После того как был открыт в 2004 году первый двумерный материал графен, в мире случился настоящий графеновый бум. Крупнейшие страны разворачивали в гонке за лидерство в области графеновых технологий большие государственные программы.

Кроме фундаментальных исследований коллективы по всему миру усиленно стали работать над прикладными разработками — целым классом материалов и устройств нового типа, которые могут быть созданы благодаря необычным свойствам нового материала. В одном лишь Китае, по данным Jiangnan Graphene Research Institute (Китай), к сентябрю 2016 года количество заявок на патенты с применением графена превысило пятьдесят тысяч. Чем обусловлен подобный интерес к двумерному материалу и что сдерживает выход на массовый рынок графеновых технологий.

Тонны графена

Если вам захочется разобраться, как графеновая отрасль устроена, то наткнетесь неизбежно на десятки коммерческих отчетов, оценивающие объемы рынка и ранжирующие страны по количеству ими производимого графена. К примеру, эксперты предрекают, что к 2027 году емкость рынка графена будет составлять три тысячи восемьсот тонн в год. Поэтому неспециалист, исследуя графеновый рынок, может решить, что идет речь о мешках или бочках или вагонах с графеном — о больших объемах двумерного материала, в производстве которого соревнуются весь Евросоюз, Китай, США и другие страны. Конечно, это не так. Сам по себе графен не надо рассматривать в качестве продукции для экспорта, и нельзя обогатиться на нем. Производство графена станет расти, что приведет неизбежно к снижению его стоимости, ведь получить сам графен совсем не проблема. Если первые эксперименты были выполнены на небольших чешуйках графена, отслаивавшиеся от графита при помощи клейкой ленты, то в настоящий момент  получается добывать высококачественный графен большой площади осаждением в печи при высокой температуре на медную фольгу — это очень просто и дешево. Основа для синтеза графена - углеводородные газы и даже нефть. К примеру, не так давно у  ученых из США получилось разработать способ получения графена из природного газа ацетилена. В настоящий момент графен уже продается меньше чем за один евро за квадратный сантиметр, а к 2022 году, как прогнозирует одна из крупнейших компаний-производителей графена, станет стоить меньше евроцента за квадратный сантиметр. Так что квадратный метр графена исследователям обойдется меньше,  чем в сто евро.

Рынок графеновых технологий

Согласно последним данным, в мире насчитывается сто сорок две организации, производящих графен. Но рынок графена в действительности — это не килограммы «графенового сырья», а это технологии на его основе: патенты и прикладные разработки. Все дело в том, что графен, как и прочие двумерные материалы, можно друг с другом комбинировать, получая совершенно новые свойства. Так, к примеру, применение графена и оксида графена в биочипах, технология создания которых уже несколько лет существует, дает возможность увеличить их чувствительность в десятки раз. Использование графена в качестве одного из фоточувствительных элементов матриц камер дает возможность увеличить их чувствительность в сотни раз и сильно расширить их спектральный диапазон.

Возможности подобных комбинаций, как отмечает прозванный отцом графена Андрей Гейм, почти безграничны, и вряд ли все из них мы сумеем реализовать в перспективе хотя бы ближайших пяти десятков лет. Внедрение графена в различные устройства дает огромные перспективы. Но именно здесь нет пока однозначных результатов.

Технологии в массы

Действительно, до сих пор не появилось массовых графеновых технологий, несмотря на серьезные финансовые вливания в данную  область. Основная сложность с широкомасштабным применением графена — это создание работающего устройства. Графен — это двумерный материал, и его использовать в трехмерном мире довольно сложно. Совмещение технологий производства графена с имеющимися технологиями микроэлектроники и прочих отраслей промышленности даст возможность создать целый класс новых продуктов, но как раз это в настоящее время и составляет главную трудность. Выращенный графен можно переносить вручную на ту или иную подложку, но это довольно плохо соотносится с технологиями массового производства. Именно над проблемой интеграции графена в различные устройства трудятся многие исследовательские центры и ученые: ведутся исследования по низкотемпературному росту графена на различных подложках и разрабатываются автоматизированные технологии его переноса. На решение данной проблемы, к примеру, нацелен графеновый центр в Самсунге. Этой проблемой занимаемся и мы на Физтехе в сотрудничестве с датской компанией Newtec. Ее решение — только вопрос времени, а поэтому, если в мире еще пару лет назад  был определенный скепсис по части прикладных разработок на основе графена, то в настоящее время это уже ничем не сдерживаемый оптимизм.

Применения

В настоящее время уже можно с уверенностью сказать: в том или ином виде во всех устройствах будущего будет присутствовать графен или другой двумерный материал. Перечислить все возможные применения графена трудно. Его можно совместить даже биологическими организмами. К примеру, у ученых Университета Тренто (Италия) и Центра по разработкам с использованием графена Кембриджского университета получилось «накормить» графеном пауков, после чего те начали производить паутину, которая была в несколько раз прочнее обычной. Похожую работу совершили китайские исследователи, скормив графен шелкопряду и получив прочную шёлковую нить, которая проводит электричество и может быть использована, к примеру, в носимой электронике.

В одном из своих интервью Андрей Гейм высказывал мысль, что выделять какую-то одну наиболее перспективную область применения даже вредно: «Поле [применений] настолько велико, что сосредоточение в одном из направлений приведет к ослаблению развития в целом». Так или иначе, вы можете быть уверены: в камерах ваших телефонов, в ваших очках или умных контактных линзах, любой гибкой носимой электронике, умных настенных покрытиях, в разрабатываемых сейчас биосенсорах и нейроинтерфейсах и многом другом, не говоря о новых функциональных материалах для любых применений, например, в авиастроении или оборонной сфере — будет графен. Есть области, где этот двумерный материал используется уже сейчас. Теннисисты Новак Джокович, Энди Мюррей и Мария Шарапова играют ракетками, содержащими графен, а Билл Гейтс финансирует создание прочных и тонких графеновых презервативов. Научные конференции сопровождаются шоурумами, где стартапы и лидеры индустрии представляют свои последние разработки. Например, на выставке Mobile World Congress в фервале 2017 года был представлен концепт автомобиля с корпусом из графенового пластика. А в марте на Женевском автосалоне был презентован китайский электромобиль на основе графеновых батарей, который планирует конкурировать с Tesla. И количество приложений будет только расти.

Прогнозы рынка

Вложения в исследования графена — это вложения в светлое будущее, пусть пока и без четкого понимания, каким оно будет. Именно поэтому сейчас так сложно спрогнозировать объемы рынка через несколько лет, по текущим прогнозам, рынок графена в течение десятилетия вырастет в 30-100 раз. Но он может вырасти и в тысячи раз — достаточно только появиться умным контактным линзам с графеном, запустить в серийное производство быстрозаряжающиеся аккумуляторы или разработать любую другую технологию, которую представить сейчас мы не можем. Так же, как когда-то не могли представить, как разовьется рынок лазеров или компьютерной техники.

Двумерный мир

Материалы на основе графена изменят мир, потому что они сами по себе — это уже другой мир, двумерный. Хотя будет это не революционным новшеством, а, как подчеркивает Андрей Гейм, медленной диффузией материала в нашу повседневную жизнь. Рисуя эти картины светлого будущего, нужно ответить на неизбежный вопрос: где же во всем этом Россия, родина нобелевских лауреатов, получивших премию за передовые опыты с графеном? Если в области фундаментальных исследований у нас есть определенные результаты, то о лидерстве в области прикладных разработок говорить пока не приходится, хотя именно конкретные технологические решения будут формировать основную часть рынка графена в ближайшем будущем. О том, что поможет нашей стране не упустить место под солнцем графеновых технологий — в следующем материале серии.