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 тончайший в мире материал, он наделен электропроводностью и при этом очень прочен. Теоретически он мог бы совершить революцию в мире электроники, и не только. Тонкие гибкие дисплеи, универсальные устройства – когда смартфон превращается в компьютер и наоборот, крепкие бронежилеты и средства защиты – о каких только перспективах не писали СМИ.
Доктор Ланкастерского университета, физик украинского происхождения, Леонид Пономаренко работал в составе «нобелевской» группы. Сейчас он сотрудничает с Национальным институтом графена, открывшимся в 2015 году в Манчестере и призванным ускорить коммерческое использование этого материала. Институт имеет более 60 партнеров – компаний 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 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.
Потом он отправился в Манчестерский университет. Я как раз заканчивал аспирантуру.
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 – прости». Мне дали графен и атомно-силовой микроскоп, который я тогда впервые 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 отказали бы в работе, если бы я не справился с задачей. Честно говоря, я точно не знаю, какова была цель этой задачи.
Что касается университета Ланкастера, 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, потом стал директором Национального института графена в Манчестере.
Я являюсь стипендиатом Королевского союза (The Royal Society) – аналога нашей Национальной академии наук. Любой начинающий ученый может туда пойти, и, если проект хороший, есть шанс получить эту стипендию. Человека, являющегося стипендиатом, готов взять на работу любой университет. Ведь зарплату ему платит союз. При этом союз следует, чтобы человека не перегружали педагогической и административной работой. Чтобы он мог сконцентрироваться 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 многое делается. В Европе есть обширная программа Graphene Flagship, которая началась в 2013 году. Идея в том, чтобы вывести графен из лабораторий на производство. И добывание графена – это одно из направлений этой программы. Теоретическое финансирование программы – 1 млрд. евро за 10 лет, это верхняя планка. Но это финансирование сначала еще нужно заработать.
Способов получения графена достаточно много. По крайней мере, я знаю пять или шесть. И все они дают материал разного качества.
Коммерческое использование графена приостанавливает высокую стоимость его создания
Можно добывать графены в промышленных масштабах целыми квадратными метрами. Но качество такого материала будет очень низким (это будут не монокристаллы, а поликристаллы).
Материал высочайшего качества добывается фактически «вручную» и в очень маленьких количествах. Самый простой способ – его получают из природного графита с помощью скотча, как бы смешно это не звучало.
Что уже делают из графена
Для некоторых применений графен низкого качества вполне пригоден. К примеру, его используют для производства чернил. Чернила заправляются в принтер, и вы можете печатать на любой поверхности простые электрические цепи, производящие ток. Микросхемы, но без активных частей. Активных элементов из графена не производят, то есть транзисторов, хотя работа в этом направлении ведется.
Если графен соединить с пластиком, то получится очень крепкий пластик
Также графен низкого качества можно использовать для изготовления композитных материалов, то есть соединений графена с другими материалами. Скажем, с пластиком.
Графен – очень сильный материал, если его соединить с пластиком, нужно получить очень прочный пластик. Но на практике эта мысль не работает. Ибо, чтобы пластик стал сильнее, он должен «держаться» за графен. А он соскальзывает. Эту проблему нужно решить: «прицепить» к графену какие-то молекулы, которые помогали бы ему держаться за пластик.
Так что 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, где молекулы совершенно случайным образом «придираются» к графену. Минус этого материала по сравнению с графеном в том, что он – изолятор. Плюс – чем он легче в функционировании, с ним легче делать химические соединения. В том числе сочетание с пластиком. Но коммерческое применение такие композитные материалы пока не получили.
Спекуляции вокруг графена
Как я уже сказал, многие исследуют свойства графена. Результаты этих исследований публикуются в научных журналах, которых тоже сейчас много доверяют, если это не журналы Science или Nature.
Так вот, была статья, и не одна, где изучались антибактериальные свойства оксида графена. Было сказано, что в раствор с бактериями добавляется оксид графена, и вроде бы бактерии вбиваются. Но на самом деле это потом проверяли, в том числе в нашем Национальном институте графена в Манчестере. Если верно поставить опыт, этих параметров практически 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, интересна ли идея, и вообще ли она имеет смысл. Ну и вот: вроде бы квалифицированные люди написали эту статью, и мы получили такой результат.
Собственно, для этого есть наука – чтобы можно было проверять. Но хайп ушел, люди заинтересовались темой. А оказывается, это не совсем так работает. Хотя некоторые группы ученых повторяли этот 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-нибудь 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 немного где-то дописывает. Затем эту публикацию видят другие журналисты, и немного додумывают еще. Через таких 2-3 шага первоначальная информация становится настолько искривленной, что почти не соответствует действительности. Был случай, когда в оригинальной статье шла речь о расчетах. Что если в графене правильно сделать дыры и сформировать из него трехмерную структуру, то в некоторых случаях он становится гораздо более крепким, чем двумерный. Но это были теоретические расчеты. Но в результате в СМИ это подавалось так, будто открыли новую форму графена, которая прочнее бриллианта.
О сотрудничестве с украинскими учеными
Чем больше исследую графен, тем становится интереснее. Одно из активно развивающихся направлений исследования – это комбинирование графена с другими двумерными материалами. В результате создаются гетероструктуры – в сущности, трехмерные материалы, где инженер сам решает, какой слой по которому накладывать. И от этого зависят характеристики приобретенного материала.
Изучением графена в мире занимаются сотни научных групп
Исследованием 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 происходящее в этой сфере.
С научными группами в Украине у меня не так уж много контактов. Украинская наука так мала, 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.
