Графен и родственные углеродные наноматериалы находятся в центре внимания современной науки о материалах благодаря уникальному сочетанию свойств. Эти материалы обладают одновременно чрезвычайно высокой механической прочностью и отличной электропроводностью при малой массе и толщине.
Подобные характеристики открывают перспективы революционных применений – от гибкой электроники и энергоёмких аккумуляторов до сверхпрочных лёгких композитов в аэрокосмической отрасли. Мировое научное сообщество активно исследует графен: за два десятилетия с момента его открытия объем публикаций и патентов вырос экспоненциально.
Уникальные свойства графена (краткая справка)
Графен — одноатомный слой углерода с гексагональной решёткой — обладает рекордными характеристиками:
Прочность: в 200 раз выше стали при меньшей плотности.
Электропроводность: до 10⁸ С/м (лучше меди).
Гибкость и прозрачность: перспективен для гибкой электроники.
Эти свойства открывают возможности для революционных применений:
Энергетика: сверхъёмкие аккумуляторы, суперконденсаторы.
Электроника: гибкие дисплеи, высокочастотные транзисторы.
Композиты: лёгкие и прочные материалы для авиации и авто.
Исследования углеродных наноструктур начались во второй половине XX века с открытия новых аллотропных форм углерода. В 1985 году были открыты фуллерены (за что присуждена Нобелевская премия по химии 1996 г.), в 1991 г. — углеродные нанотрубки.
Кульминацией этих поисков стало выделение графена в 2004 году, осуществлённое Андре Геймом и Константином Новосёловым механическим расщеплением графита. Это открытие опровергло теоретические представления о невозможности существования свободного двумерного кристалла при конечной температуре и стало поворотной точкой в науке о материалах.
За эксперименты по получению графена авторам была присуждена Нобелевская премия по физике (2010), и начался глобальный «бум» исследований графена. Первоначальный ажиотаж объяснялся практически безграничным потенциалом применения графена: от сверхбыстрой электроники и квантовых эффектов до ультрапрочных материалов и революционных биомедицинских устройств.
Разработка материалов на основе графена и углеродных наноструктур сегодня занимает одно из ведущих мест в мировой науке о материалах. По количеству научных работ графен уверенно удерживает позиции среди самых изучаемых материалов XXI века.
Ключевые достижения в области изучения графена только за 2024–2025 гг.
Энергетика: Графеновые коллекторы для Li-ion батарей (теплопроводность до 1400 Вт/м·К) — решение для быстрой зарядки и безопасности.
Суперконденсаторы с графеновыми электродами (ёмкость +30%).
Гибкая электроника: Технология GLLO (графен-ассистированный лазерный подъём) для OLED-дисплеев.
Носимые датчики на основе графена для медицины.
Строительные материалы:
«Умный бетон» с графеновым песком: самодиагностика трещин + подогрев.
Медицина:
Графеновые нейроинтерфейсы для точной записи мозговой активности.
Перспективные направления применения графеновых технологий
Изучение ферроэлектричества в графене для энергонезависимой памяти.
Разработка полупроводникового графена (альтернатива кремнию).
Масштабирование производства (CVD, сухая эксфолиация).
Гибридные материалы (графен + MXene, h-BN).
Гибридные материалы на основе графена: MXene и h-BN
Гибридные материалы — это комбинации графена с другими наноструктурами (например, MXene или гексагональным нитридом бора, h-BN), которые усиливают полезные свойства каждого компонента.
- Графен + MXene
MXene — это двумерные карбиды или нитриды переходных металлов (например, Ti₃C₂Tₓ), обладающие:
Высокой электропроводностью (лучше графена).
Гидрофильностью (растворяются в воде).
Химической активностью (можно модифицировать поверхность).
Применение гибридов графен/MXene:
Суперконденсаторы и батареи — увеличение ёмкости и скорости заряда.
Гибкая электроника — прозрачные проводящие плёнки.
Защита от электромагнитных помех — армированные композиты для аэрокосмоса.
Пример:
В 2023 году китайские учёные создали гибкий электрод из графена и MXene, который сохраняет проводимость даже после 10 000 сгибаний.
- Графен + h-BN (нитрид бора)
h-BN («белый графен») — аналог графена, но с изолирующими свойствами:
Высокая теплопроводность (как у графена).
Химическая инертность (не окисляется).
Широкая запрещённая зона (5,9 эВ → хороший диэлектрик).
Применение гибридов графен/h-BN:
Наноэлектроника — изоляционные прослойки в транзисторах.
Теплоотводящие покрытия — для микросхем и процессоров.
Квантовые устройства — создание искусственных гетероструктур.
Пример:
В 2024 году Samsung запатентовала чип с графен-h-BN гетероструктурой, где h-BN играет роль диэлектрика, а графен — проводящего канала.
Перспективы у гибридов огромные:
Графен-MXene — для энергетики будущего.
Графен-h-BN — для посткремниевой электроники.
Можно смело предположить, что графен и углеродные наноматериалы сохраняют статус «растущей отрасли» а тренды последних лет показывают смещение фокуса от фундаментальных исследований к прикладным внедрениям: ключевые отрасли – электроэнергетика, легкие прочностные материалы и микроэлектроника.
К 2030-м годам на основе графена и родственных структур появятся новые устройства и материалы, такие как гибкая электроника, энергоэффективные системы, «умные» конструкции, трансформирующие промышленные отрасли. Для России и других стран лидерами станут те, кто сочетает фундаментальную науку, например, изучение уникальных свойств углеродных наноструктур, с индустриализацией, в частности массовое производство и коммерческая эксплуатация.
В 2030-х графеновая отрасль станет частью общей «2D-экономики», где сочетание различных 2D-материалов, такие как графен, ТДМС, MXene и др. позволит создавать функции, невозможные для традиционных материалов.
