Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2009 № 07

Так выглядел космолет «Бор».

Впрочем, до «звездных войн» дело, к счастью, не дошло. Но это не значит, что ныне интерес к графиту потерян. Им сегодня серьезно занимаются в Государственном НИИ конструкционных материалов. Гордость института — небольшой ромбовидный блок. По словам заместителя директора института, доктора технических наук Н.Ю. Бейлиной, этот блок из искусственного графита не что иное, как чрезвычайно ответственная деталь атомного реактора.

Искусственный графит делают из нефтяного кокса и продукта переработки каменного угля — пека при температуре до 2800 градусов. Получается прочный, плотный материал, изъяном которого до недавних пор считалась хрупкость. Однако теперь научились создавать и гибкие композиты, например, графитофторопласт.

Композитное полотно на основе углеволокна применяют в ракетно-космической технике, из него также делают чрезвычайно легкие, прочные планеры и корпуса парусных яхт. Изготовляют из материалов на основе углерода и эндопротезы, используемые при переломах. Такие протезы хорошо совмещаются с человеческим организмом. Суставы плеча, бедра, позвонки, сердечные клапаны, даже элементы глазных протезов тоже делают на основе углеродного композита.

И это еще не все.

Недавно ученые выяснили, что если удалить из графена — слоя графита толщиной в 1–2 атома все примеси, то подвижность электронов в нем побьет все рекорды: она будет в 100 раз больше, чем в кремнии, в 20 раз больше, чем в арсениде галлия GaAs), и даже выше, чем в абсолютном рекордсмене среди всех полупроводников — антимониде индия (InSb). А это значит, что из графена можно делать сверхбыстрые процессоры и другую электронику, работающую даже в терагерцовом диапазоне частот — малодоступной пока области электромагнитных волн, которая таит в себе немало открытий и важных практических приложений.

Расчеты смогли подтвердить на практике исследователи из Рутгерского университета (США). Ученые под руководством профессора Мэниша Чховеллы разработали относительно простой и дешевый способ изготовления из графена тончайших прозрачных пленок. Они уверяют, что могут осадить графен практически на любую подложку, включая гибкую полимерную, причем в виде лент практически неограниченных размеров.

Делается это так. Сначала специалисты смешивают с водой графитовые чешуйки. Затем в полученную суспензию добавляют серную или азотную кислоту. Атомы кислорода, встраиваясь между отдельными графеновыми слоями, окисляют их, способствуя разделению. В результате в воде образуются графеновые листочки. Эту взвесь фильтруют через мембрану с порами диаметром 25 нм. Вода проходит сквозь поры, а графеновые чешуйки задерживаются. Затем мембрану перекладывают на подложку вниз стороной, покрытой графеновыми чешуйками, и растворяют в ацетоне. Оставшуюся пленку выдерживают в гидрозине для преобразования графенового оксида в графен. Толщину пленки легко регулировать, изменяя объем используемой суспензии: так, при объеме 20 мл образуется пленка толщиной 1–2 нм, при 80 мл — 3–5 нм.

Проводящий прозрачный материал в ближайшие годы найдет применение в солнечных батареях, проекторах, сенсорных экранах и дисплеях. На графене, путем пере мещения пленки на кремниевую подложку и осаждения на нее золотых электродов, получены и транзисторы. Кроме того, графеновый слой толщиной в один атом необычайно чувствителен к каждому осажденному на нем атому другого вещества. Это позволяет делать газовые сенсоры и миниатюрные химические датчики высочайшего качества.

И наконец, самые последние известия. В начале нынешнего года физикам из Университета Манчестера, при поддержке коллег из Голландии и России, удалось впервые синтезировать еще один удивительный материал — графан. Так называется пленка графена, к каждому атому углерода которой присоединен атом водорода.

Этот материал не раз пытались синтезировать, но без особого успеха. Дело в том, что для присоединения водорода к графену необходимо сначала разбить его молекулу на атомы. А для этого обычно требуется высокая температура, которая графен разрушает. В Манчестере нашли способ обойти эту проблему, применив для разрушения молекул водорода электрический разряд.

Исследование электрических и структурных свойств графана показало, что в нем, в согласии с предсказаниями теоретиков, к каждому атому углерода присоединен один атом водорода. При этом гексагональная структура графена не нарушена, но атомы углерода немного развернуты и сближены друг с другом. Эти изменения превращают графан в хороший диэлектрик. При нагреве графана водород улетучивается, и первоначальная структура графена полностью восстанавливается.

Компьютерная реконструкция атомной структуры графена (слева) и графана (справа).

Компьютерное изображение графеновой мембраны.

Благодаря своим свойствам и малой массе, графан способен решить проблему хранения водорода — главную проблему, стоящую на пути зарождающейся водородной энергетики. Ведь одно дело возить водород в громоздких, взрывоопасных баллонах, и совсем другое — в компактном блоке, заполненном графановым порошком. Но самым интересным представляется использование углерода в графеновой микроэлектронике для получения сверхминиатюрных электронных схем.

Пока далеко не все свойства графита и его сородичей открыты. Однако даже то, что уже известно ученым, позволяет говорить об углероде как об одном из самых перспективных материалов XXI века.

Публикацию подготовили В. ВЛАДИМИРОВ и С. НИКОЛАЕВ

РАССКАЖИТЕ, ОЧЕНЬ ИНТЕРЕСНО…

Острова из… пластмассы

Недавно слышал о так называемых мусорных островах. Что это такое? Из мусора будут создавать новые островки суши в океанах?

Олег Свиридов,

г. Новосибирск

Пока этих островов нет на картах. Но дело, похоже, идет к тому…

А начало было положено 110 лет тому назад, когда в 1899 году немецкий химик Ганс фон Пехманн случайно обнаружил на дне одной из своих пробирок воскообразный осадок. Он не смог оценить важность своего открытия. Между тем, открыл же он не что иное, как полиэтилен — один из самых широко используемых и… ругаемых сейчас синтетических материалов.

Ни самому фон Пехманну, ни его коллегам не удалось получить из того осадка что-либо полезное, а потому о полиэтилене забыли на треть века и вспомнили лишь в 1933 году, когда английские химики Эрик Фосетт и Реджинальд Гибсон, работавшие в ICI — Имперском химическом тресте, крупнейшем в Великобритании и Западной Европе химическом концерне, — заново открыли это вещество.

Они экспериментировали с газами под высоким давлением, и Гибсон записал в журнале наблюдений: «На дне и стенках пробирки найден парафиновый осадок…» На этот раз исследователи поинтересовались составом осадка и спустя два года разработали способ изготовления полиэтилена в промышленных масштабах и стали использовать его для изоляции телефонных проводов.

Однако по-настоящему массовое использование полиэтилена началось в 50-е годы прошлого века с развитием супермаркетов — огромных магазинов, которым требовалось много контейнеров и тары для покупок. Полиэтиленовая пленка оказалась весьма подходящей для этого, особенно при упаковке пищевых продуктов.

В 1957 году во всем мире было произведено 5 млн. т пластика, а полвека спустя эта цифра достигла уже 225 млн. т в год. Но вместе с произведенным полиэтиленом растут и горы его отходов. Причем главным врагом экологии ныне признаны полиэтиленовые пакеты — те самые, которыми мы пользуемся каждый день.

В развитых странах на каждого взрослого приходится свыше 400 полиэтиленовых пакетов в год. Каждую минуту на планете используется 1 млн. полиэтиленовых пакетов, в год же выходит больше, чем 0,5 трлн. штук. Причем в среднем, подсчитали статистики, их используют всего… 20 минут, после чего выбрасывают. А вот для полного распада полиэтилену нужно ни много ни мало 1000 лет! И в течение всего этого времени полиэтиленовые изделия будут замусоривать нашу планету, если мы не примем каких-то мер.

Пакеты, выброшенные в мусорный контейнер в вашем дворе, рано или поздно оказываются в воде — смываются вешними водами в моря-океаны. Кроме того, виновниками пластмассового загрязнения называют туризм, рыболовство и морские суда. Причем 80 % попадает в океан с суши, оставшиеся 20 % — с кораблей.

А в итоге, к примеру, Средиземное море впору переименовывать в Пластмассовое. К такому неутешительному выводу пришли экологи. «Это самое грязное море на планете, — отмечают они. — Всего в Мировом океане около 6,5 млн. т отходов, в основном пластмассы. И самая высокая концентрация — около 2000 единиц мусора на квадратный километр — в Средиземном море». Причем волны выносят на берег лишь 15 % отходов.