Нобелевская премия в области физики сделала двух выходцев из России, Андрея Гейма и Константина Новоселова, знаменитыми. Возможно, кому-то покажется, что в XXI веке странно давать «нобелевку» за открытие нового материала, тем более какой-то там разновидности углерода. Однако премию дали не только за это, а в большей степени за открытие целого класса необычных физических и химических свойств материала, которые тесно связаны с квантовыми эффектами.

В 2004 году профессор Андрей Гейм и его команда из университета Манчестера впервые получили графен с помощью отшелушивания от куска графита листов углерода толщиной в один атом. Материал привлек внимание ученых своей прочностью, эластичностью и хорошей электропроводностью. С тех пор ученый мир лихорадочно делал с графеном то, что люди не делали со времен алхимии: смешивали, жгли, замораживали, прикладывали к ране и т.п.

Удивительно, но почти во всех областях графен продемонстрировал уникальные свойства. Возможно, графен и схожие с ним по строению материалы и станут тем самым философским камнем, который сможет решить многие проблемы.

Прежде всего графену прочат большое будущее в электронике. Листы графена и свернутые из него нанотрубки – отличный материал для конструирования электросхем. Три года назад Андрей Гейм и Константин Новоселов создали двухмерный графеновый нанотранзистор длиной в 50 атомов углерода и толщиной всего один атом. Создание микросхем на базе таких транзитсторов позволит обойтись без металлических проводников и сделать компьютеры по-настоящему компактными и сверхбыстродействующими. Изготовить транзистор такого размера из кремния невозможно, при этом сырье – углерод – не стоит практически ничего по сравнению с медью или золотом. В этом году специалисты корпорации IBM сделали графеновый транзистор, который работает на рекордной граничной частоте – 100 млрд рабочих циклов в секунду (100 ГГц). И это при довольно большой длине затвора в 240 нанометров, которую можно уменьшить и повысить производительность еще больше. Надо отметить, что граничная частота современных кремниевых транзисторов с такой же длиной затвора около 40 ГГц.

Перспективным выглядит применение графен-оксидных структур для аккумуляции водорода и его контролируемого высвобождения. Исследования на базе центра нейтронных исследований NIST продемонстрировали, что материал на основе графена способен аккумулировать объем водорода, вес которого составляет около 6% от веса самой графен-оксидной структуры.

Недавно ученые Академии наук Китая обнаружили, что пластины оксида графена эффективно уничтожают бактерии. В опытах исследователей попавшая на лист графена кишечная палочка гибла в течение считанных минут. Экологичный, нетоксичный для человека графен наверняка станет идеальным бактерицидным покрытием и найдет применение во многих отраслях: от упаковки продуктов до хирургических инструментов.

Графен, благодаря своим исключительным механическим свойствам, способен стать основой сверхпрочных композитных материалов. В настоящее время армия США активно изучает возможности добавления углеродных нанотрубок в ткань бронежилетов. Смешанные с эпоксидными смолами и волокнами ткани типа кевлара, даже небольшие количества нанотрубок повышают пулестойкость бронезащиты на 10–20%. Кроме того, графен повышает долговечность материала и его износостойкость.

Это лишь малая часть сфер применения графена. Есть еще солнечные батареи, сверхпроводники, научные инструменты, биомедицинские технологии, в которых применение графена дает потрясающие результаты.

Однако графен наверняка ждет еще одна Нобелевская премия и получат ее те, кто придумает, как сделать производство графена массовым и дешевым. В настоящее время есть два основных способа: лабораторный (отшелушивание от куска графита) и чуть более производительный и контролируемый – путем испарения кремния в вакууме с пластины карбида кремния. Оба метода не годятся для массового производства, поэтому графен радует чудесами пока только ученых. Но поиски доступного способа производства активно ведутся, например, в университете Райса (США) разработали методику производства графена из раствора графита в хлорсульфоновой кислоте, широко использующейся в промышленности.

Будем надеяться, что графен подарит новые технологии, которые будут полезны каждому из нас. Ну а что же новоиспеченные Нобелевские лауреаты? В настоящее время они заняты созданием искусственного аналога лапы геккона – ящерицы, которая удивительно ловко бегает даже по отвесной зеркальной стенке.

По материалам: