Надо сказать, что оба лауреата, хотя и «родом из СССР», но уже давно работают за границей. Гейм родился в 1958 г. в южном городе Сочи, а Новоселов —  в 1974 г. в суровом уральском Нижнем Тагиле. Оба они получили высшее образование в Московском физико-техническом институте.

Гейм, работая в Институте физики твердого тела Академии наук СССР (Черноголовка), в 1987 г. защитил кандидатскую диссертацию («Исследование механизмов транспортной релаксации в металлах методом геликонового резонанса») и уже в 1990 г., получив стипендию Английского королевского общества, уехал из Советского Союза. С тех пор он работает за границей, сначала в Нидерландах (Университет Св. Радбода, Неймеген), а позже в Великобритании (Университет Манчестера).

Как писал сам Гейм: «… условия для исследований в Неймегене были гораздо лучше, чем в России, и в конечном счете позволяли выжить в научном плане: спасибо "загранице"».

Константин Новоселов работает с Геймом с 1999 г., начав его аспирантом в Нидерландах. Сейчас оба они — профессора Университета Манчестера, Гейм — гражданин Нидерландов, а Новоселов — Великобритании. Кстати, после того, как бывшие россияне удостоились самой престижной научной награды, их приглашали вернуться и поработать в российском иннограде «Сколково», однако Гейм заочно отказался от этого предложения.

Лауреаты Нобелевской премии по физике за 2010 г.  Андрей Гейм (слева) и Константин Новоселов (справа)
Лауреаты Нобелевской премии по физике за 2010 г. Андрей Гейм (слева) и Константин Новоселов (справа)

Можно добавить, что Андрей Гейм пока единственный ученый, умудрившийся одновременно получить как престижную и серьезную Нобелевскую премию, так и шутливую — Шнобелевскую. Лауреатами Шнобелевской премии становятся ученые, работы которых «сначала заставляют смеяться, а потом думать». Другая формулировка критериев отбора — «исследования», которые невозможно или не нужно повторять. Вручается эта награда ежегодно, накануне Нобелевской недели, и эта церемония совершенно не похожа на чопорное мероприятие в Стокгольме — в зале запускаются бумажные самолетики, гостям представляется премьера мини-оперы, посвященной теме церемонии, лауреаты выступают с короткой речью. Но если их излияния затягиваются, то специальная восьмилетняя девочка прерывает речь криком: «Мне скучно!»

 

Андрей Гейм удостоился Шнобелевской премии в 2000 г. (совместно с сэром М. Берри из Бристольского университета) за свои работы «по левитированию лягушек при помощи магнита». Парящая в воздухе лягушка, фотография которой даже вошла в учебники, стала результатом исследований Геймом магнитных свойств металлов, диэлектриков и полупроводников и наглядной демонстрации того, что ничтожная магнитная восприимчивость воды (из которой на 70 % состоит тело лягушки) — в миллиарды раз меньшая, чем у железа, — тем не менее в чрезвычайно мощных магнитных полях (около 20 Тл) оказывается достаточной для компенсации земного притяжения.

Парящая в чрезвычайно мощном магнитном поле лягушка ( эта фотография  вошла в учебники)
Парящая в чрезвычайно мощном магнитном поле лягушка ( эта фотография вошла в учебники)
Кусок графита (3D-материал)
Кусок графита (3D-материал)

Интересно мнение одного из манчестерских аспирантов, работавшего с Геймом: «… эти ребята полны сарказма и много пьют, но знаете, здесь все хотят работать у Андрея».

Но вернемся к графену (сам термин «графен» был введен в 1962 г. немецким физиком Ханс-пете Боем). Двумерный кристалл графен — это одна из разновидностей углерода, который является основой всей жизни на Земле. Способность его атомов образовывать сложные цепи является фундаментальной для органической химии. Атомарный углерод демонстрирует необычайно сложное поведение, которое выражается в образовании ряда существенно различающихся по свойствам структур. До недавнего времени были известны три его аллотропные формы (аллотропными формами называют вещества, сходные по составу, но различающиеся химическим строением). Для углерода явление аллотропии обусловлено способом размещения атомов или молекул в кристаллической решетке. Уже давно были известны такие формы углерода, как алмаз, графит и карбин. Несколько десятилетий назад были открыты фуллерены (класс аллотропных форм углерода, представляющий собой выпуклые замкнутые многогранники, фуллерен С60 по форме напоминает футбольный мяч) и нанотрубки. Кстати, фуллерен обязан своим названием американскому архитектору Ричарду Фуллеру, чьи конструкции строились по этому принципу.

Структура фуллерена (0D)
Структура фуллерена (0D)
Графен (верхний рисунок) — это 2D (двумерный) строительный материал для других углеродных аллотропных модификаций
Графен (верхний рисунок) — это 2D (двумерный) строительный материал для других углеродных аллотропных модификаций. Он может быть свернут в 0D-фуллерен (слева), скручен в 1D-углеродную нанотрубку (в центре) или уложен в 3D-штабеля, образуя графит (справа).
Рисунок из статьи A. K. Geim и K. S. Novoselov «The rise of graphene в Nature Materials»
Биосфера архитектора Фуллера. (Павильон США  на «Экспо-67», ныне музей «Биосфера» в Монреале, Канада)
Биосфера архитектора Фуллера. (Павильон США на «Экспо-67», ныне музей «Биосфера» в Монреале, Канада)

Таким образом, до 2004 г. были известны следующие аллотропные формы углерода:

  • трехмерные (3D — алмаз, графит). В алмазе элементарный строительный блок — тетрайдр. Графит имеет плоскую слоистую структуру, соседние слои сдвинуты на полпериода решетки, причем сильная химическая связь существует лишь в пределах одного слоя;
  • одномерные (1D — нанотрубки). Нанотрубка — одномерная углеродная структура, все атомы которой находятся на поверхности. Электронные и оптические свойства такой системы полностью определяются ее геометрией, и в первую очередь диаметром нанотрубки, т. е. это материал, обладающий варьируемыми свойствами;
  • нульмерные (0D — фуллерены).
Андрей Гейм с макетом графеновой плоскости в руках
Андрей Гейм с макетом графеновой плоскости в руках

В этой последовательности не хватало двумерной формы, долго сопротивлявшейся всем экспериментальным попыткам ее получить. Многочисленные попытки синтезировать двумерные атомные кристаллы графита заканчивались неудачей. Эти трудности не были сюрпризом для исследователей, поскольку имелось серьезное теоретическое обоснование того, что двумерные кристаллы и не могут существовать. Действительно, более семидесяти лет назад Лев Ландау и Рудольф Пайерлс доказали, что таких материалов существовать не может: силы взаимодействия между атомами должны смять их в гармошку или свернуть в трубочку (нанотрубки). Теория указывала, что смещения атомов в низкоразмерных кристаллических решетках под воздействием тепловых флуктуаций становятся сравнимыми с межатомными расстояниями при любой конечной температуре. Это было подтверждено многими экспериментальными наблюдениями. В самом деле, температура плавления тонких пленок быстро снижается с уменьшением толщины, и пленки становятся нестабильными (разделяются на островки или распадаются) уже при толщине в десяток атомных слоев.

 

Поэтому атомные монослои долгое время были известны только как неотъемлемая часть более сложных 3D-структур. Ранние попытки выделить графен концентрировались на методе химического отслоения. С этой целью образец графита сначала расслаивался так, что плоскости графена отделялись промежуточными слоями атомов или молекул. Обычно в результате получались новые 3D-материалы. Однако в некоторых случаях между атомными плоскостями удавалось вставить большие молекулы, что обеспечивало лучшее разделение, и образованные структуры могли рассматриваться как изолированные слои графена, встроенные в 3D-матрицу. Использовалось и выращивание графена на поверхности другого монокристалла. А при использовании подхода, аналогичного выращиванию углеродных нанотрубок, получались графитовые пленки толщиной более 100 слоев.

Кристаллическая решетка графена — слой графита  толщиной в один атом
Кристаллическая решетка графена — слой графита толщиной в один атом
Процесс разворачивания нанотрубки
Процесс разворачивания нанотрубки

И вот в 2004 г. в группе под руководством Андрея Гейма наконец-то удалось получить «неуловимый» графен в стабильном состоянии, да еще и весьма незамысловатым и малозатратным способом, не требующим сложного оборудования. Этот способ позже получил красивое название — усовершенствованная техника микромеханического скалывания. Дальнейшие исследования показали, что графен обладает целым набором уникальных кристаллических и электронных свойств, делающих его «лакомым кусочком» для новой физики и потенциальных электронных приложений. Результаты этих усилий и были оценены научной общественностью присуждением Нобелевской премии.

Вот как позже описал историю получения графена Андрей Гейм в своей нобелевской лекции: «Осенью 2002 года прибыл наш первый манчестерский аспирант, Да Цзян, и мне нужно было придумать для него тему диссертации. Было ясно, что первые несколько месяцев ему будет необходимо изучать английский язык и ознакомиться с лабораторией, соответственно для начала я предложил ему очередной «побочный» эксперимент. Задача состояла в том, чтобы изготовить пленку графита настолько тонкую, насколько это возможно. Если получится, то я обещал, что мы будем изучать ее «мезоскопические» свойства… Я просчитал, что если нам повезет и удастся создать тонкие пленки из графита, то в них уже смогут проявиться эффекты электрического поля и/или некоторые другие интересные свойства, похожие на те, что имеются в углеродных нанотрубках (начало 2000-х гг. было как раз пиком популярности исследования нанотрубок. — Прим. автора). При наихудшем сценарии, поскольку наши мезоскопические образцы представляли бы собой монокристаллы, это помогло бы прояснить дискуссионные вопросы, касающиеся графита.

Для изготовления тонких графитовых пленок я дал Да Цзяну таблетку пиролитического графита (поликристаллический углеродный материал, получаемый методом химического газофазного осаждения при пиролизе углеводородов, характеризуется высокой термической стойкостью, отсутствием открытой пористости и используется в качестве конструкционного и тигельного материала в производстве чистых металлов, монокристаллов и полупроводников. — Прим. автора) с толщиной в несколько миллиметров и диаметром в два с половиной сантиметра и предложил ему использовать полировальную машину. У нас была специальная машина, обеспечивавшая субмикронную точность. Через несколько месяцев Да заявил, что достиг предельной толщины, и показал мне крошечный кусочек графита на дне чашки Петри. Я взглянул на графит в оптический микроскоп и оценил его толщину примерно в 10 мкм. Слишком толстый подумал я и предложил попробовать использовать полировальную жидкость. Однако, как оказалось, для получения этого образца Да уже отработал всю таблетку (стоимостью около 500 долларов. — Прим. автора). На самом деле это была моя вина… Более того, я по ошибке дал ему образец высокоплотного пиролитического графита, вместо высокоориентированного графита, который легче шлифовался.

Олег Шкляревский, старший научный сотрудник из Харькова, работал рядом и вынужденно услышал весь ход моих поддразниваний, на сей раз о горе, которую следует шлифовать до размера песчинки… Олег вмешался, принеся с собой кусок скотча — самоклеящейся ленты с графитовыми чешуйками, которую он только что выудил из мусорной корзины. В самом деле, высокоориентированный пиролитический графит — это стандартно используемый материал для сканирующей туннельной микроскопии, где образец со свежей поверхностью обычно готовится путем отслаивания верхнего слоя графита с помощью липкой ленты. Мы года использовали эту технику, но никогда внимательно не смотрели на то, что же мы выбрасываем вместе с лентой. Я посмотрел в микроскоп на остатки графита и обнаружил фрагменты намного меньшей толщины, чем та, что была у Да. Только тогда я осознал, как это было неразумно с моей стороны — предложить полировальную машину. Полировка умерла, да здравствует скотч!»

Как шутил позже Константин Новоселов: «За то, что мы ее (ленту) подобрали и исследовали, нас обозвали garbage scientists — мусорными учеными».

Следы графита, оставшиеся на скотче
Следы графита, оставшиеся на скотче (а).
Некоторые кристаллики оптически прозрачны, если взглянуть на них через оптический микроскоп (b).
На подложке из оксида кремния светопроницаемые кристаллики дают различные оттенки голубого цвета (c).
Одно из самых первых устройств для измерения электрических свойств графена, изготовленное с помощью «сургуча и веревки» (d)

Спустя несколько лет в интервью веб-сайту Sciencewatch Александр Гейм так описал метод усовершенствованной техники микромеханического скалывания: «Вы ставите (липкую ленту) на графит и очищаете ею верхний слой графита, хлопья графита остаются на вашей ленте... Тогда вы складываете ленту пополам и приклеиваете ее к хлопьям на верхней части и разделяете их снова. Вы повторяете эту процедуру 10 или 20 раз. Каждый раз хлопья разделяются на все более тонкие и тонкие. В конце у вас остаются очень тонкие хлопья, которые все еще на вашей ленте».

Уже в первых экспериментах площадь полученных чешуек графита достигала одного квадратного миллиметра, что было вполне достаточно, чтобы перенести материал на подложку и исследовать его механические и электронные свойства. Здесь, по мнению самих ученых, существенной составляющей успеха стало наблюдение, что тонкие фрагменты (чешуйки) графита, помещенные на пластину кремния, покрытую тонким слоем оксида, выглядели окрашенными в разные цвета вследствие интерференции. Это указывало на то, что некоторые фрагменты оптически прозрачны, и, более того, по цвету можно было судить о том, какие из них наиболее тонкие. Авторы считают, что если бы не этот достаточно простой, но эффективный способ сканировать подложку с помощью оптического микроскопа в поисках кристаллов графена, их, вероятно, не открыли бы и по сей день.

 

Но важно было не только получить то, что считалось невозможным, — слои графита толщиной в один атом, но и определить их физические свойства. Этим и занялись исследователи — в 2004 г. в престижном журнале Science вышла первая статья Гейма и Новоселова, в которой суммировались результаты их интенсивных исследований. Проводимость, прочность, стабильность графена оказались уникальными (каждое из изученных свойств превосходило аналогичные свойства материалов-конкурентов).

 

Сам Гейм считает самым удивительным из полученных экспериментальных результатов то, что отдельные атомные плоскости вообще сохраняют свою целостность в свободном состоянии и обладают проводимостью. Как же примирить теоретически предсказанную нестабильность двумерных кристаллов с фактом получения графена?

 

Соображения следующие — любой существующий метод получения графена использует 3D-кристалл, а не рост 2D. Графеновые листы изначально формируются либо в объеме, либо в верхнем слое эпитаксиальной подложки. 2D-кристаллы графена, извлеченные из объемного 3D-материала, остаются как бы замороженными в метастабильном состоянии потому, что их небольшие размеры (существенно меньше 1 мм) и сильные межатомные связи препятствуют образованию дислокаций или других дефектов кристаллической решетки вследствие тепловых флуктуаций даже при повышенной температуре. Дополнительным аргументом служит то, что извлеченные 2D-кристаллы становятся практически стабильными вследствие мягкого сжатия в третьем измерении (когда кристалл становится не идеально плоским, а, например, волнистым). Это ведет к увеличению энергии упругой деформации, но подавляет тепловые колебания. Температуры, требующиеся для необратимого разрушения графена на воздухе, по крайней мере, в два раза превышают комнатную. Таким образом, обычные условия земной среды оказались вполне подходящими для сохранности графеновой решетки и, соответственно, существования графена.

 

Оглядываясь назад, можно отметить, что слоистая структура графита, который можно представить в виде стопки из слабосвязанных графеновых плоскостей, была известна уже очень давно. Именно благодаря такой структуре рисуют обычные карандаши, и монослои графита при внимательном исследовании можно обнаружить в любой карандашной надписи или рисунке. Получается, что графен буквально годами был у всех на глазах, прямо перед нашим носом, но только современное развитие научных исследований позволило понять, что же это на самом деле.

Применения графена
Применения графена

Ценность нового материала для развития физических исследований трудно переоценить. «Фактически графен открывает новую научную парадигму — «релятивистскую» физику твердого тела, в которой квантовые релятивистские явления (часть которых нереализуема даже в физике высоких энергий) теперь могут быть исследованы в обычных лабораторных условиях… Впервые в твердотельном эксперименте можно исследовать все нюансы и многообразие квантовой электродинамики» (Гейм, Новоселов, Морозов).

 

То есть многие явления, для изучения которых требовалось строительство огромных ускорителей элементарных частиц, теперь можно исследовать, вооружившись гораздо более простым инструментом — тончайшим в мире материалом.

 

При изучении графена выяснилось, что этот самый тонкий из когда-либо полученных объектов в то же время и самый прочный материал. Если бы удалось из графенового волокна соткать нить хотя бы в метр длиной, то, как полагают ученые, ее прочность и гибкость были бы достаточны, чтобы такую нить можно было использовать для лифта в космос. Этого кусочка хватило бы, чтобы растянуть его от поверхности Земли до геостационарной орбиты. Графен исключительно хорошо проводит электрический ток (носители заряда в нем являются безмассовыми дираковскими фермионами) и тепло, очень упругий и непроницаем для любых молекул.

Гипотетический пример, демонстрирующий механическую прочность графена. Графеновый гамак площадью 1 м2  (его масса меньше миллиграмма) способен выдержать взрослого кота массой 4 кг. Для сравнения: стальной гамак той же площади (если бы нам удалось его сделать той же толщины) удерживал бы в 100 раз меньше — всего 40 г.
Гипотетический пример, демонстрирующий механическую прочность графена. Графеновый гамак площадью 1 м2 (его масса меньше миллиграмма) способен выдержать взрослого кота массой 4 кг. Для сравнения: стальной гамак той же площади (если бы нам удалось его сделать той же толщины) удерживал бы в 100 раз меньше — всего 40 г.

В общем, графен оказался весьма перспективным с точки зрения не только развития физических исследований, но и различных практических приложений, начиная от электроники и заканчивая композитными материалами. Обычно, чтобы новый материал из академической лаборатории превратился в коммерческий продукт, требуется около 40 лет. Но графен и здесь рекордсмен — он проходит этот путь с невиданной скоростью. И, похоже, добьется титула материала, который быстрее других перешел из науки в настоящее производство.

Графен рассматривается как основа микроэлектроники будущего
Графен рассматривается как основа микроэлектроники будущего

 

Будучи полупроводником, графен обладает проводимостью, как у одного из лучших металлических проводников — меди. Оказалось, что у графена носители заряда ведут себя как релятивистские частицы с нулевой эффективной массой, в результате чего имеют весьма высокую подвижность. Сейчас физики работают над дальнейшим увеличением подвижности носителей заряда в графене. Если научиться получать «свободновисящие» пленки графена (без подложки SiO2), то подвижность можно увеличить на два порядка — до 2×106 см2/В.с.

 

Кроме того, в графене был обнаружен амбиполярный эффект электрического поля, при котором его сопротивление изменялось примерно в 100 раз. То есть графен можно перестраивать из состояния, близкого к нормальному металлу с довольно высокой концентрацией электронов (1021 см-3), до металла с такой же концентрацией дырок — проделать весь путь, минуя «полупроводниковое» состояние с невысокой концентрацией зарядов. Таким образом, свойства графена легко изменить простым изменением напряжения на затворе.

 

Очевидно, что все эти качества графена вкупе с его нанометровой толщиной делают его кандидатом на материал, который мог бы заменить в электронике, в том числе и в будущих быстродействующих компьютерах, уже не удовлетворяющий современным запросам кремний. Чем больше скорость носителей, тем выше рабочая частота и тем больше можно обработать операций в единицу времени. Вдобавок графен обладает и высокой теплопроводностью, что очень важно для электронных устройств — новые более миниатюрные и быстрые графеновые микросхемы будут греться намного меньше кремниевых. Исследователи полагают, что новый класс графеновой наноэлектроники с базовой толщиной транзисторов не более 10 нм (сегодня уже получен полевой транзистор на графене) — дело обозримого будущего.

 

Благодаря уникальным оптическим свойствам весьма перспективно применение графена и в фотонике (дисциплина, занимающаяся фундаментальными и прикладными аспектами работы с оптическими сигналами, а также созданием на их базе устройств различного назначения). Здесь графен может использоваться в качестве сверхбыстрого модулятора световых пучков — насыщающегося поглотителя (НП). НП используются для реализации режима самосинхронизации мод и формирования сверхкоротких, фемтосекундных (1 фемтосекунда = 10-15 c) импульсов в лазерах ближнего инфракрасного диапазона. Такие импульсы важны для развития оптических коммуникаций, лазерной хирургии, в том числе офтальмологической, зондирования загрязнений в атмосфере и спектроскопии.

 

При этом графен открыл фантастическую возможность создания нелинейно-оптических элементов для практически неограниченного спектрального диапазона — от средней инфракрасной до терагерцовой области, в отличие от других НП, которые работали только в определенном ограниченном диапазоне длин волн. При создании компактных лазеров на основе фотонных кристаллов графен рассматривается как единственный подходящий насыщающийся поглотитель, способный сохранить миниатюрность таких устройств.

 

Благодаря тому, что пленка графена практически прозрачна, она может прекрасно подойти и для изготовления прозрачных сенсорных экранов. Для этих целей традиционно использовались оксиды металлов или тонкие металлические пленки. Однако существующие технологии их производства сложны и дороги, поэтому поиск новых типов тонких проводящих пленок продолжался.

 

Уже существуют тестовые образцы мобильного телефона Lenovo c тачэкраном, сделанным из графена, который внешне ничем не отличается от обычного. Для изготовления экранов мобильных телефонов японская компания Sony уже готовит производство 100-метровых рулонов графена. На выставке «NanoTubes — 2010» специалисты компании демонстрировали гибкие дисплеи с диагональю до 70 сантиметров, где один из проводящих электродов сделан из графена.

 

Будучи прочнейшим и одновременно одним из самых жестких известных материалов, графен является идеальным кандидатом для армирования высококачественных композитов. Имея толщину всего в один атом, он не может расколоться, что придает ему максимально возможную прочность на изгиб. Высокое аспектное отношение (отношение поперечного размера к толщине) позволяет графену быть идеальным ограничителем распространения трещин. Что же касается взаимодействия со связующим материалом — главной проблемы всех нанокомпозитных наполнителей наподобие углеродного волокна или углеродных нанотрубок, — то химическая модификация поверхности или краев графена может существенно усилить сцепление графена с полимером.

 

Разработчики ищут самые разнообразные применения графену, — например, более прочные корпуса автомобилей и самолетов, зубные протезы. Этот материал уже применяется в производстве таких спортивных изделий, как лыжи и теннисные ракетки. Известная европейская фирма Head в сезоне 2015/2016 гг. предлагает женскую коллекцию лыж — 24hr Joy. Это очень легкие лыжи (зачем заставлять нежных женщин кататься на тяжелых лыжах?), использование в их конструкции графитовой пленки в комбинации с другими легкими конструктивными материалами (короид и углерод) обеспечивает снижение веса на 350 грамм при неизменности их рабочих характеристик.

 

Американские ученые из университета штата Массачусетс рассматривают возможность использования двумерных кристаллов графена для создания брони нового поколения. Результаты их экспериментов свидетельствуют, что графен может выдерживать более сильные удары, чем сталь, которую он превосходит по прочности в 8–10 раз. Обстреливая листы графена шариками из кремния, ученые выяснили, что графен в состоянии поглощать энергию порядка 0,92 МДж/кг, тогда как сталь в сопоставимых условиях обычно поглощает порядка 0,08 МДж/кг. Помимо этого, было установлено, что графен направляет часть кинетической энергии обратно в «пулю», рассеивая энергию удара гораздо эффективнее стали. Потенциальным недостатком графена можно считать то, что «снаряды» оставляют более широкие (чем в стали) входные отверстия. Чтобы решить эту проблему, ученые рассчитывают комбинировать графен с другими материалами.

Графен направляет часть кинетической энергии обратно  в «пулю», благодаря чему листы графена рассеивают  энергию удара гораздо эффективнее стали
Графен направляет часть кинетической энергии обратно в «пулю», благодаря чему листы графена рассеивают энергию удара гораздо эффективнее стали

Исследователи из Китая создали из графена материалы толщиной с лист бумаги, которые реагируют на дистанционное управление самостоятельным складыванием.

 

В основе материала с такими необычными свойствами — слои оксида графена, дополненные соединениями из водорода и кислорода. На этот «скелет» наращены слоистые полоски из модифицированного оксида графена, содержащие поры, в которые могут внедряться молекулы воды.

 

Полоски действуют, как губки, поглощая воду из воздуха и набухая в условиях повышенной влажности. При нагревании или под воздействием инфракрасного излучения они выпускают воду, тогда полоски сжимаются, и весь лист из оксида графена сгибается в местах расположение полосок. При этом скорость эффекта удивительна — в ходе одного из экспериментов лента материала с одной полоской складывалась и раскладывалась за пять секунд. Уже получены листы, которые складываются в коробку, и «манипулятор», который способен захватывать и поднимать предметы в пять раз тяжелее собственного веса. Разновидность подобной технологии может быть перспективна и для использования в конструкции солнечных батарей космических станций и спутников.

Графеновый аэрогель, балансирующий на усике растения
Графеновый аэрогель, балансирующий на усике растения

Интересно, что сминание графеновой «бумаги» (образованной двумя слоями графена с изолирующим промежутком из гидрогеля) наделяет ее новыми свойствами, весьма полезными при создании эластичных суперконденсаторов (источников питания для следующего поколения гибких электронных гаджетов). Подобно батареям, графеновые суперконденсаторы могут хранить электроэнергию, не только химически, а и электростатически. Такой суперконденсатор из смятой графеновой бумаги, можно сгибать, складывать и растягивать на 800 % от первоначального размера, причем рабочие характеристики такого устройства не ухудшались даже после 1 000 подобных циклов.

 

К настоящему времени в Манчестерском университете, где и был открыт графен, разработали с его использованием новые лампочки. Лампочка с регулируемой мощностью содержат светодиод в форме нити, покрытой графеном. По словам создателей, благодаря проводящим свойствам графена новая лампочка будет служить дольше и расходовать на 10 % меньше электроэнергии.

 

На основе графена собираются делать и газовые датчики. Как было показано, графен абсорбирует молекулы газа из окружающей атмосферы, которые образуют примеси в слое графена, при этом свойства электронов и дырок зависят от природы газа. В результате, наблюдая за изменениями электросопротивления графена, можно определить концентрацию соответствующих газов в окружающей среде.

Гибкий мобильный телефон фирмы Samsung
Гибкий мобильный телефон фирмы Samsung
Гибкое мобильное устройство фирмы Apple
Гибкое мобильное устройство фирмы Apple

И в конце расскажем о совершенно новом и очень перспективном направлении, возникшем благодаря графену, — это построение новых материалов с «заказными» свойствами.

 

Как отмечалось выше, свойства двумерных кристаллов сильно отличаются от свойств трехмерных. Даже два слоя графена, положенные один на другой, существенно отличаются от однослойного. К настоящему моменту уже научились разбирать на отдельные плоскости не только графит, но и два десятка других материалов. В результате образовалась своеобразная «библиотека материалов». А поскольку двумерными кристаллами легко манипулировать, можно создавать стопки этих кристаллов в соответствии с нашими требованиями.

 

Здесь можно говорить не только о стопках одинаковых материалов: можно объединять в одну стопку несколько различных двумерных кристаллов. Например, можно скомпоновать изолирующие, проводящие или магнитные слои, причем свойства результирующего материала будут зависеть от порядка их укладки и легко регулироваться. Теперь мы имеем новый класс материалов, складываемые по желанию, как конструктор «Лего». Открывается совершенно новый мир «материалов по требованию».

 

Первые члены этого огромного семейства уже есть. Складывая монослои изолирующего нитрида бора и графена, можно получить слабо связанные слои графена, взаимодействие между которыми будет зависеть от количества слоев нитрида бора между плоскостями графена. При этом взаимодействие между слоями графена может варьироваться от туннелирования (при одном или двух слоях нитрида бора в промежутках) до чисто кулоновского (при более широких промежутках).

Графеновая вода, тест IBM
Графеновая вода, тест IBM

Учитывая, что набор исходных двумерных кристаллов очень широк, свойства новых материалов могут покрыть гигантский диапазон параметров, совмещая в себе характеристики, ранее невероятные для одного материала.

 

Разумеется, все вышеперечисленное не исчерпывает список удивительных явлений и разнообразнейших применений графена. Без сомнения, уникальные свойства этого объекта, «от которого исходит магия», обеспечат к нему внимание ученых и разработчиков еще не один десяток лет.   

 

Процесс изготовления графена в домашних условиях

  1. Для создания и наблюдения самого тонкого материала на нашей планете вам понадобятся чистые условия (например, физико-химическая лаборатория, хотя подойдет и обычная комната с хорошей вентиляцией), чистые руки, желательно в перчатках.
  2. Сначала подготовьте подложку, на которую вы будете помещать графен для наблюдения в микроскопе. Для этого нужно взять кремниевую подложку с естественным оксидом на поверхности, которую перед исследованием следует очистить. Лучше всего для этого подойдет раствор соляной кислоты и перекиси водорода в соотношении 1:3. Поместите пластину в раствор на 30 секунд, а затем просушите сжатым азотом.
  3. Приложите отслоенный кусочек графита к ленте-скотч, используя пинцет. Аккуратно сложите ленту пополам, накрыв графит липкой стороной. Несильно прижмите ленту к графиту с обеих сторон и неторопливо раскройте скотч, чтобы можно было наблюдать расслоение графита на две части.
  4. Повторите предыдущий этап раз десять. Чем тоньше будут становиться слои графита, тем сложнее будет это делать.
  5. Очень осторожно поместите ленту-скотч с графитом на поверхность кремниевой подложки. Используя пластиковый пинцет, удалите воздушные пузырьки между лентой и подложкой. Пройдитесь по поверхности образца пинцетом, несильно его придавливая к подложке в течение 10 минут. Затем очень медленно снимите ленту, придерживая подложку.
  6. Поместите ваш образец под 50-, а лучше 100-кратную линзу микроскопа. Вы увидите множество графитовых «чешуек» разных размеров и формы, переливающихся всеми цветами радуги. Если вам повезет, вы заметите графен: почти прозрачную, кристаллической формы «чешуйку», бесцветность которой будет сильно отличаться от ярких цветов «толстых» графитовых собратьев.