Многие знают, что такой химический элемент, как углерод, входит в состав древесного угля, еще в очень древние времена применявшегося при выплавке из руды металлов. Кроме того, известно, что модификациями углерода являются также и графит, и алмаз.
Что касается алмаза, то он обладает непревзойденной твердостью среди природных минералов, благодаря своей особой кристаллической решетке. В ней атомы углерода находятся посредине тетраэдра, в вершинах которого располагаются другие такие же атомы.
Графит же имеет совсем иную структуру. Она состоит из множества пленок, построенных из углеродных атомов, располагающихся так, что при этом образуются правильные шестиугольники. Подобное внутренне устройство графита является причиной его довольно необычных характеристик. В нем электрический ток может проходить только параллельно пленкам, но не перпендикулярно им.
Много десятилетий назад ученые, изучая структуру графита, заинтересовались тем, какие свойства мог бы иметь его отдельный слой, который они назвали «графеном». В то время они и не предполагали, что такая сверхтонкая пленка углерода будет когда-нибудь ими получена хотя бы в условиях лаборатории. Ведь как они не старались с помощью шлифовки и полировали отделить мельчайшую чешуйку графита, она все равно содержала тысячи графеновых пленок.
Но в 2004 году впервые удалось выделить отдельный слой графита, используя обычную клейкую ленту, и даже исследовать его свойства. Полученные таким образом пленки, толщина которых равнялась размеру одного атома углерода, как, оказалось, обладают необычно высокой прочностью и отлично проводят электрический ток.
Уже по результатам первых экспериментов стало ясно, что графен и действительно является «чудо-материалом», способным полностью изменить наше будущее. Он является двумерным твердым телом, структура которого определяет все его необычные свойства. Атомы углерода в графеновой пленке расположены в виде правильных шестиугольников, образуя плоскую решетку, представляющую двумерный кристалл.
Графен во многом схож с металлами, так как он эластичен и является отличным проводником тепла и электрического тока. Но ему присущи и свойства полупроводников, что позволяет использовать его в качестве материала для изготовления быстродействующих транзисторов.
Ученые давно выяснили, что графен имеет поразительно высокую прочность. Но после того как с ним были проведены первые опыты, стало ясно, что он является по этому параметру рекордсменом среди других технических материалов. Теоретические расчеты показывают, что графеновая пленка, имеющая толщину привычной в быту клейкой ленты, если бы удалось ее создать, была бы настолько прочной, что проткнуть ее остро заточенным карандашом можно было бы, лишь приложив усилие не менее двух тонн.
Сверхпрочность графеновых материалов вместе с их уникальными электрическими и тепловыми свойствами могут позволить создать сверхбыстрые микропроцессоры, являющиеся основой суперкомпьютеров. Сегодня некоторые ученые уже начинают задумываться о возможности применения графена и в такой технологии, как спин-электроника, использующей при обработке информации не заряд электрона, а его магнитный момент.
Кроме того, исследователи, работающие в области медицины, говорят, что этот «чудо-материал» может и там найти применение, например, для создания имплантатов и нейропротезов мозга человека. В проводимых сегодня экспериментах ученые пока определяют только совместимость графеновых пленок с живой тканью. Но возможно уже через несколько лет начнутся клинические испытания нанопротезов из графена на людях.
