▪   Тарас Литвин

Через графен до зірок

Учених охопила вуглецева лихоманка. Точніше, графенова – цей новий наноматеріал наближає революцію у світі електроніки та високих технологій, тому Кремнієву долину в США невдовзі можуть перейменувати на Вуглецеву
Матеріал друкованого видання
№ 45 (106)
від 6 листопада, 2009


Доля вуглецю нагадує долю кремнію. Спочатку із силіцію робили скло, кераміку, цеглу, цемент, а тепер він є основним матеріалом для електроніки та сонячної енергетики. Вуглець раніше люди кидали в піч – як вугілля, мастили ним чоботи – ваксою, прикрашали тіло – діамантами та прикладали до електричних кабелів – тролейбусні графітові контактні колодки.

Ситуація кардинально змінилася у 2004 році, коли британські та російські дослідники вперше отримали графен – мікроплівку вуглецю завтовшки в один атом. Це був типовий наноматеріал, по суті, вуглецева нанотрубка у розгорнутому вигляді. Інакше кажучи, графен – це окремий атомний шар графіту. Побачити його можна лише під мікроскопом, а ось купку шарів бачили всі: для цього достатньо провести на папері лінію простим олівцем.

Властивості нового матеріалу відразу привернули увагу вчених – графен є найміцнішим у світі матеріалом, він еластичний і має найвищу електропровідність за кімнатної температури. Графену пророкують велике майбутнє, зокрема у суперкомп’ютерах, де розмір схем буде в мільйони разів менший за нинішні.

Чип-комбінезон

Нещодавно, цієї весни, вчені Массачусетського технологічного інституту сконструювали графеновий чип – підсилювач частоти. Він приймає вхідний електричний сигнал звичайної частоти, а на виході видає сигнал більшої частоти. «Ми постійно прагнемо підвищити частоту, щоб прискорити роботу комп’ютерів та мобільних телефонів, – каже професор Томас Паласіос. – Звичайними способами дуже важко здолати бар’єр частоти 4 або 5 ГГц, та нова графенова технологія допоможе розробити системи з частотою від 500 до 1000 ГГц». Вчені прогнозують, що повноцінний комерційний продукт з’явиться за рік-два.

Цей проект фінансує американський військовий інститут нанотехнологій Соулджер. Крім комп’ю­терних чипів, армія США планує використовувати графен у військовій амуніції. Уявіть собі куленепробивний тонкий комбінезон, що відстежує стан здоров’я солдата, загоює рани, автоматично підтримує зв’язок із колегами і постійно контролює концентрацію хімічних та біологічних речовин навколо.

Люба, я зменшив транзистор!

В електроніці діє правило: розміри девайсів мають зменшуватися, а швидкодія – зростати. Подальше зменшення кремнієвих транзисторів неможливе, тому що за розмірів менше ніж 10 нм починають проявлятися квантові ефекти і погіршуються електронні властивості. Тому графен став виштовхувати кремній із транзисторного олімпу. Кілька наукових груп у Британії та США вже створили графенові транзистори, у яких квантові ефекти не виникають, бо графенові електрони поводяться як безмасові частинки.

Графенові транзистори працюють набагато швидше, ніж кремнієві, й споживають менше енергії, але контролювати їхню стабільність було важко. Цю перепону подолали вчені з Політехнічного інституту Ренселера в США. «Змінюючи хімічні властивості поверхні, на якій є графен, ми навчилися контролювати його властивості , – каже професор політеху Сарой Наяк. – Тобто ми налаштовуємо електричні властивості матеріалу на потрібну нам хвилю». Якщо графен знаходиться на обробленій киснем поверхні, він виявляє напівпровідникові властивості, а якщо на обробленій воднем – металічні.

Графен – універсальний солдат третього тисячоліття. Професор Манчестерського університету Андре Гейм каже, що «сучасна напівпровідникова промисловість використовує ледь не всю періодичну таблицю елементів. Уявляєте, що станеться, коли один матеріал зі змінними властивостями – графен – зможе замінити всі ці елементи?»

 Драбина на небо

«Графен захопив уяву дослідників усього світу», – каже Марк Хьорсем, професор хімії Північно-Західного університету США. Минулого місяця Хьорсем виявив перспективні електричні властивості графену в поєднанні з органічним напівпровідником перилен-3,4,9,10-тетра­карбо­ксил-діа­н­гід­ридом (PTCDA). Новий матеріал планують використовувати у молекулярній електроніці, хімічних та біологічних сенсорах, фотоелектриці.

Японці навчилися друкувати графеном на фторованій гнучкій поверхні. «Нам вдалося використати надзвичайну електропровідність графену і сконструювати гнучкий активний дисплей, у який інтегровано надруковані еластичні провідники, органічні транзистори і органічні світлодіоди», – каже Цуйоші Секітані з Токійського університету. Дисплей можна розтягнути на 30–50%, натягти на півкулю без жодних пошкоджень. Це відкриття дасть змогу використовувати графен у сенсорних приладах, на гнучких частинах пристроїв.

У своїх мріях щодо графену найвище злетіли вчені Колумбійського університету – вони планують створити космічний ліфт. Один кінець графенового тросу буде закріплено на Землі, а інший – на орбітальній станції. Вперше ідею космічного ліфта висунув Константін Ціолковскій ще у 1895 році, у 1960‑му радянський інженер Юрій Арцутанов розробив деталі. Все­світньо відомою ця ідея стала у 1979-му, коли Артур Кларк опублікував роман «Фонтани раю». Вчені вважають, що графен – ідеальний кандидат для космічного тросу. «Щоб зрозуміти, наскільки міцний графен, уявіть собі чашку, накриту супертонкою плівкою: щоб пробити її олівцем, потрібна сила, еквівалентна масі слона або автомобіля», – каже професор Колумбійського університету Джефрі Кайсар.

Очікується, що подорож у космос ліфтом коштуватиме менше, ніж ракетою. Справа за малим: треба втілити проект у життя. НАСА навіть запропонувала $4 млн тому, хто першим це зробить. Можливо, автор проекту черпатиме натхнення у «Фонтанах раю» Кларка: «Ми можемо побудувати космічний ліфт або орбітальну башту... Ви повинні будувати одночасно вгору і вниз, щоб центр тяжіння споруди залишався у стаціонарній точці. Загальна висота башти має становити не менше 40 тис. км, при цьому найнебезпечнішою є нижня сотня кілометрів... Вперше в історії ми отримаємо драбину на небо – міст до зірок. Проста підйомна система – ліфт, який рухає дешева електрика, – замінить шумливу і дорогу ракету, яку віднині використовуватимуть лише для дальніх космічних польотів». [1615]

 

 
Словничок

Вуглецева нанотрубка – циліндрична структура діаметром від одного до кількох десятків нанометрів і завдовжки до кількох сантиметрів, складається з однієї або кількох згорнутих у трубку гексагональних площин (графенів). Вперше отримали радянські вчені Радушкєвіч і Лук’яновіч у 1952 році.

Наноелектроніка – галузь електроніки, що розробляє інтегральні електронні схеми з розміром транзисторів та інших елементів менше ніж 100 нм.

Нанометр (нм) – одна мільярдна метра: 1 нм = 10-9 м.

Напівпровідники – речовини, у яких електропровідність за кімнатної температури має проміжне значення між електропровідністю металів і діелектриків. З підвищенням температури електропровідність напівпровідників зростає.

Транзистор – напівпровідниковий пристрій для підсилення, генерування і трансформації електричних коливань