20 лет назад ученые Гейм и Новоселов получили графен. Их открытие обещало настоящую технологическую революцию — но ее не случилось Что пошло не так? И есть ли у «чудо-материала» шансы на научный прорыв?
20 лет назад, в конце октября 2004 года, в журнале Science вышла статья, авторы которой описали технологию получения сверхтонкого материала — графена. В 2010-м за опыты с графеном физикам Андрею Гейму и Константину Новоселову была присуждена Нобелевская премия. Журналисты и предприниматели называли находку «материалом будущего» и обещали скорую технологическую революцию, вызванную его внедрением. Научный журналист и автор телеграм-канала «Лайфлонг муки» Илья Кабанов выяснил, почему надежды на графен до сих пор не оправдались и сможет ли он когда-либо соответствовать своей репутации «чудо-материала».
Аудиоверсию этого текста слушайте на «Радио Медуза»
Что такое графен
Графен — это напоминающий пчелиные соты слой углерода (точнее — графита, одной из его форм, из которой, например, делают стержни простых карандашей) толщиной в один атом. Он не только очень тонкий, но и рекордно прочный, а также обладает большой теплопроводностью. Теоретически, такие свойства делают его перспективным материалом для самых разных отраслей — от электроники до строительства.
Физики из Манчестерского университета Андрей Гейм и Константин Новоселов первыми получили графен, отделяя чешуйки графита с помощью обычного скотча (эти эксперименты они проводили еще в 2003 году). Впрочем, их открытие, конечно, заключается не только в том, что они нашли новое применение липкой ленте и вряд ли удастся повторить дома: ученые смогли не только получить углеродные чешуйки, но и определить их толщину, выявив и отметив однослойные — тот самый графен.
Получение графена во многом стало неожиданностью. Долгое время ученые считали, что такие двумерные материалы будут нестабильны, разрушаясь из-за тепловых колебаний. Гейм и Новоселов показали, что за счет стабилизирующей роли подложки, на которой размещались отделенные от графита чешуйки графена, это ограничение можно обойти.
За 20 лет статью Гейма и Новоселова процитировали более 40 тысяч раз — это одна из самых цитируемых научных работ всех времен. В 2010 году манчестерские ученые получили Нобелевскую премию по физике за свои эксперименты с графеном. Правда, совершили открытие они не в одиночку: Гейм и Новоселов были лидерами исследовательской группы, в которую входили и их коллеги из российского Института проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов.
С легкой руки научных коммуникаторов журналисты быстро окрестили графен чудо-материалом. Список его удивительных свойств действительно поражает воображение: графен хорошо проводит электричество, невероятно прочен (для своей толщины и массы), почти прозрачен и может гнуться, не ломаясь.
Эти качества обещали широкий спектр возможных применений, включая устройства хранения энергии, фильтры для воды, гибкие экраны и другую передовую электронику, в том числе нейроимпланты.
По оценке материаловеда из шотландского Университет Стратклайда Стивена Лифа, за последнее десятилетие ученые и инженеры разработали более 90 коммерческих продуктов на основе графена. Среди них — смазочные масла, профессиональные теннисные ракетки, шины для спортивных велосипедов.
Что не получилось
Тем не менее, революция, которую обещали материаловеды, пока не произошла. Для массового потребителя графен спустя 20 лет после открытия все еще остается скорее словом из заголовков научных новостей, чем реальным продуктом, который можно потрогать руками. Многочисленные обещания вроде планов строительства графеновых небоскребов, которые сами вырабатывали бы электричество, так и остались нереализованными фантазиями.
Как отметила редакция Nature Physics в опубликованном в начале года обзоре, главное разочарование в графене за последние 20 лет заключается в том, что, несмотря на первоначальный ажиотаж, он не оказал большого влияния на повседневные продукты. Особых коммерческих успехов графен до сих пор не принес. Британские компании по производству графена в последние годы испытывали финансовые трудности, а мировые продажи нового материала в 2022 году составили скромные 380 миллионов долларов.
Обиднее всего может показаться то, что примеры реального применения вроде теннисных ракеток или мотоциклетных шлемов используют, в основном, механические, а не электронные свойства графена. Вообще, механические свойства графена — его прочность («прочнее стали!») и гибкость — стали своего рода мемом. На них фокусируются разработчики, про них пишут медиа. Но, самое интересное в графене с точки зрения фундаментальной науки, безусловно, — его электрические свойства.
Графен не вписывается ни в одну традиционную категорию вроде металлов, диэлектриков или полупроводников. Необычное расположение энергетических состояний графена заставляет его электроны вести себя так, будто у них нет массы, — в результате они проходят сквозь этот материал с минимальным сопротивлением. Это имеет решающее значение для электроники, поскольку теоретически позволяет создавать более быстрые процессоры, более эффективные транзисторы и сенсоры с низким потреблением энергии.
Проблема в том, что такие потенциально востребованные свойства пока не нашли применения в промышленных масштабах. Частично это объясняется тем, что первое время графен оставался объектом лабораторных исследований, который сложно был производить в большом объеме. Казалось, что решение появилось только в 2009 году с открытием способа выращивания графеновых монослоев на медной фольге, но через несколько лет выяснилось, что такая технология ухудшает свойства материала. Со временем возникли и другие процессы производства графена, но и они не позволяли получать «чистый» продукт лабораторного качества. Такие препятствия сильно подпортили репутацию «чудо-материала», оставляя впечатление, что кроме хайпа за ним ничего нет.
К тому же, полупроводниковая промышленность давно отточила недорогое производство на основе кремния. Графену как новому игроку на этом рынке тяжело конкурировать с понятным, а главное дешевым материалом, лежащим в основе всей современной микроэлектроники. Если стоимость графена достигает 200 тысяч долларов за тонну, то кремний стоит на пару порядков меньше.
Наконец, несмотря на всю привлекательность, графен сложно интегрировать в массовые устройства без потери его ценных качеств. Проблему усугубляет путаница в терминах. В 2017 году Международная организация по стандартизации постановила, что слово «графен» должно относиться только к монослоям, а «малослойный графен» может содержать от трех до десяти слоев. При этом многие коммерческие продукты на основе графена содержат материал с большим количеством слоев (и, как следствие, с худшими свойствами — например, уступают по прочности «настоящему» графену).
Все это отпугивает крупных производителей от серьезных инвестиций в развитие графенового бизнеса.
Что дальше
Хотя двадцать лет кажется внушительным периодом, для научно-технического прогресса это не срок. Внедрение разработок порой занимает много времени (к примеру, между появлением Arpanet, прототипа интернета, и созданием фейсбука прошло почти в два раза дольше).
На протяжении последних десятилетий ученые продолжали исследования графена, а инженеры и стартаперы экспериментировали с его практическим применением. Из области фундаментальной науки графен постепенно, хоть и довольно медленно, проникает в прикладную сферу.
Так, в последние годы появились новые производственные процессы вроде получения оксидов графена (GO) и восстановленных оксидов графена (rGO), которые похожи на графен, но имеют больше дефектов в гексагональной структуре. Они сохраняют некоторые свойства графенов и могут применяться, к примеру, для производства нейроинтерфейсов. Плюс такого подхода — возможность производства большого объема материала. Например, китайская Sixth Element Materials Technology может выпускать около 1000 тонн оксидов графена в год — и их использует, в частности, Huawei для отведения тепла от чипов своих смартфонов.
Недавно в Манчестере начались первые клинические испытания мозгового имплантата из графена (точнее — из rGO). В ходе эксперимента гибкий интерфейс с 64 графеновыми электродами разместили на мозге пациента во время операции по удалению глиобластомы. Имплант с высокой точностью считывал нейронную активность, помогая хирургам убедиться, что они не затронули важные участки мозга. По замыслу разработчиков из испанской INBRAIN Neuroelectronics, с помощью восстановленных оксидов графена можно будет создавать более чувствительные нейроинтерфейсы, чем с традиционными металлическими электродами. Это может привести к прорывам в лечении неврологических заболеваний — от болезни Паркинсона до инсульта.
Разработкам способствует развитая инфраструктура, на которую за последние годы потратили десятки миллионов долларов. К примеру, манчестерский Graphene Engineering Innovation Centre (GEIC) предоставляет стартапам доступ к лабораториям и оборудованию, помогая производить графен и смешивать его с другими веществами, что позволяет предпринимателям масштабировать процессы.
Следующий этап — коммерциализация графена, и здесь тоже можно надеяться на то, что ждать осязаемых результатов осталось недолго. Доклад Института Фраунгофера, опубликованный в журнале 2D Materials, содержит прогноз, по которому рынок продуктов на основе графена достигнет 5,5 миллиарда долларов уже к 2027 году. Авторы выделяют три основные области применения: электронику, композитные материалы и аккумуляторы.
Внедрению графена должны помочь технологии, призванные решить некоторые из его врожденных проблем. К примеру, формирование «стопок» из различных двумерных материалов позволяет исследователям точно настраивать поведение такого «сэндвича» за счет комбинирования свойств разных веществ. Так, размещение графена между двумя слоями гексагонального нитрида бора помогает сохранить электронные свойства графена в реальных устройствах.
Тем временем, «родители» графена остаются оптимистами и не перестают напоминать, что их материал уже сейчас много где используется. «Графен присутствует в электромобилях, — заявил в начале октября на саммите Times Higher Education 2024 Андрей Гейм. — Если мы говорим о гибкой, прозрачной и носимой электронике, графеноподобные материалы можно встретить и там. Графен также есть в литий-ионных аккумуляторах, эффективность которых он улучшает на 1 или 2 процента».
Хайп не прошел бесследно: по словам Константина Новоселова, инвестиции в графен принесли пользу разным научным дисциплинам, особенно в сфере новых материалов. В частности, они позволили «собрать в Манчестере критическую массу ученых, которые, вероятно, будут возглавлять исследования в области материаловедения в течение следующих десятилетий».
«Мы видим, что некоторые вещи возможны с графеном, а некоторые — нет, — отмечал Новоселов. — Это более реалистичный подход, чем говорить, что его можно использовать везде».
Илья Кабанов