Многие саркастически замечают, что графеном скоро начнут сантехнику чистить, объясняя это гипотетическое нововведение тем, что абразивность самого твёрдого материала выше, чем у соды. Нобелиат Константин Новоселов солидарен с критиками. Графен не должен просто заменить существующие материалы, он существует для чего-то большего, нового…

Графен — двумерный углеродный слой толщиной в один атом — возбудил вокруг себя мало с чем сравнимую активность. Обладая хорошими электрическими свойствами, гибкостью, механической прочностью и другими преимуществами, многим он кажется настоящим чудом, особенно если к списку свойств добавить ещё и спектр потенциально возможного применения.

В него входят, например, **защитные графеновые покрытия, гибкая и прозрачная электроника, суперкондесаторы… Всё это может показаться научной фантастикой, и тем не менее учёные всерьёз пытаются над этим работать.

Рис. 1. Графен под электронным микроскопом (микрофотография Lawrence Berkley National Laboratory).

Но, несмотря на всю суету и ворох сообщений о каких-то успехах, что мы имеем сегодня? Графен с нами вот уже восемь лет, и никаких реальных продуктов на его основе так и не появилось, хотя тучные стада учёных наперебой заявляют об очередном прорыве, который позволил-таки заменить старый добрый материал сверхновым графеном. Может показаться, что графен — это большое надувательство, ещё одно красивое слово для получения лёгких денег от инвесторов. Нет?

Наблюдая, как и все мы, за графеновой чехардой, лауреат Нобелевской премии Константин Новосёлов и его коллеги опубликовали в журнале Nature весьма критическое (хотя и вполне оптимистичное) эссе о текущей ситуации с изучением и производством графена.

Г-н Новосёлов подчёркивает:

прежде чем широкое распространение графена станет возможным, необходимо ответить на такой вопрос: достаточно ли известных нам преимуществ графена для того, чтобы использовать его вместо уже имеющихся материалов? Однозначного ответа на этот непростой и очень широкий вопрос нет. С другой стороны, по мнению учёного, сам этот вопрос, хотя и кажется очень важным, является неправильным. Основной потенциал графена должен раскрыться в совершенно новом применении, нуждающимся именно в тех уникальных свойствах материала, которые может предложить именно графен.

Графен стал первым материалом в виде моноатомного слоя. Другие материалы, способные существовать в аналогичной форме (нитрид бора и дисульфид молибдена), были открыты позже. (Речь идёт именно о моноатомных слоях. В объёмном виде нитрид бора и дисульфид молибдена известны давно, а сульфид молибдена вообще минерал; к слову, нитрид бора и графен образуют очень интересные композиционные материалы — пример здесь.) На приведённой выше микрофотографии видно, что графен представляет собой гексагональный слой углеродных атомов. Помимо прочего, графен ещё и основа множества других практически важных материалов, давно нашедших своё место под солнцем. В конце концов, укладка нескольких слоёв графена друг на друга приводит к образованию графита. А популярные углеродные нанотрубки представляют собой листы всё того же графена, свёрнутые в трубочку.

Благодаря природе связей между углеродными атомами графен чрезвычайно гибок, и его листы можно сгибать под очень большим углом. Он не боится высокого давления. Помня об одноатомности слоя, электроны вынуждены двигаться только в пределах одной плоскости, что приводит к появлению новых электрических свойств. Та же двумерная природа делает графен оптически прозрачным для видимого света, но всё же непроницаемым для газов (кроме водорода под давлением). Из-за всего этого графен по-настоящему востребован при разработке защитных плёнок и прозрачной и гибкой электроники.

Но эти удивительные свойства графена зависят от его качества. До сих пор наилучшие электрические и механические свойства присущи тем образцам материала, которые получены методом механического пилинга, с помощью которого графен был открыт восемь лет назад. Этот кропотливый и совершенно немасштабируемый процесс позволяет добывать отдельные графеновые чешуйки с помощью банальной липкой ленты. К сожалению, для промышленности эта технология лишена смысла. Есть и другие способы (список ниже), но все они в той или иной мере являются компромиссом, не позволяющим пока добиться наивысшего качества, столь необходимого, например, в электронике:

— жидкофазный пилинг: подразумевает суспендирование графита в жидкости с высоким поверхностным натяжением, после чего проводится звуковая обработка суспензии, приводящая к отделению чешуек графена;

— химическое осаждение из газовой фазы (CVD): конденсация летучих богатых углеродом соединений на медной подложке с последующим разложением; образующийся графеновый слой затем может быть перенесён на поверхность другого субстрата;

— образование графена прямо на поверхности карбида кремния методом селективной экстракции атомов кремния из состава верхнего слоя (сублимация).

Список далеко не полон, но достаточен, чтобы показать, что одной липкой лентой дело не ограничивается. Хотя ничто из перечисленного не позволяет получать графен такого же высокого качества, как механический пилинг, метод CVD (в особенности) считается самым многообещающим и наименее затратным (а главное — очень старым и уже давно и хорошо зарекомендовавшим себя в промышленности).

Ну и где же мой складной планшет, спросите вы. Помимо стоимости и качества производственного процесса, графеновая электроника должна найти возможность для преодоления множества более фундаментальных преград на пути к практическому воплощению. Причём начать стоит с такой проблемы, как организация проводящего контакта между графеном и металлическим контактом — ведь спаять их с той же простотой, как два металла, уже не получится: припой держаться не будет (пример проблемы см. здесь). Константин Новосёлов с коллегами полагают, что эта проблема всё же найдёт решение в ближайшие десять лет. А ведь это только начало…

Несмотря на то что специализированная пресса пестрит сообщениями о прогрессе в деле создания графеновых транзисторов, всем им ещё очень далеко до промышленного производства. Полупроводниковые транзисторы — основа современной электроники, а основой транзисторов является физический феномен, известный как запрещённая зона. Легко догадаться, что чистый графен не имеет ничего такого, являясь анизотропным проводником. Огромные усилия направлены сейчас на решение этой проблемы, на обман природы. (Путём использования нескольких слоёв, с помощью создания композиционных материалов, допирования и т. д. Вот здесь приведён один из примеров этой кипучей деятельности; при всём том игнорируются аналогичные двумерные материалы, обладающие естественной запрещённой зоной.) В общем, г-н Новосёлов считает, что с запрещённой зоной всё будет ясно через те же десять лет как минимум.

Что же в сухом остатке? Графен не готов заменить и вряд ли когда-нибудь заменит традиционные полупроводниковые компоненты там, где они уже давно используются. Это просто не имеет смысла. Но в таких новых областях, как создание гибкой и прозрачной электроники, где привычные компоненты попросту бесполезны, по мнению Константина Новосёлова, графен найдёт свою дорогу к массовому потребителю. Только не завтра, а, наверное, лет через десять–пятнадцать. Эра графена всё-таки ещё не наступила…