Тонкая материя: почему графен до сих пор не стал массовым

Тонка матерія: чому графен досі не став масовим

Какие вызовы сейчас стоят перед учеными, исследующими свойства графена, «Дому инноваций» рассказал британский ученый украинского происхождения Леонид Пономаренко

В 2010 году физики Андрей Гейм и Константин Новоселов из Манчестерского университета (Великобритания) получили Нобелевскую премию за изучение свойств материала графена. Это самый тонкий в мире материал, он наделен электропроводностью и при этом очень прочный. Теоретически он мог бы совершить революцию в мире электроники, и не только. Тонкие гибкие дисплеи, универсальные устройства – когда смартфон превращается в компьютер и наоборот, прочные бронежилеты и средства защиты – о каких только перспективах не писали СМИ.Доктор Ланкастерского университета, физик украинского происхождения Леонид ПономаренкоДоктор Ланкастерского университета, физик украинского происхождения Леонид Пономаренко работал в составе «нобелевской» группы. Сейчас он сотрудничает с Национальным институтом графена, который открылся в 2015 году в Манчестере и призван ускорить коммерческое использование данного материала. Институт имеет более 60 партнеров – компаний из коммерческого сектора. Среди них – Airbus, Syngenta, Tetra Pak, Siemens.

По приглашению компании «Vodafone Украина» Леонид Пономаренко встретился с журналистами и рассказал «Дому инноваций», почему за все эти годы графен так и не смог стать массовым материалом.

«Нобелевская» команда

Я знал Костю Новоселова еще до того, как он открыл графен. Мы были в аспирантуре в Голландии в одно время, но в разных университетах. Я приезжал в его университет, и мы вместе делали эксперименты.

Затем он поехал в Манчестерский университет. Я как раз заканчивал аспирантуру. Он позвонил и спросил, чем я дальше собираюсь заниматься, и пригласил на интервью.

По факту, интервью никакого не было. Мне дали конкретную задачу и сказали: «Вот тебе образцы, вот оборудование и неделя на выполнение работы. Сделаешь – работа твоя. Не сделаешь – извини». Мне дали графен и атомно-силовой микроскоп, который я впервые тогда увидел. Задача была сложной, я с ней справился буквально за несколько часов до своего самолета. И вот так получил свой первый годовой контракт. Я не уверен, что мне бы отказали в работе, если бы я не справился с заданием. Честно говоря, я точно не знаю, какова была цель этой задачи.

Что касается Ланкастерского университета, то он существовал на карте исследований графена еще до того, как я туда пришел. Главным образом, там развивалась теория.

Там была группа сильных теоретиков. Самый сильный из них, Владимир Фалько, затем стал директором Национального института графена в Манчестере. Можно сказать, у нас с ним состоялось рокировка. Только я поехал в Ланкастер развивать экспериментальную часть.

Я – стипендиат Королевского общества (The Royal Society) – аналога нашей Национальной академии наук. Любой начинающий ученый может туда отправиться, и, если проект хороший, есть шанс получить эту стипендию. Человека, который является стипендиатом, готов взять на работу любой университет. Ведь зарплату ему платит общество. При этом общество следит, чтобы человека не перегружали педагогической и административной работой. Чтобы он мог концентрироваться на научной деятельности. Поэтому я преподаю немного.

Самая большая проблема

Одна из самых больших проблем, которая сейчас приостанавливает коммерческое использование графена, – это достаточно высокая стоимость его создания. Для удешевления его добычи много делается.

В Европе есть большая программа Graphene Flagship, которая началась в 2013 году. Идея в том, чтобы вывести графен из лабораторий на производство. И добыча графена – это одно из направлений данной программы. Теоретическое финансирования программы – 1 млрд евро за 10 лет, это верхняя планка. Но это финансирование сперва нужно заработать.

Способов получения графена довольно много. По крайней мере, я знаю пять или шесть. И все они дают материал разного качества.

Коммерческое использование графена приостанавливает высокая стоимость его создания

Можно добывать графен в промышленных масштабах целыми квадратными метрами. Но качество такого материала будет очень низким (это будут не монокристаллы, а поликристаллы).

Материал высокого качества добывается практически «вручную» и в очень маленьких количествах. Самый простой способ – его получают из природного графита с помощью скотча, как бы смешно это не звучало. Этим способом он был впервые получен, и именно так мы сейчас получаем материал для своих исследований. Я использую графен высокого качества с монокристаллами, размер которых примерно 20 мкм.

Что уже делают из графена

Для некоторых применений графен низкого качества вполне пригоден. Например, его используют для производства чернил. Чернила заправляются в принтер, и вы можете печатать на любой поверхности простые электрические цепи, которые проводят ток. Микросхемы, но без активных элементов. Активных элементов из графена не делают, то есть транзисторов, хотя работа в этом направлении ведется.

Если графен совместить с пластиком, то получится очень прочный пластик

Также графен низкого качества можно использовать для изготовления композитных материалов, то есть сочетаний графена с другими материалами. Скажем, с пластиком.

Графен – очень сильный материал, если его совместить с пластиком, должны получить очень прочный пластик. Но на практике эта идея не работает. Ведь чтобы пластик стал сильнее, он должен «держаться» за графен. А он соскальзывает. Эту проблему надо решить: «прицепить» к графену какие-то молекулы, которые бы помогли ему держаться за пластик.

Поэтому есть такой материал – оксид графена. Он так называется, но на самом деле это не оксид – в его состав входит и кислород, и водород. Это неупорядоченная структура, в которой молекулы совершенно случайным образом «цепляются» к графену. Минус этого материала по сравнению с графеном, в том, что он – изолятор. Плюс – что он легче в функционировании, с ним легче делать химические соединения. В том числе, сочетание с пластиком.

Но коммерческого применения такие композитные материалы пока не получили.

Спекуляции вокруг графена

Как я уже сказал, многие исследуют свойства графена. Результаты данных исследований публикуются в научных журналах, которых тоже сейчас много. Однако не всегда можно им доверять, если это не журналы Science или Nature.

Так вот, была статья, и не одна, в которой изучались антибактериальные свойства оксида графена. Было сказано, что в раствор с бактериями добавляется оксид графена, и будто бы бактерии убиваются. Но на самом деле это потом проверяли, в том числе, в нашем Национальном институте графена в Манчестере. Если правильно поставить эксперимент, данных свойств фактически не видно. Хотя в журнале были очень хорошие рисунки, как оксид графена «наноножиками» обрезает эти бактерии. Это на полном серьезе публиковалось, и журналисты подхватили эту тему. Рецензенты таких статей не могут проверить экспериментальный результат. Поэтому они смотрят на квалификацию людей, на то, как был поставлен эксперимент, интересная ли идея, и имеет ли она вообще смысл. Ну и вот: как будто квалифицированные люди написали статью, и мы получили такой результат.

Собственно, для этого есть наука – чтобы можно было проверять. Но хайп пошел, люди заинтересовалась темой. А, оказывается, это не совсем так работает. Хотя некоторые группы ученых повторяли данный эксперимент и частично подтверждали, я больше склонен доверять Национальному институту графена.

С публикациями в СМИ есть еще и другая проблема, и я с ней сам сталкивался. Например, выходит какая-то научная статья в Nature или Science. Ученый общается с журналистом и пытается простым языком ему объяснить. Иногда получается хорошо, иногда неплохо. Но у журналиста срабатывает фантазия, и он немножко где-то что-то дописывает. Затем эту публикацию видят другие журналисты, и немножко домысливают еще. Через такие 2-3 шага первоначальная информация становится настолько искаженной, что почти не соответствует действительности. Был случай, когда в оригинальной статье речь шла о расчетах. Что если в графене правильно сделать дырки и сформировать из него трехмерную структуру, то в некоторых случаях он становится намного крепче, чем двумерный. Но это были теоретические расчеты. Но в итоге в СМИ это подавалось так, как будто бы открыли новую форму графена, которая является прочнее, чем бриллиант.

О сотрудничестве с украинскими учеными

Чем больше исследую графен, тем становится интереснее. Одно из направлений исследования, которые активно развиваются – это комбинирование графена с другими двумерными материалами. В результате создаются гетероструктуры – по сути, трехмерные материалы, где инженер сам решает, какой слой за которым накладывать. И от этого зависят свойства полученного материала.

Изучением графена в мире занимаются сотни научных групп

Изучением графена в мире занимаются сотни научных групп. Я нахожусь в постоянном контакте с пятью-шестью из них, это 20-30 сотрудников. И скажу честно: иногда даже трудно отслеживать все, что происходит в данной сфере.

С научными группами в Украине у меня не так уж много контактов. Украинская наука такая маленькая, и вероятность пересечься с кем-то очень низкая.

Да, я контактирую, например, с украинским физиком Сергеем Шараповым. Но пока никаких совместных проектов у нас нет. То есть с украинскими учеными мы не сотрудничаем.



Добавить комментарий