Графен — монослой атомов углерода, открытый всего несколько лет назад, стремительно завоевывает новые области применения. "Наука" предлагает обзор российских научно-технологических исследований и коммерческих применений графена и его производных.

После того как в 2010 году наши соотечественники, работающие в Англии Андрей Гейм и Константин Новоселов, получили Нобелевскую премию за открытие графена, в мире развернулась графеновая научно-техническая гонка. В 2016 году было учтено 25 тыс. научно-технических публикаций по графену. Особенно масштабные научно-исследовательские работы финансируются в Китае, США и Южной Корее. Инновационные компании срочно включают графеновые продукты в свои стратегии. Наблюдается резкое снижение цен на графен. В частности, за 2010-2016 годы цена на монослойный графен, получаемый методом химического осаждения из газовой фазы, упала на три порядка и, как ожидается, в ближайшие годы еще снизится. Сходным образом за это же время упала цена на графеновый порошок и на графеновые наночастицы, сейчас для коммерческих материалов она составляет $250-300 за килограмм.

Из-за сравнительно высокой стоимости графена потреблять его способны только некоторые отрасли. В первую очередь те, где вклад графена в себестоимость экономически оправдан из-за огромной стоимости конечного продукта, например аэролайнера из композиционных материалов. И, разумеется, перспективны все миниатюрные устройства, где расход графена мал, например датчики окружающей среды и анатомические биосенсоры.

Наука и графен в России

В России исследователи графеновых материалов сконцентрированы примерно в 50 организациях, в основном в системе ФАНО. Перечень и научная тематика основных научных коллективов представлены в таблице на сайте "Науки".

Так, в МФТИ в лаборатории нанооптики и плазмоники разрабатывают биосенсоры с использованием графена. Основные области применения продукта — научные и фармацевтические исследования. Метод биодетектирования на основе технологии поверхностного плазмонного резонанса (Surface Plasmon Resonance, SPR), к которому относятся биосенсорные чипы, включен в европейские и американские регламенты по разработке лекарств. Графеновые биосенсоры перспективны для диагностики опасных заболеваний на ранних стадиях, контроля качества продуктов питания, мониторинга состояния окружающей среды и в ветеринарии. По мнению сотрудника лаборатории Юрия Стебунова, наиболее крупные потенциальные потребители биосенсорных чипов — фармацевтические компании, центры тестирования лекарств и научные лаборатории.

Ключевыми составляющими биосенсорных чипов являются металлические нанопленки и связующие слои на основе графена и оксида графена.

Толщина металлических пленок составляет 30-50 нм, точность их напыления <2 нм. Толщина связующего слоя варьируется от одного монослоя графена (0,34 нм) до нескольких десятков слоев.

Важно, что биосенсорные чипы совместимы со всеми коммерческими безмаркерными SPR-биосенсорами и имеют в 30 раз более высокую чувствительность по сравнению с существующими аналогами. По состоянию на май 2017 года в МФТИ изготовлена тестовая партия графеновых биочипов в количестве 100 штук.

В Якутске в лаборатории "Графеновые нанотехнологии" Северо-Восточного федерального университета разработаны технологии создания нескольких продуктов на основе графена. Как пояснила заведующая лабораторией Светлана Смагулова, лаборатория оснащена современным оборудованием, которое позволяет синтезировать графен, измерять его параметры и создавать электронные приборы на основе графена. Оксид-графеновые суспензии получают двумя методами: электрохимическим и модифицированным методом Хаммерса. Мелкими партиями продаются следующие продукты:

· фторографеновые суспензии,

· чернила для 2D-печати электронных структур на гибких подложках (оксид-графеновые, фторографеновые),

· порошок оксида графена,

· графеновые пленки, выращенные методом химического газофазного осаждения на медной пластине,

· графеновые пленки, перенесенные на гибкую подложку для создания прозрачных проводящих электродов и сенсорных экранов смартфонов,

· люминесцирующие углеродные квантовые точки, размерами 3-5 нм, синтезируемые гидротермальным методом для создания оптоэлектронных приборов,

· сенсор влажности на основе графеновой пленки,

· сенсор влажности на основе оксида графена.

В Институте неорганической химии СО РАН выявлены закономерности изменения характеристик в серии новых малослойных графенов из соединений типа C2F-xR (интеркалятов фторграфита). Разработаны методики перевода графена в устойчивые дисперсии в жидких средах: нековалентная функционализация (обработка в полярных органических растворителях) и ковалентная функционализация за счет присоединения кислородных поверхностных групп. Разработаны методы получения азот-модифицированных графенов через взаимодействие интеркалятов типа C2F-xR с различными азотсодержащими реагентами и фторированного графена состава C2F с ковалентными C-F-связями. Старший научный сотрудник, кандидат химических наук Виктор Макотченко рассказал нам о том, что практическая значимость исследований состоит в целенаправленном получении новых материалов на основе графена, включая тонкие проводящие прозрачные пленки, прочную и гибкую "графеновую бумагу", композиты с высокой прочностью, катализаторы.

В АО "НИИГрафит" исследованы методики получения суспензий малослойных графеновых частиц. Описаны многочисленные методики контроля качества соответствующих суспензий. Полученные данные свидетельствуют о технологичности метода, возможности его непрерывной организации для получения малослойных графеновых частиц с высоким выходом в виде стабильных водных и водно-спиртовых суспензий. Описаны общие методики определения свойств пьезодатчиков с графеновыми покрытиями.

В 2015 году "НИИграфит" получил грант на разработку гибридных композиционных пьезодатчиков от российско-израильской программы. В проекте российский участник отвечает за графеновую технологию, израильский — за пьезооснову датчиков. Обе стороны имеют технологические патенты, по результатам будет подана заявка на совместный патент. "Совместная электронная разработка обладает рядом принципиально новых свойств и найдет применение в тачскринах смартфонов, дисплеях современных компьютеров,— говорит начальник отдела инновационного развития и перспективных разработок АО "НИИграфит" Владимир Самойлов.— Хорошие перспективы у пьезодатчиков и в авиации — транспортной, пассажирской, беспилотной. Первая их функция — энергосберегающая. Энергию, выработанную в полете с помощью пьезодатчиков, можно использовать для освещения салона или антиобледенительного обогрева корпуса самолета. Вторая задача — предупреждение аварийных ситуаций, применение в системах сигнализации о перегрузках, которые испытывает воздушное судно".

Российские стартапы

ООО "АкКо Лаб" (Москва), созданное в 2009 году, специализируется на разработке и изготовлении уникальных инновационных материалов. Компания ведет работы по следующим направлениям:

1. высокоэнергоемкий литий-ионный аккумулятор;

2. полностью углеродный суперконденсатор;

3. технологии изготовления элементов микроэлектронных устройств методом струйной 2D-печати чернилами, содержащими графен и функциональные наночастицы.

ООО "АкКо Лаб" производит и продает образцы графена и оксида графена как в виде порошков ("чешуек"), так и в виде дисперсий в воде или в органических растворителях:

1. дисперсия оксида графена в воде (концентрация до 4 мг/мл),

2. графеновый порошок (размер чешуек примерно 2 мкм, их толщина 1-2 нм),

3. дисперсия графена в органических растворителях.

В декабре 2016 года был распространен пресс-релиз о разработке тонкого конденсатора на основе оксида графена. Установлено, что гель из оксида графена имеет хорошую адгезию к большинству электропроводников. А пленки из оксида графена имеют достаточную прочность для формирования электрического сепаратора. Электроды сформированы из восстановленного оксида графена. То есть между двумя выходными электродами помещают оксид графена, а затем прилегающие к электродам слои оксида восстанавливают до графита. Созданы образцы конденсатора толщиной 3 мкм и емкостью 1 мФ/кв. см, работоспособного при напряжении до 1,5 В. Саморазряд таких конденсаторов зависит от качества и однородности пленок оксида графена.

ООО "Русграфен" (Москва) создано в 2015 году при Институте общей физики РАН. Оно специализируется на производстве графена методом химического газофазного осаждения (CVD — chemical vapor deposition) на подложку. В ассортименте продукции компании есть как монослои графена на меди, так и многослойные графеновые пленки на никеле, также имеются в продаже перенесенные монослойные и многослойные графеновые пленки на различные подложки с максимальным размером до 80 кв. см. 

Компания предлагает оборудование для синтеза графена методом химического газофазного осаждения — это компактная вакуумная установка с возможностью синтезировать графен размером 20х30 мм на металле за 30 минут.

В лаборатории спектроскопии наноматериалов, на базе которой организована компания, c 2009 года ведутся исследования графена, опубликовано более 15 научных работ в международных журналах. В наиболее интересных из них представлены результаты по созданию газовых сенсоров на основе CVD-графена, а также использование CVD-графена в качестве детектора терагерцового излучения и в качестве нелинейного оптического элемента для ультрабыстрых волноводных лазеров.

ООО НПО "Графеновые материалы" (Санкт-Петербург) является производителем фторированных и малофункционализированных графеновых материалов, обладающих уникальными физико-химическими и технологическими свойствами и находящих применение в различных отраслях. Мультислойный графен производится из природных графитов различных марок и обладает степенью расширения графитовой решетки, значительно превышающей традиционные формы расширенного графита по методу Хаммерса. Мультислойный графен является основой для получения графеновых пластин. После ультразвуковой обработки в жидкой среде переходит в малослойный графен с толщиной частиц от 0,34 до 4 нм. Компанией предлагается мультислойный графен различной функционализации.

ООО "Карболайт" (Долгопрудный) создано в 2004 году. Компания производит графен по модифицированному методу Хаммерса. Совместно с ООО "Конгран" ведется разработка суперконденсаторов. Пока производство невелико, но разработан проект полупромышленной установки. На конкурсе 2014 года, проведенном Федеральным агентством научных организаций и фондом "Сколково", проект "Конгран" занял второе место и был удостоен гранта в размере 5 млн руб.

ООО "Нанотехцентр" (Тамбов) основано в 2006 году на базе Тамбовского государственного технического университета (ТГТУ) и ООО "Тамбовский инновационно-технологический центр машиностроения". Генеральным директором является доктор технических наук, профессор, академик РАЕН Алексей Ткачев. Совместная работа ТГТУ и ООО "Нанотехцентр" поддержана государственными грантами.

Апробация продукции проводится более чем в 150 научных и производственных организациях в России и за рубежом. Ведется работа по созданию опытно-промышленной технологической линии с производительностью 5 кг в смену.

 

Потребители графена в России

Графеном уже заинтересовались инновационные подразделения и отделы перспективного бизнеса крупных российских корпораций. В частности, ООО "Новомосковсккабель-оптика" опробовало графен для создания покрытий оптоволокон. АО "ОНПП "Технология"" (Обнинск) применяло графеновые и графеноподобные материалы для повышения ударной прочности экспериментальных образцов карбидокремниевой брони для ударных вертолетов и военных шлемов. ПАО "Сатурн" (Краснодар) добавляло графен в солнечные панели. АО "Уралэлемент" (Верхний Уфалей) рассматривало графеновые наночастицы как добавки в состав литий-ионных аккумуляторов. Воронежское специальное конструкторское бюро "Рикон" разработало суперконденсаторы на основе графеновых электродов, однако промышленное внедрение пока так и не произошло.

В августе 2017 года в Новосибирске состоится вторая Всероссийская конференция по графену. Основные темы: CVD-синтез графена, диагностика графена, графеновая электроника, механические свойства и приложения, микроэлектромеханические системы, химические производные графена: синтез, структура, свойства, электрохимические материалы, оптические свойства, а также гибридные материалы на основе графена. А в октябре в Минпромторговли РФ запланировано расширенное межотраслевое графеновое совещание. Несомненно, все это подстегнет коммерциализацию важнейшего научного открытия начала XXI века в области материалов — графена.

Два основных способа производства графена

Синтез (например, химическим осаждением из газовой фазы, эпитаксией, плазменными технологиями и т. д.).Расщепление графита через интеркалированные соединения кислорода или фтора (то есть через внедрение между слоями графита "посторонних" атомов или молекул).

Соответственно, сырьем являются газообразные соединения углерода либо природный графит.

 

Определения графена

Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC) определяет графен как единичный слой углеродных атомов графитоподобной структуры. Согласно ГОСТ Р 55417-2013, графен — это монослой атомов углерода, в котором каждый атом связан с тремя соседними, образуя, таким образом, сотовую структуру. Как видно, трактовка ГОСТа шире, чем определение IUPAC. Принципиально, что графен имеет одноатомную толщину.

На практике к графенам относят не только монослои и монослойные ленты, но и сдвоенные слои билэйеры, строенные слои трилэйеры и ГНЧ — графеновые наночастицы (пакеты из 5-10 слоев), которые часто называют многослойным графеном, МСГ или графеновые нанопластины, ГНП. В частности, так называемый AB-билэйер обладает ярко выраженными полупроводниковыми электропроводящими свойствами. Причем этими свойствами можно управлять с помощью внешних электромагнитных полей или легирования (добавления примесей), реализуя тот или иной тип полупроводникового элемента.

 

Владимир Тесленко, кандидат химических наук

Основные драйверы мирового научного рынка графена

 

 

Драйвер

 

Эффекты применения графена

 

 

Стадии коммерциализации

 

Аэрокосмический сектор

 

Рост безопасности полетов, Снижение расхода топлива,

Увеличение всепогодности

 

 

Экспериментальные образцы

 

Автомобильная промышленность

 

Облегчение конструкций, Снижение себестоимости, Увеличение срока службы

 

 

Промышленные испытания, краш-тесты

 

Биомедицина и здравоохранение

 

Биосенсоры, Нейрокомпьютерные интерфейсы

 

Углубленные исследования, Клинические испытания

 

 

Электроника

 

Гибкие экраны, Прозрачные электроды, Запоминающие устройства

 

 

Крупносерийное производство отдельных элементов

 

Малая энергетика

 

Батареи для мобильников, Аккумуляторы для

электротранспорта, Солнечные
панели, Термоэмиссионные
преобразователи
 

 

Крупносерийное производство литий-ионных аккумуляторов, Промышленные испытания

 

Экология

 

Датчики, Фильтры для воды и воздуха

 

Промышленные испытания, Мелкосерийное производство

 

Источник: "Наука".

 

Похожие новости

  • 09/06/2017

    Сибирские ученые участвуют в разработке нанолазеров для диагностики и лечения онкологических заболеваний

    ​Группа американских и российских ученых создала мельчайшие плазмонные нанолазеры (спазеры), которые найдут применение в диагностике и лечении онкологических заболеваний. Результаты работы опубликованы в Nature Communications.
    473
  • 05/06/2016

    Спечь или взорвать?: разработки ученых Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН

    ​​Шарики вместо метеоритов, танки из военного училища и шедевр японского приборостроения для «выпечки» новых материалов. О том, как ученые Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН создают новые материалы для авиации, космоса и повседневной жизни.
    1635
  • 30/04/2015

    В Новосибирске создадут центр по производству нанотрубок за 300 млн рублей

    ​В Новосибирском технопарке наладят производство добавок на основе углеродных нанотрубок, инвестиции в проект составят 300 млн рублей, передает ИТАР-ТАСС.Сегодня, 28 апреля, Совет по развитию промышленности и предпринимательства при правительстве Новосибирской области одобрил создание центра.
    923
  • 23/10/2017

    Приборы и технологии ИЯФ СО РАН под землей и в космосе

    ​Может ли хорошее финансирование способствовать развитию научного потенциала института? Вопрос, конечно, риторический. Практика показывает: комплексный подход помогает не только продвинуться в исследованиях, но и повысить эффективность работы всей организации, в том числе ликвидировать существующие дисбалансы.
    104
  • 22/09/2016

    «Кремний–2016»: ученые обсудили будущее электроники

    ​На прошедшей в Новосибирске конференции "Кремний-2016" ведущие ученые России и ближнего зарубежья рассмотрели актуальные проблемы физики, материаловедения, свойств наноразмерных структур и состояния разработок в промышленности.
    1143
  • 20/10/2017

    Институт неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН отмечает юбилей

    ​В Институте неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН проходят торжества в честь 60-летия одного из первых институтов новосибирского Академгородка. «Ученым с широчайшим кругом интересов и выдающимся организатором» назвал академика Анатолия Васильевича Николаева, основателя института, его сегодняшний директор член-корреспондент РАН Владимир Петрович Федин.
    126
  • 11/09/2016

    «Кремний-2016» - XI Конференция и X Школа молодых ученых и специалистов по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе

    ​​С 12 по 15 сентября 2016 года  в Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН будет проходить конференция "Кремний-2016". Конференция является продолжением серии научных конференций, посвященных кремнию.
    1627
  • 02/10/2016

    ФАНО России запускает программу внедрения бор-нетронозахватной терапии рака

    ​ФАНО России запускает на базе Института ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН Комплексную программу научных исследований (КПНИ), направленную на внедрение бор-нетронозахватной терапии рака в клиническую практику в России.
    1052
  • 08/11/2017

    Евгений Третьяков: основной посыл Стокгольмской конвенции - организация независимого контроля

    В 1985 году активисты экологических организаций запустили международную кампанию «Грязная дюжина». Своей задачей они ставили привлечь внимание мировой общественности к экологическим проблемам, вызванным применением пестицидов, которые вследствие их явной токсичности крайне опасны – ведут к нарушениям здоровья, а нередко и к смерти, что прежде всего отмечается в странах Третьего мира.
    61
  • 20/12/2016

    Елизавета Лидер: наука в первую очередь состоит из идеи

    ​Новым председателем Совета научной молодёжи СО РАН стала научный сотрудник Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН кандидат химических наук Елизавета Викторовна Лидер. Корреспондент "НВС" побеседовал с ней о «вечных вопросах» молодых учёных: жилье, юридических сложностях взаимодействия с властью, а также о том, почему сегодняшние аспиранты становятся менее инициативными.
    629