06 августа 2021 в 8:00
Автор: Виталий Олехнович

Волшебный графен, который никак не выйдет за пределы лаборатории

Графен — удивительный своими свойствами и сложностью добычи материал. С тех пор как его в 2004 году впервые получили в британской лаборатории выходцы из России, масштабировать производство все никак не удается. В мире добывают либо крошечное количество высококачественного графена, либо промышленные объемы низкого качества с нюансами, которые частично испаряют волшебство материала будущего.

Почему так сложно получить чистый графен? Какие существуют технологии выделения графена? Где эксперименты демонстрируют его удивительные свойства уже сейчас? И почему эти волшебные характеристики так заводят ученых, что они не оставляют попыток его коммерциализировать?

Свойства любого материала зависят не только от того, какие химические элементы присутствуют в его составе. Также важно и пространственное расположение атомов. Алмаз и графит состоят из одних и тех же атомов углерода, однако первый используют для резки камня и бетона, а второй — в качестве грифеля для карандаша. Твердость алмазу придает плотная тетраэдрическая структура атомов. Графит на атомарном уровне представляет собой пласты в разных плоскостях, в которых атомы образуют шестиугольники.

Графен — двумерный. У него есть длина и ширина, а глубины как бы и нет. Это плоскость из атомов углерода, которые образуют кристаллическую решетку. И именно такая модификация обеспечивает его механическую гибкость, оптическую прозрачность, высокую теплопроводность и подвижность электронов. Это тончайшее вещество способно проводить электричество, а в будущем сгодилось бы для замены кремния в наноэлектронике.

Например, супербетон

Насколько широким может быть применение графена, демонстрирует исследование ученых из британского Исследовательского центра графена при Университете Эксетера. В 2018 году группа исследователей сделала намного более прочный по сравнению с традиционным бетон, добавив в него графен. Полученный таким образом композитный материал оказался на 146% прочнее на сжатие, а его теплоемкость была выше на 88%.

Ученые в лабораторных условиях отделяли от частиц графита графеновые слои с помощью высокоскоростной машины. Из полученного графена и жидкости делали суспензию. Чтобы графен не слипался в большие кучки, в эту суспензию добавили поверхностно-активное вещество.

Эту графеновую взвесь смешали с наиболее широко применяемым портландцементом, песком и заполнителем. Получившийся бетон залили в кубы со сторонами по 10 сантиметров, а потом выдержали в воде. По сравнению с контрольными бетонными кубами, в которых вместо графеновой суспензии использовали воду, у получившихся в лаборатории прорывных кубов был ряд интересных и перспективных свойств.

Во-первых, модуль Юнга — способность сопротивляться растяжению и сжатию при упругой деформации — выросла на 80,5%, прочность на сжатие составила уже озвученные 146%. У графеновых бетонных кубов в несколько раз упала водная проницаемость, а теплоемкость, наоборот, выросла на 88%. Все эти показатели варьировались в зависимости от концентрации графена в исходной суспензии.

Учитывая, насколько бетон распространен в строительстве современных зданий, улучшение свойств композитного материала сулит большие выгоды. Да, мы уже говорили, что добыть чистый графен крайне сложно. Но даже в «грязном» виде он может быть полезен для бетона.

Также графен может использоваться в качестве сенсорного слоя для тачскринов благодаря своей высокой электропроводности и прозрачности. Для сенсорных экранов смартфонов, стеклянных дверей морозильных камер и даже окон в кабине пилотов Airbus широко применяется тончайшая пленка из оксида индия-олова. Если не повысить эффективность использования индия или степень его вторичного использования, то запасы этого редкого металла могут быть исчерпаны в ближайшие десятилетия.

И графен мог бы принять эту эстафету и спасти мир если не от исчезновения сенсорных экранов, то от заметного подорожания смартфонов, поскольку другие альтернативы оксиду индия-олова обходятся недешево.

И все это лишь малая часть того, куда ученые пробуют приложить волшебные свойства графена. Эксперименты с краской для волос, которая остается устойчивой после 30 смывов. Большие надежды в солнечной энергетике из-за лучшей способности ловить фотоны. Упрочнение структуры асфальта с помощью графеновых добавок для решения одной из извечных российских проблем. Использование материала в аккумуляторах, фильтрах воздуха и опреснителях, суперконденсаторах, бронежилетах и гражданской одежде.

Но все это эксперименты на исключительно малых объемах или с грязным графеном, ожидания и хотелки. Приятно читать рассуждения ученых о том, что фантастика вскоре станет реальностью и квадратный метр графена будет весить как ус четырехкилограммовой кошки, отдыхающей на таком графеновом гамаке. Перед миром будущего, который хочет использовать графен, стоит сложная задача получения его в промышленных масштабах, в чистом виде и по разумной цене.

Графеновые нанотрубки?

Другое перспективное направление — углеродные нанотрубки. Это одностенные трубки, которые образованы из свернутого в цилиндр листа графена. В такой структуре электроны демонстрируют необычное движение, прыгают с места на место, оставляют положительно заряженные дыры. Но проводимость такой нанотрубки можно регулировать. А раз ток — это направленное движение электронов, то на основе нанотрубки можно получить высокочувствительный сенсор или фотодетектор, который будет преобразовывать оптический сигнал в направленное движение электронов — электрический сигнал.

Для этого российские ученые из Национального исследовательского университета МИЭТ с помощью фемтосекундного лазера (лазер с ультракороткими импульсами) смогли модифицировать структуру графеновой нанотрубки так, что одна ее часть обладает почти металлическими свойствами, а другая — свойствами полупроводника. Проводимость этой второй части нанотрубки зависит от света. Когда он на нее попадает, электроны от металлической части устремляются в другой конец — образуется электрический импульс.

Такой фотодетектор демонстрирует высокую чувствительность и быстродействие. А разработчики технологии полагают, что она может найти свое применение в наноразмерных оптоэлектронных устройствах, камерах с высоким разрешением и квантовых компьютерах.

Углеродные нанотрубки уже делают. Иногда удается вырастить в лаборатории целый лес рекордной высотой в 14 сантиметров на подложке, на которую из газовой фазы осаждается углерод. В России компания «Оксиал» производит углеродные нанотрубки в огромных количествах и успешно ими торгует. Но, по словам Константина Новоселова, одного из первооткрывателей графена, это немного не тот материал. Точнее, совсем не тот. Удивительные свойства графена обеспечивает его двумерная структура. Углеродные нанотрубки в промышленных масштабах — это масса довольно неорганизованных фрагментов нанотрубок. Они не обладают той же прочностью на разрыв, как отдельные нанотрубки, но практическое применение находят: их используют для создания велосипедных компонентов, более прочной наноэпоксидной смолы.

Сложно, дорого, мало

Нельзя сказать, что методы получения графена не продвинулись с тех пор, как Андрей Гейм и Константин Новоселов впервые отслоили его от графита с помощью простой липкой ленты. Но путь от лаборатории до реальной и эффективной технологии оказывается неблизким.

Получить графен в домашних условиях едва ли не проще, чем графеновый лист большой площади в лаборатории. Тут и там его добывают для изучения, но для настоящей революции необходимо автоматизированное производство нескольких килограммов в день или тонн в год.

В университетах, например, графен добывают из графита с применением серной или азотной кислоты. Процесс окисления приводит к тому, что между листами графена в графите появляются атомы кислорода. Происходит расщепление слоев и образование оксида графена в кислоте. После фильтрации остаются легковесные хлопья оксида графена. Из них надо вытравить кислород с помощью чрезвычайно токсичного гидразина.

Другой способ заключается в использовании метана. При высоких температурах (около 1000 градусов по Цельсию) метан вступает в реакцию с медью с образованием графена. Этот процесс называется химическим осаждением из паровой фазы. Он требует много времени для небольшой площади графена, качество которого оставляет желать лучшего. Этот метод совершенствуется, в газ добавляют примеси, что уменьшает температуры производства и улучшает качество графена. Также используют никелевую фольгу в качестве катализатора.

Последовательное отслаивание графита и графена с помощью клейкой ленты, кстати, также не забыто. Разработаны ленты, которые легче растворяются в воде. Но автоматизировать этот ручной труд практически невозможно.

В этом году химики из Университета Райса представили технологию получения графена из выброшенных автомобильных покрышек. Переработка покрышек — отдельная и серьезная проблема, так что их использование для получения графена выглядит перспективным.

Химики предложили сжигать шины с помощью мощных коротких (до секунды) электрических разрядов. Под действием разряда они превращаются в турбостратный графен с большим количеством дефектов.

Этот графен проверили при добавлении в портландцемент в количестве всего от 0,1 до 0,5 весового процента. После семидневного застывания бетон демонстрировал прочность на сжатие на 30% выше, чем традиционный бетон.

В научной литературе можно встретить еще тысячу и один способ получения графена (например, с использованием чана на 10 000 литров, смесителя и графита с выходом графена до нескольких сотен граммов в час). Однако все эти методы объединяет несколько факторов: сложность, энергозатратность, малый выход и нестабильное качество графена.

Электронные свойства графена крайне чувствительны к дефектам материала. Появление других атомов в структуре графена приводит к резкому и неожиданному изменению его свойств. Достаточно одного атома водорода, чтобы сделать графен магнитным. А окисление углеродных связей в материале делает его уязвимым в окружающей среде.

Некоторые методы анализа требуют уничтожения части графена, что совсем уж неприемлемо, ведь его с таким трудом добывают. Другие методы требуют дорогостоящего оборудования и специально обученных специалистов. И оптическими микроскопами не всегда обойдешься. Необходимо прибегать к электронной микроскопии, чтобы составить полную картину относительно графена.


17 лет — это много или мало? С момента открытия графена о нем написаны десятки тысяч научных статей как с теоретической точки зрения, так и по следам практических работ и экспериментов. Со стороны может показаться, что эта отрасль так и не сможет покинуть пределы лабораторий. Но слишком уж много надежд возлагается на графен. А человек, который сможет подарить его миру, станет в один ряд с Габером и Бошем, которые придумали, как в промышленных масштабах синтезировать аммиак.

Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!

Есть о чем рассказать? Пишите в наш телеграм-бот. Это анонимно и быстро

Перепечатка текста и фотографий Onliner без разрешения редакции запрещена. ng@onliner.by

Автор: Виталий Олехнович
Без комментариев