Чистяков Артемий Михайлович
специалист 3 категории АО «НПП «Пульсар»,
член Союза Молодых Инженеров России,
заместитель руководителя отделения по исследованию и разработке
перспективных индустриальных технологий Союза МИР

 

За последнее десятилетие количество материалов, использующихся в различных сферах промышленности, значительно выросло. Разработаны технологии трехмерной печати, активно развиваются двумерные материалы, такие как графен, фурелен, двумерный перовскит. Первым из таких материалов стал графен. Рассмотрим изменения в использовании материалов на его примере.

Графен – двумерный кристалл, который относительно просто получить методом механического расщепления кристаллов графита. Существует несколько видов получения графена: механический, путем расщепления графита, и химические, путем эпитаксии или осаждения атомов углерода на основу или же путем роста при высоком давлении и температуре.  Материал имеет высокую проводимость и теплопроводность. Также его прочность превышает прочность стали на 2 порядка. Впервые уникальность его свойств была подтверждена в 2004 году. С этого времени начинается активное изучение этого материала и его областей применения. Рассмотрим области применения графена более детально.

Во-первых, наиболее разнообразная область применения графена — электроника. Такие свойства графена, как высокая проводимость и высокая оптическая прозрачность, делают его привлекательным материалом для изготовления электронных компонентов и устройств на его основе. Например, он может служить внешним электродом для жидкокристаллического экрана. А если учесть, что графеновый слой является достаточно гибким материалом, мы можем прогнозировать появление гибких электронных устройств, прототипы которых уже тестируются. Примером служит гибкий экран, представленный физиками Кэмбриджского центра изучения графена. Ведутся работы по замещению кремния материалом на основе графена и нитрида бора в электронике. Сочетание такого материала с углеродом C60 обладает схожими с кремнием физическим свойствами, имея при этом лучшую химическую стабильность, большую гибкость и меньший вес. Это делает его более долговечным и устойчивым к влиянию внешних факторов, что в конечном итоге увеличивает срок службы устройств на основе такого материала. Однако есть и трудности. Основная проблема состоит в отсутствии у графена запрещенной зоны, необходимой для переключения состояний открытый/закрытый. Тем не менее работы по решению этой проблемы и приданию новому веществу всех свойств полупроводников ведутся, что позволяет ожидать появления новых видов электронных компонентов в обозримом будущем. Также графен подходит для создания новых высокочувствительных оптических датчиков, светодиодов, солнечных панелей. К примеру, представьте солнечную батарею, которая не только сможет следовать за движением солнца для получения наибольшего количества энергии за световой день, но и изгибать свою поверхность для достижения большей эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую. Так в Китае введена в эксплуатацию крупнейшую солнечную ферму, в которой на практике применен принцип, описанный выше, что позволяет ей достигать мощности в 40 мегаватт. Также на основе графена создаются ионисторы или — как их ещё называют – суперконденсаторы, емкость которых превосходит емкость обычных на порядок. По сути это емкие хранилища электроэнергии. В совокупности с солнечными панелями на основе графена, технология ионисторов сможет помочь решить проблему с производством электроэнергии. Так, полученная за день электроэнергия от солнечной панели будет сохранена графеновым ионистором для обеспечения потребителей энергией в темное время суток, когда нет солнечного света.

Во-вторых, помимо электроники и энергетики, графен также подходит на роль конструкционного материала. Его механические свойства, такие как прочность, превосходящая сталь на 2 порядка, способность растягиваться до 20% без повреждения и гибкость позволяют использовать этот материал для создания корпусов и конструкций. Так в 2015 году компания Spania GTA представила модель суперкара Spano, в основе корпуса которого был сплав графена с титаном. Благодаря этому новшеству силовой каркас (монокок) автомобиля весит менее 80кг, что высвобождает массу, которую можно использовать для установки более мощного двигателя.

Монокок из сплава графена и титана

 Таким образом мощность автомобиля выросла на 3%, а крутящий момент на 22%. Также графен используется в композитных материалах для придания им прочности. Например, композит из меди и графена имеет предел прочности в 500 раз превышающий предел самой меди и на 50% превышающий предел прочности титана, а никель-графеновый сплав прочнее никеля в 180 раз. При этом массовая доля графена очень мала, менее 0.01%, что в совокупности с высокой прочностью открывают новые перспективы в таких отраслях промышленности, как автомобилестроение, воздушные и космические летательные аппараты, а также конструкционные изделия. Так группа исследователей из MIT представила трехмерный губчатый материал на основе графена, который при плотности в 5% от плотности стали имеет в 10 раз большую прочность.

3D-структура на основе графена

В-третьих, графен нашел свое место и в медицине. Сеульским государственным университетом был представлен прототип пластыря на основе графена, который следит за уровнем сахара в крови и передает данные на любые мобильные устройства пользователя, такие устройства смогут значительно обезопасить жизнь людей, которые вынуждены пристально следить за различными показателями организма, такими как уровень сахара, давление крови и прочее.

Пластырь для измерения уровня сахара в крови, сделанный на основе графена

Подобные формирующиеся системы, образующие единую «сеть», позволяют сделать шаг вперёд в развитии и становлении концепта «Сеть Сетей», известного сейчас как «Интернет Вещей». В будущем «сеть» позволит создать систему, которая будет не только систематически измерять показатели, но и действовать, реагируя на отклонение от нормы. Например, тот же пластырь на основе графена будет вводить в организм метформин, аналог инсулина, который жизненно важен для людей, страдающих от диабета, при повышении уровня сахара выше нормы.

Конечно графен не лишен недостатков. Основным минусом, который можно выделить, является отсутствие запрещенной зоны, область значений энергии, которую не могут иметь электроны и другие заряженные частицы, присущей полупроводникам. Это делает его малопригодным для создания транзисторов традиционной архитектуры. Однако уже ведутся разработки новых типов транзисторов, к примеру, проводятся опыты по легированию графенового слоя атомами таких металлов, как титан. Например, как выше отмечено, графен не единственный двумерный материал, свойства которого стоит рассмотреть. Например, недавно созданный учеными из Дрексельского университета в США материал под названием Mxene способен ускорить процесс зарядки батарей в десятки раз. Новый материал состоит из слоя гидрогеля и карбида титана толщиной в 1 атом. В отличие от обычных батарейных мембран, которые имеют небольшое количество путей для ионов, новый материал создает множество путей, что и увеличивает пропускную способность и, следовательно, уменьшает время заряда. Помимо этого, Mxene содержит множество мест для накопления заряда и может быть основой для создания принципиально новых батарей на его основе.

Дальнейшее развитие двумерных материалов значительно скажется на всех сферах человеческой жизни: от увеличения быстродействия электронных устройств и уменьшения размеров электронных компонентов (в следствие чего уменьшатся размеры девайсов, в которых будет использоваться данное ЭКБ) до постройки космических аппаратов нового поколения и создания новых источников возобновляемой энергии, что позволит человечеству начать реализовывать одну из самых смелых идей, а именно покорение космоса и освоение новых планет.