Центр исследований графена

Центр исследований графена — научно-исследовательское подразделение, специализирующееся на изучении графена, его модификаций, методов синтеза и потенциальных областей применения. Центры такого типа обычно создаются при университетах, национальных лабораториях или в рамках государственных научных программ, объединяя физиков, химиков, материаловедов и инженеров. Деятельность центров охватывает как фундаментальные исследования свойств двумерных материалов, так и прикладные разработки, направленные на внедрение графена в электронику, энергетику, медицину и композитные материалы.

История возникновения

Первые специализированные центры по исследованию графена начали появляться в конце 2000-х — начале 2010-х годов. Это было связано с несколькими ключевыми событиями:

• 2004 год — получение свободно стоящих слоёв графена группой Андрея Гейма и Константина Новосёлова (Манчестерский университет), за что в 2010 году они были удостоены Нобелевской премии по физике.
• 2006–2008 годы — бурный рост числа публикаций по графену и осознание его уникальных механических, электрических и оптических свойств.
• 2010-е годы — начало государственного финансирования крупных проектов, таких как Graphene Flagship (Европейский союз, 2013 год) и создание национальных центров в США, Китае, Великобритании, России и других странах.

В России одним из первых крупных проектов стал Центр исследований графена при Национальном исследовательском технологическом университете «МИСиС» (НИТУ «МИСиС»), открытый в 2013 году. Позднее аналогичные лаборатории и центры появились в Московском физико-техническом институте (МФТИ), Институте физики твёрдого тела РАН, Санкт-Петербургском государственном университете и других организациях.

Основные направления исследований

Синтез и модификация графена

Центры разрабатывают и оптимизируют методы получения высококачественного графена:

• Механическое отслаивание — получение мелких кристаллитов графена из графита с помощью скотча (метод, использованный Геймом и Новосёловым). Подходит для лабораторных исследований, но малопроизводителен.
• Химическое осаждение из газовой фазы (CVD) — выращивание графеновых плёнок на медных или никелевых подложках. Позволяет получать крупноформатные образцы (до десятков сантиметров), пригодные для электроники.
• Жидкофазное расслаивание — диспергирование графита в растворителях с помощью ультразвука. Даёт суспензии графеновых нанопластинок, используемых в композитах и покрытиях.
• Эпитаксиальный рост на карбиде кремния (SiC) — термическое разложение SiC в вакууме, приводящее к образованию графенового слоя на поверхности. Используется для создания высокочастотных транзисторов.

Физические свойства

Исследуются фундаментальные характеристики графена:

• Электронные свойства — высокая подвижность носителей заряда (до 200 000 см²/(В·с) при комнатной температуре), аномальный квантовый эффект Холла, безмассовые дираковские фермионы.
• Механические свойства — прочность на разрыв около 130 ГПа (самый прочный из известных материалов), модуль Юнга ~1 ТПа.
• Теплопроводность — до 5000 Вт/(м·К) (выше, чем у алмаза и меди).
• Оптические свойства — поглощение всего 2,3 % падающего белого света (почти прозрачен), нелинейно-оптические эффекты.

Прикладные разработки

Центры активно работают над внедрением графена в реальные технологии:

• Электроника — графеновые полевые транзисторы (в том числе гибкие), прозрачные проводящие электроды для сенсорных экранов и солнечных батарей, высокочастотные смесители и детекторы.
• Энергетика — суперконденсаторы на основе графена (высокая удельная ёмкость), литий-ионные и натрий-ионные аккумуляторы, топливные элементы (катализаторы на графеновой подложке).
• Композитные материалы — добавление графена в полимеры, металлы и керамику для повышения прочности, жёсткости и электропроводности.
• Медицина — биосенсоры для обнаружения глюкозы, ДНК, вирусов; системы доставки лекарств (графеновые наночастицы, функционализированные биомолекулами); антибактериальные покрытия.
• Фильтрация и мембраны — графеновые оксидные мембраны для очистки воды (задерживают ионы тяжёлых металлов, органические красители) и газоразделения (например, выделение водорода из смеси газов).

Крупные центры и проекты по всему миру

Graphene Flagship (Европейский союз)

Крупнейший европейский научно-исследовательский проект, стартовавший в 2013 году с бюджетом около 1 миллиарда евро (включая государственное и частное финансирование). Объединяет более 150 академических и промышленных партнёров из 20 стран. Координатор — Технологический университет Чалмерса (Швеция). Проект охватывает весь цикл от фундаментальных исследований до коммерциализации: создание прототипов графеновых транзисторов, гибких дисплеев, лёгких композитов для авиации и автомобилестроения.

Центр исследований графена при НИТУ «МИСиС» (Россия)

Основан в 2013 году в рамках мегагранта Правительства РФ (постановление № 220). Руководитель — профессор Альберт Насибулин (до 2021 года). Основные направления: синтез графена методом CVD, создание гибких прозрачных электродов, разработка графеновых суперконденсаторов и биосенсоров. В 2016 году центр получил статус «Центра превосходства» Министерства образования и науки РФ.

Graphene Center при Кембриджском университете (Великобритания)

Входит в состав Кембриджского графенового центра (Cambridge Graphene Centre, CGC) — междисциплинарной лаборатории, созданной в 2011 году. Специализируется на интеграции графена с другими двумерными материалами (гексагональный нитрид бора, дихалькогениды переходных металлов) для создания гетероструктур.

Национальный институт графена (National Graphene Institute, NGI) при Манчестерском университете (Великобритания)

Открыт в 2015 году при поддержке правительства Великобритании (инвестиции 61 млн фунтов). Один из ведущих центров по изучению фундаментальных свойств графена и его применению в электронике, фотонике и композитах. В NGI работают лауреаты Нобелевской премии Андрей Гейм и Константин Новосёлов.

Центры в Китае

Китай активно инвестирует в графеновые исследования: созданы десятки лабораторий при университетах (Пекинский университет, Университет Цинхуа, Нанкинский университет), а также промышленные парки, такие как «Графеновая долина» в провинции Цзянсу. Китай лидирует по числу публикаций и патентов в области графена (более 40 % мирового объёма).

Центры в США

• Graphene Research Centre при Колумбийском университете (Нью-Йорк) — фокус на механические свойства и электронику.
• Center for Graphene Devices and 2D Systems при Университете Райса (Техас) — разработка графеновых транзисторов и сенсоров.
• Graphene and 2D Materials Laboratory при Массачусетском технологическом институте (MIT) — изучение гетероструктур и плазмоники.

Критика и проблемы

Несмотря на значительные успехи, центры исследований графена сталкиваются с рядом трудностей:

• Масштабирование производства — методы синтеза высококачественного графена (CVD, эпитаксия) остаются дорогими и малопроизводительными. Промышленное внедрение тормозится из-за высокой стоимости (до 1000 долларов за грамм для CVD-графена).
• Воспроизводимость свойств — характеристики графена сильно зависят от метода синтеза, количества дефектов, типа подложки и способа переноса. Это затрудняет стандартизацию и сертификацию.
• Конкуренция с другими материалами — во многих приложениях (прозрачные электроды, композиты) графен конкурирует с более дешёвыми и зрелыми материалами (ITO, углеродные нанотрубки, металлические нанопроволоки).
• Экологические и токсикологические риски — влияние графеновых наночастиц на живые организмы и окружающую среду изучено недостаточно. Некоторые исследования показывают потенциальную токсичность графенового оксида при попадании в лёгкие или кровоток.

Перспективы

Центры исследований графена продолжают развиваться, смещая акцент с фундаментальных открытий на коммерциализацию. Ожидается, что в ближайшие 5–10 лет графеновые технологии найдут применение в:

• Гибкой электронике — складные смартфоны, носимые датчики.
• Энергетике — высокоёмкие аккумуляторы для электромобилей, сверхбыстрые суперконденсаторы.
• Медицине — имплантируемые биосенсоры, системы адресной доставки лекарств.
• Композитах — лёгкие и прочные материалы для авиации, космоса и спортивного инвентаря.

Ключевым вызовом остаётся снижение стоимости производства и разработка надёжных методов контроля качества.

Источники

1. Geim A. K., Novoselov K. S. The rise of graphene // Nature Materials. — 2007. — Vol. 6, № 3. — P. 183–191.
2. Novoselov K. S. et al. Electric field effect in atomically thin carbon films // Science. — 2004. — Vol. 306, № 5696. — P. 666–669.
3. Ferrari A. C. et al. Science and technology roadmap for graphene, related two-dimensional crystals, and hybrid systems // Nanoscale. — 2015. — Vol. 7, № 11. — P. 4587–5062.
4. Graphene Flagship. Annual Report 2023. — European Commission, 2024.
5. Насибулин А. Г. и др. Синтез и применение графена: обзор // Успехи физических наук. — 2014. — Т. 184, № 5. — С. 465–496.
6. National Graphene Institute (Manchester). Official website. — 2024.
7. НИТУ «МИСиС». Центр исследований графена. — Официальный сайт университета, 2024.
8. Болотов В. В. и др. Графен: методы синтеза и перспективы применения // Российские нанотехнологии. — 2016. — Т. 11, № 5–6. — С. 5–20.