От графита к графену: материал, который нашли в мусоре

В некотором смысле получение графена можно назвать открытием, сделанным «на кончике пера». В начале XX века физики научились определять атомную структуру материи с помощью рентгеновских методов.

Благодаря этим методам стало понятно, что графит, часто используемый в роли электродов, состоит из атомарных слоев углерода, упакованных в «пачку». С развитием теоретической физики ученые попытались описать все те свойства, которые они наблюдали в графите, и разумным шагом было посмотреть на свойства отдельного фрагмента графита — атомарного слоя.

В 1947 году теоретик Филип Уоллас попытался описать поведение электронов в графене. Физик столкнулся с тем, что частицы должны были двигаться так, словно бы они лишены массы. Это стало важным указанием на то, что возможные свойства атомарного слоя углерода сильно отличаются от свойств трехмерного графита и других привычных материалов.
Хотя предпринималось огромное количество попыток получить графен, все они были связаны с выращиванием атомарно тонкого слоя на различных подложках. Считалось, что в свободном виде атомарно тонкий материал не может существовать — из-за дефектов он обязательно сомнется или свернется в трубку. Опровергнуть это удалось лишь в 2004 году в Университете Манчестера группе Андрея Гейма благодаря экспериментам, в которых участвовали обыкновенный скотч и графит.
Физики обратили внимание на технику подготовки подложек для электронной микроскопии. Для того чтобы создать идеально гладкую поверхность, ученые используют скотч. Он снимает верхние слои углерода с графитовых подложек, оставляя под собой верхний атомарно-гладкий слой. Группа Гейма использовала в своих экспериментах то, что оставалось на скотче после этой процедуры. Так как обычно этот «продукт» выбрасывался, физиков прозвали «мусорными учеными».
Ученые многократно отклеивали слои от фрагментов графита на скотче и затем переносили их на удобную кремниевую подложку для испытаний. Исследуя продукт таких операций на атомном силовом микроскопе, физики обнаружили, что среди довольно толстых многослойных фрагментов попадались и те, толщина которых составляла всего лишь нанометры (миллиардные доли метра). Детальный анализ позволил авторам открытия найти и атомарно тонкие фрагменты графита — графен.
Мало того что Гейму и Новоселову удалось получить свободный графен, физики смогли еще проверить и предсказанные свойства этого материала. Как и ожидалось, заряды в нем оказались очень подвижными, а сам материал — механически прочным. Физики шутят, что в гамаке из атомарно тонкого графена (в тысячи раз тоньше, чем пищевая полиэтиленовая пленка) спокойно может лежать не очень крупный кот. В 2011 году Андрей Гейм и Константин Новоселов получили Нобелевскую премию за «передовые опыты с двумерным материалом — графеном».
Кстати, сейчас этот материал получают гораздо более технологичным методом — химическим осаждением из газовой фазы. Это позволяет получать атомарно тонкие листы графена сантиметровых (а иногда метровых) размеров. Ключевая проблема — научиться выращивать графен на полупроводниковых подложках. Сейчас в качестве подложки применяют металлы, хорошая электропроводность которых мешает использовать необычные электронные свойства материала.
По словам Павла Сорокина, ведущего научного сотрудника лаборатории «Неорганические наноматериалы» (НИТУ «МИСиС»), одна из основных задач, стоящих перед мировой наукой, состоит в том, чтобы понять, каковы основные области приложения графена. В первую очередь это электроника — материал обладает замечательными транспортными и оптическими свойствами. Физики надеются, что с его помощью удастся создать гибкие дисплеи. Кроме того, графен интересен как основа для композитных материалов благодаря своей механической прочности.
Группа Сорокина занимается теоретическим моделированием наноструктур и их свойств. «Наша задача — это изучение материалов, предсказание их свойств и описание их синтезов». Так, недавно российские ученые совместно с японскими материаловедами разработали подход к синтезу двумерного слоя оксида меди на графене. Этот материал был получен впервые, а работа, посвященная его синтезу, сейчас рассматривается журналом Nanoscale.