logo
04.08.2018 |

Обыкновенное углеродное чудо

Материал будущего графен приближает мир к технологическому прорыву, к которому Россия пока не готова

Фото: Олег Бородин

Китайские ученые научились управлять испарением воды с помощью графена, специалисты из Швейцарии создали графеновую мембрану для разделения газов, британский бренд Vollebak добавил графен в материал новой куртки, сделав ее «вечной». Эти новости последних недель дают лишь слабое представление о разнообразии графеновых технологий и степени интереса к ним в мире.

Самая тонкая, прочная и проводящая материя во Вселенной – это все о графене. Ученые еще продолжают описывать его свойства, но и имеющиеся результаты открывают множество вариантов использования – от улучшения качеств потребительских товаров до создания принципиально новых технологий. Ожидается, что вскоре на рынке появится целый класс графеносодержащих устройств, а затем в игру вступят другие двумерные материалы. В мире уже нарастает гонка за графеновое лидерство, куда включаются национальные институты, корпорации и стартапы, стимулируемые национальными правительствами. Россию этот бум обходит стороной: в графен у нас не верят, на государственном уровне не поддерживают, талантливые ученые вынуждены эмигрировать. Это особенно досадно, учитывая, что изначально графен был нашей разработкой. Зачем миру понадобился графен и как России догнать конкурентов, разобрался «Профиль».

Дело было в пятницу

Графен – материал из серии «удивительное – рядом». Это лишь модификация углерода, одного из самых распространенных элементов во Вселенной, присутствующего буквально везде, от карандашей (графит) до бриллиантов (алмаз). Весь секрет в форме воплощения: графен образуют частицы углерода, соединенные в двумерную кристаллическую решетку. Толщина слоя такой «пленки» составляет ровно один атом, меньше физически невозможно. Так получается невидимый глазу материал с удивительными свойствами.

Впервые раствор оксида графена был получен в XIX веке. В 1962 году ученые наблюдали монослои углерода в просвечивающий электронный микроскоп, в 1970‑м синтезировали его на металлах, в 1986‑м ввели термин «графен», в 1990‑х изучали его транспортные свойства. Но настоящий фурор произвела работа 2004 года Андрея Гейма и Константина Новоселова, российских физиков из Манчестерского университета. Они ввели практику «пятничного эксперимента» – несерьезных опытов ради забавы. В одну из таких пятниц ученые захотели получить как можно более тонкий кусок графита: традиционное выпиливание не помогло, материал крошился, и они придумали отделять слои скотчем. Так и получился монослой графена.

Итоговая статья Гейма и Новоселова вошла в топ‑100 самых популярных в истории науки (более 10 тыс. цитирований), а в 2010 году физики получили Нобелевскую премию. Если до этого графеном занимались в нескольких элитных лабораториях, то теперь его изучают во всем мире: более 130 тыс. публикаций за 15 лет.

«Нельзя назвать Гейма и Новоселова изобретателями графена, ведь материал существует независимо от человека, – говорит в беседе с «Профилем» старший научный сотрудник центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Юрий Стебунов. – Каждый, кто пишет карандашом, с некой долей вероятности может получить слой графита в один атом. Разница в том, что в XX веке ученые издавали одну-другую работу о графене и останавливались. Тогда считалось, что двумерные вещества в принципе не могут существовать. Гейм и Новоселов же выделили их в отдельный класс материалов и открыли миру их удивительные свойства. Тем самым задали другим ученым новый фронт работы».

За прошедшее десятилетие у графена открыли множество свойств, нехарактерных для физики твердых тел: в англоязычной литературе его называют «чудесным» (wonder material). Графен обладает неправдоподобной прочностью, высокой тепло- и электропроводимостью, при этом почти прозрачен (хотя обычно это исключает хорошую проводимость) и легко растягивается на 20%. Но главное «чудо» – при абсолютной тонкости он стабилен, атомарные связи не распадаются, как, по идее, должно быть у двумерных материалов: выяснилось, что атомы удерживаются вместе благодаря специальным вибрациям.

Фундаментальные исследования графена продолжаются – например, не до конца прояснен вопрос о его взаимодействии с соседними поверхностями. «Недавно американские физики рассказали о двуслойном графене, в котором они поворачивали слои под разными углами, – приводит пример Стебунов. – Оказалось, что существует магический угол, при котором такая структура становится сверхпроводящей. Теоретики не могли предсказать этот эффект. Думаю, нас ждет еще немало подобных открытий».

Параллельно с этим ученые выяснили, что двумерный слой можно создать не только на основе углерода, но и из различных металлов, полуметаллов, полупроводников, ди-электриков. Недавно исследователи из Политехнической школы Лозанны выяснили, что сырьем для производства графена могут послужить 1825 материалов и веществ, из которых они взялись исследовать 258 наиболее простых.

«В каком-то смысле возникает новая таблица Менделеева, на изучение которой уйдут десятилетия, – полагает Стебунов. – Сегодня о 99% двумерных материалов сведения скудны, хотя ими занимаются много людей. Если смотреть на публикации в Nature Nanotechnology (ведущем мировом журнале в области нанотехнологий), то треть всех статей посвящена двумерным материалам. Трудно найти в современной науке другое направление, которое так же сильно увлекало бы исследователей».

Отдельный вопрос, который будоражит воображение ученых, – перспективы «скрещивания» двумерных материалов путем расположения их плоскостей друг на друге. В таких «бутербродах» (вандерваальсовых структурах) материалы могут проявлять новые свойства, нехарактерные для каждого из них по отдельности. Иными словами, из двух атомарных слоев можно создать третий материал, вовсе не существующий в природе.

Между пробиркой и прилавком

Пока графен продвинулся дальше своих двумерных «братьев» – от фундаментальных исследований к практическим разработкам. Но прежде чем создавать технологии на основе графена, нужно обеспечить его бесперебойные поставки. Еще недавно с этим были проблемы.

В лабораториях графен по-прежнему заготавливают с помощью графита и клейкой ленты. Этот способ гарантирует высшее качество сырья (а значит, наилучшую проводимость), но непригоден для масштабного производства – после долгих операций ученые получают квадратные миллиметры материала. В 2010 году был презентован метод химического синтеза графена: при 1000 градусах по Цельсию из сырья с содержанием углерода (обычно из органики – нефти, газа или масла) за счет пиролиза выделяется графен, осаждаясь на медную фольгу. Так можно получать монослои площадью несколько квадратных метров – их качество ниже, но для большинства применений этого достаточно.

В некоторых случаях нужно еще больше графена – например, для добавления его в композитную смесь. Тут действуют методом, известным с XIX века, – восстановлением из раствора оксида графена. Его минусы – совсем уж «низкосортный» графен и токсичное производство. В последнее время разработан альтернативный способ – дробление графита мощными миксерами до мелких чешуек.

В результате себестоимость производства графена падает. По подсчетам СМИ, сегодня в мире работает до полутора сотен графеновых «фабрик», а рыночная цена материала составляет менее 1 евро за квадратный сантиметр. К 2022 году она снизится в 100 раз, прогнозирует компания Graphenea.

И все же трудности остаются. Самый узкий момент графеновой революции – как встроить двумерный материал в трехмерный мир, закрепив тончайшую пленку на определенной поверхности (подложке). «Мы с этой проблемой столкнулись в Физтехе: когда делали биосенсорные чипы, приходилось вручную переносить на них графен с медной фольги, где он был синтезирован, – вспоминает Юрий Стебунов. – Эта процедура сложная и дорогая, она не вписывается в текущие стандарты производства электроники. Есть два способа борьбы с этой проблемой: автоматизировать перенос на подложку или синтезировать графен сразу на нужной поверхности, снизив температуру синтеза до 300–500 градусов. Оба варианта непросты в реализации, но ученые не сдаются».

Как только человек научится работать с двумерными материалами, рынок перейдет в фазу активного роста, предполагает Стебунов: «В 90‑е годы в микросхемах вместо алюминия стали использовать медь. Это был непростой переход, хотя казалось бы – один металл заменяется на другой, принцип работы остается тот же. На этом фоне графен – инновация не в пример масштабнее, требующая совсем иного подхода».

В конечном итоге графен появится вокруг нас незаметно: это будет не сенсационный прорыв, а «медленная диффузия» в повседневную реальность, прогнозирует в своих интервью Андрей Гейм. Стебунов с ним согласен: «Как идентифицировать момент, когда графен пойдет в массы? Считаю, что это произошло, поскольку крупные корпорации его уже используют. В магазинах появляются все новые графеносодержащие товары, и в какой-то момент их станет абсолютное большинство».

Shutterstock
Авиационная промышленность связывает с графеном большие надежды. Если добавить его в алюминиевый сплав, можно сделать самолет легче и снизить расход топливаShutterstock

От ракеток до ракет

Графен пригодится человеку… везде. Просто добавьте графен – и почти любой материал станет долговечнее, устойчивее к внешним воздействиям. Теннисисты Мария Шарапова и Новак Джокович играют ракетками с графеном. В Северо-Западном университете США на его основе разработали суперстойкую краску для волос. В Нью-Йоркском университете рассчитывают, сколько слоев графена сделают бронежилет полицейского пуленепробиваемым. А Билл Гейтс вложился в компанию по производству графеновых презервативов: эти точно не порвутся.

Девелоперы планируют подмешивать графен в бетон при строительстве зданий в сейсмоопасных районах. Автопрому графен нужен, чтобы удешевить корпус автомобиля, а в перспективе и вовсе заменить металл на пластик. Еще актуальнее эта задача для аэрокосмической отрасли, ведь чем легче самолет или ракета, тем меньше расходуется топлива. Новейшие модели лайнеров – американский Boeing 787 и российский МС‑21 – почти наполовину состоят из композитных материалов.

Особо заинтересована в графене энергетика. Испанский нефтегигант Repsol вложился в компанию Graphenea: материал необходим для буровых растворов и покрытия трубопроводов. Также с помощью графена можно усовершенствовать литий-ионные аккумуляторы: батарея получится более емкой, а время зарядки сократится. Это подтверждают пилотные продукты Elecjet (внешний аккумулятор емкостью 6000 мА/ч, заряжающий iPhone за 10 минут, в планах – создание электровелосипеда с запасом хода до 100 км) и Graphenano (аккумулятор для электрокара с удельной емкостью 1000 Вт/ч/кг). Помимо этого, «чудесный» материал даст толчок альтернативной энергетике. В Массачусетском технологическом институте доказали, что солнечные батареи с графеном производят энергию даже во время дождя. А Гейм с Новоселовым тестируют графен для получения водородного топлива буквально «из воздуха».

Настоящий переворот ожидается в микроэлектронике. Возможности уменьшения кремниевых транзисторов близки к теоретическому пределу. Считается, что именно двумерные материалы позволят добиться следующего скачка вычислительных мощностей, вступив в эру посткремниевой электроники. Правда, именно графен не подойдет – придется дождаться, пока ученые изучат и смогут адаптировать к рынку его двумерных «братьев».

Зато в мобильных гаджетах графен актуален уже сегодня. В «умных» часах он используется в качестве прозрачных электродов в сенсорных экранах, заменяя дорогой оксид индия-олова.

Также на рынке можно встретить hi-end наушники с графеновой мембраной и смартфон в графеновом корпусе, не позволяющем ему перегреваться во время подзарядки. А в перспективе экраны гаджетов станут гибкими – здесь пригодится способность графена к механическому растяжению.

Еще один класс гаджетов, которые должен породить графен, – сверхчувствительные камеры и датчики. Оптические сенсоры на основе графена в сотни раз расширят диапазон действия, обеспечив видимость при плохой погоде и недостатке освещения, а также смогут «просвечивать» объекты насквозь. Это актуально не только для камер слежения в «умном» доме и городе, но и для беспилотных автомобилей: сейчас они теряют управление, если разметку замело снегом или на дорогу спустился туман.

Главные же графеновые инновации, по мнению Юрия Стебунова, ожидаются в сфере биотехнологий: «Сегодня уже существуют нейроинтерфейсы – например, можно вылечить слепоту, имплантировав в глаз искусственную сетчатку. Но пока это сложные, массивные, не слишком эффективные вещи. Графен позволит их модифицировать: электроды станут точнее, компактнее, будут оказывать меньше негативного воздейстия на организм. Сначала будет наполнен рынок нейропротезов, а затем появятся люди-киборги, мозг которых соединен с компьютером и искусственным интеллектом. Когда-то это казалось фантастикой, но с появлением графена технологическая платформа для киберпанк-будущего готова», – уверен собеседник.

Тем временем ученые проводят опыты по прямому «апгрейду» живых организмов с помощью графена: пауки и шелкопряды, которым этот материал подмешали в корм, стали сильнее и начали плести более прочную нить.

В Сети встречаются высказывания, что появление двумерных материалов спровоцирует технологическую революцию, сравнимую с изобретением колеса, бумаги, пластика или транзистора. По мнению Стебунова, это не преувеличение: графен действительно масштабнее других передовых технологий нашего времени – искусственного интеллекта, виртуальной реальности или блокчейна. Хотя говорят о нем пока меньше. «Надо понять, что графен – это не технология. Это материал, а технологий на его основе могут быть тысячи, – отмечает ученый. – Каждая из них развивается своим путем: какие-то уже выходят на потребителя, где-то требуется доработка. Графен недооценивают? Ничего страшного – в XIX веке и к алюминию относились скептически, а сегодня он везде. Если же учесть, что помимо графена скоро появятся сотни двумерных материалов, то нам открывается целый новый мир».

Shutterstock
Если до 2000-х годов графеном занимались в нескольких элитных лабораториях, то теперь его изучают во всем мире. По числу публикаций и заявок на патенты лидирует КитайShutterstock

Великий графеновый путь

Сегодня, когда графеновый рынок только складывается, наметить темпы его роста и даже очертить границы сложно. Поэтому в исследованиях цифры могут различаться на порядок. Так, Market Research Future ожидает, что в 2023 году он составит $811 млн, а Allied Market Research в 2020‑м ожидает лишь $149 млн. Variant Market Research полагает, что объем продаж графеновой электроники в 2024 году составит $797 млн, тогда как Visiongain отводит графеновой энергетике скромное место – $29 млн в 2025‑м.

«Эти прогнозы не имеют смысла, так как они подходят к вопросу в лоб: сколько продали графена в тоннах, – возражает Юрий Стебунов. – Но сам по себе графен стоит копейки. Мы ведь не меряем рынок электроники количеством проданного кремния. Важно то, какие технологии и микросхемы сделаны из этого материала».

По мнению эксперта, о разворачивающейся гонке сегодня можно судить по научной активности. В 2010 году графен упоминался в 0,2% публикаций, в 2016‑м – в 1% (для сравнения: теме полупроводников посвящены 0,8% статей, золоту – 0,9%; данные Web of Science). Если в 2010‑м число заявок на патенты по графеновой теме не превышало 6 тыс., то в 2016‑м их стало 50 тыс. (данные Scopus).

Лидирует в исследованиях графена Китай, которому принадлежит более половины публикаций и заявок на патенты. В 2013 году в Поднебесной создали Инновационный альянс графеновой промышленности, затем сделали индустрию новых материалов одним из приоритетов 13‑й пятилетки (2016–2020 гг.). Цель Пекина – забрать себе 80% мировой индустрии графена.

«Чудо-материал» пользуется господдержкой и в других странах. В Евросоюзе запустили проект Graphene Flagship: вложения в 2014–2020 годах оцениваются в 1 млрд евро. В британском Манчестере, где графен и появился на свет, решили не отставать: в эпоху Промышленной революции город считался «хлопковой столицей», сейчас же власти продвигают бренд Graphene City. Потратив 235 млн фунтов от правительства Великобритании и заручившись поддержкой компании Masdar из ОАЭ, в 2015 году в городе открыли Национальный графеновый институт. А в Сингапуре еще в 2010‑м вложили $300 млн в создание местного Центра двумерных материалов, пригласив к сотрудничеству Гейма с Новоселовым.

«Самым правильным можно считать китайский путь, – рассуждает Стебунов. – Британцы, решив заняться графеном, начали строить корпуса в Манчестере – сам Гейм сетовал, что вместо графена развивается строительная индустрия. А сегодня нужно вкладываться в прикладные исследования, в коммерциализацию результатов. Китайцы четко осознали свою нишу. Вкладываться в микроэлектронику им поздно, уже есть устоявшиеся компании в других странах. А графен – нечто принципиально новое, и, чтобы стать в этой области лидером, требуются не такие уж большие стартовые вложения. Они и вложились. К тому же в целом наука в Китае за 10 лет сильно изменилась. В университетах США уже больше половины аспирантов – китайцы. Многие остаются работать в США, но часть возвращается на родину, где им создают все условия. Это даже вызвало недовольство Дональда Трампа, подозревающего китайцев чуть ли не в шпионаже технологий».

Главным же рецептом развития графеновых технологий стало создание специализированного национального центра, утверждает Стебунов. Это не просто научный институт, а комплексная структура: фундаментальная работа сочетается с прикладной, бизнес присматривается к результатам, менеджеры ищут партнеров и инвесторов, юристы и патентные специалисты защищают интеллектуальные права. Помимо стран-лидеров этот путь берут на вооружение Малайзия, Бразилия, ЮАР, Австралия, Япония, Индия. «Европейский Graphene Flagship оказался уникальным решением – впервые целый проект был направлен на то, чтобы ввести в практику недавнее научное открытие. Сейчас по такой же модели запускается Quantum Technology Flagship. То есть она доказала свою эффективность», – говорит собеседник.

Лишь в отдельных случаях графеновые технологии развиваются силами коммерческих компаний – в США (Intel, IBM, Apple, Lockheed Martin, SanDisk) и Южной Корее (Samsung). При этом сегодня с гигантами IT-индустрии могут конкурировать и стартапы.

«Крупным корпорациям сложно встроить новую технологию в традиционные схемы производства, стартап дает фору в скорости принятия решений, – подчеркивает Стебунов. – Если сегодня создать компанию, которая занимается нейроинтерфейсами на основе графена, через пару десятилетий она может стать лидером индустрии, переиграв на своем поле и Samsung, и Intel. Илон Маск, основавший в прошлом году Neuralink, это отлично понимает».

Успеть в будущее

А где Россия? По числу исследований графена мы находимся на 14-м месте в мире (данные Web of Science за 2014–2016 годы). Причем их процент в числе научных публикаций РФ падает: в 2000‑х годах он составлял 5,6, сейчас только 2,3%. По числу высокоцитируемых статей вся Россия уступает Центру двумерных материалов Сингапура, ситуация c патентами тоже запущена.

«В первые годы, когда шла теоретическая проработка графена, Россия котировалась выше в международной иерархии. Сейчас же тематика исследований конкретизировалась, методы работы усложнились, и мы стали отставать. Традиционная коллизия: Россия лидирует только в фундаментальной науке. Когда-то наши ученые стояли у истоков радио и телевидения, а их внедрение началось за рубежом. Сейчас то же самое происходит с графеном», – объясняет Стебунов.

Любопытно, что за границей на поприще графена отметились немало выходцев из России: помимо Гейма с Новоселовым это Владимир Фалько (Манчестерский университет), Леонид Левитов (Массачусетский технологический институт), Александр Баландин (Калифорнийский университет в Риверсайде), Дмитрий Басов (Колумбийский университет), Кирилл Болотин (Свободный университет Берлина).

В России же графен не заинтересовал чиновников: считается, что это временная мода. «В советскую эпоху ученые, удостоенные Нобелевской премии, возглавляли институты, – вспоминает Стебунов. – Например, Николай Басов возглавлял ФИАН, а Александр Прохоров – ИОФАН, оба академики. Сейчас другая ситуация. Андрей Гейм в прошлом году стал академиком Китайской академии наук, возглавляет графеновый центр в китайском Шэньчжэне, названный его именем. Подобных предложений из России не поступало. Есть ли диалог с властями на тему поддержки графеновых исследований? Не слышал о таком. Даже госкорпорация «Роснано» не интересуется двумерными материалами. В ее периметр входит компания, которая производит однослойные углеродные нанотрубки, у которых спектр применений на порядки ниже, чем у графена. Вероятно, им сложно подумать о графене, поскольку это конкурирующая технология».

При этом запустить национальный графеновый «стартап» еще не поздно, уточняет Стебунов: если в микроэлектронике догнать лидеров сложно, то в профильных для России областях – аэрокосмической промышленности и оборонке – это реально. «С 2010 года у нас говорят, что заниматься графеном смысла нет – мол, все уже сделано, – напоминает эксперт. – Но сегодня очевидно, что рынок двумерных материалов только набирает обороты. И если в будущем вы хотите занять на нем серьезную долю, у вас каждый месяц на счету».

КОНТЕКСТ

05.06.2018

Утром – стулья, вечером – деньги

Новые технологии стимулируют развитие факторинговых услуг для участников рынка ритейла

02.06.2018

Сделано с умом

Фантастические на первый взгляд проекты «умных городов» уже скоро станут обычной реальностью

22.05.2018

Держи 5G!

Как изменят нашу жизнь мобильные сети пятого поколения, и почему они до сих пор не появились

Спасибо, что читаете нас!
Давайте станем друзьями:

Спасибо, не сейчас