Сергей Шарапов: Графен и будущее

Примечание редакции. Публикуем расшифровку интервью доктора физико-математических наук Сергея Шарапова, которое он дал мультимедийному проекту IDEALIST.

Графен — это новый материал, созданный в 2004 году. Он уникален тем, что представляет собой слой атомов углерода. Тоньше материала в природе представить невозможно, потому что не может что-то, сделанное из атомов, быть тоньше их самих.

Константин Новосёлов получил графен из графита следующим способом. Кусок скотча был приклеен к тонкой пластинке из графита, ибо это слоистый материал, который очень легко расслаивается. Фактически этот способ сравним с тем, как если бы использовали обычные карандаши, поскольку они, когда пишут, оставляют на бумаге след из тонких чешуек графита. Потом скотч приклеили к этому месту ещё несколько раз, и в результате образовался тонкий слой, который был помещён в оптический микроскоп и изучен. Было установлено, что он имеет толщину в один атом.

Самым важным в открытии было то, что учёные не просто получили этот материал, а при помощи устройств, из которых делают микросхемы, приделали электрические контакты к этому кусочку графита и изучили его свойства как проводника. Особенностью графита является то, что атомы углерода в нём расположены, как кристаллическая решётка, которая напоминает пчелиные соты. Это имеет важное следствие для физики, о котором я скажу позже. Теоретики Лев Ландау, Рудольф Пайерлс ещё в 1930-х годах показали, что такие материалы, казалось бы, не должны существовать, поскольку их существование запрещено законами физики. Я могу продемонстрировать это на примере листа бумаги. Представьте себе, как легко он изгибается, какой он непрочный. Лист станет не просто плоскостью, его поверхность будет неравномерная. То же самое в реальности окажется с графеном, если его вот так сомнут. В результате материал приобретает жёсткость и может существовать. Дальнейшее изучение графена показало, что существует так называемая рябь на поверхности, благодаря которой считается, что он, поскольку атомы углерода выходят из плоскости, существует.

Есть в химии понятие «аллотропы» — это материалы, которые состоят из одних и тех же атомов, но имеют разную кристаллическую структуру. Примерами аллотропов являются алмаз и графит, вопреки тому, что один из них блестящий и самый твердый, а другой — мягкий. На самом деле они состоят из одних и тех же атомов. К чему это приводит? К тому, что, когда из графита был получен графен, его механическая прочность стала уникальна. Он оказался прочнее стали. Это связано с тем, что его химические связи между атомами углерода такие же, как в алмазе.

Другое свойство графена — хорошая теплопроводность. Это важно в применении электроники, поскольку есть проблема с теплоотводом. Теперь поговорим о фундаментальных свойствах графена. Я уже сказал, что его кристаллическая решётка напоминает пчелиные соты, или состоит из гексагонов. Гексагон шестиугольный. Из-за этого движение носителей зарядов в графене, — электронов, которые проводят электрический ток, — описывается совсем другими уравнениями. Электроны внутри графена движутся по тем же законам, что и лучи света как безмассовые частицы. С этим связана хорошая электропроводность этого материала и другие его необычные свойства. Мало того, что электроны безмассовые, их движения в графене описываются теми же самыми уравнениями, что и элементарных частиц. До недавнего момента, например, считалось, что такие частицы, как нейтрино, являются безмассовыми, но сейчас установлено, что это не так. Так вот, уравнения, которыми описывали безмассовые нейтрино, один в один совпадают с уравнениями, которыми описывают движение электронов в графене, с той лишь разницей, что там стоит не скорость света, а скорость, которая всего лишь в триста раз меньше её. Тем не менее, это позволяет использовать графен для фундаментальных исследований. Это было установлено Гейманом и Новосёловым, а также другими физиками из Соединённых Штатов Америки уже в 2005 году. Основное достижение Геймана и Новосёлова именно в том, что их последующие эксперименты однозначно доказали эти свойства графена.

Применение графена можно описать соотношением цена – качество. Для того, чтобы использовать этот материал в электронике, нужны куски большой площади, которые однородны, обладают хорошими проводящими свойствами и, соответственно, их производство очень дорого. Такие куски были получены сравнительно недавно, поскольку то, что получали Гейман и Новосёлов, невозможно применить в массовом производстве. Если получать графен высокого качества, его можно применять в электронике, в производстве экранов мобильных телефонов. Есть и другое свойство графена. Мы знаем, что графит чёрный и поглощает свет (всего лишь 2,3% света). С одной стороны, это очень мало: фактически одноатомный слой графена поглощает так, как обычное оконное стекло. Поэтому в наших телефонах за стеклом находится слой электропроводящего материала, который должен быть прозрачен. Изготавливают его, насколько я помню, на основе индия, достаточно дорогого материала. Была предложена его замена в экранах на основе графена, и такие прототипы телефонов уже существуют. Как рассказывает Новосёлов, ему, как нобелевскому лауреату, разные компании дарят прототипы этих телефонов. Вопрос сейчас стоит экономический: окажется ли такое применение графена дешевле, чем того материала, который используется сейчас? Преимуществом графена может быть, как я сказал, механическая прочность. Экраны телефонов будут более прочными. Ещё одно преимущество — гибкость материала. Представьте себе гибкую электронную газету, которую можно читать. Это относится к дорогим применениям графена. Также, как и использование его в компонентах микросхем как замену кремния. Есть так называемый закон Мура, который гласит, что каждые полтора года увеличивается плотность электронных компонентов, соответственно, уменьшается их размер в современных процессорах. Постоянно идёт гонка: каждые два года выходит какой-нибудь новый процессор Intel, который имеет такую же площадь кристалла, но при этом гораздо больше транзисторов и того, что обеспечивает его работу. Проблема в том, что размер деталей становится всё меньше и меньше, и в конце концов мы достигнем такого предела, когда на основании кремния эти процессоры уже делать будет нельзя. Возможно, это произойдёт в ближайшие лет десять. Графен предлагается как замена кремния, поскольку он может обеспечить меньший размер деталей. Здесь есть определённые проблемы, связанные с тем, что транзисторы из графена выходят не очень хорошие. Хотя есть уже «последователи» графена, новые материалы на основании кремния: силицен, германен и так далее. Может быть, они будут для транзисторов ещё лучше, но, тем не менее, уже существуют какие-то прототипы транзисторов, микросхем.

С другой стороны, если исключить образцы графена с большой площадью, есть что-то типа раствора с маленькими его кусочками. В виде своего рода чернил. Можно представить, что ими печатают какие-то проводящие электроды на материалах, их используют как материал, который включают в состав пластмасс, обеспечивая их прочность. Так делают для спортсменов дорогие теннисные ракетки, велосипеды, велосипедные шлемы, лыжи. Вот это, так сказать, другая сторона спектра.

Это, в общем-то, умозрительный эксперимент. Но он был включён в нобелевский пресс-релиз. Что если сделать из графена гамак площадью один квадратный метр? И это не далеко от истины, так как уже сделаны такого размера образцы для телевизионных экранов, и если на этот графен посадить кота весом 4 килограмма, то этот гамак такого кота выдержит. При этом, поскольку он пропускает свет, как оконное стекло, то будет ещё и невидимым. Я видел в журнале Scientific American гораздо более экстремальную демонстрацию этого. Что если суметь сделать из графена многослойный материал? Это будет выглядеть как графит, но если попытаться делать его с прочностными свойствами графена и поставить на острие такого карандаша слонёнка, то острие не сможет проколоть графеновую клетку. Эксперимент также чисто умозрительный, потому даже шутили, что надо будет делать этот карандаш из углеродных нанотрубок. Что такое углеродная нанотрубка? Если представить, что графен — это плоскость, то трубка — это лист графена, свёрнутый в трубку. Нанотрубки были получены намного раньше, чем графен.

В Соединённых Штатах Америки учёные, с помощью финансирования военных, сделали на основании графена фотодетектор для приборов ночного видения. За счёт уникальных свойств такого материала этот приёмник инфракрасного света вроде бы должен работать лучше, чем существующий. Но заметят ли эту разницу сами военные? Были эксперименты, когда в графен стреляли микропулями и увидели, что он действительно обладает соответствующими прочностными свойствами. Говоря, что из графена делали теннисные ракетки или лыжи, по сути, я имел в виду какой-то композитный материал. Берётся лёгкий пластик, в средину включается графен и получается, что сделанные лыжи, шлем оказываются легче, но при этом такими же прочными, как существующие. Поэтому следует предполагать, что по такой же схеме можно сделать, например, бронешлемы. Такое тоже есть. Просто сейчас специалисты по внедрению технологий во всём мире придумывают всевозможные применения для графена, какие только можно себе представить.