Жизненный цикл графена. Графен: мифы и реальность. Что такое графен

Белорусский Национальный Технический Университет

Энергетический факультет

Кафедра “Электротехника и промышленная электроника”

Доклад на тему: “Графены”

Подготовили: Гуторов М.С., Бегляк В.В.

студенты гр.106519

Руководитель: Розум Т.С.

Введение 3

История открытия 3

Способы получения графена 5

Применение графенов в электротехнике и электронике 8

Заключение 12

Введение

Графен - самый тонкий и самый прочный материал во Вселенной. Представьте себе углеродную пластину толщиной всего в один атом, но более прочную, чем алмаз, и пропускающую электричество в 100 раз лучше, чем кремний компьютерных чипов. Его уже сейчас сравнивают с появлением самых революционных изобретений, изменивших человечество. Крайне сложно предсказать сейчас практические области применения графена, но он однозначно изменит нашу жизнь. Его появление революционно. Он сравним с появлением танков, которые уничтожили конницу, мобильных телефонов, которые скоро уничтожат стационарные аппараты. Такое открытие не укладывается в стандартную схему, в которой можно было бы предположить пути развития и дальнейшего применения. Графен изменит все, что нас сейчас окружает. Ведь открыто новое материальное вещество с уникальными физическими свойствами. С одной стороны, оно очень тонкое, с другой - очень большое. Оно поменяет наше представление о природе веществ и вещей.

История открытия

Все началось в 2004 году, когда Андрею Гейму и Константину Новоселову впервые удалось получить графен в свободном состоянии. Это стало крупным открытием, несмотря на то что графен - вещество простое по определению: это чистый углерод. Но каждый атом углерода в нем жестко связан с тремя соседними атомами и является двумерной сеткой (рис.1).

Рисунок 1: Атомная сетка графена

К примеру, по предположению ученых, сенсоры на основе графена смогут предсказывать землетрясения, анализировать состояние и прочность узлов самолета. Однако только через лет 10 будет понятно, в каком направлении будет развиваться практическое применение данного вещества.

Новейший материал с потрясающими свойствами скоро покинет стены научных лабораторий. Уже сейчас физики, химики и инженеры-электронщики много говорят о его уникальных возможностях. Количества материала весом всего несколько граммов достаточно для того, чтобы покрыть футбольное поле. Графит, используемый в карандашах, есть ни что иное, как множество слоев графена. Хотя каждый из слоев прочный, связи между ними слабые, так что слои легко распадаются, оставляя след, когда вы пишете карандашом.

Возможные сферы использования графена - сенсорные экраны, солнечные батареи, накопители энергии, сотовые телефоны, и, наконец, - супербыстрые компьютерные чипы. Но в ближней и среднесрочной перспективе, графену будет сложно занять место кремния как основного материала для производства компьютерной «начинки. Производства кремния - это индустрия с 40-летней историей, стоимость производства кремния в мире оценивается в миллиарды долларов. Сейчас над решением сложных проблем, связанных с производством самого графена и изделий из него, трудятся государственные лаборатории и университеты, мега-гиганты - такие, как IBM - и предприятия малого бизнеса.

Новым высокотехнологичным материалом заинтересовался даже Пентагон. Агентство передовых оборонных исследовательских проектов (Defense Advanced Research Projects Agency) занимается исследованиями, направленными на создание компьютерных чипов и транзисторов на основе графена, общая стоимость исследования составляет 22 миллиона долларов.

На последнем ежегодном заседании Американского физического Общества - организации, объединяющей лучших физиков страны, - проходившего в апреле этого года в Питсбурге, графен стал главной темой для обсуждения. Ученые провели 23 заседания, высказывая мнения и взгляды в отношении нового материала. Только в течение 2008 года в различных источниках было опубликовано 1 500 научных работ, посвященных графену.

Не так давно компания Samsung объявила о том, что её учёные открыли недорогой способ массового производства графена. В данном материале мы попытаемся рассказать, что такое графен и почему его принято называть «материалом будущего».

Что такое графен?

Графен - это двумерная аллотропная форма углерода, в которой объединённые в гексагональную кристаллическую решётку атомы образуют слой толщиной в один атом. Графен был открыт в 2004 году двумя выходцами из России - Андреем Геймом и Константином Новосёловым - которые, как это часто бывает, не смогли реализовать свой научный потенциал в родной стране и уехали работать в Нидерланды и Великобританию соответственно. За открытие графена Гейм и Новосёлов в 2010 году получили Нобелевскую премию по физике.

Открыватели графена Андрей Гейм и Константин Новосёлов

Чем он интересен?

Необычные свойства графена сулят этому материалу блестящее будущее. Мы перечислим лишь некоторые из них, которые на наш взгляд, представляют максимальный интерес.

Начнём с механических свойств. Графен обладает очень высокой прочностью. Лист графена площадью в один квадратный метр (и толщиной, напомним, всего лишь в один атом!) способен удерживать предмет массой 4 килограмма. Вследствие двумерной структуры, графен является очень гибким материалом, что в будущем позволит использовать его, например, для плетения нитей (при этом тоненькая графеновая «верёвка» по прочности будет аналогична толстому и тяжёлому стальному канату). Кроме того, в определённых условиях графен способен сам «залечивать» «дырки» в своей кристаллической структуре.

Графен - это материал с очень высокой проводимостью электричества и тепла, что делает его идеальным для применения в различных электронных устройствах, особенно если впомнить о его гибкости и полной оптической прозрачности. Уже были изготовлены экспериментальные солнечные батареи, в которых графен используется в качестве замены сравнительно дорогого селенида индия. При этом «графеновые» солнечные батареи демонстрируют более высокую эффективность.

Гибкая подложка с графеновыми электродами

Ещё одно возможное применение графена - создание гибкой электроники и, в частности, гибких дисплеев. Сейчас в экранах (как жидкокристаллических, так и OLED) в качестве прозрачного проводника используется оксид индия-олова, который относительно дорог и при этом хрупок. В этом смысле высокая прочность и гибкость графена делают его идеальным кандидатом на замену. Широкое распространение графена наверняка даст хороший стимул развитию носимой электроники, поскольку позволит встраивать чипы в одежду, бумагу и другие повседневные вещи.

Тестовая пластина с «графеновыми» чипами IBM

Графен также рассматривается в качестве перспективного материала для создания полевых транзисторов, что открывает широкие возможности по миниатюризации электроники. Например, в последнее время принято говорить о том, что знаменитый «закон Мура» скоро себя исчерпает, поскольку классический кремниевый транзистор нельзя уменьшать бесконечно. В то же время транзисторы, в которых используется графен, можно сделать очень небольшими без потери полезных свойств. Компания IBM уже объявила о создании интегральных схем на основе графеновых транзисторов, которые к тому же способны бесперебойно работать при температурах до 128 градусов Цельсия.

Схема работы графенового фильтра

Также графеновая плёнка, как оказалось, является отличным фильтром для воды, поскольку она пропускает молекулы воды и при этом задерживает все остальные. Возможно, в будущем это поможет снизить стоимость опреснения морской воды. Несколько месяцев назад компания Lockheed Martin представила графеновый фильтр для воды под названием Perforene, которые, по утверждению производителя, на 99% снижает энергетические затраты на опреснение.

Наконец, не можем не отметить, что благотворительный Фонд Билла и Мелинды Гейтс в прошлом году выделил грант в размере 100 тысяч долларов на «разработку новых композитных эластичных материалов для презервативов, включающих наноматериалы типа графена».

В сухом остатке

У каждой эпохи есть своё ключевое открытие, которое задаёт темпы и направление прогресса на много лет вперёд. Например, металлургия стала основой промышленной революции, а изобретение полупроводникового транзистора в XX веке сделало возможным появление современного мира в том виде, каким мы его знаем. Станет ли графен таким чудо-материалом XXI века, который позволит создавать устройства, о которых мы сейчас и не догадываемся? Вполне может быть. Пока же нам остаётся только с интересом следить за исследованиями в этой области.

Еще в 2010 году. Но несмотря на то, что графен уже используется в некоторых устройствах, пока он не так сильно изменил нашу жизнь, как многие ожидали. О том, почему это так и какие новые двумерные материалы появились вслед за графеном, N+1 вместе с коллегами из «Известий», РИА Новости и «Популярной механики» побеседовал на 60-й научной конференции МФТИ с выпускником Физтеха нобелевским лауреатом Константином Новоселовым.

Графен в повседневной жизни

N+1: Константин Сергеевич, графен был открыт уже довольно давно, и вы говорили, что сейчас можно купить устройства, в которых он используется. Действительно ли сейчас уже есть такие устройства?

Такие технологии действительно есть, но они входят в нашу жизнь постепенно . Мы считаем, что графен является уникальным материалом, но он более-менее повторяет путь всех других материалов, особенно углеродных. Так же 50 лет назад происходило с углеродными волокнами. Сначала их использовали в спортивном инвентаре и в машинах. И у графена первое применение было в композитных материалах. А сейчас графен все больше используется для решения проблемы теплоотвода - одной из серьезных проблем современной микроэлектроники. Например, в батарейках графен используется для теплоотвода и для улучшения механических свойств.

Постепенно графен начинает использоваться для все более и более технологических приложений. Сейчас вы можете купить телефон или часы с тач-падом из графена. У меня есть несколько. Я купил их в частном порядке, в магазине, никто не подарил. Одна из наших компаний работает в области печатной электроники: мы печатаем RFID метки . А бывшая Nokia пытается развивать оптические камеры для инфракрасного диапазона на основе графена.

N+1: Насколько дешевы сейчас графеновые технологии?

Все зависит от приложения. Сенсорные панели, наверно, проигрывают по цене материалам на основе оксида индия и олова (ITO - indium tin oxide). А RFID-метки - наоборот, очень дешевые по сравнению с медными или алюминиевыми.

Константин Новоселов

Евгений Пелевин / Пресс-служба МФТИ

РИА: В научной фантастике часто рассказывают про броню из графена, солнечные паруса из графена, какие-то строительные конструкции. Можно ли будет создавать в будущем конструкции из графена площадью хотя бы с телевизор?

Они есть, их уже делают.

РИА: А более масштабные?

И такие, наверно, делают. Но пленку размером с один телевизор легко сделать.

РИА: Даже в промышленных условиях?

Да, вы можете купить лист графена размером метр на метр, принципиальных проблем здесь нет. Это вопрос рынка: есть ли на это спрос.

Одна из компаний, работающих с LG, пытается использовать графен в качестве барьера для влаги. Сейчас с помощью технологии непрерывного роста они могут получать непрерывную графеновую ленту шириной 20 сантиметров. При такой технологии образующуюся ленту просто подрезают на выходе. Следующая их цель - сделать ленту шириной полметра.

РИА: Пять лет назад вы опубликовали одну из первых статей, посвященных графеновым транзисторам. Удалось ли вам создать «чистый» графеновый транзистор без добавлений каких-то примесей, или это пока нельзя реализовать?

Графеновые транзисторы существуют, но из-за того, что у графена нет запрещенной зоны, они работают не так хорошо. Поэтому мы попытались придумать, как этой проблемы избежать. Для этого мы сделали гетероструктурные транзисторы. Я думаю, что полупроводниковая промышленность заинтересована в подобных материалах, но будут ли именно они использоваться или нет - я не знаю, поскольку эта технология слишком сильно отличается от той, которая используется в традиционных транзисторах.

С другой стороны, мы опубликовали нашу статью, а буквально через полгода Samsung опубликовал в том же журнале статью об очень похожем транзисторе. Но он был на порядок проще, чем наш туннельный транзистор. Наши устройства без графена работать не будут, а с графеном они работают, и их можно сделать, но вопрос, готова ли технология к тому, чтобы это использовать.

ПМ: Из всех этих применений, которые появились за все эти годы, какое применение было на ваш взгляд самым странным (вот недавно, например, из оксида графена фильтр для виски), а какое - таким, о котором вы подумали: черт, жаль, что это сделали не мы?

Вообще у графена применений много, но пока не все они интересны. В данный момент все пытаются просто заменить другой материал графеном. Получается чуть-чуть лучше, но и только. Гораздо интереснее было бы создавать принципиально новые приборы, используя всю комбинацию уникальных свойств графена. Мы сделали, например, контактные линзы, которые могут менять фокус. Для этого нам нужен прозрачный, проводящий, гибкий и прочный материал. И это именно графен, другого такого материала нет. Поэтому мы пытаемся искать для графена такие применения, которые без него в принципе были бы невозможны. Очень легко взять графен и засунуть вместо чего-то другого, а вот придумать ему новое применение не так просто.

«Известия»: А эта технология с линзами уже выходит на промышленное производство или еще нет?

Нет, далеко еще не выходит, этим нужно заниматься. Мы все-таки ученые, мы можем показать, продемонстрировать, что это возможно. А дальше кто-то должен развивать эти технологии. Развитие технологий - это так же сложно и так же долго, как и исследования в лаборатории, если не дольше.

«Известия»: Во время своего выступления на конференции вы говорили про применение графена для военной авиации и создания стелс-технологий. Такие технологии тоже уже существуют ?

Активно над такими технологиями работают китайцы. В Китае есть институт Beijing Institute of Aeronautical Materials, который занимается всеми материалами для китайской авиации. Я с ними общаюсь, но они далеко не все мне рассказывают. Они, в частности, наши материалы проверяют на возможность использования для стелс-технологий, но при этом проверяют и свои материалы и не всегда рассказывают нам что лучше. У них есть очень хорошие разработки по сверхсплавам, которые они используют для лопаток турбин. В одну часть турбины ставятся титановые сплавы, в другую - суперсплавы. Добавление графена сильно улучшает характеристики таких сплавов. В Китае ходят слухи, что какие-то самолеты уже с ним летают. Я не знаю. Но то, что они туда добавляют графен, и свойства меняются в лучшую сторону, это правда - мы участвовали в тестировании.

Графен против нанотрубок

Графен является не единственной низкоразмерной модификацией углерода. Кроме него, существуют углеродные нанотрубки, в которых графеновый слой свернут в однослойную или многослойную трубку, фуллерены - молекулы, в которых атомы углерода располагаются по вершинам усеченного икосаэдра, - или более необычные пентаграфен или фаграфен. Подробнее о самых интересных формах углерода вы можете прочитать в нашем .

ПМ: Вы, наверняка, знаете про компанию «Оксиал» в Новосибирске, которая делает одностенные нанотрубки в каких-то огромных количествах. На своем сайте они предлагают купить сто грамм нанотрубок примерно за 50 тысяч рублей. То есть их уже научились производить довольно много и довольно дешево.

Я не уверен, что это дешево.

ПМ: По крайней мере, более-менее доступно. Вы можете объяснить читателям, чем отличается графен от углеродных нанотрубок с точки зрения их возможного применения?

Нанотрубка - это свернутый в трубку графен. Это одномерный объект, а графен - двумерный. В зависимости от применения, вам лучше использовать либо одно, либо другое. Например, если нужно сделать транзистор, то по современной технологии надо сначала получить сплошную поверхность, и потом из нее вырезать транзистор. С нанотрубками это сделать гораздо сложнее.

Структура одностенной углеродной нанотрубки

Wikimedia commons

ПМ: А можно ли сделать те же RFID метки не на графене, а на нанотрубках?

Я думаю, что это было бы гораздо дороже. И я не уверен, что оно бы так же хорошо работало. Потому что для этих меток очень важно получить низкое сопротивление. Я думаю, что с использованием графена это получается лучше. Наверное, это в принципе возможно, но будет дороже и хуже.

ПМ: Есть такая мечта (кажется, об этом говорил Обама), что очень хочется получить краску, которой можно было бы покрасить, например, дом и превратить его таким образом в солнечную батарейку.

Да, такими проектами мы как раз занимаемся.

ПМ: И что мешает создать реальную технологию?

В лаборатории это уже существует, но от лаборатории до реальных технологий нужно очень-очень долго идти. Встают вопросы цены, технологичности их нанесения и эффективности. И на каждый из этих сложных технологических вопросов нужно поставить по 10 человек, чтобы они помогали решать их в течение 2-3 лет. Давайте я вам вопрос задам. Вы представляете себе компьютер? Там есть микропроцессор. Эти микропроцессоры делаются из кремния на заводах. Представьте: на заводы приходит тоненькая пластина, там стоят разные станки, на которых выполняются разные операции. Как вы думаете, за какое время из пустой пластины будет сделан микропроцессор?

РИА: Сутки? Месяц?

Три месяца. От одного до трех месяцев. Это только для того, чтобы сделать один микропроцессор. А эту технологию еще нужно отточить, и каждый эксперимент занимает три месяца. Так что разработка технологии - это очень сложный процесс. А люди этого не понимают. Для людей современная технология - это добавить кнопку в Фейсбуке. Я ничего плохого не могу сказать про big data, но все-таки нужно понимать, что такие технологии за один день не рождаются. Это годы упорного труда.

ПМ: А вы уверены, что такие краски, если они появятся, будут именно на графене, а не на нанотрубках, например?

Они конечно, появятся, но на чем они будут работать - не знаю. Я сегодня говорил, что мы создали Институт графена, но исследовать в нем только графен - неправильно. Нам нужно двигаться куда-то дальше. Разумеется, я надеюсь, что в своей жизни смогу придумать еще какой-то материал, который будет более интересен, чем графен. Но, если честно, это вряд ли произойдет. Графен - это только шестиугольники из углерода, проще некуда. Как правило, что-то простое всегда работает. Но надежда всегда есть. Поэтому я не знаю, будут ли, например, краски сделаны из графена или из чего-то еще. Мы чему-то научились с этим материалом, графен открыл дорогу многим другим двумерным материалам. И сейчас мы в основном сфокусированы на других двумерных материалах.

Двумерные материалы

Сейчас ученые могут получать двумерные кристаллы, которые по своим электронным свойствам от графена сильно отличаются. Это могут быть полупроводники, сверхпроводники, изоляторы или ферромагнетики. Например, нитрид бора, ближайший структурный аналог графена, является изолятором. А полупроводниковые двумерные кристаллы обычно получают из халькогенидов переходных металлов (в основном, это сульфиды и селениды вольфрама и молибдена). Наиболее популярным среди них сейчас является сульфид молибдена, но существует и большое количество других соединений с разной шириной запрещенной зоны. Большая часть из них работает в ультра-фиолетовой области, поэтому наиболее перспективным материалом для будущих телекоммуникационных технологий считаются материалы на основе двумерного теллурида молибдена, который работает в той же области длин волн, что и кремниевая электроника.

ПМ: Вы можете назвать три главных конкурента графена среди этих двумерных материалов?

Они все разные, и они не конкуренты, они друг друга дополняют. Например, для солнечной батареи вам нужен материал, который хорошо поглощает солнечный свет. Графен все-таки не такой, он прозрачный. Поэтому для этого мы используем те материалы, которые хорошо поглощают солнечный свет, например, дисульфид молибдена. Я рассказывал про относительно новый материал теллурид молибдена, который мы хотим использовать в кремниевой фотонике. Такие работы уже есть, но пока это только экспериментальные работы. После них должен последовать рост в технологиях, а в технологии можно споткнуться и на ерунде. Вот, например, будет температура отличаться от нужной на 10 градусов. Чтобы получить нужный материал, нам нужно на 10 градусов больше, а на производстве - на 10 градусов меньше. И это никак не изменить.

Структура двумерного кристалла дисульфида молибдена

Wikimedia commons

РИА: Почему-то дисульфид молибдена в прессе встречается достаточно редко и не приобрел такой статус, как графен. Хотя по многим параметрам он его .

Просто графен - это все-таки уникальный материал. Он очень простой, и при этом обладает набором уникальных свойств. В случае графена с помощью очень простой модели можно получить очень красивый результат. Но как такой результат будет потом использоваться в применениях, я не знаю. Но то, что в графене очень симпатичная физика - это доказано.

РИА: В дисульфиде молибдена, получается, менее симпатичная?

Нет, там тоже есть очень красивые эксперименты, но они немножко более сложные. Например, недавно там был очень красивый эксперимент по контролированию квантового состояния экситона. Там тоже можно много чего сделать. Но это немного сложнее и менее интуитивно понятно, поэтому широкая публика об этом мало что знает.

N+1: А можно ли как-то предсказать, какой именно двумерный материал будет обладать какими-то интересными свойствами? И связаны ли свойства этого двумерного материала со свойствами трехмерного кристалла?

Они часто связаны, но определенные отличия есть. Свойства можно пытаться предсказать, но вопрос, насколько эти предсказания будут точны. Сейчас есть много проектов (по-английски это называется «material genomics»), в которых люди с помощью расчетов смотрят на какие-то материалы и пытаются предсказать их свойства. Сейчас уже существует довольно большое количество материалов, которые можно получить. И исследовать их все экспериментально очень сложно. Поэтому мы очень сильно стараемся развить теорию.

N+1: То есть какой-то однозначной связи между свойствами трехмерного кристалла и одноатомной пленки нет?

Она есть, и до какой-то степени свойства двумерных кристаллов можно предсказать, но не на сто процентов.

«Известия»: И как вы сужаете круг «подозреваемых»? Чисто теоретически? Используете ли вы какие-то алгоритмы ?

Я этим не занимаюсь, но есть люди, которые этим занимаются, и я читаю их статьи. Я думаю: «А вот здорово было бы исследовать, например, двумерные ферромагнетики. Давайте поищем, что сейчас существует, и сделаем». То есть, теоретики предсказывают, а мы выбираем из их предсказаний то, что нам интересно. Иногда мы сами выдумываем, что бы такого интересного попробовать, и пробуем более-менее наугад.

ПМ: Михаил Кацнельсон говорил, что за 50 лет теоретического изучения графена, когда самого графена еще не было, было получено теоретических знаний в 10 раз меньше, чем за пять лет после его получения. Возникает вопрос, а зачем тогда нужны физики-теоретики? Они предсказали, что графен не может существовать. Как вот вы, например, взаимодействуете с теоретиками ?

Взаимодействие экспериментаторов и теоретиков очень важно. Есть проекты, где лидируют теоретики, где они нам подсказывают эксперименты. Есть проекты, где я придумываю эксперимент, потому что мне кажется, что система должна вести себя определенным образом.

ПМ: Вы можете привести самый яркий пример вот такого эксперимента?

Это сложно. Практически все наши проекты проходят в коллаборации с теоретиками. Какие-то очень простые вычисления я и сам могу сделать, по каким-то мне приходится общаться с теоретиками, математиками. Например, проблема экситонов во всех новых двумерных материалах - довольно-таки сложная. Чтобы рассчитать все возможные переходы, мы общаемся с теоретиками.

N+1: А все эти двумерные кристаллы - это обязательно одноатомные пленки? Или это может быть двухатомный или трехатомный слой? В какой момент у такого материала теряются его уникальные двумерные свойства, и графен становится графитом?

Это всегда вопрос. Один слой ведет себя совершено не так, как два. По электронной структуре это очень здорово . А два слоя ведут себя не так, как три. При этом три слоя можно еще и составить по-разному. Можно вот так, а можно вот так (показывает на пальцах разные ориентации одного слоя относительно другого - прим. N+1) . И они себя тоже ведут по-разному. Это сложно сказать, и я не уверен, что есть смысл проводить такую градацию. В зависимости от применения иногда нужно иметь один слой, иногда два, иногда три, иногда пять. Это зависит от конкретного приложения.

Многослойные пироги

Объединив несколько одноатомных слоев разного состава в многослойные гетероструктуры, можно получить сложные функциональные устройства, состоящих из нескольких элементов, выполняющих разные функции: например, для кодирования, в качестве транзисторов или солнечных батарей. Чтобы получить такие сложные многослойные структуры, студентам из группы Константина Новоселова приходится атом за атомом с помощью вандерваальсовых пинцетов составлять нужный двумерный кристалл. В результате один слой нужного состава можно составить примерно за полдня, а на сборку некоторых сложных гетероструктур уходит до полутора недель.

Нужны атомарно плоские слои, а сила притяжения зависит от их химического состава. Между каким-то слоями взаимодействие лучше, между какими-то - хуже. Мы, в основном, работаем с таким, где сильное взаимодействие.

ПМ: А предсказать свойства такого многослойного пирога - это пока тяжелая задача?

Да, это всегда очень сложно понять. Эта система сама по себе очень сложная. Как нас учили на физтехе, всегда нужно найти малый параметр и им пренебречь. И нужно определить, каким именно параметром можно пренебречь в конкретном случае. Это наша задача, экспериментаторов. Мы пренебрегаем, и смотрим, получается ли в этом случае описать поведение системы. Если нет, то начинаем этот параметр учитывать. Это сложный итерационный процесс изучения новых материалов.

Александр Дубов

Сравнительно недавно в науке и технике появилась новая область, которую назвали нанотехнологией. Перспективы данной дисциплины не просто обширны. Они грандиозны. Частица, именуемая «нано», представляет собой величину, равную одной миллиардной доле от какого-либо значения. Подобные размеры можно сравнить только с размерами атомов и молекул. Например, нанометром называют одну миллиардную долю метра.

Основное направление новой области науки

Нанотехнологиями называют те, которые манипулируют веществом на уровне молекул и атомов. В связи с этим данную область науки называют еще и молекулярной технологией. Что же явилось толчком к ее развитию? Нанотехнологии в современном мире появились благодаря лекции В ней ученый доказал, что не существует никаких препятствий для создания вещей непосредственно из атомов.

Средство для эффективного манипулирования мельчайшими частицами назвали ассемблером. Это молекулярная наномашина, с помощью которой можно выстроить любую структуру. Например, природным ассемблером можно назвать рибосому, синтезирующую белок в живых организмах.

Нанотехнологии в современном мире являются не просто отдельной областью знаний. Они представляют собой обширную сферу исследований, непосредственно связанную со многими фундаментальными науками. В их числе находятся физика, химия и биология. По мнению ученых, именно эти науки получат наиболее мощный толчок к развитию на фоне грядущей нанотехнической революции.

Область применения

Перечислить все сферы деятельности человека, где на сегодняшний день используются нанотехнологии, невозможно из-за весьма внушительного перечня. Так, при помощи данной области науки производятся:

Устройства, предназначенные для сверхплотной записи любой информации;
- различная видеотехника;
- сенсоры, полупроводниковые транзисторы;
- информационные, вычислительные и информационные технологии;
- наноимпринтинг и нанолитография;
- устройства, предназначенные для хранения энергии, и топливные элементы;
- оборонные, космические и авиационные приложения;
- биоинструментарий.

На такую научную область, как нанотехнологии, в России, США, Японии и ряде европейских государств с каждым годом выделяется все больше финансирования. Это связано с обширными перспективами развития данной сферы исследований.

Нанотехнологии в России развиваются согласно целевой Федеральной программе, которая предусматривает не только большие финансовые затраты, но и проведение большого объема конструкторских и научно-исследовательских работ. Для реализации поставленных задач происходит объединение усилий различных научно-технологических комплексов на уровне национальных и транснациональных корпораций.

Новый материал

Нанотехнологии позволили ученым изготовить углеродную пластину более твердую, чем алмаз, толщина которой составляет всего один атом. Состоит она из графена. Это самый тонкий и прочный материал во всей Вселенной, который пропускает электричество намного лучше кремния компьютерных чипов.

Открытие графена считается настоящим революционным событием, которое позволит многое изменить в нашей жизни. Этот материал обладает настолько уникальными физическими свойствами, что в корне меняет представление человека о природе вещей и веществ.

История открытия

Графен представляет собой двухмерный кристалл. Его структура является гексагональной решеткой, состоящей из атомов углерода. Теоретические исследования графена начались задолго до получения его реальных образцов, так как данный материал является базой для построения трехмерного кристалла графита.

Еще в 1947 г. П. Воллес указал на некоторые свойства графена, доказав, что его структура аналогична металлам, и некоторые характеристики подобны тем, которыми обладают ультрарелятивистские частицы, нейтрино и безмассовые фотоны. Однако у нового материала есть и определенные существенные отличия, делающие его уникальным по своей природе. Но подтверждение этим выводам было получено только в 2004 г., когда Константином Новоселовым и Андреем Геймом впервые был получен углерод в свободном состоянии. Это новое вещество, которое назвали графеном, и стало крупным открытием ученых. Найти этот элемент можно в карандаше. Его графитовый стержень состоит из множества слоев графена. Каким образом карандаш оставляет след на бумаге? Дело в том, что, несмотря на прочность составляющих стержень слоев, между ними существуют весьма слабые связи. Они очень легко распадаются при соприкосновении с бумагой, оставляя след при письме.

Использование нового материала

По мнению ученых, сенсоры, созданные на основе графена, смогут анализировать прочность и состояние самолета, а также предсказывать землетрясения. Но только тогда, когда материал с такими потрясающими свойствами покинет стены лабораторий, станет понятно, в каком направлении пойдет развитие практического применения данного вещества. На сегодняшний физики, а также инженеры-электронщики уже заинтересовались уникальными возможностями графена. Ведь всего несколькими граммами этого вещества можно покрыть территорию, равную футбольному полю.

Графен и его применение потенциально рассматриваются в производстве легковесных спутников и самолетов. В этой сфере новый материал способен заменить в Нановещество может быть использовано вместо кремния в транзисторах, а его внедрение в пластмассу придаст ей электропроводность.

Графен и его применение рассматриваются и в вопросах изготовления датчиков. Эти устройства, выполненные на основе новейшего материала, будут способны обнаруживать самые опасные молекулы. А вот использование пудры из нановещества при производстве электрических аккумуляторов в разы увеличит их эффективность.

Графен и его применение рассматриваются в оптоэлектронике. Из нового материала получится очень легкий и прочный пластик, контейнеры из которого позволят в течение нескольких недель сохранять продукты в свежем состоянии.

Использование графена предполагается и для изготовления прозрачного токопроводящего покрытия, необходимого для мониторов, солнечных батарей и более крепких и устойчивых к механическим воздействиям ветряных двигателей.

На основе наноматериала получатся лучшие спортивные снаряды, медицинские имплантаты и суперконденсаторы.

Также графен и его применение актуальны для:

Высокочастотных высокомощных электронных устройств;
- искусственных мембран, разделяющих две жидкости в резервуаре;
- улучшения свойства проводимости различных материалов;
- создания дисплея на органических светодиодах;
- освоения новой техники ускоренного секвенирования ДНК;
- улучшения жидкокристаллических дисплеев;
- создания баллистических транзисторов.

Использование в автомобилестроении

Согласно данным исследователей, удельная энергоемкость графена приближается к 65 кВт*ч/кг. Данный показатель в 47 раз превышает тот, который имеют столь распространенные ныне литий-ионные аккумуляторы. Этот факт ученые использовали для создания зарядных устройств нового поколения.

Графен-полимерный аккумулятор - прибор, при помощи которого максимально эффективно удерживается электрическая энергия. В настоящее время работа над ним ведется исследователями многих стран. Значительных успехов достигли в этом вопросе испанские ученые. Графен-полимерный аккумулятор, созданный ими, имеет энергоемкость, в сотни раз превышающую подобный показатель у уже существующих батарей. Используют его для оснащения электромобилей. Машина, в которой установлен может проехать без остановки тысячи километров. На подзарядку электромобиля при исчерпании энергоресурса понадобится не более 8 минут.

Сенсорные экраны

Ученые продолжают исследовать графен, создавая при этом новые и не имеющие аналогов вещи. Так, углеродный наноматериал нашел свое применение в производстве, выпускающем сенсорные дисплеи с большой диагональю. В перспективе может появиться и гибкое устройство подобного типа.

Ученые получили графеновый лист прямоугольной формы и превратили его в прозрачный электрод. Он-то и участвует в работе сенсорного дисплея, отличаясь при этом долговечностью, повышенной прозрачностью, гибкостью, экологичностью и низкой стоимостью.

Получение графена

Начиная с 2004 г., когда был открыт новейший наноматериал, ученые освоили целый ряд методов его получения. Однако самыми основными из них считаются способы:

Механической эксфолиации;
- эпитаксиального роста в вакууме;
- химического перофазного охлаждения (CVD-процесс).

Первый из этих трех методов является наиболее простым. Производство графена при механической эксфолиации представляет собой нанесение специального графита на клейкую поверхность изоляционной ленты. После этого основу, подобно листу бумаги, начинают сгибать и разгибать, отделяя нужный материал. При применении данного способа графен получается самого высокого качества. Однако подобные действия не годятся для массового производства данного наноматериала.

При использовании метода эпитаксиального роста применяют тонкие кремниевые пластины, поверхностный слой которых является карбидом кремния. Далее этот материал нагревают при очень высокой температуре (до 1000 К). В результате химической реакции происходит отделение атомов кремния от атомов углерода, первые из которых испаряются. В результате на пластинке остается чистый графен. Недостатком подобного метода является необходимость использования очень высоких температур, при которых может произойти сгорание атомов углерода.

Самым надежным и простым способом, применяемым для массового производства графена, является CVD-процесс. Он представляет собой метод, при котором протекает химическая реакция между металлическим покрытием-катализатором и углеводородными газами.

Где производится графен?

На сегодняшний день крупнейшая компания, изготавливающая новый наноматериал, находится в Китае. Название этого производителя - Ningbo Morsh Technology. Производство графена начато им в 2012 году.

Главным потребителем наноматериала выступает компания Chongqing Morsh Technology. Графен используется ею для производства проводящих прозрачных пленок, которые вставляют в сенсорные дисплеи.

Сравнительно недавно известная компания Nokia оформила патент на светочувствительную матрицу. В составе этого столь необходимого для оптических приборов элемента находится несколько слоев графена. Такой материал, использованный на датчиках камер, в значительной мере увеличивает их светочувствительность (до 1000 раз). При этом наблюдается и снижение потребления электроэнергии. Хорошая камера для смартфона также будет содержать графен.

Получение в бытовых условиях

Можно ли изготовить графен в домашних условиях? Оказывается, да! Необходимо просто взять кухонный блендер мощностью не менее 400 Вт, и следовать методике, разработанной ирландскими физиками.

Как же изготовить графен в домашних условиях? Для этого в чашу блендера выливают 500 мл воды, добавляя в жидкость 10-25 миллилитров любого моющего вещества и 20-50 грамм толченого грифеля. Далее прибор должен поработать от 10 минут до получаса, вплоть до появления взвеси из чешуек графена. Полученный материал будет обладать высокой проводимостью, что позволит использовать его в электродах фотоэлементов. Также произведенный в бытовых условиях графен способен улучшить свойства пластика.

Оксиды наноматериала

Ученые активно исследуют и такую структуру графена, которая внутри или по краям углеродной сетки имеет присоединенные кислородосодержащие функциональные группы или (и) молекулы. Это оксид самого твердого нановещества, который является первым двумерным материалом, дошедшим до стадии коммерческого производства. Из нано- и микрочастиц этой структуры ученые изготовили сантиметровые образцы.

Так, оксид графена в сочетании с диофилизированным углеродом был недавно получен китайскими учеными. Это весьма легкий материал, сантиметровый кубик которого удерживается на лепестках небольшого цветка. Но при этом новое вещество, в котором находится оксид графена, является одним из самых твердых в мире.

Биомедицинское применение

Оксид графена обладает уникальным свойством селективности. Это позволит данному веществу найти биомедицинское применение. Так, благодаря работам ученых стало возможным использование оксида графена для диагностики раковых заболеваний. Обнаружить злокачественную опухоль на ранних стадиях ее развития позволяют уникальные оптические и электрические свойства наноматериала.

Также оксид графена позволяет производить адресную доставку лекарственных и диагностических средств. На основе данного материала создаются сорбционные биодатчики, указывающие на молекулы ДНК.

Индустриальное применение

Различные сорбенты на основе оксида графена могут быть применены для дезакцивации зараженных техногенных и природных объектов. Крое того, данный наноматериал способен переработать подземные и поверхностные воды, а также почвы, очистив их от радионуклидов.

Фильтры из оксидов графена могут обеспечить суперчистотой помещения, где производятся электронные компоненты специального назначения. Уникальные свойства данного материала позволят проникнуть в тонкие технологии химической сферы. В частности, это может быть извлечение радиоактивных, рассеянных и редких металлов. Так, использование оксида графена позволит добыть золото из бедных руд.

Нобелевская премия 2010 года по физике присуждена выходцам из России, работающим в Великобритании - Константину Новоселову и Андрею Гейму - за создание графена, объявила Шведская академия. Премия ученым присуждена "за новаторские эксперименты по исследованию двумерного материала графена", говорится в сообщении на сайте премии.

Графен представляет собой одиночный слой атомов углерода, соединенных между собой структурой химических связей, напоминающих по своей геометрии структуру пчелиных сот.

Графен обладает высокой прочностью, он прозрачен в силу своей чрезвычайно малой толщины. Кроме того, графен является прекрасным проводником электрического тока, что делает его очень привлекательными для использования в качестве прозрачных электродов солнечных батарей или сенсорных дисплеев.

Будучи открытым всего несколько лет назад (в 2004 г.) учеными Константином Новоселовым и Андреем Геймом , работающими ныне в Манчестерском университете, графен быстро завоевал право называться материалом - преемником кремния, так как вскоре после начала его интенсивного изучения стало понятно, что по многим параметрам он превосходит наиболее широко используемый полупроводник.

Благодаря своим свойствам, графен считается следующим поколением материалов, которые найдут свое применение в наноэлекронике. Он позволит существенно повысить скорость работы вычислительных машин, снизить их энергопотребление и нагревание в ходе работы, сделать их легкими. Графен также может быть использован в качестве замены тяжелых медных проводов в авиационной и космической индустрии, а также в широком наборе гибких электронных устройств, прототипы которых разрабатываются в наши дни.

Главный из существующих в настоящее время способов получения графена основан на механическом отщеплении или отшелушивании слоев графита. Он позволяет получать наиболее качественные образцы с высокой подвижностью носителей. Этот метод не предполагает использования масштабного производства, поскольку это ручная процедура.

Другой известный способ - метод термического разложения подложки карбида кремния гораздо ближе к промышленному производству.

Поскольку графен впервые был получен только в 2004 г. , он еще недостаточно хорошо изучен и привлекает к себе повышенный интерес. Данный материал не является просто кусочком других аллотропных модификаций углерода: графита, алмаза - из-за особенностей энергетического спектра носителей он проявляет специфические, в отличие от других двумерных систем, электрофизические свойства.

Согласно расчетам, микроэлектронные чипы на основе графена должны быть легче, производительнее, стабильнее в работе, должны потреблять меньше электроэнергии и меньше ее количество рассеивать в виде тепла. Наибольшая сложность в создании готовых электронных устройств на основе графена до сих пор заключалась в технической сложности получения углеродного листа больших размеров и отсутствия технологий манипуляций с ним.

В июне 2010 г. в Nature Nanotechnology была опубликована статья группы исследователей из Кореи и Японии, которые впервые сумели использовать углеродный наноматериал графен для создания сенсорного экрана с большой диагональю, что может приблизить появление гибких дисплеев и солнечных батарей и позволит существенно снизить их стоимость.

Ученые впервые сумели показать, что манипуляции с графеном возможны по принципам стандартной роликовой технологии, используемой, например, при печати газет и журналов. В своей работе они сумели получить большой лист графена, используя метод реакционного химического осаждения углеводородного сырья на гладкую пластину из меди. После этого с помощью роликов ученые покрыли графен слоем специального клейкого полимера, а медную подложку растворили травлением.

На следующем этапе ученые с помощью все той же роликовой технологии при нагревании перенесли графен с клейкой поверхности полимера на обычный пластик, используемый, например, для производства бутылок прохладительных напитков. Авторы публикации показали, что таким образом можно нанести несколько слоев графена друг на друга.

Полученный таким образом прямоугольный графеновый лист с диагональю 76 см ученые сумели превратить в прозрачный электрод для сенсорного дисплея. Такой дисплей, в отличие от современных аналогов, где в качестве прозрачного проводника используется оксид индия-олова, отличаются долговечностью, гибкостью, повышенной прозрачностью и, что наиболее важно, низкой стоимостью и экологичностью производства.

Создатели графена:

Андрей Гейм родился в Сочи в 1958 г., сейчас имеет голландское гражданство.

В 1982 г. окончил МФТИ, факультет общей и прикладной физики, получил степень кандидата физико-математических наук в Институте физики твердого тела АН СССР.

Работал научным сотрудником в Институте проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН в подмосковной Черноголовке, Ноттингемском университете, университете Бат (Великобритания), в университете Неймегена (Нидерланды), с 2001 г. - в Манчестерском университете.

В настоящее время Андрей Гейм - руководитель Манчестерского центра по мезонауке и нанотехнологиям, а также глава отдела физики конденсированного состояния.

Константин Новоселов родился в Нижнем Тагиле в 1974 г., сейчас имеет британское и российское гражданство.

В 1997 г. окончил МФТИ, факультет физической и квантовой электроники.

В настоящее время является профессором университета Манчестера.

Совместная работа выходцев из Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН в подмосковной Черноголовке в Университете Манчестера началась в 2001 г., когда Гейм был приглашен на должность директора Центра мезонауки и нанотехнологии Манчестерского университета. Константин Новоселов, стипендиат Фонда Леверхульма, присоединился к новым исследованиям своего соотечественника.

Гейм и Новосёлов - лауреаты премии Европейского Физического общества Europhysics Prize 2008 г. Эта высокая европейская награда присуждается ежегодно с 1975 года. Официальная формулировка присуждения премии размером в 10 тысяч евро: "за открытие и выделение свободного одноатомного слоя углерода, и объяснение его выдающихся электронных свойств".

5 октября 2010 г. стало известно, что Константину Новоселову и Андрею Гейму присуждена Нобелевская премия 2010 года по физике.

Премия ученым присуждена "за новаторские эксперименты по исследованию двумерного материала графена" , говорится в сообщении на сайте премии.

Материал подготовлен на основе информации РИА Новости и открытых источников