Что такое графен и на что он способен?

Если вы были где-то рядом с научным журналом в течение последнего десятилетия или около того, вы наткнулись на какую-то превосходную степень о графене — двумерном чудесном материале, который обещает изменить все, от вычислений до биомедицины.

Вокруг применения графена много шумихи благодаря нескольким замечательным свойствам. Он в миллион раз тоньше человеческого волоса, но в 200 раз прочнее стали. Он гибкий, но может действовать как идеальный барьер и является отличным проводником электричества. Сложите все это вместе, и вы получите материал с множеством потенциально революционных применений.

Что такое графен?

Графен — это углерод, но имеющий сотовую решетку толщиной в один атом. Если вы вернетесь к своим старым урокам химии, вы вспомните, что материалы, полностью состоящие из углерода, могут иметь совершенно разные свойства в зависимости от того, как расположены его атомы (разные аллотропы). Например, графит вашего карандаша мягкий и темный по сравнению с твердым и прозрачным бриллиантом вашего обручального кольца. Созданные человеком углеродные структуры ничем не отличаются; Бакминстерфуллерен шарообразной формы действует иначе, чем спиральные углеродные нанотрубки.

Графен состоит из листа атомов углерода в гексагональной решетке. Из вышеперечисленного по форме он наиболее близок к графиту, но если этот материал состоит из двумерных листов углерода, удерживаемых слой за слоем слабыми межмолекулярными связями, то графен имеет толщину всего в один лист. Если бы вы смогли отделить от графита один слой углерода толщиной в один атом, у вас был бы графен.

Слабые межмолекулярные связи в графите делают его мягким и чешуйчатым, но сами углеродные связи прочные. Это означает, что лист, состоящий исключительно из этих углеродных связей, прочен – примерно в 200 раз прочнее, чем самая прочная сталь, и в то же время является гибким и прозрачным.

Теория о графене возникла уже давно, и он случайно производился в небольших количествах с тех пор, как люди использовали графитовые карандаши. Однако его основная изоляция и открытие связаны с работой Андре Гейма и Константина Новоселова в 2014 году в Манчестерском университете. Сообщается, что двое ученых проводили «эксперименты по вечерам в пятницу», во время которых они проверяли идеи помимо своей повседневной работы. Во время одного из таких сеансов исследователи использовали скотч, чтобы удалить тонкие слои углерода с куска графита. Это новаторское исследование в конечном итоге привело к коммерческому производству графена.

После получения Нобелевской премии по физике в 2010 году Гейм и Новоселов подарили диспенсер для ленты Нобелевскому музею.

Для чего можно использовать графен?

Важно отметить, что ученые разрабатывают всевозможные материалы на основе графена. Это означает, что, вероятно, лучше думать о «графенах» так же, как мы думаем о пластиках. По сути, появление графена может привести к появлению совершенно новой категории материалов, а не просто одного нового материала.

Что касается приложений, исследования проводятся в самых разных областях: от биомедицины и электроники до защиты растений и упаковки пищевых продуктов. Например, возможность изменять свойства поверхности графена может сделать его выдающимся материалом для доставки лекарств, а проводимость и гибкость материала могут предвещать новое поколение схем сенсорных экранов или складных носимых устройств.

Тот факт, что графен способен образовывать идеальный барьер для жидкостей и газов, означает, что его также можно использовать с другими материалами для фильтрации любого количества соединений и элементов, включая гелий, газ, который чрезвычайно трудно блокировать. Это имеет широкий спектр применений в промышленности, но также может оказаться очень полезным для защиты окружающей среды, связанной с фильтрацией воды.

Многофункциональные свойства графена открывают двери для огромного количества применений композитов. Несмотря на то, что много думали о том, как это может стимулировать уже существующие технологии, постоянный прогресс в этой области в конечном итоге приведет к появлению совершенно новых областей, которые раньше были невозможны. Можем ли мы увидеть появление совершенно нового класса аэрокосмической техники? А как насчет оптических имплантатов дополненной реальности? Судя по всему, мы это узнаем в XXI веке.