Графен называют чудо-материалом из-за уникальных физических и химических свойств. Однако его потенциал был чисто теоретическим из-за крайней сложности и дороговизны производства. Был — до апреля этого года, который принес сразу две многообещающие «графеновые» новости.
Во-первых, 4 апреля компания Samsung объявила, что в обозримом будущем наладит дешевое и качественное производство графена и использует его в своей электронике. Во-вторых, 23 апреля ученые из Дублинского Тринити-колледжа также заявили, что изобрели новый способ промышленного производства качественного графена с помощью обычных приборов вроде миксера.
Самое время внимательно изучить свойства этого материала и понять, в каких сферах он пригодится (спойлер: во всех).
1. Электроника: компьютеры на несколько порядков мощнее современных
Мечты о прозрачных устройствах также становятся ближе к реальности: команда исследователей из Корейского университета разработала рабочую модель прозрачного модуля памяти, пропускающего до 80% света. Прозрачные дисплеи существуют уже сегодня, графен же поможет сделать их гибкими и небьющимися. В конечном итоге смартфон можно будет банально вшить в рукав рубашки или пальто, например.
Благодаря крайне высокой электропроводности графен позволит сделать современные литий-ионные аккумуляторы, используемые в большей части портативной электроники, намного более емкими и быстро заряжаемыми (и прозрачными), снизив при этом их вес и объем.
Впрочем, в индустрии компьютеров как таковых может произойти и более масштабная революция. Теоретически вместо электронной передачи данных графен позволяет использовать световую, что на несколько порядков повысило бы вычислительную мощность. Компьютер на основе такой технологии будет примерно настолько же производительнее, насколько современный игровой ПК производительнее ламповых ЭВМ 1960-х годов размером в два спортзала.
Принципиальный недостаток такой технологии один: вместо двоичной системы счисления необходимо будет использовать кардинально новую, то есть придется придумать новый способ структуризации данных и заменить абсолютно все существующие устройства, от плееров до суперкомпьютеров. Причина проста: вместо последовательности электронных сигналов работа будет вестись с проекцией света на плоскость (графена), что намного сложнее двоичного кода.
Впрочем, уже ведутся эксперименты в сфере оптикоэлектронных вычислений. Суть заключается в том, что световой сигнал графеновым транзистором преобразуется в упорядоченную последовательность электронов и в таком виде обрабатывается процессором. Производительность значительно возрастает, но не так сильно, как при оптических вычислениях.
2. Медицина: спазер, выжигающий раковые клетки
Контактные линзы ночного видения на основе графена могут пригодиться и медикам. Подобные технологии воспринимают не свет, а тепло, и превращают его в изображение. И поскольку температура крови немного выше температуры остального организма, врач (к примеру, хирург) в таких линзах сможет буквально своими глазами оценить состояние кровотока пациента.
Впрочем, не в этом заключается потенциальная медико-графеновая революция. Будучи крайне компактным и чувствительным, графен может послужить основой для микроскопических датчиков, вживляемых в ткани человека. Они позволят без дополнительных сканеров отслеживать уровень глюкозы, гемоглобина, холестерина и т.д. в крови, а также диагностировать болезни, включая рак, на рекордно ранних стадиях развития.
Вылечить рак с помощью графена тоже возможно – так утверждают (не совсем уверенно, впрочем) ученые, которые разработали спазер, микроскопический аналог лазера, на графеновой основе. Генерируемый спазером световой луч настолько мал, что, теоретически, сможет выжечь больные клетки, не повредив здоровые, а графен позволит сделать данное устройство достаточно компактным для вживления в организм.
Выполнив свои задачи, биоразлагаемые имплантаты распадутся на безвредные вещества и выйдут из тела естественным путем.
3. Экология: биоразлагаемые бутылки и очистка воды
Пластик – ужас большинства современных экологов – также может быть заменен графеном. Здесь ключевую роль играет его способность к биоразложению. Именно это свойство поможет решить проблему замусоренности лесов и морей пластиковыми бутылками и крышками.
Впрочем, графен способен на большее. Из-за своей структуры (двумерная шестиугольная кристаллическая решетка) он может пропускать сквозь себя воду и некоторые газы, задерживая другие вещества. Соответственно, графен позволит сконструировать фильтры по очистке и опреснению воды, которые благодаря его прочности будут намного более надежными, чем используемые сегодня фильтры из оксида алюминия.
Помимо воды графен может фильтровать и другие вещества. Логично предположить, что станет возможным и более качественное очищение кислорода или, например, производство экологического и эффективного топлива.
4. Электроэнергия: зарядить смартфон от свитера
В портативных устройствах сегодня используются в основном литий-ионные аккумуляторы. Однако в самых смелых теориях ученые предполагают: аккумуляторы из графена будут настолько тонкими, легкими и прозрачными, что их можно будет вшить даже в одежду и заряжать технику, например, от свитера. Если же покрыть свитер графеновой пленкой, то он еще будет заряжать аккумулятор от света солнца. Эта же тонкая и прозрачная пленка может быть нанесена и на окна, экраны, плафоны – фактически, куда угодно – превращая любую поверхность в аккумулятор.
Сам по себе графен поглощает лишь малую часть попадающего на него света – в лучшем случае три процента. Однако несколько лет назад ученые добились значительного улучшения этого показателя, разместив на графеновом листе квантовые точки – микроскопические частицы сульфида свинца. Это позволило повысить показатели энергоэффективности на несколько порядков: один попавший на подобную графеновую поверхность фотон света позволил сгенерировать до 108 электронов. Это является рекордно высоким показателем – традиционные полупроводники позволяют получить один электрон из одного фотона, остальная энергия выделяется в виде тепла.
Таким образом, например, лампы с графеновым аккумулятором некоторое время смогут заряжать себя собственным светом, а затем подключаться к внешним источникам питания. Вся структура электропитания приборов изменится, как и сами приборы, и станет намного проще и удобнее (в идеальном варианте). Классические солнечные панели, очевидно, останутся в прошлом.
Подобная технология значительно расширит горизонты и космических исследований. Впрочем, не она одна.
5. Фотодетекторы: линзы ночного видения
Графен крайне чувствителен и способен улавливать свет всего спектра (от инфракрасного до ультрафиолетового), а также легче и прочнее всех существующих аналогов. Логично использовать его в фотографической промышленности. Речь идет не только о фотоаппаратах, но и о телескопах, в том числе орбитальных, которые могут заменить знаменитый Hubble. Таким образом, ученым удастся получить более детальные снимки космических объектов, находящихся в дальнем космосе.
Также способность графена улавливать инфракрасное излучение позволит создать линзы ночного видения – так утверждают американские ученые из Мичиганского университета. Им удалось создать миниатюрный фотодетектор всего из двух слоев графена и одного изоляционного слоя. Небольшое электрическое воздействие на него создает эффект ночного видения. Размеры же детектора позволят использовать его не только в камерах, но и в очках или даже глазных линзах.
6. Защитные покрытия: самолет, которому не страшна молния
Графен значительно крепче и при этом легче большинства современных материалов, следовательно, его можно использовать в качестве брони для военной техники.
Но помимо этого графен может защитить или даже заменить и сами материалы, используемые в современной промышленности. Так, покрытые графеновой пленкой металлы не только станут крепче, но и не будут контактировать с окислителями и, следовательно, ржаветь.
Полная же замена металла этим материалом (точнее, практически полная) даст серьезный толчок к развитию воздушной и космической промышленности, позволив создавать более легкие и надежные аппараты. Такой подход как минимум приведет к улучшению маневренности и экономии топлива. Кроме того, графеновому самолету, например, не будет грозить удар молнии.
И все-таки у него есть недостатки
Тем не менее, идеализировать графен – мол, везде-то он пригодится и все-то из него прекрасно получится – не стоит. Прежде всего, использовать графен «сам по себе» практически невозможно, так или иначе ему потребуется «подложка»: квантовые точки из сульфида свинца, электроды из золота, ткани, металлы, тот же пластик…
Кроме того, графен можно получить несколькими способами, и в каждом случае его свойства, а главное, качество, будут различаться. Ранее считалось, что производить пригодный для технологических революций графен в промышленных масштабах пока невозможно. Однако заявления ученых из Samsung и Корейского университета вселяют надежду, что эта проблема вот-вот будет решена.
Впрочем, графен наверняка таит в себе еще множество «подводных камней», о которых ученые пока не могут знать. По сути, за 10 лет исследований эксперименты в этой области едва успели выйти из зародышевой стадии, так что наверняка впереди еще много проблем. Но если ученым удастся преодолеть сегодняшние барьеры, в течение следующих 10 лет практически все технологии могут оказаться безнадежно устаревшими, и мы будем жить в совершенно другом мире.
