Углерод — поистине уникальный химический элемент. Он способен образовывать самые разнообразные химические структуры в виде одномерных цепочек, циклических образований и пространственных соединений. Благодаря этому многообразию обеспечивается, среди прочего, функционирование генетических кодов всего живого на Земле.
Что такое графен и как его открыли?
Пусть в нашем распоряжении имеется наиболее встречаемая в природе разновидность углерода — графит. Графит — сильно анизотропное вещество; он состоит из слабо взаимодействующих плоских слоев атомов углерода (рис. 1). То, что связь между атомными плоскостями слабая, можно наблюдать в процессе рисования карандашом на бумаге, когда слои графита легко смещаются и отсоединяются, оставляя на бумаге след.
Рис. 1. Графен (верхний рисунок) — это 2D- (двумерный) строительный материал для других углеродных аллотропных модификаций. Он может быть свёрнут в 0D-фуллерен (слева), скручен в 1D-углеродную нанотрубку (в центре) или уложен в 3D-штабеля, образуя графит (справа). Рисунок из статьи A. K. Geim и K. S. Novoselov The rise of graphene в Nature Materials
Предположим, что нам каким-то образом удалось «отщепить» от кристалла графита одну атомарную плоскость. Полученный единичный слой атомов углерода и есть графен (из-за плоской формы графен называют еще двумерной аллотропной формой углерода). Так что можно считать, что графит — это такой штабель графеновых плоскостей.
Атомы графена собраны в гексагональную кристаллическую решетку (по типу пчелиных сот); расстояние между соседними атомами 0,142 нм. Эта «упаковка» настолько плотная, что она не пропускает даже маленькие атомы гелия.
Свойства графена
Открытие Андрея Гейма и Константина Новосёлова спровоцировало настоящую графеновую лихорадку. Буквально за несколько лет теоретики и экспериментаторы из разных лабораторий провели всестороннее изучение свойств графена (группа Гейма и Новосёлова в Манчестерском университете и по сей день остается одним из лидеров в этой области).
Для наглядности рассмотрим гипотетический гамак из графена площадью 1 м2. Зная поверхностную плотность графена (0,77 мг/м2), нетрудно посчитать, что такой гамак имеет массу 0,77 миллиграмм. Несмотря на кажущуюся хрупкость, этот гамак спокойно выдержит взрослого кота (массой приблизительно 4 кг). И хотя из-за двумерности графена сравнивать его прочностные характеристики с другими 3D-материалами некорректно, для стального гамака такой же толщины «критическая» масса, приводящая к разрыву, была бы в 100 раз меньше. То есть графен на два порядка прочнее стали.
Рис. 2. Гипотетический пример, демонстрирующий механическую прочность графена. Графеновый гамак площадью 1 м2 (его масса меньше миллиграмма) способен выдержать взрослого кота массой 4 кг. Для сравнения: стальной гамак той же площади (если бы нам удалось его сделать той же толщины) удерживал бы в 100 раз меньше — всего 40 г. Изображение с сайта nobelprize.org
Перспективы графена
В настоящее время наиболее обсуждаемым и популярным проектом является использование графена как нового «фундамента» микроэлектроники, призванного заменить существующие технологии на базе кремния, германия и арсенида галлия (рис. 5). Высокая подвижность зарядов вместе с атомарной толщиной делают графен идеальным материалом для создания маленьких и быстрых полевых транзисторов — «кирпичиков» микроэлектронной промышленности. Графен рассматривается как основа микроэлектроники будущего.
