CC BY
1851
УДК 661. 66: 620. 5
И. М. Булатова
ГРАФЕН: СВОЙСТВА, ПОЛУЧЕНИЕ, ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ В НАНОТЕХНОЛОГИИ И НАНОКОМПОЗИТАХ
Ключевые слова: графен, свойства, получение, применение. нанотехнология, нанокомпозиты.
Статья посвящена уникальному материалу графену (модификации углерода), открытого в 2004 году выходцами из России Андреем Геймом (Andre K. Geim) и Константином Новоселовым (Konstantin Novoselov), ставшими за это открытие в 2010 году лауреатами Нобелевской премии в области физики.
Статья представляет собой экскурс по публикациям зарубежных и отечественных авторов, раскрывающих суть открытия, проблемы получения и перспективы использования графена, в частности, в нанотехнологии и нанокомпозитах.
Keywords: graphene, properties, production, application, nanotechnology, nanocomposites.
The paper regards graphene discovered in 2004 by a team (physicists Andre Geim & Konstantin Novoselov) out of the University of Manchester, who received the 2010 Nobel Prize in physics for their discovery of and research on this unique nanomaterial.
This paper provides an overview of recent advances in studying the structure, properties, production, application of graphene in nanotechnology and nanocomposites based on literary and Internet sources.
Способность углерода образовывать сложные цепи является фундаментальной для органической химии и основой для всех форм жизни на Земле, что позволяет считать его уникальным элементом Периодической таблицы Менделеева..
До 2004 года были известны трехмерные (3 D, алмаз, графит), одномерные (1 D, нанотрубки) и нульмерные (0 D, фуллерены) аллотропные формы углерода. Двухмерные же формы углерода (или 2 D - графит) долго не удавалось получить экспериментальным путем согласно доводам Ландау и Пайерлса о том, что строго 2 D-кристаллы термодинамически неустойчивы [1].
Ранее предпринимались попытки вырастить графен или же выделить его с помощью метода химического отслоения, и только в 2004 году с помощью усовершенствованной техники микромеханического скалывания графен удалось получить совместными усилиями физиков из Манчестерского университета (Британия) под руководством Андре Гейма и Костантина Новоселова, используя обычную ленту - скотч для последовательного отделения слоев от обычного кристаллического графита.
Ученые основывались на том, что графен становится видимым в оптический микроскоп, если его поместить на поверхности кремниевой подложки с определенной толщиной слоя SiO2, и этот простой, но эффективный способ сканировать подложку в поисках кристаллов графена явился определяющим фактором их успеха [2].
Очевидно, что графен - одна из интереснейших модификаций углерода. Это самый тонкий материал: структура графена представлена кристаллической решеткой, толщиной в один атома углерода.
Кроме того графен является одним из самых прочных материалов и его устойчивость к механическим воздействиям сравнима с таковой у алмаза, но при этом он хорошо гнется и легко сворачивается в трубочку, что делает его идеальным материалом для изготовления нанотрубок - структур, которые используются для моделирования различных природных процессов.
Все эти удивительные свойства графена возникают из-за уникальной природы его носителей заряда, которые ведут себя подобно релятивистским частицам.
Ещё один эффект, обусловленный характером носителей заряда в графене связан с наличием спиральности, что приводит к существованию так называемой киральной симметрии.(в переводе с греческого слова «cheir» - рука). Киральная природа электронных состояний в однослойном и двухслойном графене играет важную роль в прохождении электрона через потенциальный барьер (туннельный эффект).
В последние годы графен приобретает всё большую популярность среди инженеров и исследователей благодаря своим необычным механическим, термическим, электрическим и оптическим свойствам. Так, если в 2007 году вышло 797 статей, посвященных графену, в 2008 году их число составило 801 публикацию, то в 2011 году их количество уже перевалило далеко за 1000 наименований [3].
Далее рассмотрим наиболее значимые исследования и открытия последнего времени в области графеновых структур, технологий его получения и сфер применения.
Существуют различные методики получения графена: например, преобразование графита в оксид графита, когда происходит процесс «оксидирование - расслоение -восстановление», в ходе которого базисные плоскости графита покрываются ковалентносвязанными функциональными группами кислорода. При этом окисленный графит становится гидрофильным (влаголюбивым) и легко расслаивается на отдельные графеновые листы под действием ультразвука, находясь в водяном растворе. Такой графен обладает хорошими механическими и оптическими характеристиками, но худшей электрической проводимостью по сравнению с графеном, полученным с помощью «скотч-метода».
В дополнение к механическому отслоению с помощью скотча, позволяющему получить графеновые слои высокого качества для фундаментальных исследований, и эпитаксиальному способу выращивания графена, направленному на создание электронных микросхем, химики работают над получением графена из раствора. Помимо высокой производительности и низкой себестоимости, этот метод позволил бы интегрировать графеновые слои с различными материалами для создания нанокомпозитов и внедрять их в различные наноструктуры.
Однако, при получении графена химическими методами необходимо преодолеть определенные трудности, чтобы добиться полного расслоения графита и сохранения формы листа, отслоенного в растворе графена.
С этими задачами справились две независимо работающие научные группы. Результаты получения графеновых листов хорошего качества опубликованы в журнале «Nature» [4,5]. Оба эксперимента построены на нахождении «правильных» растворителей и/или интеркалянтов.
Так как графен был получен всего семь лет назад, то еще нет работающих устройств на его основе, хотя список перспективных технологий довольно обширный.
Несмотря на то, что механическое отслоение с помощью скотча позволяет получать графеновые слои высокого качества для фундаментальных исследований, а эпитаксиальный способ выращивания графена может указать путь к электронным микросхемам, химики пытаются получить графен из раствора. В добавление к низкой стоимости и высокой производительности, этот метод открывает дорогу ко многим химическим техникам, которые позволили бы внедрять графеновые слои в различные нанострктуры, либо интегрировать их с различными материалами для создания нанокомпозитов. Однако, при получении графена химическими методами есть определенные трудности, которые должны быть преодолены:
1) необходимо достичь полного расслоения графита, помещенного в раствор;
2) следует добиться, чтобы отслоённый в растворе графен не сворачивался, не слипался, а сохранял форму листа.
В журнале Nature были опубликованы две статьи [4, 5] независимо работающих научных групп, в которых авторам удалось преодолеть эти трудности и получить графеновые листы хорошего качества, подвешенные в растворе.
Первая группа ученых - из Стэнфордского университета (США) и Пекинского института физики (Китай) - внедряла азотную и серную кислоты между слоями графита,
затем быстро нагревала образец до 1000°С, в результате взрывное испарение молекул-интеркалянтов давало тонкие графитовые «хлопья», содержащие множество графеновых слоев. Затем между графеновыми слоями внедряли олеум и гидроокись тетрабутиламмония (ГТБА). Обработанный ультразвуком раствор содержал как графит, так и графеновые листы. Дальнейшее отделение графена. проводилось методом центрифугирования.
Вторая группа ученых - из Дублина, Оксфорда и Кембриджа - для получения графена из многослойного графита предложила методику без использования интеркалянтов. Авторы подчеркивают необходимость использования «правильных» органических растворителей, например, таких как N-метил-пирролидон. При этом важно подобрать такие растворители, чтобы энергия поверхностного взаимодействия между растворителем и графеном соответствовала энергии, что и для системы графен- графен.
Заслуживают внимание результаты работы исследователей из Калифорнии [6], которым впервые удалось получить полученить изображение атомной структуры графена высокой четкости, где возможно во всех подробностях рассмотреть сеточную структуру графена.
Еще большего успеха добились исследователи из Корнеллского университета [7], которым удалось из листа графена создать мембрану толщиной в один атом углерода, и затем надуть её как воздушный шарик. При этом мембрана выдерживала давление газа в несколько атмосфер. Мембрана использовалась для измерения частоты её вибраций при изменении давления. По мнению исследователей подобные мембраны могут найти разные сферы применения: в частности, использоваться для изучения помещенных в раствор биологических материалов. Вполне достаточно накрыть материал графеном и изучать его под микроскопом сквозь прозрачную мембрану.
Главное достижение ученых из Корнеллского университета состоит в том, что они вплотную приблизились к созданию одноатомных сенсоров, которые, по прогнозам исследователей, смогут обнаруживать отдельные молекулы вещества, вступившего с ними в контакт. Подобные сверхчувствительные приборы будут востребованы не только химиками для очистки веществ от примесей, но также парфюмерами, криминалистами и тестерами пищевых продуктов.
Ученые прогнозируют и другие масштабные перспективы использования графена [2 ,8,
9, 12]. Со временем это вещество полностью вытеснит кремний из сферы производства компьютерных процессоров, так как графеновые процессоры смогут в сотни раз быстрее обрабатывать информацию. Это не произойдет до 2020 года, как утверждают разработчики компании Lux Research, но уже сейчас новый материал обгоняет кремний в сверхбыстрых высокочастотных транзисторах для приёмников и передатчиков мобильной связи. Особо преуспели в этом направлении занимающиеся оборонными заказами исследовательские лаборатории IBM и HRL (совместное владение Boeing и General Motors).
Многообещающими представляются и другие направления использования графена. Так, предполагается, что в смеси с пластмассами графен даст возможность создавать композитные проводящие материалы, устойчивые к действию высоких температур. Прочность графена позволяет конструировать новые механически устойчивые материалы, сверхтонкие, легкие и эластичные. В будущем из композитных материалов на основе графена возможно будет делать автомобили, самолеты и спутники. Уже сейчас предполагается использовать графен в устройствах для хранения энергии - аккумуляторах и суперконденсаторах, а также топливных элементах, вырабатывающих электроэнергию от соединения кислорода с водородом.
Такие свойства графена как высокая подвижность электронов, минимальная толщина в один атом, низкое удельное сопротивление открывают перспективы для создания различных биологических и химических датчиков, а также различных вариантов тонких плёнок, которые могут найти применение в фотоэлектрических устройствах для преобразования солнечной энергии или в сенсорных экранах [10].
На основе графена могут быть созданы высокочувствительные фотоплёнки. Плазменные волны в графене открывают перспективы создания источников и приемников терагерцового диапазона. Особое поведение спина в графене может привести к созданию новых приборов спинтроники, а благодаря свойству высокой теплопроводимости графен может служить теплоотводом в современных интегральных схемах, в которых разогрев является серьёзной проблемой [11].
Если графеновая революция пойдет такими же стремительными темпами, то мы явимся свидетелями нового витка научно-технического прогресса уже в этом веке, а страна, которая проявит интерес к практическому применению графена, станет ведущей технической державой.
Литература
1. http: // ITC. UA /articles/grafen /mnogoobeshchay
2. http:/www.pravda.ru/science
3. http://elementary.ru/news
4. Xiaolin Li et al. Highly conducting graphene sheets and Langmuir - Blodgett films //Nature Nanotech (2008). V. 3. P. 538-542.
5. Yenny Hernandez et al. High - yield production of graphene by liquid - phase exfoliation of graphite // Nature Nanotech (2008). V. 3. P. 563-568.
6. Jannik C. Meyer et al. Direct Imaging of Lattice Atoms and Topological Defects in Graphene Membranes // NanoLetters (2008), doi: 10.1021/ nl801386m.
7. J. Scott Bunch et al. Impermeable Atomic Membranes from Graphene Sheets // NanoLetters V.8. No.8.P. 2458-2462 (2008).
8. http:/www. forbes.ru/ techno/budushchee/ 13405-grafen - materiya- tolshchinoi -v-atom.
9. Andre K. Geim, Philip Kim. Carbon Wonderland // Scientific American (2008). No. 4. P.90-97
10. http:/www. rsci.ru/ Science news/ 149013-php.
11. http:/www. otsuji.riec.tohoku.ac.jp/ CREST/ ISGD/?
12. Дьяконов, Г. С. Перспективы развития научных исследований в области наноматериалов и нанотехнологий в Казанском государственном технологическом университете/ Г.С. Дьяконов // Вестник Казан. технол.ун-та. - 2008. - № 6. - С. 428-433.
© И. М. Булатова - канд. пед. наук, доц. каф. иностранных языков в профессиональной коммуникации КГТУ, [email protected]/.
