За последнее десятилетие графен (однослойный, толщиной в один атом, материал, состоящий из упакованных на плоскости в шестиугольники атомов углерода) стал не только объектом десятков тысяч научных публикаций в год, но и множества перспективных практических применений, способных радикально изменить материальный мир вокруг нас.
Например, одно из активно исследуемых явлений — термоэлектрический эффект с использованием графена. Как известно, термоэлектрический эффект — это явление возникновения электродвижущей силы на концах соединенных разнородных проводников, контакты которых находятся при различных температурах, например в «термопаре». Эффект, получивший название эффекта Зеебека, известен давно, но с появлением графена он найдет множество применений.
Так, в недавней работе, опубликованной в Nature Communications (Tan, Z. B., Laitinen, A., Kirsanov, N. S. et al. Thermoelectric Current in a Graphene Cooper Pair Splitter, в которой есть авторы в том числе из МФТИ), с помощью микроскопической термопары в графене был получен квантовый эффект — связанное поведение («квантовая спутанность») электронов на удаленном расстоянии.
С графеном связывают надежды на применение в микроэлектронике, в создании квантовых компьютеров, некремниевых транзисторов на основе туннельного эффекта между двумя слоями графена.
Тот же термоэлектрический эффект уже сейчас может позволить совершить прорыв в использовании самой перспективной и потенциально неисчерпаемой отрасли энергетики — солнечной. Сейчас солнечные батареи создаются на основе полупроводникового кремния, и у них есть принципиальные ограничения по КПД, они могу «уловить» только чуть больше половины (58%) солнечного спектра, а большая часть солнечной энергии уходит в тепло. Использование графеновой пленки позволит «поймать» не только большую часть солнечных фотонов, но и использовать наряду с полупроводниковым термоэлектрический эффект для преобразования солнечной энергии. Сейчас фотовольтаика (фотоэнергетика на основе полупроводников) достигла 22% КПД (еще недавно было 4%), но это практически предел, пленки на основе органических полупроводников могут прибавить 1–2%, а вот использование графена будет означать существенный рост КПД. Профессор кафедры низких температур Московского энергетического института Александр Дмитриев в своей лекции «Перспективная энергетика будущего на основе нанотехнологий и наноматериалов» предсказывает рост КПД в солнечных преобразователях до 35% на основе новых графеновых технологий.
Кстати, сейчас термоэлектрический эффект в наноматериалах уже применяется в дорогих марках машин: энергия тепла на выхлопной трубе и на других поверхностях, преобразованная с помощью специального покрытия в электрическую энергию, используется для питания аккумулятора и кондиционера. Но это, конечно, только начало массового применения.
Кроме того, графен позволяет создавать самые разнообразные композитные материалы с удивительными свойствами. Это звучит фантастически, но добавление графена практически в любой материал (металлы, цемент, керамика, полимеры, краски, покрытия, стекло и др.) улучшает его свойства прочности, долговечности и устойчивости к внешним воздействиям. Например, добавление менее 0,05% по массе графена в бетон делает бетон мелкозернистым, закрывает поры, делает его практически водонепроницаемым, скорость его созревания уменьшается, прочностные свойства значительно возрастают.
Обычная акриловая краска при добавлении небольшого количества графена становится проводящей, что уже сейчас может найти множество практических применений: при подключении 18 вольт к поверхности стенка нагревается, что, например, может быть использовано как эффективное и дешевое средство против обледенения крыш и ливневых стоков.
Примеры можно продолжать, но каждый день мы убеждаемся, что стоим на пороге открытия нового мира материаловедения, когда на основе графена будут разработаны сотни новых технологий.
Полунаш графен
Впервые получить и исследовать графен удалось в 2004 году в Манчестере физикам российского происхождения Андрею Гейму и Константину Новоселову, за что в 2010 году они получили Нобелевскую премию. Это пример потрясающего открытия, которое задним числом кажется очень простым. Графен был получен путем многократного отшелушивания слоев от обычного графита — материала, из которого делаются карандаши и аноды в батареях (кстати, сейчас понятно, что графеновые аноды эффективнее). Графит — обычный трехмерный кристалл, состоящий из атомов углерода, самая распространенная его модификация из шестиугольников в пространстве. Ученые получили графен практически из мусора путем отрыва от графита одного слоя шестиугольников. То, что другие годами выбрасывали, а именно использованный скотч, которым очищали графит, Гейм и Новоселов решили изучить. Оказалось, что вопреки теоретическим предсказаниям о невозможности «двухмерного кристалла» на поверхности оксида кремния стабильно «зацепились» довольно большие (порядка квадратного миллиметра) слои графена. Тогда же были изучены и его потрясающие свойства — удивительная проводимость и прочие электрические и квантовые явления в плоском материале и между слоями графена.
Очень быстро было замечено, что на основе графена в будущем, вероятно, может быть создана новая электроника, идущая на смену кремниевой, и уж точно новая химия катализаторов и материаловедение, с чем и связано быстрое нобелевское признание открытия. И если в 2000-е графеном занимались лишь в нескольких западных научных лабораториях, то теперь его активно исследуют и изучают во всем мире: более ста тысяч публикаций за последние пятнадцать лет.
Сейчас, судя по всему, приближается время, когда за научным бумом последует этап технологических инноваций, востребованных в экономике.
Гонка на плоскости
В мире началась гонка за лидерство в производстве графена и материалов с его добавками. Ежегодный рост продаж графеновых компонентов и продуктов на их основе на сегодня составляет около 37% в год.
Впрочем, мировой рынок графена пока очень невелик и оценивается в 150 млн долларов. Но уже к 2030 году объем реализации продуктов на основе графена может достигнуть 800 млрд долларов — мир на старте графеновой волны.
Разработки на основе графена пользуются господдержкой во многих развитых странах. В Евросоюзе, например, запущен проект Graphene Flagship: вложения в 2014–2020 годах оцениваются в миллиард евро. Вряд ли в истории поддержки науки ЕС можно найти другой столь же крупный проект, направленный на внедрение в практику относительно недавнего научного открытия.
Среди стран-лидеров, активно работающих с графеновой тематикой, помимо США ЕС — Австралия, Бразилия, Израиль, Индия, ЮАР, Япония.
А безусловным лидером в исследованиях графена является Китай, которому принадлежит более половины мировых публикаций и заявок на патенты. В 2013 году в Китае создали Инновационный альянс графеновой промышленности, кроме того, руководство страны сделало индустрию новых материалов на основе графена одним из приоритетов своей 13-й пятилетки (2016–2020).
Русское поле
К сожалению, как это уже не раз случалось в истории развития перспективных направлений науки и техники, открытия, сделанные российскими учеными, были активно подхвачены зарубежными специалистами, а нашей стране приходилось выступать в роли догоняющих.
По числу исследований графена Россия сегодня находимся на 14-м месте в мире. Причем процент российских научных публикаций по теме графена падает: в 2000-е годах он составлял 5,6%, сейчас только 2,3%. По числу высокоцитируемых статей вся Россия уступает одному только Центру двумерных материалов Сингапура.
В экономике еще хуже. Сегодня на долю России приходится лишь 0,003% продаж графеновых компонентов и продуктов (на два порядка ниже, чем в Индии и Израиле). Хотя, по некоторым оптимистическим прогнозам, потребность в графеновых компонентах на российском рынке оценивается примерно в 165 млн долларов (к 2025 году) и 1,5–2 млрд долларов к 2030-му, и, если ничего не изменится, этот рынок будет занят иностранными компаниями. Впрочем, следует признать, что сегодня, когда графеновый рынок только складывается, наметить темпы его роста и даже очертить его границы весьма сложно.
В России сегодня графеновой тематикой занимаются от силы несколько десятков научных лабораторий. Еще меньшее число научных центров производят собственный графен, причем в очень ограниченных количествах (граммы, десятки граммов) и далеко не всегда достаточно высокого качества. В подавляющем большинстве отечественных научных разработок используется довольно низкосортный, однако достаточно дешевый графен из Китая.
Это объясняется, с одной стороны, малой информированностью наших специалистов о преимуществах графеновых технологий, с другой —дороговизной научных исследований, требующих наличия дорогого и в основном импортного оборудования.
География научных лабораторий, занимающихся графеновыми технологиями в России, пока не широка, но сильные лаборатории есть.
Так, в Якутске, в лаборатории «Графеновые технологии» Северо-Восточного федерального университет им. М. К. Амосова, изучаются тонкопленочные структуры и нанокомпозиты на основе графена. Ученые университета разработали ряд продуктов на основе графена, в частности сенсоры влажности на основе графеновой пленки и на основе оксида графена. Лаборатория оснащена современным оборудованием, которое позволяет синтезировать графен, измерять его параметры и создавать электронные приборы на основе графена.
Оптические свойства графеновых пленок исследуются в Государственном университете аэрокосмического приборостроения в Санкт-Петербурге. Там же, в Институте аналитического приборостроения РАН, изучают прозрачность графеновых пленок.
Использование графена в качестве катализаторов в различных приложениях исследуется в Институте катализа им. Г. К. Борескова СО РАН в Новосибирске.
В Институте неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН, тоже расположенном в Новосибирске, разработаны методики перевода графена в устойчивые дисперсии в жидких средах. Практическая значимость исследований состоит в целенаправленном получении новых материалов на основе графена, включая тонкие проводящие прозрачные пленки, прочную и гибкую «графеновую бумагу», композиты с высокой прочностью, катализаторы.
Институт графена
Отдельно хотелось бы рассказать об исследованиях, проводимых в научных лабораториях Института графена в Москве.
Именно здесь проводятся, например, упомянутые выше исследования по использованию высокопрочного бетона с графеновыми добавками, упрочненного графеном асфальта. Разрабатываются электропроводящие краски и клеи с графеновым наполнителем, позволяющие создавать высокоэффективные энергосберегающие нагревательные настенные панели, «теплые полы», а также эмульсии, дающие возможность значительно интенсифицировать теплоотвод в различных электронных устройствах.
Институт графена создал на основе собственной технологии первую в России установку полупромышленного типа для производства чистого (99,6–99,8%) графена. Производительность этой установки (несколько сотен килограммов графена в месяц) должна обеспечить потребность как российских исследователей, так и отечественных потребителей, использующих графеновые добавки в своих технологиях, а качество значительно выше китайского.
Институт планирует расширить графеновую тематику своих работ в интересах российской энергетики. В частности, есть наработки
в производстве опытных установок для солнечной теплоэнергетики (установки с солнечной генерацией пара; автономные энергетические источники).
Перспективны разработка и производство опытных установок по эффективному опреснению морской воды с помощью графеновых пленок за счет солнечного излучения; разработка и создание графеновых анодных материалов для литий-ионных, калий-ионных и марганец-ионных энергетических источников питания; разработка и создание энергоэффективных (с эффективностью не менее чем на 40-60% выше, чем у существующих) графеновых нагревателей для промышленных и бытовых целей; разработка, создание и производство специальных графеновых добавок в различные марки бетона (увеличение прочности до 40%, снижение времени созревания вдвое, возможность создания слоистого бетона с электропроводящими слоями для локального нагрева помещения и т. п.); исследование и использование наножидкостей в различных областях жизнедеятельности человека, например в системах отопления, где возможна как минимум 50-процентная экономия газа или электричества (добавление графена в жидкость увеличивает эффективность парогенерации).
Все эти направления слишком масштабны, чтобы осуществляться в рамках какой-либо одной компании или лаборатории, поэтому критически важен общий рост интереса и научных коллективов, и частных инвесторов, и государства к графеновой тематике в целом. И дело не только в возможности технологических прорывов в среднесрочной перспективе, но и в наличии быстрого поиска решений для практических хозяйственных задач уже сейчас.
Как известно, ситуация с пресной водой во всем мире напряженная. Особенно остро этот вопрос стоит сегодня в Крыму и в других засушливых регионах, а также там, где, тем не менее, есть запасы соленой или засоленной воды. Специалисты Института графена разработали технологию по эффективному опреснению морской воды (или воды из источников с повышенным содержанием солевых примесей). Для опреснения используются графеновые пленки, поглощающие энергию солнечного излучения. Технология практически не требует энергетических затрат и отличается высокой экологичностью. Институт графена публично заявляет, что приглашает партнеров для участия в совместных работах по созданию опреснительных установок различной производительности.
Что дальше
Можно смело утверждать, что графен — одна из наиболее перспективных технологий нашего времени.
Общеизвестно, что мы на десятилетия отстали от мирового прогресса во многих областях науки, техники и технологий. Но графеновый бум только на старте. И у России еще есть шанс успеть вскочить на подножку этого стремительно уходящего поезда и, возможно, даже пробиться в лидеры этого принципиально нового направления в науке. Лаборатории и талантливые ученые, способные раскрутить это направление в России, у нас в стране пока еще есть.
В подготовке статьи принимал участие Виталий Лейбин
