Инновации 23 Сентября 2020

Продавцы графена

Сотни зарубежных компаний включились в гонку графеновых технологий. В России коммерческим производством и внедрением этого чудо-материала занимаются лишь несколько малых предприятий. Научно-производственная компания «Русграфен» — одна из них
Продавцы графена
Гендиректор компании «Русграфен», старший научный сотрудник Института общей физики РАН Максим Рыбин
Мария Ромакина

Если смотреть на цикл зрелости технологий, хайп-цикл Гартнера, то в передовых странах Востока и Запада графеновые технологии уже преодолели «дно разочарований» и постепенно поднимаются по «склону просвещения». В России мы едва ли почувствуем «пик завышенных ожиданий» и в идеале можем сразу выйти на «плато продуктивности», — говорит гендиректор компании «Русграфен», старший научный сотрудник Института общей физики РАН Максим Рыбин.

С 2013 года в Европе действует инновационная программа Graphene Flagship с десятилетним бюджетом в миллиард евро. Под эгидой Graphene Flagship 142 организации из 23 стран занимаются исследованием и внедрением графена в различные сферы медицины, энергетики, электроники и материаловедения. Компании из США — Angstron Materials, XG Sciens, AzTrong и др. — синтезируют сотни тонн графеновых материалов в год, в основном для производителей аккумуляторов и композитных материалов. Графеновой тематикой заняты R&D-центры IBM, SanDisk, Ford и Boeing. Активно финансируют графеновые разработки исследовательские центры военно-воздушных и военно-морских сил США. В стране создана Национальная графеновая ассоциация (National Graphene Association), которая включается в себя 20 корпоративных партнеров и более двух тысяч международных членов.

На Востоке графеновые технологии развиваются еще стремительнее. Пятерку основных мировых патентообладателей в сфере графена формируют компании из Китая, Японии и Южной Кореи. В их числе Samsung, инженеры которого модернизировали графеном литий-ионные батареи, повысив емкость на 45% и увеличив скорость зарядки в пять раз. Смартфон с графеновым аккумулятором ожидается на рынке в 2021 году.

magnifier.png На Востоке графеновые технологии развиваются еще стремительнее. Пятерку основных мировых патентообладателей в сфере графена формируют компании из Китая, Японии и Южной Кореи. В их числе Samsung, инженеры которого модернизировали графеном литий-ионные батареи, повысив емкость на 45% и увеличив скорость зарядки в пять раз. Смартфон с графеновым аккумулятором ожидается на рынке в 2021 году

Больше всех верят в графен в Китае. В 2013 году создан Инновационный альянс графеновой промышленности Китая (China Innovation Alliance of the Graphene Industry). Сегодня это разветвленная сеть индустриальных парков, крупнейший из которых — Changzhou Graphene Science and Technology Industrial Park — расположен в провинции Цзянсу на базе Jiangnan Graphene Research Institute (JGRI). На площади шесть квадратных километров в парке работают 70 компаний производственной и прикладной направленности. Например, Sixth Element синтезирует 100 тонн графеновых материалов в год для создания композитов, коррозионностойких покрытий и сенсорных панелей. В планах 13-й китайской пятилетки — до конца 2020 запустить порядка десяти графеновых индустриальных парков. Huawei, Xiaomi и другие корпорации активно внедряют графен в свои продукты. Как результат, Китай лидирует по количеству патентов и объемам синтеза: здесь сосредоточено 66% мирового выпуска графенов (следом идут США — 25%). Учитывая, что 80% мировых запасов кристаллического графита, основного сырья для производства графена, находятся в КНР, большие китайские надежды на грядущую «графеновую революцию» вполне объяснимы.

— В России нет государственной программы развития графеновых технологий, а основных производителей графена можно пересчитать по пальцам: «Графенокс» из Черноголовки, «Нанотехцентр» из Тамбова, «Актив-нано» и ПКФ «Альянс» из Питера, «АкКО Лаб», «Граф-СК», «Графсенсорс» и «Русграфен» из Москвы. Мы работаем на базе НИИ и университетов, не конкурируем, а скорее сотрудничаем друг с другом, — говорит Максим Рыбин.


ГЕЙМ НОВОСЕЛ.jpg
Андрей Гейм, а рядом его ученик Константин Новоселов. Физики получили самую престижную научную премию за открытие графена — самого тонкого материала в мире. Толщина графенового листа всего 1 атом, этот материал считают самым перспективным для использования в электронике
myfri.org

 

Не скотчем единым

В 2010 Андрею Гейму и Константину Новоселову была присуждена Нобелевская премия по физике «За новаторские эксперименты по исследованию двумерного материала графена». Тремя годами ранее в манчестерскую лабораторию к Константину Новоселову приехал на стажировку студент третьего курса физфака МГУ Максим Рыбин.

— На одной из конференций нас познакомила Елена Дмитриевна Образцова, мой научный руководитель, крупнейший специалист в области углеродных наноматериалов, — рассказывает Максим. — Она попросила Новоселова научить меня скотч-методу получения графена. Константин радушно согласился, и я отправился осваивать эксперимент, о котором вскоре заговорил весь мир.

Графен — это слой графита толщиной в один атом. Команда Гейма и Новоселова получила его с помощью обыкновенной липкой ленты. Они приклеивали скотч на поверхность графита, затем отрывали, лента уносила с собой тонкий графитовый слой. К скотчу приклеивали новую ленту, вновь отклеивали — слой графита утоньшался. И так много раз, пока среди графитных слоев не обнаруживались микрометровые чешуйки графена. Из-за интерференции света участки графита на скотче разной толщины имели свою окраску, поэтому графен детектировали простым оптическим микроскопом.

Популярная часть эксперимента на этом заканчивается. Далее ученые использовали сложные методы для переноса частицы графена на подложку оксида кремния и изучения его физико-химических свойств. Результаты произвели фурор в научном мире, а массмедиа затрубили о «чудо-материале», способном совершить революцию во всех сферах промышленности.

magnifier.png Выдающиеся характеристики графена определяются его структурой — сеткой правильных шестиугольников с атомами углерода в вершинах. Между собой атомы углерода связаны крепкими ковалентными связями. В их образовании участвуют три валентных электрона углерода из четырех. Оставшийся свободный электрон обеспечивает уникальную проводимость материала

Графен обладает рекордной подвижностью зарядов — в сотню раз большей, чем у кремния, основы современной электроники. Его теплопроводность в 10 раз больше, чем у меди, и в 30 раз больше, чем у кремния. Показатель способности материала сопротивляться продольным деформациям, модуль Юнга графена на порядок больше, чем у кевлара. Графен прозрачен для видимого света (коэффициент поглощения 2,3%) и непроницаем для любых жидкостей и газов, кроме водорода. Он химически стабилен и биосовместим. И все это при экстремально малой толщине (~0,35 нм) — тоньше материала в природе не существует.

Выдающиеся характеристики графена определяются его структурой — сеткой правильных шестиугольников с атомами углерода в вершинах. Между собой атомы углерода связаны крепкими ковалентными связями. В их образовании участвуют три валентных электрона углерода из четырех. Оставшийся свободный электрон обеспечивает уникальную проводимость материала. В двухмерном мире графена электроны движутся баллистически, подобно безмассовым релятивистским частицам, без рассеивания и с огромной скоростью — в 300 раз меньше скорости света (скорость Ферми). Они беспрепятственно проникают сквозь любые потенциальные барьеры (парадокс Клейна).

— Эти замечательные свойства присущи только идеальному графену, подвешенному в вакууме, — уточняет Максим Рыбин. — Любые дефекты и примеси резко портят характеристики материала. Методом скотча можно получить частицы графена хорошего качества для фундаментальных и прикладных исследований, но о промышленном производстве речи не идет. Работая в лаборатории спектроскопии наноматериалов ИОФ РАН под руководством Елены Дмитриевны Образцовой, я освоил масштабируемый способ синтеза высококачественного графена — метод химического газофазного осаждения (Chemical vapor deposition, CVD).

В CVD-методе используются медные и никелевые фольги, помещенные в атмосферу углеродосодержащего газа, обычно метана. Фольги нагреваются до температуры 800–1000 °С, что вызывает терморазложение метана на водород и углерод. Атомы последнего осаждаются на поверхность металла и при определенных условиях формируют кристаллы графена, которые по мере роста сливаются в поликристаллическую пленку однослойного графена, способную достигать сотен квадратных сантиметров. Затем пленка переносится на диэлектрическую подложку для дальнейшего использования.

медн фольга.jpg
В CVD-методе используются медные и никелевые фольги, помещенные в атмосферу углеродосодержащего газа, обычно метана. Фольги нагреваются до температуры 800–1000 °С, что вызывает терморазложение метана на водород и углерод. Атомы последнего осаждаются на поверхность металла и при определенных условиях формируют кристаллы графена, которые по мере роста сливаются в поликристаллическую пленку однослойного графена, способную достигать сотен квадратных сантиметров. Затем пленка переносится на диэлектрическую подложку для дальнейшего использования
Мария Ромакина

 

Магазин наноматериалов

— Меня охватил азарт: научиться синтезировать CVD-графен максимально хорошего качества, — рассказывает Максим Рыбин. — Со временем им заинтересовались коллеги из ИОФ РАН и других организаций. Появились заказы синтезировать графеновые пленки под конкретные научные задачи. Когда я понял, что способен производить CVD-графен, не уступающий мировым аналогам и в полтора раза дешевле, я зарегистрировал научно-производственную компанию «Русграфен» и открыл онлайн-магазин наноматериалов «Русграфен.Маркет».

Основой бизнеса стала разработанная Максимом Рыбиным и коллегами из лаборатории спектроскопии наноматериалов ИОФ РАН технология синтеза CVD-графена с контролируемым числом слоев (от одного до нескольких десятков) — ключевым параметром, определяющим уникальные физико-химические свойства графеновых пленок. Технология воплощена в компактной установке Graphene Submarine, которая позволяет в автоматическом режиме синтезировать CVD-графен на металлических подложках размером 30 на 60 миллиметров. Целевая аудитория установки — научные коллективы. Для университетов и школ спроектирована специальная версия Graphene Submarine без использования легковоспламеняющихся и взрывоопасных газов: метана, ацетилена и газообразного водорода.

magnifier.png Графеновые чернила применимы для печати NFC и RFID-меток, гибких шлейфов и электрических плат. На их основе можно создавать антистатические, экранирующие и нагревательные покрытия практически на любом материале: полимерах, бумаге, тканях и проч

Научные лаборатории стали первыми клиентами компании «Русграфен». Например, в лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ используют CVD-графен для исследования плазмонных эффектов и создания фотодатчиков терагерцового диапазона. Сотрудники лаборатории лазерной оптики поверхности ИОФ РАН недавно напечатали графеновую пленку на кремниевой подложке с помощью лазерно-индуцированного переноса. Эта относительно простая технология может заменить трудоемкие литографические методы создания графеновых структур в микроэлектронных устройствах.

Помимо графена магазин наноматериалов пополняется продукцией лабораторий-партнеров. Так, лаборатория графеновых нанотехнологий Северо-Восточного федерального университета им. М. К. Аммосова синтезирует для «Русграфен.Маркета» атомарно тонкие пленки дисульфидов молибдена (MoS2) и вольфрама (WS2). В отличие от полуметалла с нулевой запрещенной зоной графена они обладают полупроводниковыми свойствами и применяются для разработки тонкопленочных транзисторов и других устройств слаботочной наноэлектроники.

— Применений у CVD-графена множество: гибкие и прозрачные электроды, мембраны и сенсоры, логические элементы и ячейки памяти, оптоэлектронные устройства и нелинейных оптические элементы для лазеров, — говорит Максим Рыбин. — Словом, этот материал востребован в высокотехнологичных областях электроники, которые в нашей стране пока не очень развиты, а к выходу на зарубежный рынок компания «Русграфен» только готовится. Текущий спрос на CVD-графен со стороны российских ученых и исследовательских организаций обеспечивал лишь штучные продажи в месяц. Поэтому в 2018 году мы объединили усилия с компанией «Графенокс» из Института проблем химической физики РАН (Черноголовка) и сосредоточились на производстве других видов графена — порошков и паст из графеновых частиц. Их используют для упрочнения бетонов, модернизации литий-ионных батарей и создания электропроводящих чернил.

ГРАФЕН.jpg
Пленки, содержащие разное количество слоев графена: непрозрачные образцы - 50 слоев, прозрачные - один слой. Пленки получены на оборудовании компании «Русграфен»
Мария Ромакина

 

Графен — дело тонкое

— Если верить исследованиям маркетологов, в ближайшие двадцать лет мировой рынок гибкой электроники превысит 300 миллиардов долларов, — рассказывает гендиректор компании «Графенокс», старший научный сотрудник Института проблем химической физики РАН Сергей Баскаков. — В миниатюрных и гибких девайсах металлические провода исключены. Их место займут напечатанные на тонких полимерных подложках проводящие чернила. В современных чернилах для создания электропроводимости используют металлические микро- или наночастицы (серебро, медь, никель и другие). Мы заменили их частицами графена, которые имеют ряд преимуществ: они легче и дешевле, обладают гибкостью и эластичностью, не окисляются со временем. Графеновые чернила применимы для печати NFC и RFID-меток, гибких шлейфов и электрических плат. На их основе можно создавать антистатические, экранирующие и нагревательные покрытия практически на любом материале: полимерах, бумаге, тканях».

Графеновые частицы получают из природного графита, который расщепляется физико-химическими методами вплоть до одинарных слоев. Различные методы дают на выходе разный материал: частицы могут отличаться поперечными размерами (от сотен нанометров до десятков микрометров), толщиной (от одного до нескольких графеновых слоев), степенью окисления, наличию дефектов, примесей и т. д. По словам ученых, для каждого приложения нужно проводить специальную НИОКР и синтезировать графеновые частицы целевой модификации. Например, для модернизации электродов литий-ионных батарей в первую очередь нужны тонкие, хорошо проводящие частицы с большой удельной площадью поверхности. Для армирования бетонов толщина и электропроводность графеновых частиц играет меньшую роль, однако они должны быть модифицированы для лучшего сцепления внутри бетонной смеси.

magnifier.png Использование графенов в качестве армирующих добавок в бетонные и асфальтобетонные смеси — еще одно перспективное направление развития. Внедрение графена в бетон приводит к увеличению его прочности на 30%. На столько же возрастает и скорость набора прочности бетона, что позволяет сократить сроки строительства

— Сейчас мы сотрудничаем с несколькими технологическими стартапами, — рассказывает Максим Рыбин. — Компания «Фэском», резидент «Сколково», производит системы накопления электроэнергии на базе литий-ионных ячеек с добавками микрочастиц графена для увеличения их удельной емкости, количества циклов заряда/разряда и глубины разряда. Команда разработчиков из Электрогорска трудится над созданием смазочных материалов для велосипедов с применением присадок из графеновых частиц, которые уменьшают трение и, как следствие, увеличивают срок службы деталей и период между техосмотрами, что важно для шоссейных велогонок. Графеновые смазки успешно прошли испытание этим летом с участием ведущих российских спортсменов: команда SlowFlowTeam подтвердила эффективность применения графеновой смазки на велотреке, а Петр Винокуров, многократный призер всероссийских соревнований по скоростному спуску, одобрил использование смазки в экстремальных условиях. Вывод на рынок графеновых велосмазок запланирован на следующий год под брендом Bike Therapy.

Использование графенов в качестве армирующих добавок в бетонные и асфальтобетонные смеси — еще одно перспективное направление развития, считает Максим Рыбин. Внедрение графена в бетон приводит к увеличению его прочности на 30%. На столько же возрастает и скорость набора прочности бетона, что позволяет сократить сроки строительства. Интерес к графеновым материалам проявляют производители тепло- и электропроводящих пластиков для энергетических и климатических систем, а также компании, выпускающие антикоррозийные покрытия, добавление графенов в которые улучшает эксплуатационные характеристики на 25–30%.

— Совместно с компанией «Графенокс» мы планируем запустить производство мощностью 500 килограммов графеновых частиц в месяц к середине 2021 года, — говорит Максим Рыбин. — Уже сейчас понятно, что основными нашими клиентами будут инновационные предприятия, которым важно получить конкурентное преимущество на старте. Но для серьезного развития графеновых технологий необходимо участие крупного бизнеса. Российским графеновым компаниям и лабораториям есть чем его заинтересовать. Совместные усилия помогут сгладить кривую хайп-цикла и ускорить выход российской графеновой промышленности на «плато продуктивности».

Темы: Инновации

Еще по теме:
03.12.2020
Платежная блокчейн-система Libra Association, принадлежащая Facebook, объявила о ребрендинге. Теперь она будет называться...
27.11.2020
Петербургские ученые и инженеры под руководством профессора Георгия Прохорова создали криогенный аппарат для заморозки и...
19.11.2020
Участники глобальной антивирусной гонки демонстрируют хорошие промежуточные результаты, позволяющие надеяться, что пробл...
18.11.2020
Принципиально новую технологию фотолитографии, которая существенно проще и дешевле, чем используемая сейчас в промышленн...
Наверх