Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего

Изменение, преобразование и бесконечное разнообразие — вот отличительные черты химии углерода. Рассмотрим графит с его крошечными плоскими треугольниками атомов, которые формируют суперкрепкие атомные слои. Они практически неразрушимы, показывая определенное сходство с тонкими и прочными листами пластика, но связи между соседними слоями слабые, и те с готовностью распадаются. В результате графитовые слои скользят друг по другу так же легко, как разбрасываются дуновением ветра листы бумаги, лежащие стопкой на вашем столе.

Хотя сам графит — один из самых мягких известных нам материалов, его отдельные углеродные слои — в ряду самых крепких и упругих. Но какая польза от одинарного слоя атомов углерода? Как вы можете ухватить и изучить такой наноразмерный материал? Десятилетия назад, задолго до того, как у ученых появился образец, который можно изучать в лаборатории, исследователи размышляли об уникальных электронных и механических свойствах этого загадочного вещества, названного «графен». Способен ли графен способен стать полупроводником, или у него необычные магнитные свойства, или это суперпрочный материал для наноинженерии? Но только в 2004 г. исследователи из Манчестерского университета Андрей Гейм и Константин Новоселов совершили прорыв в области использования графена. И каким же было их заслужившее Нобелевскую премию высокотехнологичное решение изолирования отдельных углеродных слоев? Лента-скотч!{129}

Сейчас кто угодно способен отделять друг от друга и изучать слои графена. Начните с симпатичного плоского кристалла графита. Прикрепите кусочек скотча к плоской поверхности, а затем резко оторвите. Скорее всего, удалятся несколько слоев графита, но повторное применение клейкой ленты улучшит результат. В конечном счете останется лишь один атомарный слой. Удалите клейкое вещество, и в вашем распоряжении идеально плоский единичный слой атомов углерода.

Последовавший поток открытий (более 10 000 научных публикаций в год), который продолжает быстро увеличиваться, обещает нам массу революционных технологий{130}. Слои графена прозрачны и крепки, поэтому они могут играть роль микроскопических окон в наноразмерных устройствах, композитов при разработке искусственной кожи и костей, а также материалов для нового поколения ультратонких презервативов. Слои нерастворимы в воде, так что графеновые покрытия способны защитить поверхность растворимых или легко ржавеющих устройств. Интересно, что вода все же в состоянии «намочить» поверхность покрытого графеном объекта, поскольку молекулы H₂O могут взаимодействовать через поры в этом единственном слое атомов углерода. Таким образом, графен помог бы обезопасить широкий спектр датчиков качества воды, датчиков влажности и биологических датчиков.

Возможности для применения графена в электронике не менее интригующи. Полупроводники контролируют электроны, меняя скорость их потока при переключении с одной траектории на другую. Наш современный электронный век полностью зависим от устройств, сделанных в основном из кремниевых полупроводников — диодов, транзисторов и интегральных микросхем. Графен постепенно идет на смену кремнию. Первый графеновый транзистор — основная рабочая лошадка электронного века — был продемонстрирован в 2004 г. Затем быстро последовали новые разработки. В 2008 г. группа немецких исследователей сконструировала графеновый транзистор шириной всего в десять атомов — наименьший из существующих на тот момент и находящийся близко к теоретическому пределу. Вскоре последовали разнообразные интегральные микросхемы, а также крошечные транзисторы с переключением скоростей более быстрым, чем у кремниевых. Мало того, оказалось возможным изготавливать такие устройства с помощью 3D-принтера: они гибкие и способны функционировать даже под водой. Некоторые поклонники графена предсказывают, что вскоре он сможет заменить традиционные кремниевые полупроводники во многих устройствах.

Новые идеи текут полноводной рекой. Графен обладает высочайшей теплопроводностью, поэтому его можно использовать в тех устройствах, где электрические цепи нуждаются в охлаждении. Прозрачность и электропроводность этого материала идеально подходят для гибких сенсорных экранов и дисплеев. Уже изучается возможность других его применений: в топливных элементах, батарейках, высокотехнологичных линзах, сенсорах давления и фильтрах для воды. Новые варианты графена в виде стопок из двух или трех углеродных листов — или «бутербродов», в которых графен чередуется с другими слоистыми материалами, — обладают уникальными свойствами, предоставляющими еще больше возможностей для дальнейших открытий. А одна исследовательская группа даже разрабатывает основанные на графене краски для волос, которые помогут охлаждать голову в летнюю жару{131}.

Полые