Почему трамплин в будущее изготовят из графена

Вы наденете купленную несколько лет назад куртку, которая до сих пор выглядит как новенькая. За ночь на батарее она накопила тепло и теперь весь день будет вас согревать. Поверх рукава обернете девайс помощнее очков – рабочий компьютер. Он очень легкий и выглядит, как браслет-экран, – куда удобнее, чем увесистые ноутбуки, которые когда-то давали ту же вычислительную мощность. Вот теперь можно выходить из дома…

Сегодня подобные картины рисуют не только писатели и сценаристы, но и ученые-физики. Поводом служит изобретение графена – предельно тонкого, толщиной всего в один атомный слой, углеродного материала. Впервые его получили отечественные ученые Андрей Гейм и Константин Новоселов в 2004 году. В 2010‑м за работу с графеном им была присуждена Нобелевская премия по физике.

С тех пор прошло, казалось бы, достаточно времени, для того чтобы изучить основные свойства и начать практическое внедрение графена. Однако, несмотря на многочисленные анонсы подобных проектов, большинство из них не получило развития. Оказалось, что перейти от лабораторных опытов к полноценному производству чудо-материала не так-то просто. И все же рано или поздно количество инвестиций в графеновые компании (счет которым идет на миллиарды долларов) начнет переходить в качество.

Отложенная революция

История знает немало примеров того, как за счет успехов в материаловедении становился возможен следующий виток научно-технического прогресса. Всякий раз освоение нового материала с необычными свойствами давало человеку «золотой ключик» к изобретениям в самых разных областях. К примеру, еще в середине XIX века летающие по небу «железные птицы», о которых писали Жюль Верн и другие писатели-«фантазеры», не воспринимались всерьез. А уже спустя полвека самолеты стали реальностью.

За это не в последнюю очередь нужно благодарить алюминий – легкий, а в сплаве с медью и другими компонентами очень крепкий металл. Причем он был впервые получен в 1825 году датским физиком Гансом Эрстедом и долгое время был дороже золота. Без электролиза (1856 год) и массового производства (начато в 1885‑м) на его революционность ничто не указывало. Но, дождавшись своего часа, алюминиевые сплавы изменили нашу жизнь до неузнаваемости.

Еще более долгий путь к рыночному успеху прошли пластмассы на основе синтетических полимеров. Они впервые были получены в 1855 году: британский изобретатель Александр Паркс синтезировал паркезин – низкокачественную предтечу пластика. 11 лет спустя он даже открыл производство паркезина, но за два года фирма разорилась. Современники Паркса так и не поняли смысл его изобретения. Как бы они удивились, узнав, что в XXI веке человек будет производить 4–5 трлн пластиковых пакетов в год, угрожая засыпать ими всю планету…

На этом фоне 16 лет, прошедших к настоящему моменту со дня первого получения графена, – совсем немного. С другой стороны, по сравнению с XIX веком темп жизни сегодня совершенно другой. А значит, не за горами тот час, когда графен по-настоящему «выстрелит» – рост числа стартапов, разработок и вложенных в них средств, похоже, не оставляет другой возможности.

Тонкости на атомном уровне

В исходном состоянии графен – это двумерный «лист», состоящий из атомов углерода, которые соединены между собой в виде шестиугольников. Благодаря такой структуре сверхтонкий органический материал при почти полной прозрачности обладает высокой тепло- и электропроводностью. Если сомкнуть края «листа», получатся углеродные нанотрубки. Причем угол складывания по отношению к атомам влияет на электропроводность: в одном случае можно получить полупроводники, в другом – изоляторы (диэлектрики).

Также материал может существовать в форме «графенового шара» (фуллерена), за открытие которого Нобелевская премия Роберту Керлу, Харольду Крото и Ричарду Смолли была вручена еще раньше, в 1996 году. Тем не менее свойства фуллерена на сегодняшний день изучены меньше, чем «листового» или «трубчатого» графена.

Двумерный материал может существовать сам по себе, однако произвести его невозможно без определенной подложки. У Андрея Гейма и Константина Новоселова изначально ею служил простейший скотч, которым они «отклеивали» углеродные слои от куска графита. С годами появились более продвинутые способы получения графена: химическое выделение из оксида графита или газовое осаждение пленки на металле.

Вне зависимости от формы и способа получения графен считается одним из самых прочных материалов на Земле. Прочнее алмаза, который также является формой углерода. Любопытно, что углеродные нанотрубки даже рассматриваются некоторыми учеными как возможность создания «космического лифта» – троса, по которому на орбиту Земли и обратно можно было бы возить грузы и людей. Было подсчитано, что для создания такого троса нужна прочность 65–120 ГПа, но для нанотрубок это не проблема – в теории они выдержат и больше.

Энергичные инновации

Если же обратиться к более «приземленным» вариантам применения, то графену прогнозируют большое будущее в качестве аддитива – вспомогательного элемента, который улучшает электрические свойства проводящих красок, покрытий, смол и других материалов.

Одним из самых многообещающих сценариев считается разработка на основе графена новых элементов питания. Согласно исследованиям, в аккумуляторах можно использовать в сто раз меньший объем углеродных нанотрубок, чем многослойного графита, и все равно это приведет к улучшению характеристик. Например, если у традиционных литий-ионных аккумуляторов за 100 циклов заряда-разряда полезная емкость падает до 82%, то с добавлением многослойного графита этот показатель вырастет до 90%, а с однослойными нанотрубками – до 97%.

Компания Huawei испытала эту технологию, выпустив два поколения смартфонов под дочерним брендом Honor Magic в 2016 и 2018 годах. Для аппаратов была заявлена вдвое большая жизнь аккумуляторов (до 2000 зарядов с потерей емкости до 70%) и ускоренная зарядка. Однако это практически не сказалось на реальном опыте использования. Тестировщики отмечали действительно быстрое пополнение аккумулятора – наравне с другими технологиями быстрой зарядки, но не более. А до двух тысяч циклов в реальных условиях доживает редкий смартфон: при условии ежедневного пополнения батареи такой аппарат должен использоваться чуть меньше шести лет.

Samsung может представить смартфон с графеновой батареей

По слухам, аппарат с фуллеренами в аккумуляторе в 2017 году разрабатывали и в Samsung, но в продажу он не поступил. Вероятно, на том этапе исследований графена его добавление в аккумуляторы было малоэффективно. Но с каждым годом ситуация меняется. По крайней мере, так считает американский стартап Real Graphene. Месяц назад его основатели сообщили о планах в конце года выйти на рынок с двумя графеновыми внешними аккумуляторами емкостью 10 000 и 20 000 мА•ч. Они смогут заряжаться рекордно быстро – за 20 и 40 минут, тогда как обычно время заряда батареи такой емкости составляет минимум три часа. Графеновые АКБ смогут выдержать до 1500 циклов заряда-разряда, что продлит время их использования втрое по сравнению с обычными пауэрбанками.

Еще острее потребность в новых элементах питания ощущает индустрия электромобилей, для которой любой прогресс в этой области означает прирост технических характеристик и удешевление машин. Ряд стартапов уже отреагировали на этот запрос. Например, летом прошлого года испанская компания Graphenano представила прототип графен-полимерного аккумулятора Grabat, который способен вдвое увеличить запас хода машины от одного заряда – до 800 км и выше. Это достигается за счет впятеро большей удельной емкости (1000 Вт/ч), которую как раз и обеспечивает графен. Он же должен позволить заряжать автомобиль на 100% за считанные минуты. Для производства Grabat компания открыла завод площадью более 7 тыс. квадратных метров.

Девайсы из нанотрубок

Электрические свойства графена вкупе с компактностью вызывают к нему интерес и в индустрии микроэлектроники. В 2016 году физики из Университета Висконсина (США) доказали, что графеновый транзистор может быть в пять раз производительнее, чем традиционный кремниевый. При этом он будет на порядок миниатюрнее: диаметр атома углерода составляет 152 пм, или 0,152 нм, тогда как самые продвинутые чипы производят по техпроцессу 7 нм.

Однако собрать работающий процессор с такими транзисторами пока удалось только инженерам Массачусетского технологического института. В конце лета 2019 года они представили экспериментальный чип, который сумел выполнить команду Hello, World!, то есть доказать свою работоспособность. Важность события подчеркивается двумя факторами. Во‑первых, чтобы процессор работал корректно, нанотрубки нужно сразу расположить («вытравить») в определенных местах и с определенной ориентацией. Во‑вторых, среди них не должно попадаться металлических нанотрубок, которые могут образоваться из контактов чипа.

Первую трудность разработчики преодолеть смогли, а вот вторую обошли – не сумев избавиться от лишнего металла, они научили процессор учитывать его и правильно обрабатывать искаженные сигналы. Это существенно снижает производительность по сравнению с потенциальными возможностями чипа на основе нанотрубок.

Золотые хлопья, искусственная кожа и другие материалы будущего

Одна из ключевых особенностей графена – крепкая связь атомов, нехарактерная для других двумерных материалов. Аналогичным образом – отслоением – ученым удалось получить двумерные кристаллы из кремния, фосфора, титана и других элементов. Однако они намного более хрупкие и без подложки, в отличие от графена, практически не могут существовать.

В середине прошлого года, впрочем, ученые из Лидского университета (Великобритания) сумели получить «хлопья» золота толщиной всего в два атома. Новому материалу в перспективе отводится примерно та же роль, что и графену: использование в качестве энергоэффективного каталитического слоя в дисплеях и процессорах, помощь в диагностировании и лечении рака. В первом сценарии золото используется и сейчас, однако ноу-хау британских ученых позволит уменьшить количество требуемого драгметалла. Главной же своей задачей они считают изучение способов получения двумерных материалов в принципе.

В «трехмерном» материаловедении тоже не обходится без важных открытий. За последний год ученые заметно продвинулись в получении искусственных материалов со свойствами живых тканей. Ведутся работы по созданию «искусственной кожи» – материала, который способен растягиваться, не теряя защитных свойств. Например, группа ученых из МГУ под руководством профессора Дмитрия Иванова в 2018 году представила полимерный материал, который при растягивании только укрепляется – по аналогии с кожей хамелеона.

Ранее подобные материалы пытались получить на основе гидрогелей, но тогда приходилось выбирать между мягкостью и прочностью. Но и здесь ученым есть чем похвастаться. В начале февраля исследователи из университетов Бристоля (Великобритания) и Париж-Сакле (Франция) представили гидрогель с высоковязкой связью, который должен обеспечить веществам на его основе более долгий срок службы и новые физические свойства (например, абсолютную нелипкость).

А в январе американские ученые из Университета Колорадо представили «живой бетон» – материал из смеси желатина, песка и специальных бактерий. Последние позволяют веществу восстанавливаться после разрушения. В рамках эксперимента ученые разорвали такой бетон на части трижды, но структура все равно регенерировала. Предполагается, что в будущем такой строительный материал будет использоваться в отдаленных регионах Земли и даже во внеземных колониях.

Впрочем, есть у графена и другое свойство, интересующее производителей гаджетов, – почти стопроцентная прозрачность. Вкупе с высокой проводимостью и энергоемкостью она открывает широкие возможности для изготовления гибких графеновых дисплеев – сверхтонких, прозрачных, сенсорных, а вдобавок поглощающих солнечный свет и заряжающих встроенный аккумулятор.

Созданием таких дисплеев пока занимаются университеты и стартапы. Так, в 2018 году Графеновый центр при Кембриджском университете (Cambridge Graphene Centre) совместно с производителем дисплеев для электронных книг Plastic Logic представил гибкий дисплей, в котором традиционный полупроводник – оксид индия-олова (indium-tin oxide, ITO) – был заменен графеном. Любопытно, что ITO сейчас используется в большинстве гаджетов, при этом входящий в состав сплава индий относится к редким металлам. По мере развития технологий спрос на него растет, а запасы исчерпываются, и в будущем индию понадобится замена. Графен вполне может ею стать, что и продемонстрировали в Кембриджском университете. Как уточнили исследователи, графен также можно использовать в жидкокристаллических (LCD) и светодиодных (OLED, AMOLED) дисплеях, добиваясь аналогичных качеств – гибкости и энергоэффективности.

Что же касается поглощения солнечной энергии, то пока это лишь теория. В 2017 году ученые из российских институтов (НИЯУ МИФИ, ИТМО) и японского Hosei University объявили о начале разработки солнечных панелей на основе графена и квантовых точек. Главная задача – понять принципы поглощения солнечной энергии подобными структурами и оценить ее перспективы в реальной жизни. После 2018 года новостей о проекте не было.

Против рака и грязной воды

Мировое медицинское сообщество также видит в графене потенциал. В январе 2019 года в журнале Nature была опубликована статья, где авторы рассказали, что благодаря своим свойствам графен может определять наличие вредоносных раковых клеток в организме и доставлять противораковые лекарства в нужные точки. Важным фактором является то, что углерод, в отличие от большинства возможных альтернатив, – органическое вещество, которое не надо выводить из организма.

Учёные нашли графену применение в онкологии

А в МГТУ им. Н. Э. Баумана с помощью графена создают биологические сенсоры нового поколения, служащие для регистрации белковых маркеров опасных заболеваний в крови пациента. «В качестве основы мы использовали восстановленный оксид графена, который позволяет создать проводящую электричество область и в то же время привязать биологически чувствительный материал, – рассказал «Профилю» директор МИЦ «Композиты России» Владимир Нелюб. – Такие сенсоры ускорят процесс выявления заболеваний на ранних стадиях, а также сделают возможной быструю диагностику в труднодоступных районах в период военных действий или разведэкспедиций».

Тем временем австралийским ученым из Государственного объединения научных и прикладных исследований (CSIRO) благодаря графену удалось решить острую гуманитарную проблему – нехватку чистой воды. В 2018 году они представили Graphair – фильтр, который позволяет в один этап полностью очистить воду от соли, масел и различных загрязнений. А в прошлом году ученые из университета Уханя (Китай) сообщили о создании чуть более сложного фильтра из углеродных нанотрубок, который позволяет удалить соль из воды. В нынешнем виде технология позволяет создавать очиститель размером всего один сантиметр, но ученые планируют ее доработать.

Постепенно графен находит свое применение и в других областях. В 2017 году ученые из Манчестерского университета нашли способ производить текстиль с напылением из графена. А уже через год британский бренд одежды Vollebak выпустил в продажу такую куртку, которая позиционировалась как «частично научный эксперимент». Его суть заключалась в изучении свойств графена как текстильного материала. Например, выяснилось, что он может накапливать тепло и не дает скапливаться влаге.

Ожидается, что в будущем графен позволит снабжать одежду различными датчиками и даже экранами. А кроме того, превратит любую вещь в бронежилет: в 2017 году ученые Городского университета Нью-Йорка пришли к выводу, что всего два графеновых слоя остановят выпущенную из пистолета пулю.

Графен – дело тонкое

Означает ли все это, что графеновые технологии наконец выходят из лабораторий на массовый рынок? И да, и нет. В производстве «сырого» графена загадок нет: этим занимаются стартапы в разных странах (американский Graphenea, британский Paragraf), то есть при наличии инвестиций объем выпуска материала можно сравнительно быстро довести до промышленных масштабов. Об этом свидетельствует пример международной компании OCSiAl, основанной в 2009 году российскими бизнесменами. Суммарные инвестиции в проект составили $200 млн, и сегодня OCSiAl производит в год до 75 тонн графеновых трубок, которые можно свободно купить на сайте компании.

Больше того, регулярно появляются новости об открытии все более элементарных способов графенового производства. В июне 2019‑го группа ученых из Австралии и Индии опубликовала статью в журнале ACS Sustainable Chemistry & Engineering, где описывает возможность получения графена невысокого качества из его оксида с помощью коры эвкалипта. А совсем недавно ученые из Университета Райса (США) доказали, что графен со случайно ориентированными слоями можно получить буквально из мусора. По их расчетам, если собрать отходы с высоким содержанием графита и пропустить через них разряд тока, в результате удастся получить несколько граммов однослойного углерода.

Проблема же заключается в другом: интеграции двумерного материала в стандартные, «трехмерные» промышленные процессы, будь то производство аккумуляторов, курток или чего-либо еще. Оказалось, что, несмотря на свою феноменальную прочность, графен слишком хрупок для грубой заводской обработки. «Основное препятствие, из-за которого процессоры до сих пор выпускают на кремнии, а сенсорные экраны – на оксиде индия-олова, – это перенос или синтез графена на нужной подложке, – объясняет Владимир Нелюб. – При переносе он, как правило, рвется случайным образом, что не дает возможности сделать большой сенсорный экран. А для синтеза требуются температуры порядка 900 градусов Цельсия, что автоматически исключает использование гибких подложек».

Над решением этой проблемы сегодня бьются во всем мире. В частности, в МИЦ «Композиты России» разрабатывают альтернативные способы переноса графена на различные подложки. Нелюб уточняет, что для различных специфических задач нужно, чтобы в графене присутствовали определенные функциональные группы. Например, в сенсорах графен должен «цеплять» био- или газочувствительные молекулы. Эти нюансы и ограничивают потенциальный объем промышленного производства «сырого» графена.

Сколько времени потребуется, чтобы преодолеть «детские болезни» технологии? Точных сроков не называют ни у нас, ни за рубежом. Но исторический опыт обнадеживает: материалы со столь привлекательными свойствами неизбежно находят свой путь «в народ».