
Наибольшие инвестиции в графеновые технологии вкладывают Китай, Южная Корея, США и страны ЕС. Россия также заявила о графеновых проектах в рамках национальных технологических инициатив.
¶Интересные факты
- Графен — первый в истории по-настоящему двумерный материал, полученный экспериментально.
- Слой графена настолько тонкий, что его невозможно увидеть невооружённым глазом даже на подложке — учёные обнаружили его по interference patterns на кремнии.
- Графит, из которого получают графен, знаком человечеству тысячелетия, но графен открыт лишь в XXI веке.
Источники:
- Нобелевская премия по физике 2010 года — официальное обоснование комитета
- Novoselov K. S., Geim A. K. et al. — публикации в Science, 2004
- «Графен: от фундаментальных исследований к прикладным технологиям» — обзорные статьи РАН
- Данные НИТУ «МИСиС» о графеновых исследованиях в России