Джон Браун - Семь элементов, которые изменили мир

В течение многих лет ученые исследовали необычные свойства структур, состоящих из чистого углерода. Способность углерода создавать связи с самим собой позволяет получать разнообразные типы углеродных молекул, включая также длинные цепочки и кольца, образующие основу углеводородных видов топлива. В 1985 г. команда исследователей под руководством Гарри Крото из Университета Райса в Хьюстоне создала напоминающую футбольный мяч клетку из шестидесяти атомов углерода, названную Buckminsterfullerene [91]. Несколько лет спустя полые цилиндрические углеродные нанотрубки стали «чудесным материалом» 1990-х гг. Ученых заинтересовало, нельзя ли изготовить из атомов углерода тонкий лист. Большинство думало, что он окажется непрочным и сморщится, когда толщина составит всего один атом.

Однако в процессе исследования свойств тонких слоев графита Гейм и его студент сделали удивительное открытие. Используя обычную липкую ленту для снятия чешуек с куска графита, они смогли получать все более и более тонкие листы, снижая их толщину всего до нескольких атомов. В конце концов, взглянув в микроскоп, они увидели, что добились того, что многие считали невозможным: получился листа углерода толщиной всего в один атом – графен. Гейм и Новоселов начали исследовать свойства нового материала, и череда сюрпризов продолжилась. Оказалось, что это самый прочный материал в мире, в 300 раз прочнее стали [92]. Согласно расчету, требуется поместить слона на вертикально поставленный карандаш, чтобы проломить несколько слоев графена общей толщиной, как у клейкой ленты. Графен сочетает прочность с высокой эластичностью и электропроводностью. Он может оказаться лучшим в мире проводником тепла и электричества, превзойдя медь и серебро, и иметь практически нулевое сопротивление при комнатной температуре [93]. Но самое главное, что он самый прозрачный из всех существующих материалов. «Это было очень необычно, – говорит Новоселов. – Каждый раз, работая с графеном, мы обнаруживали что-то новое и интересное: его оптические, электрические и механические свойства уникальны» [94].

Первые результаты исследований опубликованы в 2004 г., и в дальнейшем работа ученых продолжала вызывать огромный научный и коммерческий интерес [95]. В 2010 г., всего шесть лет спустя, Гейм и Новоселов были удостоены Нобелевской премии по физике. При объявлении имен лауреатов представитель Шведской королевской академии наук заявил: «Углерод, основа всей жизни на земле, удивил нас еще раз» [96]. Углерод – самое многообразное из всех химических веществ. Как ископаемое топливо он способствовал развитию цивилизации, предоставляя энергию для производства, торговли и коммуникаций; в виде двуокиси углерода может изменить наш мир снова, оказывая постоянное воздействие на климат и образ жизни; в виде графена может кардинально изменить многие товары, которые делают нашу жизнь комфортнее. Его прозрачность и проводимость могут использоваться в солнечных батареях и сенсорных панелях; прочность и гибкость – для корпусов морских судов и космических кораблей; полупроницаемость – в антибактериальных бинтах и фильтрах для воды [97]. Литий-ионный аккумулятор с анодом из графена может иметь зарядную емкость в десять раз больше и заряжаться во много раз быстрее, чем существующие аккумуляторы. Такие устройства, как телефоны, где используются графеновые транзисторы, могут быть сделаны настолько тонкими, что их можно будет скатать в трубочку и заложить за ухо.

Графен действительно обладает огромным потенциалом, но достоинства многих недавно открытых материалов часто преувеличивались [98]. Я хорошо помню технологический оптимизм 1950-х гг. И в научно-популярных журналах, и в комиксах рисовали будущее, в котором уран удовлетворит все энергетические потребности, обогреет дома, станет автомобильным топливом и даже позволит регулировать климат на планете с помощью щелчка тумблера. Титан, более прочный, легкий и антикоррозионный, чем сталь, должен был стать такой же неотъемлемой частью современной жизни, как и железо. Даже родственный графену материал, Buckminsterfullerene, пока мало где применяется, а углеродные нанотрубки не оказали значительного влияния на промышленность.

Графен подтвердил свой потенциал в лабораторных условиях. Окажется ли он основой революции в производстве новых товаров – вопрос экономики и производства, а не науки; коммерциализация новых материалов обычно требует больших затрат времени, сил и денег. Скорее всего, свое первое коммерческое применение он найдет в пленочных сенсорных экранах и «электронной бумаге», но самых больших чудес, вероятно, придется подождать несколько десятилетий, если они вообще случатся [99]. И все же графен – отличный пример того, как химические элементы, исследованные любознательными людьми и получившие практическое применение благодаря людям изобретательным, снова и снова могут удивлять нас, раскрывая новые качества и возможности, продолжающие преобразовывать мир.