Уникальные свойства графена позволяют рассматривать его как революционный материал, который обеспечит дальнейшее развитие нескольких не связанных между собой, на первый взгляд, технологий.

Теоретически существование графена предсказано еще в 20-х годах прошлого века, и его исследование на бумаге началось задолго до получения первых опытных образцов (2004 год). В принципе, практическое подтверждение существования материала могло быть и до того, как ученые получили к нему доступ в лабораториях. Дело в том, что в 2011 году специалисты из Национальной радиоастрономической обсерватории сообщили о том, что им удалось зарегистрировать графен в открытом космосе (в туманности Магелланово облако). Правда, изучение свойств инновационного материала на таком расстоянии несколько затруднительно.

Структура графена очень проста: атомы углерода формируют ячейки в виде сот, а толщина материала составляет всего один атом. Расстояние между двумя ближайшими частицами равняется 0,142 нм. Материал обладает очень высокой прочностью, в 100 раз превышающей прочность стали. Уникальным графен делает и высокая скорость перемещения зарядов (электронов), которые передвигаются в этом материале быстрее, чем в любом другом известном веществе.

Поскольку графен открыт всего 7 лет назад, способы его получения в промышленных масштабах изучены пока недостаточно. Несколько наиболее распространенных методик являются либо неавтоматизированными, либо не дают возможности получать графен в больших количествах. Изу-ченные способы получения углеродной подложки также могут создавать дефекты, и вместо сот, состоящих из 6 атомов, возможно появление пяти — или семиугольных ячеек, что приводит к искривлению двухмерной структуры и появлению искажений.

Тем не менее предполагается, что в ближайшее время (в период от нескольких лет до нескольких десятков лет) графен сможет заменить кремний в микросхемах, будет использоваться в батареях нового поколения, а также позволит значительно ускорить передачу данных по Интернету.

Батареи

На базе графена можно строить так называемые ультраконденсаторы (ионисторы), которые отличаются от обычных меньшим расстоянием между обкладками и, как следствие, большей емкостью при тех же размерах. По сравнению с обычными литий-ионными аккумуляторами у таких источников питания есть свои недостатки (например меньшая удельная энергия), однако часть этих недочетов можно исправить, сохранив преимущества новой технологии. Среди последних — высокая скорость заряда (порой на уровне нескольких секунд), незначительное изменение характеристик аккумулятора даже после сотен тысяч циклов заряда/разряда, небольшой вес по сравнению с обычными конденсаторами, низкая токсичность, высокий КПД (более 95%).

Еще недавно низкая энергоемкость ультраконденсаторов делала их малопривлекательными в качестве замены обычным батареям, однако новые опытные образцы ионисторов уже имеют удельную энергоемкость, сопоставимую со свинцово-кислотными аккумуляторами (32 Вт·ч/кг против 30-40 Вт·ч/кг). Также на основе графена возможно создание не только твердых, но и гибких батарей, что открывает перед новой технологией еще больше возможностей.

Солнечная энергия

Графен достаточно плохо поглощает свет (лишь около 2% падающих на него фотонов) и таким образом является практически прозрачным для этого диапазона электромагнитных волн. Однако если расположить на его поверхности золотые и титановые пластинки размером в несколько нанометров, то степень поглощения света увеличивается в десятки раз, и пойманные фотоны могут быть легко преобразованы в электрическую энергию. При расположении полосок материала длиной 300 нм примерно в 100 нм друг от друга коэффициент поглощения света увеличивается с 0,02-0,03 до 0,6. В лабораторных исследованиях панели на базе графена уже позволяют вырабатывать приблизительно в 3,5 раза больший ток, чем современные панели на основе кремния. Поскольку из графена можно создавать гибкие подложки, то будущие солнечные панели также можно будет делать гибкими.

Передача информации

Повышение коэффициента поглощения света позволяет улучшить не только солнечные панели. Использование тех же пластин из титана и золота приводит к значительному увеличению скорости передачи данных по оптоволоконным каналам. На текущий момент речь идет о возможности «разгона» сетей в десятки раз, а в перспективе эта цифра может быть увеличена еще на порядок.

Микрочипы

Важнейший элемент любой микросхемы — транзистор, однако использовать графен для создания классического транзистора нельзя из-за отсутствия запрещенной зоны и больших токов утечки. Это приводит к тому, что различать два состояния полупроводникового элемента (открытое и закрытое) невозможно. Чтобы воспроизводить запрещенную зону в рабочем диапазоне температур, приходится использовать некоторые ухищрения. Например, применяют узкие полоски графена (наноленты), где благодаря квантово-размерному эффекту возможно образование запрещенной зоны. Такой транзистор, по сравнению со своим классическим кремниевым аналогом, имеет гораздо более высокую частоту переключения (до двух порядков), что в перспективе позволит создавать процессоры с гораздо большей производительностью.

Помимо этого, при создании микрочипов обнаружено еще одно полезное свойство графена, повышающее его привлекательность по сравнению с кремнием. Выяснилось, что графеновые транзисторы обладают эффектом самоохлаждения, и процесс переноса тепла происходит в них быстрее, чем в классических аппаратах. В перспективе это не только позволит создавать более быстрые, компактные и экономичные компьютерные чипы, но и избавит их от систем охлаждения либо даст возможность сильно упростить их конструкцию и уменьшить размеры. При контакте графенового транзистора с металлическим контактом наблюдается еще один интересный эффект. Термоэлектрическое охлаждение начинает превышать эффект резистивного нагрева. Другими словами, температура транзистора при работе понижается, а не повышается.

Накопители

Компания Samsung уже объявила о дополнительном исследовании свойств графена и работе над новым поколением устройств хранения данных. Графен позволяет и дальше миниатюризировать чипы, следовательно, в одном и том же объеме можно будет размещать больше ячеек памяти. По словам исследователей, новый материал дает возможность увеличить емкость флеш-памяти, как минимум, вдвое. Кроме этого, позволяет снизить энергопотребление и повысить скорость передачи файлов.

Обнаружение химических соединений

Еще одной областью применения графена может стать обнаружение молекул химических веществ. Сенсор размером 1 мкм2 в проведенных экспериментах использовался для обнаружения молекул NH3, CO, H2O, NO2, прикрепленных к графену. Разные молекулы могут выступать в качестве как доноров, так и акцепторов, что изменяет сопротивление графена и позволяет идентифицировать вещество.

И прочие технологии

Известны и некоторые другие сферы применения графена. Его использование позволяет создавать сверхгладкие поверхности, которые можно применять там, где требуется наименьшее сопротивление при контакте материала с внешней средой (например в космических аппаратах или обычных кораблях).

Возможно использование графена и для создания нанотрубок. Для этого двухмерный слой графена попросту заворачивают в цилиндр. В зависимости от схемы сворачивания графитовой плоскости нанотрубки могут обладать или металлическими, или полупроводниковыми свойствами.

Перспективность нового материала практически не вызывает сомнений в научных кругах. Недаром в прошлом году Нобелевская премия по физике была присуждена именно за исследования свойств этого материала. Нобелевские лауреаты Андрей Гейм и Константин Новоселов чаще всего упоминаются в новостях, связанных с открытиями новых свойств графена, поскольку продолжают активно проводить эксперименты с материалом. В частности, совсем недавнее известие об ускорении Интернета в сотни раз также связано с их исследованиями.