Нобелевская премия за графен, или 10 лет спустя

Ровно десять лет назад, во вторник 5 октября 2010 года, в рамках так называемой нобелевской недели были объявлены лауреаты премии по физике. В тот день главная научная премия была присуждена за передовые опыты с первым двумерным материалом — графеном. Для всех нас это событие не могло стать рядовым, так как премию получили россияне, выпускники Московского физико-технического института Андрей Гейм и Константин Новоселов, которые в тяжелые для нашей страны 1990-е годы уехали работать за рубеж. Примечательным это событие стало еще и потому, что открытие нашими учеными удивительных свойств принципиально нового материала было сделано всего за шесть лет до присуждения премии.

О том, как графен повлиял на развитие науки и промышленности и можно ли его назвать материалом будущего — в авторской колонке заместителя директора Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, кандидата физико-математических наук Алексея Арсенина.

Шесть лет до "Нобеля" и "графеновая лихорадка"

Итак, Гейм и Новоселов получили Нобелевскую премию всего спустя шесть лет после открытия свойств графена. Это открытие нельзя назвать запланированным. Изначально Андрей Гейм ставил задачу получения тончайшей пленки графита, настолько тонкой, насколько это возможно. Потратив несколько месяцев на безуспешную полировку графита, ученые по совету одного из коллег воспользовались обычным скотчем. Оказалось, что, отслаивая графит липкой лентой, можно без труда получить чешуйки толщиной всего в несколько нанометров. Однако ученые не остановились на достигнутом и поставили перед собой цель дойти до предельных показателей. Месяцы напряженной работы по 14 часов в сутки без выходных и перерывов привели их к получению пленок графита толщиной один атом (0,335 нм).

В итоге ученые сделали то, что ранее считалось невозможным, и в первой же своей работе продемонстрировали удивительные электронные свойства графена — это изменение сопротивления примерно в 100 раз под действием электрического поля, тогда как для металлов эти изменения не превышали нескольких процентов. Эти первые открытия возбудили в научной среде настоящую "графеновую лихорадку", которая и привела ученых к Нобелевской премии.

Суперматериал для всего

Такая быстрая оценка вклада исследователей — большая редкость. Причиной тому стали не только потрясающие свойства нового материала — высокая электропроводность и рекордная среди всех известных материалов теплопроводность, прочность, гибкость, химическая и термическая стабильность и так далее, но и большие перспективы, которые ученые связывали с применениями графита в электронике, квантовых технологиях, робототехнике, автомобилестроении, авиационной и ракетно-космической технике и даже легкой промышленности. Спектр возможного использования графена до сих пор ширится.

Попробуем ответить на вопрос, который часто задают нобелевским лауреатам: оказались ли оправданными ожидания 10-летней давности?

Однозначного ответа на этот вопрос нет. С одной стороны, мы не ездим на работу на графеновых автомобилях и не летаем в другие города и страны на графеновых самолетах. Хотя нельзя исключить, что такое станет возможным спустя пару десятилетий. Можно вспомнить примеры алюминия и углеродного волокна, которым потребовалось несколько десятилетий, чтобы занять свою нишу в авиации. С другой стороны, за эти годы графен никого не разочаровал. Если в 2010 году еще можно было найти скептиков, то сейчас если они и есть, то предпочитают молчать. Графен всем доказал, что это не "модное" сиюминутное увлечение ученых, а открытие миру принципиально нового класса материалов — двумерных, представляющих собой одну кристаллическую плоскость толщиной всего лишь один или несколько атомов. Пока изделия с двумерными материалами являются экзотикой, но с каждым днем их становится все больше. Покупая теннисную ракетку, спортивный велосипед или смартфон, вы можете и не знать, что их характеристики улучшены использованием двумерных материалов.

"2D ничто" и посткремниевая эра

Рост числа научных публикаций и патентов — одна из задач национального проекта "Наука". Так вот, только по графену за последние 10 лет в ведущих научных журналах опубликовано более 220 тысяч статей и зарегистрировано свыше 50 тысяч патентов. И с каждым годом их число только растет. Ни одна другая область исследований не может конкурировать по этим показателям. Сегодня ученым известны сотни различных двумерных материалов, и лишь малая часть из них в достаточной мере изучена. Удивительно, но несмотря на то что толщина этих материалов не превышает нескольких атомов, они проявляют заметные физические и химические свойства. Используя их, вы не меняете размеры вещей, но меняете их свойства.

В мировой науке слово "графен" упоминается практически так же часто, как слово "квантовый", а это, очевидно, более широкое понятие, чем одна из разновидностей двумерных материалов. В 2016 году графен обогнал по числу упоминаний в ведущих научных журналах такой материал как кремний. Это показательный момент: если не в промышленности, то в науке мы уже перешли в посткремниевую эру, где на первые роли вместо кремния вышли различные двумерные материалы. Более 30% всех публикаций в области нанотехнологий так или иначе связаны с ними. Ученые и инженеры не ограничились открытием и изучением новых двумерных материалов. В последние годы они активно работают над созданием и изучением гибридных структур, так называемых ван-дер-ваальсовых гетероструктур, которые сочетают в себе два и более двумерных материала. Это можно себе представить в виде игры в "Лего" в атомном масштабе, когда из разноцветных пластинок (диэлектриков, полупроводников, полуметаллов) собирается принципиально новый материал. Но и это не все: поворачивая пластинки друг относительно друга на разные углы, также можно изменить свойства суммарного материала. Например, поворачивая два слоя графена на "магический угол", ученым удалось наблюдать сверхпроводимость, которую без поворота ранее не наблюдали.

Если раньше мы ограничивались природными материалами, то теперь научились конструировать новые. Ученые называют их программируемыми квантовыми материалами. Предполагается, что мы сможем создавать искусственные материалы с заданными свойствами, которые требуются для решения конкретной инженерной задачи. Для последних на примере двух повернутых на "магический" угол слоев графена (так называемый скрученный графен) была обнаружена сверхпроводимость. Такие структуры позволяют создавать искусственные материалы с недоступными нам ранее свойствами.

Сегодня ученые пришли к еще более экзотическим материалам. Например, если мы сделаем где-либо полость толщиной в один слой атомов, то это еще один объект для исследований — так называемое "2D ничто", или "2D nothing". Если в случае графена нас интересовала извлекаемая из основного материала плоскость атомов, то здесь нас интересует то, что остается после извлечения. Дело в том, что стенки получаемой полости являются гладкими, атомная структура не нарушается, и нам еще только предстоит узнать, что из себя физически представляет такой объект и как он меняется в зависимости от того, в каком материале сделана полость. Например, для молекул воды в таких полостях в графите наблюдается сверхнизкая вязкость.

Графен и рынок

Коммерческие успехи графена отстают от взрывного роста интереса к нему в науке. Тем не менее, ряд стран сделали ставку на лидерство в графеновой промышленности будущего и вложили миллиарды долларов в научные и инженерные разработки на основе графена. Прежде всего здесь следует упомянуть Китай, США, Южную Корею, Японию, Великобританию, Австралию и Сингапур, а также страны Евросоюза. В этих государствах созданы специализированные исследовательские и инжиниринговые центры, которые во многом стали драйвером для создания малых инновационных компаний, продвигающих передовые разработки на рынок, и питательной средой для таких крупных компаний, как Samsung, Huawei, Xiaomi, Airbus, Boeing, Fiat-Chrysler Automobiles, Siemens и других. Ожидается, что первыми успешными коммерческими продуктами на основе графена станут композитные материалы и функциональные покрытия, графеновые аккумуляторные батареи, печатная электроника на основе графеновых чернил, высокоскоростные фотодетекторы и высокочувствительные биосенсоры.

Первые продукты уже в продаже. Сейчас стало очевидным, что только одни высокоемкие и быстрозарядные аккумуляторные батареи на основе двумерных материалов до неузнаваемости изменят автомобильную промышленность. После 2022 года ожидается появление на рынке гибких и прозрачных солнечных батарей, суперконденсаторов, систем очистки воды, нейроинтерфейсов для обеспечения связи "компьютер-мозг" и гибких электронных устройств.

И все это — далеко не полный перечень разработок на основе графена. Интерес ученых и инженеров к двумерным материалам с каждым годом только растет. Бизнес с энтузиазмом вкладывается в технологические проекты, связанные с этими материалами, поэтому можно считать, что самое интересное нас еще ждет впереди.

Спустя 10 лет после вручения Нобелевской премии нашим соотечественникам мы уже не можем говорить только о графене, как о самом важном, самом известном и упоминаемом двумерном материале. За эти годы ученые и инженеры обнаружили сотни других двумерных материалов. Миру открылась новая вселенная, которая еще требует осмысления, и для этой вселенной нам только предстоит создать свою "таблицу Менделеева". Нет сомнений, что мы еще увидим нобелевские премии за ван-дер-ваальсовы гетероструктуры и новые функциональные материалы.