Леонід ПономаренкоЩо таке графен?
Графен — це перший досліджений (однак не єдиний) двомірний кристал. Його решітка утворена атомами вуглецю, впорядкованими у площині в гексагональну структуру, яка виглядає як з’єднані між собою шестикутники. Товщина графену — 1 атом.
Довгий час вважалося, що двомірні матеріали існувати не можуть. Однак у 2004 році британські фізики Андрій Гейм і Костянтин Новосьолов не тільки створили і таким чином довели існування графену, але й дослідили електонні властивості матеріалу. У 2010 році вони отримали Нобелевську премію з фізики — за «новаторські експеримети з двомірним матеріалом графеном».
Чи можливо зробити графен в домашніх умовах?
Так. Для цього потрібний шматочок якісного графіту і звичайний скотч. Це — саме той спосіб, за допомогою якого графен був вперше отриманий для лабораторних досліджень. Основою методу є факт, що зв’язки між шарами графіту надзвичайно слабкі та легко руйнуються.
Якщо скотч спочатку прикласти липкою поверхнею до графіту і відірвати, то маленькі фрагменти матеріалу залишаться на поверхні з клеєм. Товщина фрагментів буде кілька мікронів, — але це ще не графен. Далі потрібно кілька разів повторити одну просту вправу: скласти скотч навпіл (щоби половинки торкалися одна одну липкими поверхнями) і розтягувати кінці скотчу в протилежні сторони. Така процедура робить кожний фрагмет приблизно вдвіччі тоншим і після 10-15 «складань-розтягувань» значна частина графіту буде товщиною в один атомний шар. Це і є графен.
Чим особливий графен?
Графен має цілий ряд унікальних властивостей:
- Це — найміцніший матеріал. В перерахунку на одиницю товщини, графен в 200 разів міцніший за сталь.
- Графен можна розтягнути на 20%, перш ніж він порветься, що неможливо навіть уявити для інших кристалів. Такі механічні властивості є результатом надзвичайно малої відстані і сильного зв’язку між атомами вуглецю. Теоретичні розрахунки показують, що «гамак» із графену розміром 1 x 1 м може витримати вагу до 8 кг.
- Графен є чудовим провідником електричного струму і тримає рекорд за параметром рухливості електронів при кімнатній температурі. Цікаво, що електрони рухаються в графені так, ніби у них немає маси.
- Це — також найтонший матеріал. Всього лиш 5 г графену достатньо, щоби повністю покрити футбольне поле.
- Якщо до цього переліку додати, що графен є прозорим і хімічно інертним, то стає очевидним, що матеріал має неабиякий потенціал для використання у найрізноманітніших сферах — від електроніки до будівництва.
Де використовується графен?
Комерційних виробів з графеном зараз зовсім небагато, але вже зараз можна купити графенові чорнила для принтера, які проводять електричний струм і таким чином дозволяють друкувати електричне коло практично на будь-якій поверхні.
Також продаються смартфони з графеновим екраном, який не розбивається і не тріскає при падінні. Графен вже знайшов своє, поки досить обмежене, застосування в батареях і спортивному обладнанні. Багато компаній (включаючи таких гігантів як Samsung та Intel) ведуть активні розробки і шукають нові області застосування для графену.
Вересень 2016: Лауреат Нобелівської премії з фізики 2010 року Костянтин Новосьолов демонструє комерційний смартфон, сенсорний екран (touchscreen) у якому виготовлений з графену
В яких областях графен може створити революцію?
Найбільш перспективними областями застосування графену в майбутньому є сенсори і наноелектоніка. За рахунок надзвичайно великої площі поверхні по відношенню до об’єму і за рахунок високої провідності матеріалу продемонстровані на сьогодні сенсори на основі графену мають неперевешену чутливість і короткий час відгуку.
Стосовно наноелектроніки, з кожним днем все більше вчених схиляєтся до думки, що в далекій перспективі графен замінить кремній. Це — єдиний досліджений провідник, який дозволяє робити транзистори розміром менше 10 нм і при цьому залишатися стабільним при нормальних умовах.
Чи існують інші двомірні матеріали, крім графену?
Так. Клас двомірних кристалів зараз вже досить великий і включає понад 30 відомих матеріалів. Сюди входять як похідні графену (наприклад, флюорінований графен, який є двомірним аналогом тефлону), так і матеріали без вуглецю (наприклад, нітрид бору).
Надзвичайно активним науковим напрямком зараз є вивчення гетероструктур — коли 2 або більше двомірних матеріали накладаються один на одного, щоб утворити стек. Такі структури часто демонструють унікальні властивості, яких немає у їхніх складових, і таким чином розширюють сферу потенційного застосуванни 2D-матеріалів.
Від редакції: автор публікації — спікер конференції Brain&Ukraine, учасник групи науковців, яка у 2010 році отримала Нобелівську премію за «новаторські експерименти з двомірним матеріалом графеном».