Графен – материал будущего

С карандашом мы знакомы с детства. Любой ребенок может сказать, что это палочка, которой рисуют, и она постоянно ломается. Следовательно, нам известно, что графит – хрупкий материал. С одной стороны это правда. Когда мы нажимаем на грифель, то он расслаивается, а на бумаге остается след или полоска.

Графен — след карандаша на бумаге

Этот след и есть графен, точнее сказать, несколько слоев, соединенных вместе. Из-за того, что они легко расслаиваются, и создался миф о хрупкости графита.

 

В действительности же один слой графена прочнее стали в 200 раз!

Ученым в Калифорнии удалось это выяснить, проведя следующий эксперимент. Они поместили слой данного материала над мельчайшими отверстиями кремниевого кристалла. Затем ученые стали давить на графен алмазной иглой, стремясь его разрушить. По ходу эксперимента измеряли давление. Так было выяснено, что этот материал – самый прочный в мире, что вдвойне удивительно, ведь его толщина всего 1 атом. Более того, если бы графен был, как пищевая пленка, то он выдержал бы давление кончика карандаша, на противоположной стороне которого сидел слон, или балансировал автомобиль!

Кроме того, графен гибок, его можно скручивать в трубочку, диаметр которой не превышает 2 нанометров.

Неоценимый вклад скотча

Эти свойства графена ученым уже давно были известны. Главная проблема состояла в том, как получить один слой этого материала. Первую попытку предпринял Родни Руофф в 1999 году ученый из Техаса при помощи сверхтонкой иглы. Не удалось. Следующий инструмент — нанокарандаш применили уже другие ученые. Также не получилось. И только в 2004 году россиянами Константином Новоселовым и Андреем Геймом был получен один слой графена. За это они стали нобелевским лауреатами.

Вначале ученые наклеили на графит кусочек скотча. Отклеили, потом опять приклеили. И так повторяли, пока не остался на клейкой ленте один слой. Его-то им удалось перенести на пластину из силикона. Так была одержана победа над природой. Сейчас во всем мире думают, как наладить массовое производство материала.

Бешеные электроны или уникальное свойство

Скорость электропроводности у графена уникальна. Она практически равна скорости света. Данное свойство материалов зависит от того, насколько подвижны в атомах электроны. К примеру, в металлах есть зоны, благодаря которым мельчайшие отрицательно заряженные частицы могут свободно перемещаться от одного атома к другому. В полупроводниках их нет. Зато есть запрещенная зона. Именно ее электронам необходимо преодолевать, чтобы предмет становился электропроводным. Для этого нужна дополнительная энергия.

Уникальность графена, несмотря на то, что это не металл, состоит в том, что в нем запрещенной зоны нет. Из-за этого электроны свободно перемещаются. А так как на них не влияют какие-либо другие заряженные частицы, то они начинаются двигаться с умопомрачительной скоростью. Таким образом, созданный из него, к примеру, транзистор будет выключаться или включаться очень быстро.

Применение графена

Возможности графена неисчерпаемы. Некоторые прозвали его «материалом будущего». Ведь если ученые смогут добавить в него запрещенную зону, то человечество начнет новую страницу истории научно-технического прогресса. Поскольку из этого материала можно изготавливать электрические цепи или их компоненты с уникальной электропроводностью.

Графен может применяться в создании светочувствительных элементов. Он станет замечательным детектором вредных для человека отравляющих веществ. А его уникальная прочность! Поистине графен – чудо-материал, который может применяться буквально в любом производстве.

Ученые проверили графен на прочность

Графен был впервые получен в 2005 году, и с тех пор ученые не раз обращались к его изучению и придумывали все новые эксперименты с этим материалом. Углеродные листки толщиной в один атом проводят электричество лучше, чем кремний и являются превосходной основой для полупроводников. Однако сейчас ученые впервые проверили графен на прочность и пришли к заключению, что это самый прочный из всех когда-либо исследованных материалов. Это открытие говорит о том, что графеновые полупроводники прекрасно выдержат нагрев сверхбыстрых полупроводниковых систем.

Джеффри Кисар ( Jeffrey Kysar) и Джеймс Хон (James Hone), профессоры из университета Колумбии (Columbia University) исследовали прочность графена на разрыв. Для этого в кремниевой полупроводниковой пластине были вырезаны отверстия диаметром в один микрон, поместили на отверстия графен и затем пробили его алмазным зондом. Ранее такие опыты никогда не проводились, так как для чистоты эксперимента необходим идеальный графен, без дырок в атомной структуре.

Наглядно опыт можно представить так: натянем полиэтиленовую пленку на стакан и измерим усилие, необходимое для того, чтобы ее прорвать. Если бы можно было представить себе графеновую пленку размером со стакан, она могла бы держать вес автомобиля поставленного на острие карандаша. Впрочем, дело тут не только в сверхъестественной прочности графена. Если мы рассмотрим под микроскопом любой материал, мы увидим множество трещин и каверн. Именно из-за них лопаются несущие плоскости самолетов и подламываются прочнейшие опоры мостов. Микрообъекты же могут иметь идеальную структуру и быть невероятно прочными. Однако все же параметры графена исключительны.

Такие прочностные характеристики важны для будущего применения графена в электронике. Ученые отмечают, что прочность и износоустойчивость в технологии микропроцессоров куда важней, чем может показаться неспециалисту. Полупроводники должны постоянно выдерживать нагрев и графен справляется с этой задачей наилучшим образом. На основе графена создаются трехмерные структуры из нанотрубок и бакиболлов — фуллеренов, кластерных углеродных структур, содержащих от 10 до 1000 атомов и по форме напоминающих футбольный мяч, откуда их английское название. В идеале, нанотрубка должна иметь прочность графена, поскольку она представляет собой пленку графена, свернутую в трубку. На практике некоторые атомы выпадают и именно эти места являются местами потенциального разрыва.

Механическая прочность графена может найти применение не только в производстве полупроводников. Он может служить, например, переключателем в электронных схемах. Сейчас ученые исследуют свойства графена, такие, как оптические, электрические и химические.

В США разработали метод массового производства графена

Массовое производство наноматериала графена, несмотря на серьезные разработки в этой области, по-прежнему затруднено. Привычные химические методы позволяют получить лишь небольшое количество графена для опытов. Однако исследование ученых из Стенфордского университета, США, может решить эту проблему. Хонджи Дай (Hongjie Dai) и его коллеги изобрели метод, названный ими «техникой варьируемого отшелушивания, переслоения и расширения» (scalable exfoliation-reintercalation-expansion technique), который позволит создавать высококачественные однослойные графеновые пластинки в органических растворах. Затем из них можно формировать большие прозрачные токопроводящие пластинки для использования в солнечных батареях в качестве электродов переслоенный графит.

Электропроводимость пластинок, сделанных по этой технологии близка к уровню чистого графена и почти в сто раз превышает электропроводность графена, получаемого из графен диоксида. Новый метод заключается в расслоении доступного для приобретения графита при температуре 1000 °C и обработке его дымящейся серной кислотой для переслоения. Затем он подвергается обработке трибутиларзином, который еще более увеличивает расстояние между слоями. После этого ученые помещают объект в диметилформамид и обрабатывают его ультразвуком. На финальной стадии графен центрифугируют и получают на выходе массу однослойных пластинок в растворе.

По словам Хонджи Дая, данная техника несложна и почти 90% получившихся пластинок – требуемые одноатомные графеновые чешуйки. Эту технологию несложно будет запустить в промышленном масштабе. По сравнению с другими методиками, данный способ позволяет получить множество графеновых пластинок с исключительно высокой электропроводимостью. Прежние методы ему однозначно проигрывают, уверен ученый. Метод отслоения позволяет получать лишь малое число чешуек за большое время, метод эпитаксиального выращивания, при котором графен нарастает на специальном субстрате, например, карбиде кремния или рутении, имеет трудности с последующим собиранием графена и годится также только для лабораторий.