Ученикам показали летящий графен

Дни российской науки в институтах СО РАН в этом году прошли очень зрелищно. Кроме традиционных докладов и экскурсий школьникам демонстрировали интересные опыты. Так, в Институте неорганической химии СО РАН учащихся профильных классов гимназий, СУНЦ НГУ и студентов педуниверситета познакомили с уникальным материалом микроэлектроники будущего – графеном.

БУНТАРИ ОТ НАУКИ

За создание графена – двумерного углеродного материала – в конце прошлого года два российских физика, работающих в Великобритании, удостоились Нобелевской премии. Константин Новоселов и Андрей Гейм получили графен, отделяя при помощи обычного скотча тончайшие слои графита; из похожего материала сделан, например, обычный карандашный грифель.

– Константин Новоселов рассказывал мне, как он додумался до этого способа, – рассказала д.х.н. Любовь Булушева. – На самом деле это известный метод получения подложки для микроскопического исследования образцов. Лауреаты Нобелевской премии не стали прислушиваться к теореме, согласно которой двумерные структуры должны скручиваться в трубки, и победили. Представьте мыльный пузырь – графен тоньше его стенок в 10 тысяч раз! Он пропускает примерно 97% видимого света, но при этом прочен, гибок, хорошо растяжим, обладает высокой проводимостью. Компьютеры, созданные с использованием этого материала в микросхемах, будут иметь производительность на порядки выше существующей сегодня.

ГДЕ ТОНКО, ТАМ НЕ РВЕТСЯ

Свойства нового материала настолько уникальны, что способы его использования можно перечислять часами. Докладчик назвала всего лишь одно из них: при помощи электронного луча в тончайшей графеновой пленке можно легко сделать отверстие заданного размера, «выбив» нужное количество атомов из решетки. Это грандиозный шаг к упрощению механизма расшифровки ДНК: пропуская молекулу через узкое отверстие в графеновой мембране, информацию о проходящих сквозь него ионах можно будет считывать легко и точно. До недавнего времени такую технологию считывания ДНК пытались реализовать на полупроводниковых и других мембранах, но из-за их толщины (десятки нанометров) точность была невысока.

После растяжения графен принимает исходное состояние – ни одно твердое тело так не реагирует на деформацию. Это значит, что изготовленные из этого материала пластичные ноутбуки, мобильные телефоны и другую технику можно будет скомкать и даже швырнуть об стену безо всякого риска их сломать. Графеновая пленка не пропускает ни один газ, кроме атомарного водорода. Ее легко свернуть и наполнить газом, как воздушный шар. Использовать пузырьки или многослойные графеновые пленки с ячейками можно в качестве безопасного хранилища водородного топлива на транспорте (одна из важнейших проблем при переходе на водородную энергетику). При обработке атомарным водородом графен превращается в стабильный полупроводник – графан, а при нагреве до 300°С водород испаряется и материал снова становится графеном. Взаимодействие графена с атомами газа можно использовать как основу для создания высокочувствительных детекторов, которые смогут «унюхать» вещества на огромном расстоянии.

– Чтобы увидеть графен, нужен обычный оптический микроскоп и вот такая кремниевая подложка, – показывает Любовь Булушева. – Мы можем даже посчитать, сколько слоев углерода лежит на нашей подложке. Есть мощные туннельные микроскопы, и с их помощью можно видеть атомную ячеистую структуру этого материала. Видите, сколько в ней дефектов? Для промышленного использования в таком виде он, конечно, не подойдет. Когда мы отслаиваем пленки графена с помощью скотча, мы его рвем. Такой механический способ не годится для получения большого куска графена. Сейчас уже существуют промышленные методы, позволяющие получить графеновые пленки квадратными метрами. А есть и химические способы, которые применяются и в нашем институте.

ОБЛАКО ГРАФЕНА И ГЕЙЗЕР МАРГАНЦОВКИ

Хотя премия за графен дана физикам, над этой технологией  сегодня работают химики во многих научных центрах мира. Химическим получением графена из соединений графита занимаются две лаборатории ИНХ СО РАН. Например, можно расщепить фторид графита при нагреве. Такой терморасширенный графит в виде композитов широко используется в литиевых аккумуляторах. Молекулы, находящиеся между слоями графита, при нагреве высвобождаются из межслоевого пространства, что приводит к разрыву кристаллической решетки вещества. Этот опыт продемонстрировал старший научный сотрудник ИНХ СО РАН Виктор Махотченко – поднес зажигалку к кусочку фторида графита, и по всей аудитории разлетелись графитовые чешуйки микронного размера, состоящие из 15-20 слоев графена. Впрочем, часть их удалось аккуратно собрать в чашку Петри. Кстати, скандально известный в научных кругах Виктор Петрик использует именно метод терморасширения. Правда, в свойственной ему манере он выдает его за собственный оригинальный способ получения графена, хотя на выходе получаются графеновые стопки, которые еще необходимо разделять и переносить на подложку. Сама технология существует более 30 лет, однако раньше ученые не имели достаточно мощной инструментальной базы для качественного выявления полученных наноразмерных структур.

– В нашем институте получают растворы соединений графита – вы видите, что они разного цвета, в зависимости от концентрации, – продолжает Любовь Булушева. – А еще на слои графена можно осадить наночастицы полупроводникового металла, например, сульфида меди, и получить большой прозрачный люминесцентный экран. В Японии подобные графеновые экраны уже вовсю производит компания Samsung.

В завершение мероприятия молодой кандидат наук из ИНХ СО РАН Константин Коваленко показал аудитории, как легко и просто можно сделать в пробирке настоящий гейзер, добавив в перекись водорода раствор марганцовки. Школьники в первых рядах чуть не повизгивают от удовольствия, но не стоит думать, что в таких опытах нет никакой пользы. Кто-то из сегодняшних экскурсантов непременно вернется в институт, где бьют гейзеры и летает графен, и вернется уже в качестве ученого.

Мария ШКОЛЬНИК