Обыкновенное углеродное чудо

Самая тонкая, прочная и проводящая материя во Вселенной – это все о графене. Ученые еще продолжают описывать его свойства, но и имеющиеся результаты открывают множество вариантов использования – от улучшения качеств потребительских товаров до создания принципиально новых технологий. Ожидается, что вскоре на рынке появится целый класс графеносодержащих устройств, а затем в игру вступят другие двумерные материалы. В мире уже нарастает гонка за графеновое лидерство, куда включаются национальные институты, корпорации и стартапы, стимулируемые национальными правительствами. Россию этот бум обходит стороной: в графен у нас не верят, на государственном уровне не поддерживают, талантливые ученые вынуждены эмигрировать. Это особенно досадно, учитывая, что изначально графен был нашей разработкой. Зачем миру понадобился графен и как России догнать конкурентов, разобрался «Профиль».

Дело было в пятницу

Графен – материал из серии «удивительное – рядом». Это лишь модификация углерода, одного из самых распространенных элементов во Вселенной, присутствующего буквально везде, от карандашей (графит) до бриллиантов (алмаз). Весь секрет в форме воплощения: графен образуют частицы углерода, соединенные в двумерную кристаллическую решетку. Толщина слоя такой «пленки» составляет ровно один атом, меньше физически невозможно. Так получается невидимый глазу материал с удивительными свойствами.

Впервые раствор оксида графена был получен в XIX веке. В 1962 году ученые наблюдали монослои углерода в просвечивающий электронный микроскоп, в 1970‑м синтезировали его на металлах, в 1986‑м ввели термин «графен», в 1990‑х изучали его транспортные свойства. Но настоящий фурор произвела работа 2004 года Андрея Гейма и Константина Новоселова, российских физиков из Манчестерского университета. Они ввели практику «пятничного эксперимента» – несерьезных опытов ради забавы. В одну из таких пятниц ученые захотели получить как можно более тонкий кусок графита: традиционное выпиливание не помогло, материал крошился, и они придумали отделять слои скотчем. Так и получился монослой графена.

Итоговая статья Гейма и Новоселова вошла в топ‑100 самых популярных в истории науки (более 10 тыс. цитирований), а в 2010 году физики получили Нобелевскую премию. Если до этого графеном занимались в нескольких элитных лабораториях, то теперь его изучают во всем мире: более 130 тыс. публикаций за 15 лет.

«Нельзя назвать Гейма и Новоселова изобретателями графена, ведь материал существует независимо от человека, – говорит в беседе с «Профилем» старший научный сотрудник центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Юрий Стебунов. – Каждый, кто пишет карандашом, с некой долей вероятности может получить слой графита в один атом. Разница в том, что в XX веке ученые издавали одну-другую работу о графене и останавливались. Тогда считалось, что двумерные вещества в принципе не могут существовать. Гейм и Новоселов же выделили их в отдельный класс материалов и открыли миру их удивительные свойства. Тем самым задали другим ученым новый фронт работы».

За прошедшее десятилетие у графена открыли множество свойств, нехарактерных для физики твердых тел: в англоязычной литературе его называют «чудесным» (wonder material). Графен обладает неправдоподобной прочностью, высокой тепло- и электропроводимостью, при этом почти прозрачен (хотя обычно это исключает хорошую проводимость) и легко растягивается на 20%. Но главное «чудо» – при абсолютной тонкости он стабилен, атомарные связи не распадаются, как, по идее, должно быть у двумерных материалов: выяснилось, что атомы удерживаются вместе благодаря специальным вибрациям.

Фундаментальные исследования графена продолжаются – например, не до конца прояснен вопрос о его взаимодействии с соседними поверхностями. «Недавно американские физики рассказали о двуслойном графене, в котором они поворачивали слои под разными углами, – приводит пример Стебунов. – Оказалось, что существует магический угол, при котором такая структура становится сверхпроводящей. Теоретики не могли предсказать этот эффект. Думаю, нас ждет еще немало подобных открытий».

Параллельно с этим ученые выяснили, что двумерный слой можно создать не только на основе углерода, но и из различных металлов, полуметаллов, полупроводников, ди-электриков. Недавно исследователи из Политехнической школы Лозанны выяснили, что сырьем для производства графена могут послужить 1825 материалов и веществ, из которых они взялись исследовать 258 наиболее простых.

«В каком-то смысле возникает новая таблица Менделеева, на изучение которой уйдут десятилетия, – полагает Стебунов. – Сегодня о 99% двумерных материалов сведения скудны, хотя ими занимаются много людей. Если смотреть на публикации в Nature Nanotechnology (ведущем мировом журнале в области нанотехнологий), то треть всех статей посвящена двумерным материалам. Трудно найти в современной науке другое направление, которое так же сильно увлекало бы исследователей».

Отдельный вопрос, который будоражит воображение ученых, – перспективы «скрещивания» двумерных материалов путем расположения их плоскостей друг на друге. В таких «бутербродах» (вандерваальсовых структурах) материалы могут проявлять новые свойства, нехарактерные для каждого из них по отдельности. Иными словами, из двух атомарных слоев можно создать третий материал, вовсе не существующий в природе.

Между пробиркой и прилавком

Пока графен продвинулся дальше своих двумерных «братьев» – от фундаментальных исследований к практическим разработкам. Но прежде чем создавать технологии на основе графена, нужно обеспечить его бесперебойные поставки. Еще недавно с этим были проблемы.

В лабораториях графен по-прежнему заготавливают с помощью графита и клейкой ленты. Этот способ гарантирует высшее качество сырья (а значит, наилучшую проводимость), но непригоден для масштабного производства – после долгих операций ученые получают квадратные миллиметры материала. В 2010 году был презентован метод химического синтеза графена: при 1000 градусах по Цельсию из сырья с содержанием углерода (обычно из органики – нефти, газа или масла) за счет пиролиза выделяется графен, осаждаясь на медную фольгу. Так можно получать монослои площадью несколько квадратных метров – их качество ниже, но для большинства применений этого достаточно.

В некоторых случаях нужно еще больше графена – например, для добавления его в композитную смесь. Тут действуют методом, известным с XIX века, – восстановлением из раствора оксида графена. Его минусы – совсем уж «низкосортный» графен и токсичное производство. В последнее время разработан альтернативный способ – дробление графита мощными миксерами до мелких чешуек.

В результате себестоимость производства графена падает. По подсчетам СМИ, сегодня в мире работает до полутора сотен графеновых «фабрик», а рыночная цена материала составляет менее 1 евро за квадратный сантиметр. К 2022 году она снизится в 100 раз, прогнозирует компания Graphenea.

И все же трудности остаются. Самый узкий момент графеновой революции – как встроить двумерный материал в трехмерный мир, закрепив тончайшую пленку на определенной поверхности (подложке). «Мы с этой проблемой столкнулись в Физтехе: когда делали биосенсорные чипы, приходилось вручную переносить на них графен с медной фольги, где он был синтезирован, – вспоминает Юрий Стебунов. – Эта процедура сложная и дорогая, она не вписывается в текущие стандарты производства электроники. Есть два способа борьбы с этой проблемой: автоматизировать перенос на подложку или синтезировать графен сразу на нужной поверхности, снизив температуру синтеза до 300–500 градусов. Оба варианта непросты в реализации, но ученые не сдаются».

Как только человек научится работать с двумерными материалами, рынок перейдет в фазу активного роста, предполагает Стебунов: «В 90‑е годы в микросхемах вместо алюминия стали использовать медь. Это был непростой переход, хотя казалось бы – один металл заменяется на другой, принцип работы остается тот же. На этом фоне графен – инновация не в пример масштабнее, требующая совсем иного подхода».

В конечном итоге графен появится вокруг нас незаметно: это будет не сенсационный прорыв, а «медленная диффузия» в повседневную реальность, прогнозирует в своих интервью Андрей Гейм. Стебунов с ним согласен: «Как идентифицировать момент, когда графен пойдет в массы? Считаю, что это произошло, поскольку крупные корпорации его уже используют. В магазинах появляются все новые графеносодержащие товары, и в какой-то момент их станет абсолютное большинство».

От ракеток до ракет

Графен пригодится человеку… везде. Просто добавьте графен – и почти любой материал станет долговечнее, устойчивее к внешним воздействиям. Теннисисты Мария Шарапова и Новак Джокович играют ракетками с графеном. В Северо-Западном университете США на его основе разработали суперстойкую краску для волос. В Нью-Йоркском университете рассчитывают, сколько слоев графена сделают бронежилет полицейского пуленепробиваемым. А Билл Гейтс вложился в компанию по производству графеновых презервативов: эти точно не порвутся.

Девелоперы планируют подмешивать графен в бетон при строительстве зданий в сейсмоопасных районах. Автопрому графен нужен, чтобы удешевить корпус автомобиля, а в перспективе и вовсе заменить металл на пластик. Еще актуальнее эта задача для аэрокосмической отрасли, ведь чем легче самолет или ракета, тем меньше расходуется топлива. Новейшие модели лайнеров – американский Boeing 787 и российский МС‑21 – почти наполовину состоят из композитных материалов.

Особо заинтересована в графене энергетика. Испанский нефтегигант Repsol вложился в компанию Graphenea: материал необходим для буровых растворов и покрытия трубопроводов. Также с помощью графена можно усовершенствовать литий-ионные аккумуляторы: батарея получится более емкой, а время зарядки сократится. Это подтверждают пилотные продукты Elecjet (внешний аккумулятор емкостью 6000 мА/ч, заряжающий iPhone за 10 минут, в планах – создание электровелосипеда с запасом хода до 100 км) и Graphenano (аккумулятор для электрокара с удельной емкостью 1000 Вт/ч/кг). Помимо этого, «чудесный» материал даст толчок альтернативной энергетике. В Массачусетском технологическом институте доказали, что солнечные батареи с графеном производят энергию даже во время дождя. А Гейм с Новоселовым тестируют графен для получения водородного топлива буквально «из воздуха».

Настоящий переворот ожидается в микроэлектронике. Возможности уменьшения кремниевых транзисторов близки к теоретическому пределу. Считается, что именно двумерные материалы позволят добиться следующего скачка вычислительных мощностей, вступив в эру посткремниевой электроники. Правда, именно графен не подойдет – придется дождаться, пока ученые изучат и смогут адаптировать к рынку его двумерных «братьев».

Зато в мобильных гаджетах графен актуален уже сегодня. В «умных» часах он используется в качестве прозрачных электродов в сенсорных экранах, заменяя дорогой оксид индия-олова.

Также на рынке можно встретить hi-end наушники с графеновой мембраной и смартфон в графеновом корпусе, не позволяющем ему перегреваться во время подзарядки. А в перспективе экраны гаджетов станут гибкими – здесь пригодится способность графена к механическому растяжению.

Еще один класс гаджетов, которые должен породить графен, – сверхчувствительные камеры и датчики. Оптические сенсоры на основе графена в сотни раз расширят диапазон действия, обеспечив видимость при плохой погоде и недостатке освещения, а также смогут «просвечивать» объекты насквозь. Это актуально не только для камер слежения в «умном» доме и городе, но и для беспилотных автомобилей: сейчас они теряют управление, если разметку замело снегом или на дорогу спустился туман.

Главные же графеновые инновации, по мнению Юрия Стебунова, ожидаются в сфере биотехнологий: «Сегодня уже существуют нейроинтерфейсы – например, можно вылечить слепоту, имплантировав в глаз искусственную сетчатку. Но пока это сложные, массивные, не слишком эффективные вещи. Графен позволит их модифицировать: электроды станут точнее, компактнее, будут оказывать меньше негативного воздейстия на организм. Сначала будет наполнен рынок нейропротезов, а затем появятся люди-киборги, мозг которых соединен с компьютером и искусственным интеллектом. Когда-то это казалось фантастикой, но с появлением графена технологическая платформа для киберпанк-будущего готова», – уверен собеседник.

Тем временем ученые проводят опыты по прямому «апгрейду» живых организмов с помощью графена: пауки и шелкопряды, которым этот материал подмешали в корм, стали сильнее и начали плести более прочную нить.

В Сети встречаются высказывания, что появление двумерных материалов спровоцирует технологическую революцию, сравнимую с изобретением колеса, бумаги, пластика или транзистора. По мнению Стебунова, это не преувеличение: графен действительно масштабнее других передовых технологий нашего времени – искусственного интеллекта, виртуальной реальности или блокчейна. Хотя говорят о нем пока меньше. «Надо понять, что графен – это не технология. Это материал, а технологий на его основе могут быть тысячи, – отмечает ученый. – Каждая из них развивается своим путем: какие-то уже выходят на потребителя, где-то требуется доработка. Графен недооценивают? Ничего страшного – в XIX веке и к алюминию относились скептически, а сегодня он везде. Если же учесть, что помимо графена скоро появятся сотни двумерных материалов, то нам открывается целый новый мир».

Великий графеновый путь

Сегодня, когда графеновый рынок только складывается, наметить темпы его роста и даже очертить границы сложно. Поэтому в исследованиях цифры могут различаться на порядок. Так, Market Research Future ожидает, что в 2023 году он составит $811 млн, а Allied Market Research в 2020‑м ожидает лишь $149 млн. Variant Market Research полагает, что объем продаж графеновой электроники в 2024 году составит $797 млн, тогда как Visiongain отводит графеновой энергетике скромное место – $29 млн в 2025‑м.

«Эти прогнозы не имеют смысла, так как они подходят к вопросу в лоб: сколько продали графена в тоннах, – возражает Юрий Стебунов. – Но сам по себе графен стоит копейки. Мы ведь не меряем рынок электроники количеством проданного кремния. Важно то, какие технологии и микросхемы сделаны из этого материала».

По мнению эксперта, о разворачивающейся гонке сегодня можно судить по научной активности. В 2010 году графен упоминался в 0,2% публикаций, в 2016‑м – в 1% (для сравнения: теме полупроводников посвящены 0,8% статей, золоту – 0,9%; данные Web of Science). Если в 2010‑м число заявок на патенты по графеновой теме не превышало 6 тыс., то в 2016‑м их стало 50 тыс. (данные Scopus).

Лидирует в исследованиях графена Китай, которому принадлежит более половины публикаций и заявок на патенты. В 2013 году в Поднебесной создали Инновационный альянс графеновой промышленности, затем сделали индустрию новых материалов одним из приоритетов 13‑й пятилетки (2016–2020 гг.). Цель Пекина – забрать себе 80% мировой индустрии графена.

«Чудо-материал» пользуется господдержкой и в других странах. В Евросоюзе запустили проект Graphene Flagship: вложения в 2014–2020 годах оцениваются в 1 млрд евро. В британском Манчестере, где графен и появился на свет, решили не отставать: в эпоху Промышленной революции город считался «хлопковой столицей», сейчас же власти продвигают бренд Graphene City. Потратив 235 млн фунтов от правительства Великобритании и заручившись поддержкой компании Masdar из ОАЭ, в 2015 году в городе открыли Национальный графеновый институт. А в Сингапуре еще в 2010‑м вложили $300 млн в создание местного Центра двумерных материалов, пригласив к сотрудничеству Гейма с Новоселовым.

«Самым правильным можно считать китайский путь, – рассуждает Стебунов. – Британцы, решив заняться графеном, начали строить корпуса в Манчестере – сам Гейм сетовал, что вместо графена развивается строительная индустрия. А сегодня нужно вкладываться в прикладные исследования, в коммерциализацию результатов. Китайцы четко осознали свою нишу. Вкладываться в микроэлектронику им поздно, уже есть устоявшиеся компании в других странах. А графен – нечто принципиально новое, и, чтобы стать в этой области лидером, требуются не такие уж большие стартовые вложения. Они и вложились. К тому же в целом наука в Китае за 10 лет сильно изменилась. В университетах США уже больше половины аспирантов – китайцы. Многие остаются работать в США, но часть возвращается на родину, где им создают все условия. Это даже вызвало недовольство Дональда Трампа, подозревающего китайцев чуть ли не в шпионаже технологий».

Главным же рецептом развития графеновых технологий стало создание специализированного национального центра, утверждает Стебунов. Это не просто научный институт, а комплексная структура: фундаментальная работа сочетается с прикладной, бизнес присматривается к результатам, менеджеры ищут партнеров и инвесторов, юристы и патентные специалисты защищают интеллектуальные права. Помимо стран-лидеров этот путь берут на вооружение Малайзия, Бразилия, ЮАР, Австралия, Япония, Индия. «Европейский Graphene Flagship оказался уникальным решением – впервые целый проект был направлен на то, чтобы ввести в практику недавнее научное открытие. Сейчас по такой же модели запускается Quantum Technology Flagship. То есть она доказала свою эффективность», – говорит собеседник.

Лишь в отдельных случаях графеновые технологии развиваются силами коммерческих компаний – в США (Intel, IBM, Apple, Lockheed Martin, SanDisk) и Южной Корее (Samsung). При этом сегодня с гигантами IT-индустрии могут конкурировать и стартапы.

«Крупным корпорациям сложно встроить новую технологию в традиционные схемы производства, стартап дает фору в скорости принятия решений, – подчеркивает Стебунов. – Если сегодня создать компанию, которая занимается нейроинтерфейсами на основе графена, через пару десятилетий она может стать лидером индустрии, переиграв на своем поле и Samsung, и Intel. Илон Маск, основавший в прошлом году Neuralink, это отлично понимает».

Успеть в будущее

А где Россия? По числу исследований графена мы находимся на 14-м месте в мире (данные Web of Science за 2014–2016 годы). Причем их процент в числе научных публикаций РФ падает: в 2000‑х годах он составлял 5,6, сейчас только 2,3%. По числу высокоцитируемых статей вся Россия уступает Центру двумерных материалов Сингапура, ситуация c патентами тоже запущена.

«В первые годы, когда шла теоретическая проработка графена, Россия котировалась выше в международной иерархии. Сейчас же тематика исследований конкретизировалась, методы работы усложнились, и мы стали отставать. Традиционная коллизия: Россия лидирует только в фундаментальной науке. Когда-то наши ученые стояли у истоков радио и телевидения, а их внедрение началось за рубежом. Сейчас то же самое происходит с графеном», – объясняет Стебунов.

Любопытно, что за границей на поприще графена отметились немало выходцев из России: помимо Гейма с Новоселовым это Владимир Фалько (Манчестерский университет), Леонид Левитов (Массачусетский технологический институт), Александр Баландин (Калифорнийский университет в Риверсайде), Дмитрий Басов (Колумбийский университет), Кирилл Болотин (Свободный университет Берлина).

В России же графен не заинтересовал чиновников: считается, что это временная мода. «В советскую эпоху ученые, удостоенные Нобелевской премии, возглавляли институты, – вспоминает Стебунов. – Например, Николай Басов возглавлял ФИАН, а Александр Прохоров – ИОФАН, оба академики. Сейчас другая ситуация. Андрей Гейм в прошлом году стал академиком Китайской академии наук, возглавляет графеновый центр в китайском Шэньчжэне, названный его именем. Подобных предложений из России не поступало. Есть ли диалог с властями на тему поддержки графеновых исследований? Не слышал о таком. Даже госкорпорация «Роснано» не интересуется двумерными материалами. В ее периметр входит компания, которая производит однослойные углеродные нанотрубки, у которых спектр применений на порядки ниже, чем у графена. Вероятно, им сложно подумать о графене, поскольку это конкурирующая технология».

При этом запустить национальный графеновый «стартап» еще не поздно, уточняет Стебунов: если в микроэлектронике догнать лидеров сложно, то в профильных для России областях – аэрокосмической промышленности и оборонке – это реально. «С 2010 года у нас говорят, что заниматься графеном смысла нет – мол, все уже сделано, – напоминает эксперт. – Но сегодня очевидно, что рынок двумерных материалов только набирает обороты. И если в будущем вы хотите занять на нем серьезную долю, у вас каждый месяц на счету».