В 2004 году двое ученых из Манчестерского университета провели обманчиво простой эксперимент с потенциально изменяющими мир последствиями. Исследователи Андре Гейм и Константин Новоселов экспериментировали с графитом, материалом на кончике карандаша. Графит состоит из супертонких листов чистого углерода, уложенных друг на друга. Гейм и Новоселов хотели посмотреть, смогут ли они выделить один лист графита, тонкий слой углерода толщиной всего в один атом с помощью липкой ленты.
Метод липкой ленты сработал. Выделив однослойный углеродный лист, Гейм и Новоселов открыли совершенно новый материал под названием графен, который теперь считается самым прочным, легким и наиболее электропроводящим веществом на Земле.
В 2010 году Гейм и Новоселов разделили Нобелевскую премию по физике за открытие графена, и исследователи по всему миру начали настаивать на способах использования этого замечательного «сверхматериала» для создания более мощных и долговечных батарей, более быстрых микрочипов, гибких схем, имплантируемых биосенсоров и т.д. Десять лет спустя графен все еще не оправдал своих обещаний, но инсайдеры уверены, что в ближайшие несколько лет мы наконец увидим смартфоны, электромобили и датчики, использующие технологию на основе графена.
Почему графен — это сверхматериал?
- Он в 200 раз прочнее стали по весу.
- Он в 1000 раз легче бумаги.
- Он прозрачен на 98 процентов.
- Он проводит электричество лучше, чем любой другой известный материал при комнатной температуре.
- Он может преобразовывать свет любой длины волны в ток.
- И, наконец, что не менее важно, графен состоит из углерода, четвертого по распространенности элемента во Вселенной, так что вряд ли мы его исчерпаем.
А недавнее открытие может добавить еще одну сверхдержаву в список хвастовства графена. Когда 2 слоя материала слегка повернуты относительно друг друга — смещение ровно на 1,1 градуса — графен становится сверхпроводником. Сверхпроводники — это самый редкий класс материалов, которые проводят электричество абсолютно без сопротивления и с нулевым нагревом.
Открытие «магического угла» графена потрясло научное сообщество. Хотя эксперимент проводился при экстремально низких температурах, он открыл возможность того, что, комбинируя графен с другими сверхпроводящими элементами, можно радикально повысить энергоэффективность всего, от гаджетов до автомобилей и целых электрических сетей.
Другое использование графена
Хотя графеновые батареи могут быть первыми на рынке, исследователи заняты разработкой множества других приложений для этого чудо-материала.
Биосенсоры — это большое дело. Можно только представить невероятно тонкий и гибкий чип, который можно ввести в кровоток для отслеживания данных о состоянии здоровья в режиме реального времени, таких как уровень инсулина или артериальное давление. Или графеновый интерфейс, который посылает сигналы в мозг назад и вперед, чтобы обнаружить приближающийся эпилептический припадок или даже предотвратить его. Тонкие растягивающиеся датчики также можно носить на коже или вплетать в ткань одежды.
Фотоника — еще одна область, в которой уже используется графен. Интегрируя графен в светочувствительные чипы, камеры и другие датчики могут значительно повысить чувствительность даже к самым слабым световым волнам в видимом и невидимом спектрах. Это улучшит не только качество изображений с камер и телескопов, но и медицинских изображений.
Еще одно перспективное применение графена — фильтрация. Простые фильтры для очистки воды, построенные из полимеров графена, могут связываться с органическими и неорганическими загрязнителями в питьевой воде.