Графен — что это такое и для чего он используется?

Графен — что это такое и откуда он взялся

Прорывной характер графена заключается прежде всего в его двумерности. С физической точки зрения, он представляет собой слой отдельных атомов углерода, расположенных в виде шестиугольника, визуально похожего на соты. Таким образом, графен — это аллотропная форма углерода.

Уже в 1940-е гг. XX века Филип Рассел Уоллес разработал теоретическую концепцию создания одноатомной структуры углерода. Однако эта идея долгие годы отвергалась большинством ученых. И только спустя шесть десятилетий его удалось превратить в реальный, ощущаемый материал.

Дуэту Гейм и Новоселов из Манчестерского университета удалось выделить графен из куска графита, перенеся атомы углерода на слой диоксида кремния (SO₂) с помощью клейкой ленты. Диоксид кремния играл важную роль в этом процессе, изолируя слой графена с нейтральным электрическим зарядом. В настоящее время этот метод используется только в небольших масштабах для исследовательских целей.

Необычные свойства графена

Что заставило привлечь внимание всего научного мира к ультратонкому слою атомов углерода? Графен оказался чрезвычайно хорошим проводником тепла и электричества. Он также характеризуется низким активным сопротивлением. В этом отношении он является конкурентом меди и кремния.

При комнатной температуре электроны графена демонстрируют беспрецедентную для других материалов подвижность. Высокая скорость их потока, достигающая 1/300 скорости света, открывает интересные возможности их использования в диагностике.

Графен также практически прозрачен — он поглощает 2,3% белого света. Таким образом, его уникальный электрический потенциал идет рука об руку с оптическим. Несмотря на чрезвычайно тонкую структуру, графен в 100 раз прочнее стали. В то же время он сохраняет высокий уровень гибкости (до 20% растяжимости по длине или ширине).

Мембрана с окисленного графена полностью непроницаема для газов и в то же время проницаема для воды. Таким образом, его можно использовать для целей фильтрации. Также следует отметить антимикробные свойства материала.

Перспективный графен — применение в различных отраслях промышленности

Электронные, оптические, тепловые и механические свойства графена открыли двери для многих практических и коммерческих возможностей применения. По мнению экспертов, в ближайшие десятилетия они будут динамично развиваться.

Уже сегодня графен считается преемником кремния в области электроники. Как прозрачный и гибкий проводник он может быть использован для производства фотоэлементов, рулонных экранов и сенсорных панелей, а также светодиодных ламп. Он также значительно увеличивает частоту электромагнитного сигнала, благодаря чему позволяет производить более быстрые транзисторы.

Датчики, изготовленные из графена, также вызывают значительный интерес. Благодаря своей исключительной чувствительности они способны обнаруживать отдельные молекулы опасных веществ. Таким образом, они облегчают мониторинг окружающей среды. Оксид графена, распределенный в воздухе, также обладает способностью удалять радиоактивные загрязнения.

С каждым годом увеличивается перспектива разработки новых продуктов с использованием графена. Наиболее перспективные направления применения графена:

• современные энергетические сети;
• энергосберегающие источники света;
• полупроводники, используемые в устройствах спинтроники;
• более эффективные антикоррозионные покрытия;
• фильтрация воды для очистки и опреснения;
• оптико-электронные системы связи.

Кроме того, существуют предположения о перспективном использовании графена для производства более легких и прочных конструктивных элементов для автомобилей, самолетов, космических кораблей и устройств. В сочетании с синтетическими материалами (например, резиной) он может быть использован для создания, например, теплопроводящей резины. На основе графена уже была разработана чрезвычайно прочная бумага, способная проводить электричество.

Биосовместимый графен — применение в медицине

Стоит также отметить возможность использования графена в области биомедицины, как в диагностической, так и в терапевтической сферах. В качестве носителя лекарственного средства оксид графена характеризуется высокой биосовместимостью и отличной растворимостью. Таким образом, он позволяет точно дозировать противовоспалительные и противораковые агенты, а также ферменты и минеральные вещества.

Тот факт, что графен отлично проводит тепло, также используется для уничтожения раковых опухолей. Явление термоаблации позволяет использовать накопленное тепло для уменьшения боли в тканях. Уже ведутся работы по производству медицинских аксессуаров и одежды с подогревом.

Листы графена также используются в качестве биосенсоров. Они могут помочь диагностировать рак и неврологические заболевания (например, эпилепсию или болезнь Паркинсона) с помощью портативных устройств. Графеновый зонд, созданный поляками, как ожидается, произведет революцию в исследованиях ЭКГ, позволяя проводить измерения с уровня сердца.

Антибактериальные свойства графена также дают возможность решить кризис, связанный с растущей нечувствительностью бактерий к антибиотикам. На его основе могут быть созданы средства, предназначенные для местного лечения инфекций и дезинфекции ран.

Возможность использования графена в тканевой инженерии выглядит очень многообещающе. Инновационный углеродный каркас чрезвычайно прочен с механической точки зрения. Исследования показывают, что он ускоряет дифференциацию стволовых клеток и способствует более быстрому выздоровлению.

Производство графена

С 2014 года графен производится в больших масштабах для коммерческих целей. Новые микромеханические технологии позволили значительно снизить стоимость материала. В настоящее время его ведущими производителями являются США и Китай, где находятся значительные количества дешевого аморфного графита.

Графен премиум-качества, необходимый для электроники, должен быть произведен из графита достаточно высокого качества. Для этого необходимы плоские, упорядоченные кристаллы специальной обработки. Соответственно, цена материала при этом выше.

Корейским ученым удалось разработать эффективный и экономичный способ производства графена путем химического осаждения из паровой фазы (CVD). Недостатком этого решения является более низкое качество материала и более высокая частота дефектов. Однако для некоторых областей применения это не является проблемой.

Поляки также внесли свой вклад в разработку инновационных методов производства графена. Институт технологии электронных материалов в Варшаве имеет патент на производство материала из карбида кремния. В 2015 году ученые из Лодзинского университета разработали прорывную технологию HGSM, позволяющую производить высококачественные широкоформатные листы из жидкой фазы.

Безопасен ли графен?

Как относительно новый материал, графен вызывает понятные сомнения в связи с его возможным влиянием на здоровье человека. Есть даже утверждения, что тонкая и легкая структура графена легко проникает в легкие, представляя угрозу, сопоставимую с пылью или даже волокнами асбеста. Китайские исследования даже предполагают, что наночастицы двумерного углерода могут оседать во внутренних органах.

Существует также теоретический риск того, что графен может нанести вред растениям и животным, попадая в поверхностные и грунтовые воды. Мелкие частицы могут оседать на берегах водоемов и повышать уровень жесткости воды.

Однако, согласно современным знаниям, графен нетоксичен и не имеет сродства с опасными веществами. Его количество, а значит и потенциальное воздействие, также крайне низки или даже незначительны. При контакте с кожей не проявляет раздражающих свойств. Международные исследования показывают, что вдыхание также не вызывает неблагоприятных иммунологических реакций.

В научном сообществе существует общий консенсус относительно необходимости дальнейших исследований свойств и применения графена, в том числе его безопасности. Они позволят оптимизировать методы использования инновационного материала с учетом долгосрочного воздействия на человека и окружающую среду.