Графен когда-то называли материалом будущего, который перевернет мир. Ученые и инвесторы возлагали на него огромные надежды, предрекая революцию в электронике, медицине и промышленности. Однако, несмотря на прошедшие годы и тысячи исследований, графен так и не стал частью нашей повседневной жизни. В чем же причина? Почему самый прочный материал на планете до сих пор остается скорее предметом научных дискуссий, чем массового производства? Давайте разберемся в этом парадоксе.
Что такое графен и чем он так уникален?
Чтобы понять потенциал графена, нужно начать с его структуры. По сути, это один атомный слой графита, который мы видим в обычном карандаше. Его кристаллическая решетка состоит из атомов углерода, соединенных в шестиугольники. Эта невероятно тонкая пленка обладает набором феноменальных свойств, которые и породили вокруг нее такой ажиотаж.
- Невообразимая тонкость: графен тоньше мельчайшего вируса в 60 раз.
- Для сравнения: он в 3 тысячи раз тоньше обычной бактерии.
- И в 300 тысяч раз тоньше стандартного листа бумаги.
На изображении выше показана структура графита. Графен — это как если бы мы аккуратно отделили один такой слой. Но помимо рекордной тонкости, у этого материала есть и другие суперспособности. Он является отличным проводником электричества и тепла, при этом оставаясь гибким и упругим. Графен почти полностью прозрачен, и, что самое удивительное, он прочнее стали и даже алмаза, что делает его самым прочным материалом из известных человечеству.
Нобелевская премия и рождение легенды
Широкую известность графен получил в 2004 году благодаря работе Андрея Гейма и Константина Новоселова. Ирония в том, что для получения этого высокотехнологичного материала ученые использовали почти бытовые методы: графит из карандаша и обычный скотч. Методом последовательного отслаивания они смогли получить одноатомный слой. Это открытие было настолько значимым, что уже в 2010 году исследователи получили за него Нобелевскую премию по физике. С того момента прошло более десяти лет, и это заставляет задуматься о реальном прогрессе.
Развенчивая мифы: токсичен ли графен?
Одним из сдерживающих страхов является потенциальная токсичность графена. Важно понимать, что этот вопрос изучен не до конца, но и доказательств вреда для человека нет. Опасность могут представлять лишь мельчайшие частицы графена, полученные определенными методами (например, размешиванием в воде), которые теоретически способны повредить клетку.
Однако в современных технологиях, особенно в биоэлектронике, используется другой подход — химическое осаждение из газовой фазы. Получаемые таким образом частицы достаточно крупные и закрепляются на специальной подложке, что исключает их проникновение сквозь клеточные мембраны и делает их безопасными для биомедицинского применения.
Графен сегодня: где он уже применяется?
Несмотря на то, что массовой революции не случилось, графен уже нашел свою нишу. Наиболее заметное применение — в электронике. Например, на рынке появились пауэрбанки с графеновыми аккумуляторами, которые обещают сверхбыструю зарядку как самого устройства, так и смартфонов.
Материал проник и в fashion-индустрию: существуют графеновые куртки и даже «умные» платья со светодиодами, меняющими цвет в зависимости от дыхания или температуры тела владельца.
В спорте графен используется для создания облегченных теннисных ракеток, которые при меньшем весе сохраняют мощность удара. Также появились специальные моторные масла с добавлением графена, призванные снизить износ деталей двигателя.
Прорыв в медицине: графен против рака
Одно из самых перспективных направлений — биомедицина. Благодаря биосовместимости графен может взаимодействовать с живыми клетками. Ученые разрабатывают высокочувствительные диагностические чипы на его основе. На поверхность такого чипа помещают раковые клетки и тестируют на них различные препараты, что ускоряет поиск эффективных методов лечения.
Эта технология не ограничивается онкологией. Подобные платформы можно использовать для скрининга других лекарств, а также для обнаружения специфических биомаркеров, таких как определенные белки, ДНК или нейротрансмиттеры.
Графен завтра: амбициозные проекты и перспективы
Список потенциальных применений графена выглядит как сценарий научной фантастики. Среди идей — дешевые и эффективные солнечные батареи, установки для опреснения морской воды, гибкие и небьющиеся дисплеи, сверхпрочная броня, мощнейшие процессоры нового поколения, компоненты для космических аппаратов и даже смартфоны с практически вечной батареей.
Для России особая перспектива видится в нефтегазовой отрасли. На основе графена создаются специальные жидкости для управления свойствами буровых растворов, а также полимерные покрытия для трубопроводов, которые могут значительно увеличить их срок службы и устойчивость к коррозии.
Научный хайп: от куриного помета до патентных войн
После присуждения Нобелевской премии интерес к графену взлетел до небес. Количество научных публикаций исчисляется сотнями тысяч. Исследования его свойств иногда принимают курьезные формы — вплоть до экспериментов по добавлению в графен куриного помета, чтобы изучить изменения его характеристик.
Патентная гонка также в самом разгаре: в мире зарегистрировано более 50 тысяч заявок, связанных с графеном. Лидером здесь является Китай, который через государственные программы и созданный Инновационный альянс графеновой промышленности намерен захватить до 80% мирового рынка. За ним следуют Южная Корея, США, Япония и Тайвань.
Кто инвестирует в графеновое будущее?
В отличие от Китая, в западных странах основными драйверами развития являются крупные корпорации. В Евросоюзе работает масштабный проект Graphene Flagship с бюджетом в миллиард евро. В США действует Национальная графеновая ассоциация, в совет которой входят представители Apple, IBM и Cisco.
Гиганты аэрокосмической отрасли, такие как Boeing и Airbus, видят в графене возможность создать более легкие и прочные материалы для самолетов, что сулит огромную экономию топлива. Электронные корпорации, в первую очередь Samsung и Apple, ведут борьбу за патенты, надеясь, что графеновые аккумуляторы или дисплеи дадут им решающее преимущество на рынке.
Россия на графеновой карте мира
Российская наука также вносит свой вклад. Исследования ведутся, в частности, в Центре фотоники и двумерных материалов МФТИ, где патентуют электронные устройства на основе графена. Выпускники российских вузов, такие как Елена Полякова (Graphene 3D Lab Inc.) и профессор Кирилл Болотин, входят в руководящие органы международных графеновых ассоциаций, что говорит о высоком уровне экспертизы.
Главные препятствия: почему революция откладывается
Итак, если графен так хорош, почему мы до сих пор не видим его повсеместно? Причины носят в основном технологический и экономический характер.
1. Чудовищная стоимость. Цена графена напрямую зависит от его чистоты и способа получения. Для высокотехнологичной электроники требуется идеальный материал, и его стоимость астрономически высока.
- 1 грамм чистого графена может стоить около $28 миллиардов.
- Более дешевые, неочищенные формы (смешанные с пылью) обходятся примерно в $1000 за грамм.
2. Проблемы масштабирования. Не существует отработанных промышленных технологий для массового производства высококачественного графена. Сложные устройства с его использованием часто собираются вручную в лабораторных условиях. Кроме того, свойства конечного продукта сильно зависят от подложки, на которую наносится графен, а универсального и дешевого решения здесь пока нет.
Таким образом, графен — это не миф, а реальный материал с феноменальным потенциалом. Проблема в том, что между лабораторным образцом и массовым рыночным продуктом лежит пропасть технологических и экономических сложностей. Пока не будет найден способ дешево и в больших объемах производить графен с контролируемыми свойствами, его революция будет оставаться предметом ожиданий и научных публикаций, а не нашей повседневной реальности.
Что еще почитать и посмотреть о графене
- Как графен, перовскит и наноботы изменят будущее. Блог Питера Диамандиса
- «Ведомости» — о том, кто занимается графеном в России и в мире и почему это важно
- Forbes — о том, кто участвует в мировой битве за графен
- «Постнаука» — о том, как применяют графен в медицине
- Verge — о том, почему графен еще не изменил мир (ENG)
- ScienceDirect — о прошлом, настоящем и будущем графена (ENG)
- Исследователи Моника Кракуин и Димитар Димов о графене — материале XXI века (ENG)
Читайте также:
Зачем это изобрели? Как выглядит «умная» ушная палочка
Новый Чернобыль не грозит: какие цифровые технологии помогут предотвратить катастрофу
Почему повышенный ферритин — предвестник смерти при COVID-19
Если вам понравился материал, подпишитесь в раздел РБК Тренды в Яндекс.сайт — это поможет нам развиваться!
Еще по теме здесь: Новости науки и техники.
Источник: Графен: почему самый прочный в мире материал оказался хайпом.