Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего - Роберт Хейзен

материал? Десятилетия назад, задолго до того, как у ученых появился образец, который можно изучать в лаборатории, исследователи размышляли об уникальных электронных и механических свойствах этого загадочного вещества, названного «графен». Способен ли графен способен стать полупроводником, или у него необычные магнитные свойства, или это суперпрочный материал для наноинженерии? Но только в 2004 г. исследователи из Манчестерского университета Андрей Гейм и Константин Новоселов совершили прорыв в области использования графена. И каким же было их заслужившее Нобелевскую премию высокотехнологичное решение изолирования отдельных углеродных слоев? Лента-скотч!{129}

Сейчас кто угодно способен отделять друг от друга и изучать слои графена. Начните с симпатичного плоского кристалла графита. Прикрепите кусочек скотча к плоской поверхности, а затем резко оторвите. Скорее всего, удалятся несколько слоев графита, но повторное применение клейкой ленты улучшит результат. В конечном счете останется лишь один атомарный слой. Удалите клейкое вещество, и в вашем распоряжении идеально плоский единичный слой атомов углерода.

Последовавший поток открытий (более 10 000 научных публикаций в год), который продолжает быстро увеличиваться, обещает нам массу революционных технологий{130}. Слои графена прозрачны и крепки, поэтому они могут играть роль микроскопических окон в наноразмерных устройствах, композитов при разработке искусственной кожи и костей, а также материалов для нового поколения ультратонких презервативов. Слои нерастворимы в воде, так что графеновые покрытия способны защитить поверхность растворимых или легко ржавеющих устройств. Интересно, что вода все же в состоянии «намочить» поверхность покрытого графеном объекта, поскольку молекулы H2O могут взаимодействовать через поры в этом единственном слое атомов углерода. Таким образом, графен помог бы обезопасить широкий спектр датчиков качества воды, датчиков влажности и биологических датчиков.

Возможности для применения графена в электронике не менее интригующи. Полупроводники контролируют электроны, меняя скорость их потока при переключении с одной траектории на другую. Наш современный электронный век полностью зависим от устройств, сделанных в основном из кремниевых полупроводников — диодов, транзисторов и интегральных микросхем. Графен постепенно идет на смену кремнию. Первый графеновый транзистор — основная рабочая лошадка электронного века — был продемонстрирован в 2004 г. Затем быстро последовали новые разработки. В 2008 г. группа немецких исследователей сконструировала графеновый транзистор шириной всего в десять атомов — наименьший из существующих на тот момент и находящийся близко к теоретическому пределу. Вскоре последовали разнообразные интегральные микросхемы, а также крошечные транзисторы с переключением скоростей более быстрым, чем у кремниевых. Мало того, оказалось возможным изготавливать такие устройства с помощью 3D-принтера: они гибкие и способны функционировать даже под водой. Некоторые поклонники графена предсказывают, что вскоре он сможет заменить традиционные кремниевые полупроводники во многих устройствах.

Новые идеи текут полноводной рекой. Графен обладает высочайшей теплопроводностью, поэтому его можно использовать в тех устройствах, где электрические цепи нуждаются в охлаждении. Прозрачность и электропроводность этого материала идеально подходят для гибких сенсорных экранов и дисплеев. Уже изучается возможность других его применений: в топливных элементах, батарейках, высокотехнологичных линзах, сенсорах давления и фильтрах для воды. Новые варианты графена в виде стопок из двух или трех углеродных листов — или «бутербродов», в которых графен чередуется с другими слоистыми материалами, — обладают уникальными свойствами, предоставляющими еще больше возможностей для дальнейших открытий. А одна исследовательская группа даже разрабатывает основанные на графене краски для волос, которые помогут охлаждать голову в летнюю жару{131}.

Полые

Возможно, самая очевидная характеристика графена — его потрясающая прочность на разрыв. Прочность материалов бывает трех видов: «на сжатие» характеризует сопротивление сдавливанию, «на сдвиг» — сопротивление изгибанию, а «на разрыв» — сопротивление растягиванию. Некоторые объекты, скажем столбик кирпичей или штабель пиломатериалов, прочны при сжатии, но проявляют слабость, когда их изгибают или растягивают. Другие предметы, такие как стальная цепь или нейлоновая веревка, — крепкие при растягивании, но не имеют буквально никакой прочности при сжатии или изгибе. Некоторые всем известные композитные материалы вроде железобетона, стекловолокна или фанеры сочетают характеристики двух или более материалов, и это позволяет добиться роста всех трех видов сопротивления.

Плоские листы графена не могут выдержать изгибания и легко складываются, когда их сжимают, но при растяжении графен бесподобен: он в сотни раз прочнее, чем крепчайший стальной провод, и обладает пределом прочности на растяжение вдвое большим, чем алмаз. Причина этих экстремальных характеристик графена лежит в природе связей углерод-углерод. Алмаз, в котором каждый атом углерода делится своими электронами с четырьмя соседями, — наиболее крепкий из известных трехмерных кристаллов. Атомы углерода упакованы в алмазе в такой «тесноте», что наблюдаемая здесь плотность электронов (электроны суть основа химической связи) — самая высокая из известных, выше, чем у любого другого материала на поверхности Земли. Расстояние между соседними атомами углерода составляет всего 0,154 нм, оно гораздо меньше, чем в большинстве других кристаллов. Поэтому алмаз такой жесткий и твердый. Но в слое графена это расстояние еще короче — всего около 0,14 нм. Это потому, что каждый атом углерода делится своей квотой из четырех связывающих электронов только с тремя соседями. Электроны в слоях упакованы даже плотнее, а получающиеся в результате связи еще крепче и короче, чем в алмазе.

Превосходную прочность графена на разрыв можно ловко использовать в углеродной наноинженерии. Листы графена плохо подходят для производства веревок или проводов, но что, если вам удастся свернуть углеродный лист в рулон и сделать из него крошечный полый цилиндр? Тогда у вас получится прочная углеродная нанотрубка{132}. А уж здесь множество вариантов: можно изготовить трубки с разными диаметрами, а также одиночные, двойные или вложенные, состоящие из множества концентрических цилиндров.

Углеродные волокна разных видов были известны и изучались по крайней мере с 1950-х гг., но массовые исследования начались после того, как в 1991 г. японский физик Сумио Иидзима получил множество углеродных нанотрубок, пропустив сильные электрические токи через графит. На основе этого нового надежного метода было написано более 100 000 научных статей и подано порядка 10 000 заявок на получение патента.

Прочность полых углеродных нанотрубок потрясающая: нить диаметром всего 0,1 мм может удерживать более 10 т неподвижного груза. Инженерный потенциал для проектирования легковесных мостов, зданий, самолетов и композитных материалов нового поколения поразителен. Писатели-фантасты воспользовались этой идеей, описывая космические лифты на кабелях из углеродных нанотрубок, которые перевозят людей и грузы на закрепленные на орбите платформы, расположенные в сотнях километров над поверхностью Земли. Даже с учетом таких футуристических перспектив привлекательность нанотрубок не ограничивается их крепостью. Армия ученых по всему миру продолжает думать над их использованием в промышленности, энергоснабжении, электронике и медицине.