Не графен, а графин

Ранее удавалось получить лишь небольшие фрагменты этого перспективного материала. Как говорят специалисты, создание графина открывает большие возможности в электронике, оптике и исследованиях полупроводников. Статья опубликована в журнале Nature Synthesis.

«Основная заслуга коллег из США состоит в успешном проведении эксперимента и подборе условий, обеспечивающих сборку больших участков многослойного материала, — рассказал “Стимулу” старший научный сотрудник лаборатории наноматериалов Сколтеха Дмитрий Красников. — В отличие от предыдущих работ, в результате которых получали лишь небольшие кусочки, авторы демонстрируют крупные кристаллы, что открывает перспективы для всестороннего изучения и, главное, дает возможность создавать устройства на основе γ-графина на лабораторном уровне. Как известно, значимость любой работы можно оценить только издалека, поэтому необходимо подождать еще как минимум лет пять».

Эта работа переводит изучение графина из теоретической плоскости, из области моделирования, предсказания свойств, в практическую. Как считают ученые, по некоторым характеристикам он может превзойти графен, но конкретные ответы дадут лишь будущие исследования.

«Как правило, компетенции ученых, которые провели такой сложный химический синтез, не пересекаются с компетенциями тех, кто занимается изучением физических свойств материалов и разрабатывает на их основе интересные и нужные устройства, — поясняет Дмитрий Красников. — Поэтому, скорее всего, дальнейшее изучение устройств на основе графина возьмет на себя другая группа, может быть, даже в том же университете или лаборатории».

Старший научный сотрудник лаборатории наноматериалов Сколтеха Дмитрий Красников

Предоставлено Дмитрием Красниковым

Еще одна форма углерода

Графин состоит из плоских слоев толщиной в один атом, которые находятся в гибридизациях sp и sp². Гибридизация — это модель, упрощенно описывающая смешение различных атомных орбиталей (s, p, d, f) атома в многоатомной молекуле с возникновением одинаковых орбиталей. Атомы углерода могут быть sp³-, sp²- или sp-гибридизированы. Угол между гибридными орбиталями при sp³-гибридизации равен 109,5°, при sp² — 120°, при sp — 180°.

Наиболее известные аллотропы углерода — графит и алмаз, они состоят из sp²- и sp³-гибридизированных атомов углерода соответственно. Путем образования одинарных, двойных или даже тройных связей с соседними атомами углерода можно строить различные аллотропы (соединения одинакового состава определенного элемента, но с разным строением и свойствами).

Углеродные аллотропы обладают разными физическими свойствами, возникающими из-за уникальной комбинации и расположения нескольких типов связей, которые имеют различную длину, прочность, геометрию и электронные свойства. Так, графит непрозрачен в видимом свете и мягок, а алмаз прозрачен и является самым твердым из известных природных веществ.

«Являясь одним из немногих элементов, известных с глубокой древности, углерод и материалы на его основе непрерывно совершенствовались в течение всей истории, — рассказывает Дмитрий Красников, — через понимание феномена аллотропии (графит/алмаз) и теории строения органических веществ (яркий пример — детективная история определения структуры бензола) к самоорганизующимся диссипативным системам, таким как фуллерены, и двумерным материалам, подобным графену».

За последние десятилетия были получен целый ряд sp²-гибридизированных углеродных аллотропов: фуллерен, графен, углеродные нанотрубки. В отличие от графенов, которые состоят исключительно из sp²-гибридизированных углеродов, графины содержат также sp-гибридизированные углеродные атомы, периодически интегрированные в sp²-гибридизированный углеродный каркас.

По словам исследователя, графен — это материал, собранный из конструктора, который состоит из одного элемента — шестичленных колец. Как известно, большинство выдающихся свойств однослойного графена «испаряются» на дефектах или границах кристаллов. Ввиду необычности материала необходимые технологии для его массового производства еще не разработаны, и сложные электронные устройства с использованием графена пока находятся в стадии становления. Для γ-графина необходим второй элемент конструктора с тройными углеродными связями. В результате и без того сложная задача получения бездефектного материала в данном случае просто «улетает в космос».

Дмитрий Красников приводит простой пример. Если мы возьмем металлические шарики одного размера (как графен), положим на доску и будем долго трясти с небольшой амплитудой, то они сами по себе улягутся в гексагональную плотнейшую упаковку (вокруг каждого шарика по шесть соседних), оптимальную в данном случае. Для шариков разных размеров (два типа элементов, как в графине) необходимо упаковать шары особым образом. И в данном случае, похоже, придется шар за шаром ставить руками или настраивать доску каким-либо специальным способом. Сложность же получения определяет стоимость материала и производительность процесса. К счастью, для электроники и оптики необходимое количество графена или графина не так велико, поэтому, по словам ученого, подобный подход имеет право на жизнь.

Нобелевские лауреаты сотрудники Университета Манчестера, ученые российского происхождения Андрей Гейм и Константин Новоселов

zanauku.mipt.ru

Миллион потенциальных преимуществ

Графен впервые исследовали в 2004 году сотрудники Университета Манчестера, ученые российского происхождения Андрей Гейм и Константин Новоселов. А через шесть лет за «потрясающие эксперименты по изучению двумерного вещества графен» Гейм и Новоселов получили Нобелевскую премию по физике.

Для получения графена использовали подручные материалы — кусок графита и скотч. Исследователи нанесли на липкую ленту небольшое количество графита, после чего ее многократно склеивали и расклеивали, каждый раз разделяя вещество пополам. Эти действия ученые проводили до тех пор, пока от образца графита не остался один, последний, прозрачный слой — графен, который перенесли на подложку. Данный способ получения графена назвали методом «отшелушивания».

Пленка графена в 60 раз тоньше мельчайшего из вирусов, в 3000 раз тоньше бактерии и в 300 тысяч раз тоньше листа бумаги, этот материал обладает уникальной для микромира прочностью. Графен имеет высокую подвижность носителей заряда — максимальную среди всех известных материалов при той же толщине. Это делает его перспективным для использования в самых различных приложениях, в частности в качестве будущей основы наноэлектроники и возможной замены кремния в интегральных микросхемах.

Удельная энергоемкость графена в 47 раз больше, чем у литий-ионных аккумуляторов, теплопроводность — в десять раз больше теплопроводности меди. К тому же он обладает практически полной оптической прозрачностью в широком диапазоне частот и поглощает всего 2,3% видимого света. Графеновая пленка может использоваться в качестве высокоэффективного фильтра воды. Это самый легкий материал, в шесть раз легче пера. Он химически нейтрален, стабилен и экологичен.

Чтобы использовать все эти потрясающие характеристики графена, осталось только дождаться того момента, когда ученые и инженеры разовьют процессы получения материала высокого качества до промышленных масштабов и разработают новые технологии. Что касается графина, то его характеристики еще только предстоит узнать с помощью экспериментов — утверждения, что по некоторым параметрам он может превзойти графен, пока сугубо теоретические.