ВВЕДЕНИЕ

Графен – удивительный материал с новыми свойствами, теоретически открытый еще в XIX веке. Графен, полученный 2004 году Андреем Геймом и Константином Новосёловым^[1], имеет большой потенциал для использования в современной технике и приборах фотоники, ведь он обладает таким набором свойств, которые недоступны многим другим материалам. Будучи названым «материалом будущего», графен быстро привлек внимание ученых и предпринимателей уже в 2010 году, но в 2022 году он всё ещё не стал стандартной практикой в жизни. Почему такого не случилось и что может произойти в будущем [1]?

ГРАФЕН И ЕГО СТРУКТУКРА

Рассмотрим хорошо известный углерод. Это один из самых распространенных материалов на планете Земля. Он состоит из кристаллической гексагональной решетки, расстилающейся во всех трёх измерениях: X, Y и Z. Графен же является двумерной аллотропной модификацией углерода, то есть одним слоем, толщиной в 1 атом, что делает его в 300.000 раз тоньше листа бумаги. В то же время, у него высокая теплопроводимость, упругость, он на 97% прозрачный и тверже стали и алмазов [2].

Рис.1. – молекулярная структура графена [2]

Графен получил такую структуру благодаря sp²-гибридизации, так, на внешней оболочке атома располагаются 4 электрона, 3 из которых вступают в связь с соседними атомами, последний же, наоборот, образует энергетические связи.

Сначала были получены нанотрубки из углерода [4]. Они представляют собой однослойные цилиндры c диаметром 0,3–3,0 нм и длиной 1–10 мкм, свернутые (с различным углом закручивания) из полос графеновой плоскости.

Рис.2. Одностенные углеродные нанотрубки (ОУН): a) – схематическое изображение ОУН с различной киральностью (углом закручивания графеновой сетки); b) – электронно-микроскопическое изображение поперечного сечения пучка ОУН, объединяющего нанотрубки различного диаметра; c) – электронно-микроскопическое изображение пленки из ОУН [4]

Такие нанотрубки синтезируются в виде отдельных пучков. Пучки нанотрубок представляют собой одномерные кристаллы, из них можно сформировать протяженные тонкие пленки нанометровой толщины (см. рис 2). Нанотрубка в данном контексте одномерная углеродная структура, все атомы которой находятся на поверхности. Электронные и оптические свойства такой системы полностью определяются ее геометрией [4].

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГРАФЕНА

Несмотря на то, что массовое производства графена ещё не налажено, продукты с использованием материала вполне появляются в жизни человечества. Обладая структурой полупроводников, он имеет свойство проведения электричества, словно проводник. Отсюда и появилось первое использование графена – пауэрбанки^[2]. Ученые пошли дальше, применив графен в производстве меняющих цвет одежды^[3], теннисные ракетки, которые почти ничего не весят и машинное графиновое масло, позволяющее уменьшить износ двигателя автомобиля.

Со времени первых экспериментов по использованию графеновых структур в фотонике прошло около 12 лет.Сегодня появились новые идеи использования графена для генерации суперконтинуума в волоконных лазерах, об увеличении оптической нелинейности в пленках из допированных одностенных углеродных нанотрубок или графена. При создании компактных лазеров на основе фотонных кристаллов [14] или "on-chip" лазеров графен рассматривается как единственный подходящий насыщающийся поглотитель, способный сохранить миниатюрность устройств [4].

Рис.3. Различные типы насыщающихся поглотителей на основе одностенных углеродных нанотрубок: a) – однородная водная суспензия, содержащая индивидуальные ОУН, покрытые молекулами поверхностно-активного вещества; b) – пленка из карбоксиметилцеллюлозы с однородно распределенными ОУН; c) – зеркало, покрытое полимерной пленкой, содержащей индивидуальные ОУН; d) – коннектор волоконного лазера с нанесенной на его сердцевину пленкой из ОУН

Амбиции ученых находятся далеко за горизонтом нынешних изобретений. Ученые в сфере экологии нацелены на использование графена в качестве фильтра для воды, ведь всё, что пластины графена могут пропустить через себя – молекулы воды, а это значит, что с помощью таких фильтров, в скором времени, человечество сможет получать питьевую воду из воды, загрязненной отходами или даже нефтью.

Медицинская сфера ушла еще дальше. По заявлениям бизнесменов, в скором времени будет возможно получения лекарства от рака, стоимостью менее $50, так как оксид графена способен уничтожать раковые стволовые клетки путём блокировки образования сферических опухолей, никак не влияя на здоровые.

Технологический спектр уже сейчас пополнился интересным разработками. Складные сенсорные телефоны, которые сейчас продаются в сетях магазинов, активно используют графен вместо стекла в качестве материала для экрана, что даёт продавать более гибкие и прочные устройства.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

Самым важным остаётся факт, что графен – не технология, лишь материал. Такой материал, на основе которого могут появиться тысячи технологий, которые, безусловно, сильно изменят жизнь человечества.

Сам графен сильно войдет в использование, ведь стоимость производства чистого графена постепенно уменьшается, а это значит, что интенсивность производства технологий будет только расти. Впереди у ученых стоят крупные задачи по интеграции его в технологии, медицину, экологию и градостроительство, и это только начало.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Графен – несомненно материал будущего, а технологии, открытые благодаря нему – путь к этому самому будущему. Открытие за открытием, человечество приближается к возможности создать безопасный и экологичный мир, в котором есть комфорт и стабильность, и нет неизлечимых болезней и проблем с природой.

ЛИТЕРАТУРА

SCIENCE.ORG // Sciense // Vol. 306, No. 5696 / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: https://www.science.org/doi/10.1126/science.1102896

Chudo.tech // Новости // Статья от 22.12.2017 / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: https://chudo.tech/2017/12/22/apollo-pervyj-v-mire-grafenovyj-power-bank/

NAKED SCIENCE // Редакция Naked Science // Статья от 26.01.2017 / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: https://naked-science.ru/article/hi-tech/britancy-poshili-plate-iz-grafena

Образцова Е. Графеновая фотоника // Фотоника. 2015. - № 4 (52). – С. 84-88.

Код для цитирования: Скопировать