Графен: чудо-материал, рождённый из липкой ленты

Представьте вещество, которое в двести раз прочнее стали, но при этом в тысячу раз легче бумаги. Оно проводит электричество лучше любого известного материала и может изменить всё — от смартфонов до медицины. Это не фантастика, а графен — материал, открытый благодаря обычному канцелярскому скотчу.

Открытие, достойное Нобелевской премии

В 2004 году в лаборатории Манчестерского университета произошло событие, которое войдёт в историю науки. Два физика — Андрей Гейм и Константин Новосёлов — решили поэкспериментировать с графитом. Тем самым, из которого делают грифели для карандашей.

Учёных интересовал простой вопрос: можно ли отделить от графита слой толщиной в один атом? Для этого они взяли самый неожиданный инструмент — обычную липкую ленту. Приклеивая скотч к графиту и отрывая его, исследователи снова и снова складывали ленту пополам, каждый раз получая всё более тонкие слои. После двадцати повторений на поверхности остались чешуйки толщиной в один атом углерода.

Так родился графен — материал, за который Гейм и Новосёлов в 2010 году получили Нобелевскую премию по физике. Примечательно, что оба учёных — выходцы из России, эмигрировавшие в Великобританию.

Почему один слой атомов меняет всё

Графен представляет собой плоскую решётку из атомов углерода, соединённых в правильные шестиугольники. Если посмотреть на эту структуру сверху, она напоминает пчелиные соты или проволочную сетку. Именно такое расположение атомов придаёт материалу невероятные свойства.

Прочность графена поражает воображение. Чтобы порвать лист этого материала, потребовалось бы усилие слона, балансирующего на острие карандаша. При этом сам графен практически невесом — квадратный метр весит менее одного миллиграмма.

Но главное достоинство графена — его электрические характеристики. Каждый атом углерода в решётке имеет свободный электрон, который может перемещаться почти без сопротивления. Благодаря этому графен проводит электричество лучше любого другого вещества при комнатной температуре.

Магический угол и сверхпроводимость

В 2018 году исследователи из Массачусетского технологического института обнаружили нечто удивительное. Если взять два слоя графена и повернуть один относительно другого ровно на 1,1 градуса, материал становится сверхпроводником.

Сверхпроводимость означает, что электричество проходит без малейшего сопротивления и не выделяет тепла. До сих пор такой эффект наблюдали только при температурах, близких к абсолютному нулю. Открытие учёных приблизило человечество к созданию сверхпроводников, работающих при обычных условиях.

Что это даст на практике

Сверхпроводящие линии электропередач могли бы доставлять энергию на любые расстояния без потерь. Поезда на магнитной подушке стали бы по-настоящему массовым транспортом. А компьютеры перестали бы нагреваться и работали в разы быстрее.

От лаборатории к повседневной жизни

Графеновые аккумуляторы — одно из самых ожидаемых применений нового материала. Благодаря превосходной проводимости такие батареи смогут заряжаться за минуты вместо часов и служить значительно дольше нынешних литий-ионных. Крупные производители электроники уже вкладывают миллионы в разработку подобных технологий.

Медицина тоже присматривается к графену. Миниатюрные датчики на его основе способны находиться внутри человеческого тела, непрерывно отслеживая показатели здоровья. Такие устройства могут предупреждать о болезнях задолго до появления первых симптомов.

Ещё одна перспективная область — очистка воды. Оксид графена образует мембраны с порами настолько мелкими, что через них проходят только молекулы воды. Загрязнители, бактерии и даже соль остаются снаружи. Это открывает путь к дешёвому опреснению морской воды — решению проблемы, от которой страдают миллиарды людей.

Когда графен придёт в наши дома

Европейский союз запустил масштабную программу исследований с бюджетом в миллиард евро. Учёные из разных стран работают над графеновыми солнечными батареями, которые преобразуют свет в электричество на двадцать процентов эффективнее существующих аналогов.

Первые коммерческие продукты с графеном уже появились. Производители спортивного инвентаря добавляют его в теннисные ракетки и лыжи, делая их одновременно прочнее и легче. Но настоящая революция ещё впереди.

По прогнозам специалистов, к концу десятилетия графен станет привычной частью нашего быта. Смартфоны с гибкими экранами, одежда, вырабатывающая электричество от движения, медицинские импланты нового поколения — всё это перестанет казаться фантастикой.

Интересный факт

Графит и алмаз состоят из одинаковых атомов углерода, но разница между ними огромна. Графит мягкий и непрозрачный, алмаз — самое твёрдое природное вещество. Всё определяет расположение атомов. Графен же оказался прочнее их обоих, хотя состоит всего из одного слоя тех же самых атомов. Иногда меньше — действительно значит больше.