В 200 раз прочнее стали, в 1000 раз легче бумаги. Удивительный материал – графен

В 2004 г. произошло случайное событие, которое потенциально может повлиять на историю развития человечества. Ученые из Манчестерского университета, А. Гейм и К. Новоселов, проводили эксперименты с графитом – материалом, который мы привыкли видеть в виде стержня простого карандаша.

Изобретение графена

Структура графита представляет собой тончайшие листы чистого углерода, которые уложены друг на друга. Исследователи решили проверить, смогут ли они отделить один такой лист, невероятно тонкий, толщиной всего в атом. Для работы был применен обычный канцелярский скотч.
Итак, на липкую ленту помещается кусок графита. Он накрывается другой липкой лентой и разделяется. Операция повторяется несколько десятков раз, пока на скотче не остается один слой углеродного листа, который и был впоследствии назван графеном. Как выяснилось, это самое прочное, легкое вещество на Земле, обладающее, к тому же, самой высокой электрической проводимостью. За свое открытие в 2010 г. ученые были удостоены Нобелевской премией.

Удивительный материал

Лаборатории всего мира начали исследовать свойства графена. Выяснилось, что его прочность в 200 раз превышает прочность стали, аналогичной толщины. Это связано со структурой материала. Если тончайший лист рассмотреть достаточно близко, то можно увидеть атомный гексагональный узор, напоминающий пчелиные соты или сетку Рабица. Каждый атом нераздельно привязан к трем соседним элементам, что придает невероятную прочность всей конструкции.
Высокая проводимость электричества тоже связана со структурой материала. Любой из атомов углерода на внешней оболочке обладает четырьмя электронами. Три из них связаны с соседними атомами, а четвертый остается свободным. Так называемый пи-электрон без препятствий перемещается в пространстве, передавая электрические заряды, практически не встречая сопротивления.
На этом чудесные свойства графена не заканчиваются. Он на 98% прозрачен, очень легок. Может преобразовывать свет в электричество. А самое главное, это четвертый по распространенности элемент во Вселенной, исчерпать запасы которого даже теоретически невозможно.
Ученые предрекают замечательному материалу великое будущее. Он может быть использован при производстве мощных и долговечных аккумуляторов, гибких микросхем, быстрых микрочипов и еще в великом множестве направлений.

Сверхпроводник

Продолжая экспериментировать с графеном, инженеры Массачусетского технологического института в 2019 г. наткнулись на еще один его феномен. Как уже говорилось, углеродные пластины замечательно проводят электричество. Но, если сложить два одноатомных слоя, с расхождением на 1,1 градус, двухслойный графен обретает свойства сверхпроводника. То есть, ток проходит через них, абсолютно не встречая сопротивления, при нулевом нагреве. Сверхпроводники – редчайший вид материалов на Земле.
Это открытие потрясло мировое научное сообщество. И пускай ученые проводили эксперимент при экстремально низких температурах (-273 градуса по Цельсию), он показал, что, комбинируя другие сверхпроводящие материалы с графеном, появляется возможность достижения подобного эффекта при комнатной температуре. А это уже революция в энергоэффективности, результаты которой могут найти применение от бытовых сетей до гаджетов и автомобилей.

Использование новой технологии

Вероятно, пройдет еще не одно десятилетие, до появления сверхпроводников в нашем быту. Но революционные графеновые продукты должны оказаться на рынке гораздо быстрее. К 2024 г. эта технология будет применяться при изготовлении батарей, фотоники, камерах ночного видения и многих других направлениях.

Потребители годами ждут появления графеновых аккумуляторов. Литий-ионные технологии являются на сегодняшний день самыми продвинутыми. Но и эти батареи все равно имеют относительно медленный заряд, быстро «выгорают», после отработки заданного количества циклов. Дело в том, что происходящий в них электрохимический процесс, сопровождается большим выделением тепла.

Графен даже сегодня является самым эффективным проводником в мире. Благодаря этому, он выделяет много меньше тепла, при зарядке или разрядке аккумулятора. Батареи на его основе будут в 5 раз быстрей заряжаться, отработают в 5 раз больше циклов до замены, в 3 раза увеличат срок службы аккумулятора.
Что же касается электромобилей, то применение новых технологий позволит значительно увеличить дальность поездок до подзарядки. Конечно, это произойдет не завтра. На выпуск литий-ионных батарей заточена целая индустрия, она не может перестроиться в одно мгновение, но уже сейчас, независимая оценка бизнеса этого направления показывает, что за ним будущее - ведь преимущества графена настолько очевидны, что производителям придется переходить на него.

Другие варианты применения

Производство аккумуляторных батарей отнюдь не ограничивает применение чудо-материала. Представьте себе невероятно тонкие и гибкие микрочипы, которые можно ввести непосредственно в кровеносную систему пациента, для отслеживания в реальном времени его медицинских показателей. Или вшитый под кожу датчик, который будет постоянно сканировать сигналы головного мозга, заранее предупреждая о приближающемся инсульте или эпилептическом припадке.
Еще одно направление – фотоника. Используя графеновые пластины, светочувствительная техника значительно расширит свои возможности. Улучшится изображения камер, приборов ночного видения, телескопов … Графен отлично показал себя в индустрии опреснения и очистки жидкостей. Например, компанией Graphene Flagship создан прибор, который способен очистить морскую воду от соли более чем на 60%. Все эти разработки потребуют времени, но ученые уверены: графен оправдает все ожидания.