Графенова симфонія

Унікальні властивості графену дозволяють розглядати його як революційний матеріал, що забезпечить подальший розвиток декількох не пов’язаних між собою, на перший погляд, технологій.

Теоретично існування графену передвіщене ще в 20-х роках минулого століття, і його дослідження на папері почалося задовго до одержання перших дослідних зразків (2004 рік). У принципі, практичне підтвердження існування матеріалу могло бути й до того, як учені одержали до нього доступ у лабораторіях. Річ у тім, що 2011 року фахівці з Національної радіоастрономічної обсерваторії повідомили про те, що їм удалося зареєструвати графен у відкритому космосі (у туманності Магелланова хмара). Правда, вивчати властивості інноваційного матеріалу на такій відстані важко.

Структура графену дуже проста: атоми вуглецю формують комірки у вигляді стільника, а товщина матеріалу становить лише один атом. Відстань між двома­ найближчими частинками­ дорівнює 0,142 нм. Матеріал має дуже велику міцність, яка в 100 разів перевищує міцність сталі. Унікальним графен робить і висока швидкість переміщення зарядів (електронів), які пересуваються в цьому матеріалі швидше, ніж у будь-якій іншій відомій речовині.

Оскільки графен відкритий лише 7 років тому, способи його одержання в промислових масштабах вивчені поки недостатньо. Декілька найпоширеніших методик є або неавтоматизованими, або не дають можливості одержувати графен у великих кількостях. Вивчені способи одержання вуглецевої підкладки також можуть створювати дефекти, і замість стільника, що складається з 6 атомів, можлива поява п’яти- або семикутних комірок, що призводить до викривлення двомірної структури та появи спотворень.

Проте припускається, що найближчим часом (у період від декількох років до декількох десятків років) графен зможе замінити кремній у мікросхемах, використовуватиметься в батареях нового покоління, а також дозволить значно прискорити передачу даних через Інтернет.

Батареї

На базі графену можна створювати так звані ультраконденсатори (іоністори), які відрізняються від звичайних меншою відстанню між обкладками і, як наслідок, більшою ємністю за тих же розмірів. У порівнянні зі звичайними літій-іонними акумуляторами в таких джерел живлення є свої недоліки (наприклад менша питома енергія), однак якісь із цих недоліків можна виправити, зберігши переваги нової технології. Серед останніх — висока швидкість заряду (часом упродовж декількох секунд), незначна зміна характеристик акумулятора навіть після сотень тисяч циклів заряду/розряду, невелика вага в порівнянні зі звичайними конденсаторами, низька токсичність, високий ККД (більше 95%).

Ще недавно низька енергоємність ультраконденсаторів робила їх малопривабливою заміною звичайним батареям, однак нові дослідні зразки іоністорів уже мають питому енергоємність, порівнянну зі свинцево-кислотними акумуляторами (32 Вт·год./кг проти 30—40 Вт·год./кг). Також на основі графена можливе створення не тільки твердих, а й гнучких батарей, що відкриває перед новою технологією ще більше можливостей.

Сонячна енергія

Графен досить погано поглинає світло (лише близько 2% фотонів) і відтак є майже прозорим для цього діапазону електромагнітних хвиль. Однак якщо розташувати на його поверхні золоті й титанові пластинки розміром у кілька нанометрів, то ступінь поглинання світла збільшується в десятки разів, і піймані фотони можна легко перетворити на електричну енергію. Якщо розташувати смужки матеріалу довжиною 300 нм приблизно на відстані 100 нм одна від одної,  коефіцієнт поглинання світла збільшується з 0,02—0,03 до 0,6. У лабораторних дослідженнях панелі на базі графену вже дозволяють виробляти приблизно в 3,5 раза більший струм, ніж сучасні панелі на основі кремнію. Оскільки з графену можна створювати гнучкі підкладки, то нові сонячні панелі також можна буде робити гнучкими.

Передача інформації

Підвищення коефіцієнта­­ поглинання світла дозволяє поліпшити не тільки сонячні панелі. Використання тих же пластин з титану й золота значно збільшує швидкість передачі даних оптоволоконними каналами. Наразі йдеться про можливість «розгону» мереж у десятки разів, а в перспективі ця цифра може бути збільшена.

Мікрочипи

Найважливіший елемент будь-якої мікросхеми — транзистор, однак використовувати графен для створення класичного транзистора неможливо через відсутність забороненої зони й великі струми витоку. Це приводить до того, що розрізняти два стани напівпровідникового елемента (відкритий і закритий) неможливо. Щоб відтворювати заборонену зону в робочому діапазоні температур, доводиться вдаватися до деяких хитрощів. Наприклад, застосовують вузькі смужки графену (нанострічки), де завдяки квантово-розмірному ефекту можливе утворення забороненої зони. Такий транзистор, у порівнянні зі своїм класичним кремнієвим аналогом, має набагато вищу частоту перемикання (вона може бути удвічі більшою), що в перспективі дозволить створювати  набагато продуктивніші процесори.

Крім цього, при створенні мікрочипів виявлено ще одну корисну властивість графену, що підвищує його привабливість у порівнянні з кремнієм. З’ясувалося, що графенові транзистори мають ефект самоохолодження, і процес перенесення тепла відбувається в них швидше, ніж у класичних апаратах. У перспективі це не тільки дозволить створювати швидші, компактніші та економічніші комп’ютерні чипи, а й позбавить їх від систем охолодження або дозволить значно спростити їхню конструкцію й зменшити розміри.  Контакт графенового транзистора з металевим контактом дає ще один цікавий ефект. Термоелектричне охолодження починає перевищувати ефект резистивного нагрівання. Інакше кажучи, температура транзистора під час роботи знижується, а не підвищується.

Накопичувачі

Компанія Samsung уже оголосила про додаткове дослідження властивостей графену й роботу над новим поколінням пристроїв зберігання даних. Графен дозволяє й далі мініатюризувати чипи, отже, у тому самому обсязі можна буде розміщати більше комірок пам’яті. За словами дослідників, новий матеріал дає можливість збільшити ємність флеш-пам’яті, як мінімум, удвічі. Крім цього, дозволяє знизити енергоспоживання й підвищити швидкість передачі файлів.

Виявлення хімічних сполук

Ще однією сферою застосування графену може стати виявлення молекул хімічних речовин. Сенсор розміром 1 мкм2 у проведених експериментах використовувався для виявлення молекул NH3, CO, H2O, NO2, прикріплених до графену. Різні молекули можуть бути як донорами, так і акцепторами, що змінює опір графену й дозволяє ідентифікувати речовину.

Інші технології

Відомі й деякі інші сфери застосування графену. Його використання дозволяє створювати надгладкі поверхні, які можна застосовувати там, де потрібний найменший опір під час контакту матеріалу із зовнішнім середовищем (наприклад, у космічних апаратах або звичайних кораблях).

Можливе використання­ графену й для створення ­нанотрубок. Для цього двомірний шар графену просто загортають у циліндр. Залежно від схеми згортання графітової площини нанотрубки можуть мати або металеві, або напівпровідникові властивостіи.

Перспективність нового матеріалу майже не викликає сумнівів у наукових колах. Недарма торік Нобелівська премія з фізики була присуджена саме за дослідження властивостей цього матеріалу. Нобелівські лауреати Андрій Гейм і Костянтин Новосьолов найчастіше згадуються в новинах, пов’язаних із відкриттями нових властивостей графену, оскільки весь чась активно проводять експерименти з цим матеріалом. Зокрема, зовсім недавня звістка про прискорення Інтернету в ­сотні разів також пов’язана з їхніми дослідженнями.