Тонка матерія: чому графен досі не став масовим

0
872
графен
[:ua]Фото: Depositphotos[:ru]Фото: Depositphotos[:en]Photo: Depositphotos[:]

Які виклики зараз стоять перед науковцями, що досліджують властивості графену, «Дому іновацій» розказав британський вчений українського походження Леонід Пономаренко

В 2010 році фізики Андрій Гейм і Костянтин Новосьолов з Манчестерського університету (Велика Британія) отримали Нобелівськую премію за вивчення властивостей матеріалу графену. Це найтонший в світі матеріал, він наділений електропровідністю й при цьому дуже міцний. Теоретично він міг би здійснити революцію в світі електроніки, і не тільки. Тонкі гнучкі дисплеї, універсальні пристрої – коли смартфон перетворюється на комп’ютер і навпаки, міцні бронежилети і засоби захисту – про які тільки перспективи не писали ЗМІ.Доктор Ланкастерського університету, фізик українського походження Леонід ПономаренкоДоктор Ланкастерського університету, фізик українського походження Леонід Пономаренко працював у складі «нобелівської» групи. Зараз він співпрацює з Національним інститутом графену, який відкрився в 2015 році в Манчестері і покликаний прискорити комерційне використання цього матеріалу. Інститут має більше 60 партнерів – компаній з комерційного сектору. Серед них – Airbus, Syngenta, Tetra Pak, Siemens.

За запрошенням компанії «Vodafone Україна» Леонід Пономаренко зустрівся з журналістами і розказав «Дому іновацій», чому за всі ці роки графен так і не зміг стати масовим матеріалом.

«Нобелівська» команда

Я знав Костю Новосьолова ще до того, як він відкрив графен. Ми були в аспірантурі в Голандії в один час, але в різних університетах. Я приїжджав в його університет, і ми разом робили експерименти.

Потім він поїхав до Манчестерського університету. Я якраз закінчував аспірантуру. Він подзвонив і спитав, чим я далі збираюсь займатись, і запросив на інтерв’ю.

За фактом, інтерв’ю ніякого не було. Мені дали конкретну задачу і сказали: «Ось тобі зразки, ось обладнання і тиждень на виконання роботи. Зробиш – робота твоя. Не зробиш – вибачай». Мені дали графен і атомно-силовий мікроскоп, який я вперше тоді побачив. Завдання було складним, я з ним впорався буквально за кілька годин до свого літака. І ось так отримав свій перший річний контракт. Я не впевнений, що мені б відмовили в роботі, якби я не впорався із завданням. Чесно кажучи, я точно не знаю, якою була мета цього завдання.

Що стосується Ланкастерського університету, то він існував на карті досліджень графену ще до того, як я туди прийшов. Головним чином, там розвивалась теорія.

Там була група сильних теоретиків. Найсильніший з них, Володимир Фалько, потім став директором Національного інституту графену в Манчестері. Можна сказати, у нас з ним відбулось рокірування. Тільки я поїхав до Ланкастера розвивати експериментальну частину.

Я є стипендіатом Королівської спілки (The Royal Society) – аналога нашої Національної академії наук. Будь-який вчений-початківець може туди податись, і, якщо проект хороший, є шанс отримати цю стипендію. Людину, яка є стипендіатом, готовий взяти на роботу будь-який університет. Адже зарплатню йому сплачує спілка. При цьому спілка слідкує, щоб людину не перевантажували педагогічною і адміністративною роботою. Щоб він міг концентруватись на науковій діяльності. Тому я викладаю небагато.

Найбільша проблема

Одна з найбільших проблем, яка зараз призупиняє комерційне використання графену, – це досить висока вартість його створення.

Для здешевлення його видобутку багато робиться. В Європі є велика програма Graphene Flagship, яка почалась в 2013 році. Ідея в тому, щоб вивести графен з лабораторій на виробництво. І добування графену – це один з напрямків цієї програми. Теоретичне фінансування програми – 1 млрд євро за 10 років, це верхня планка. Але це фінансування спочатку ще треба заробити.

Способів отримання графену досить багато.

Принаймні, я знаю п’ять чи шість. І всі вони дають матеріал різної якості.

Комерційне використання графену призупиняє висока вартість його створення

Можна добувати графен в промислових масштабах цілими квадратними метрами. Але якість такого матеріалу буде дуже низькою (це будуть не монокристали, а полікристали).

Матеріал найвищої якості добувається фактично «вручну» і в дуже маленьких кількостях. Найпростіший спосіб – його отримують з природнього графіту за допомогою скотчу, як би смішно це не звучало. Цим способом він був вперше отриманий, і саме так ми зараз отримуємо матеріал для своїх досліджень. Я використовую графен найвищої якості з монокристалами, розмір яких приблизно 20 мкм.

Що вже роблять з графену

Для деяких застосувань графен низької якості цілком придатний. Наприклад, його використовують для виробництва чорнил. Чорнила заправляються в принтер, і ви можете друкувати на будь-якій поверхні прості електричні кола, які проводять струм. Мікросхеми, але без активних елементів. Активних елементів з графену не роблять, тобто транзисторів, хоча робота в цьому напрямку ведеться.

Якщо графен поєднати з пластиком, то вийде дуже міцний пластик

Також графен низької якості можна використовувати для виготовлення композитних матеріалів, тобто поєднань графену з іншими матеріалами. Скажімо, з пластиком.

Графен – дуже сильний матеріал, якщо його поєднати з пластиком, маємо отримати дуже міцний пластик. Але на практиці ця ідея не працює. Бо щоб пластик став сильніше, він має «триматись» за графен. А він зісковзує. Цю проблему треба вирішити: «причепити» до графену якісь молекули, які б допомагали йому триматись за пластик.

Тож є такий матеріал – оксид графену. Він так називається, але насправді це не оксид – в його склад входить і кисень, і водень. Це невпорядкована структура, де молекули абсолютно випадковим чином «чіпляються» до графену. Мінус цього матеріалу, порівняно з графеном, в тому, що він – ізолятор. Плюс – що він легший в функціонуванні, з ним легше робити хімічні сполуки. В тому числі, поєднання з пластиком.

Але комерційного застосування такі композитні матеріали поки не отримали.

Спекуляції навколо графену

Як я вже сказав, багато хто досліджує властивості графену. Результати цих досліджень публікуються в наукових журналах, яких теж зараз багато. Проте не завжди можна їм довіряти, якщо це не журнали Science чи Nature.

Так от, була стаття, і не одна, де вивчались антибактерiальні властивості оксиду графену. Було сказано, що в розчин з бактеріями додається оксид графену, і начебто бактерії вбиваються. Але насправді це потім перевіряли, в тому числі, в нашому Національному інституті графену в Манчестері. Якщо правильно поставити експеримент, цих властивостей фактично не видно. Хоча в журналі були дуже гарні малюнки, як оксид графену «наноножиками» обрізає ці бактерії. Це на повному серйозі публікувалось, і журналісти підхопили цю тему. Рецензенти таких статей не можуть перевірити експериментальний результат. Тому вони дивляться на кваліфікацію людей, на те, як був поставлений експеримент, чи ідея цікава, і чи вона взагалі має сенс. Ну і от: нібито кваліфіковані люди написали цю статтю, і ми отримали такий результат.

Власне, для того є наука – щоб можна було перевіряти. Але хайп пішов, люди зацікавилась темою. А, виявляється, це не зовсім так працює. Хоча деякі групи науковців повторювали цей експеримент і частково підтверджували, я більше схильний довіряти Національному інституту графену.

З публікаціями в ЗМІ є ще й інша проблема, і я з нею сам стикався. Наприклад, виходить якась наукова стаття в Nature чи Science. Науковець спілкується з журналістом і намагається простою мовою йому пояснити. Часом виходить добре, часом непогано. Але у журналіста спрацьовує фантазія, і він трошки десь щось дописує. Потім цю публікацію бачать інші журналісти, і трошки домислюють ще. Через таких 2-3 кроки першопочаткова інформація стає настільки викривленою, що майже не відповідає дійсності. Був випадок, коли в оригінальній статті мова йшла про розрахунки. Що якщо в графені правильно зробити дірки і сформувати з нього трьохвимірну структуру, то в деяких випадках він стає набагато міцнішим, ніж двовимірний. Але це були теоретичні розрахунки. Але у результаті в ЗМІ це подавалось так, начебто відкрили нову форму графену, яка є міцнішою, ніж діамант.

Про співпрацю з українськими вченими

Чим більше досліджую графен, тим стає цікавіше. Один з напрямків дослідження, які активно розвиваються, – це комбінування графену з іншими двовимірними матеріалами. В результаті створюються гетероструктури – по суті, трьохвимірні матеріали, де інженер сам вирішує, який шар за яким накладати. І від цього залежать властивості отриманого матеріалу.

Вивченням графену в світі займаються сотні наукових груп

Вивченням графену у світі займаються сотні наукових груп. Я знаходжусь в постійному контакті з п’ятьома-шістьома з них, це 20-30 співробітників. І скажу чесно: іноді навіть важко відслідковувати все, що відбувається у цій сфері.

З науковими групами в Україні у мене не так вже й багато контактів. Українська наука така маленька, і ймовірність перетнутись з кимось дуже низька.

Так, я контактую, наприклад, з українським фізиком Сергієм Шараповим. Але поки що жодних спільних проектів у нас нема. Тобто з українськими науковцями ми не співпрацюємо.

Підписуйтесь на наш канал у Telegram