Графеном называется принципиально новый материал – пленка из углерода толщиной в один атом (рис. 1.5), представляющая собой плоскую решетку из атомов углерода, соединенных в шестигранники (стопка таких слоев образовала бы графит) [6]. Графен прозрачен, но невероятно прочен [7]. Характерной особенностью графена является очень высокая подвижность носителей заряда и теплопроводность [8]. Создатели графена прочат ему большое будущее при создании новых материалов, а также суперкомпьютеров будущего, где размеры логических схем будут уменьшены в миллионы раз.

 

Свернутый в трубку лист графена представляет собой одну из модификаций этого удивительного вещества – нанотрубку (рис. 1.6.)

Рис. 1.6. Один из способов воображаемого изготовления нанотрубки из молекулярного слоя графена [9]

Нанотрубки – протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров или гигантские молекулы, состоящие только из атомов углерода. Способ сворачивания нанотрубок из листа графена – угол между направлением оси нанотрубки по отношению к осям симметрии графена (угол закручивания) – во многом определяет её свойства. Конечно, никто не изготовляет нанотрубки, сворачивая их из графитового листа. Нанотрубки образуются сами, например, на поверхности угольных электродов при дуговом разряде между ними. При разряде атомы углерода испаряются с поверхности и, соединяясь между собой, образуют нанотрубки самого различного вида: однослойные, многослойные и с разными углами закручивания. В зависимости от угла закручивания нанотрубки могут обладать высокой, как у металлов, проводимостью, а могут иметь свойства полупроводников [10].

Если поместить графен в газообразный водород и пропустить через газ электрический ток, молекулы водорода распадутся на атомы, которые присоединятся к исходному материалу, образуя новое вещество – графан. Атомы водорода присоединяются к атомам углерода поочередно: один сверху «листа», другой снизу, немного деформируя плоскую структуру исходного материала (рис. 1.7). В отличие от графена, который является проводником электрического тока, графан представляет собой диэлектрик.

 

Рис. 1.7. Графан [11]

 

По мнению исследователей, данное свойство нового материала потенциально может быть использовано при производстве сверхминиатюрных транзисторов, поскольку позволяет решить одну из главных проблем развития графеновой электроники – сложность создания проводящих контуров. Добавление атомов водорода к графену позволит получать на нем регионы графана. Подобными регионами диэлектрика можно, например, разделить лист исходного материала на множество проводящих полос. Кроме этого, новый материал может найти применение в водородной энергетике. В частности, международная группа исследователей установила, что нагрев графана приводит к высвобождению атомарного водорода. Напомним, что одной из основных проблем водородной энергетики является создание эффективных способов хранения водорода. Одним из наиболее перспективных направлений исследований является получение материалов, способных хранить «топливо» в связанном состоянии, в данном случае в виде графана [11].