Процесс получения графена, открытый Андреем Геймом и Константином Новоселовым, которым была присуждена Нобелевская премия по физике за 2010 год «За инновационные эксперименты с двухмерным материалом графен» открыл масштабные перспективы для использования его в различных областях науки и техники. Лауреатам удалось «продемонстрировать, что монослойный углерод обладает исключительными свойствами, которые проистекают из удивительного мира квантовой физики», отметили в Нобелевском комитете. Исследования графена позволило за очень короткий срок обнаружить много действительно интересных свойств этого замечательного материала, позволяющего найти множество решений в различных вопросах, которые ученые не могли раскрыть ранее и с которыми сталкиваются и сегодня.
Графен, в определенном смысле, может полностью трансформировать наше общество и нашу цивилизацию. Это материал, который изучали ученые по всему миру за последние 20 лет, обнаружив при этом много действительно интересных свойств этого крайне перспективного материала. Пленки графена удивительно прочны и упруги. Графен имеет очень высокую теплопроводность, что в сочетании с высокой электропроводностью обеспечивает возможность прохождения электрического тока в миллион раз превосходящего максимально возможный ток в пленках меди. В графене каждый атом связан с 3 другими атомами углерода в двухмерной плоскости, при этом один электрон остается свободно доступным в третьем измерении для электронной проводимости. При повышенных температурах, согласно распределению Ферми–Дирака, некоторая часть электронов переходит в зону проводимости, а в валентной зоне остаются «дырки». Это и предопределяет достаточно высокую электропроводность графена при комнатных температурах. Электроны проводимости, и «дырки» в графене имеют нулевую эффективную массу, т.е. они не могут быть неподвижными, а все время перемещаются со «скоростью Ферми», которая в графене составляет примерно 106 м/с, то есть, является уже релятивистской. Этим обусловлены очень высокая подвижность носителей электрического заряда в графене, минимум на 2 порядка превышающая их подвижность в кремнии, и «баллистический» характер их движения вдоль пленки. Длина свободного пробега электронов проводимости и дырок в графене при комнатных температурах превышает 1 мкм. Графен обладает и магнитными свойствами. Секрет магнетизма графена заключается в угле наклона одного слоя вещества по отношению к другому. При определенном угле наклона графен начинает проявлять сильнейшие магнитные свойства и в нем возникает явление сверхпроводимости, которое раньше достигалось лишь охлаждением металлов до сверхнизких температур. Изменив трехмерную структуру графена, ученые смогли превратить «обычный» графен в магнитный графен, что само по себе позволяет использовать этот необычный материал в различных областях.
Наиболее значимое и наиболее интересное применение графена – это возможность генерировать электрический ток. В условиях ограниченности на Земле запасов ископаемого топлива и ускоряющейся динамики повышения спроса на электроэнергию, создание генерирующих мощностей с использованием графена представляет собой одну из приоритетных позиций развития энергетического сектора.
Самое захватывающее открытие касается того, что многие физики, в том числе знаменитый Ричард Фейнман, всегда считали невозможным, а именно — найти способ получения энергии за счет движения самих частиц. Уникальность графена в том, что это единственный материал, колебания атомов которого приводят к возникновению «графеновой» волны, которая видна под микроскопом с большим разрешением. Сейчас в научном мире считается доказанным, что графен не может существовать в 2D-плоскости, он должен вести себя как 3D-материал для обеспечения необходимой стабильности. «Лазейкой» является смещение подвижных атомов, что и придает графену свойства третьего измерения. Иными словами, графен никогда не был 100 % плоским — он вибрировал на атомарном уровне так, чтобы его соединения не подвергались спонтанному распаду. Группа физиков Манчестерского университета под руководством Пола Тибадо доказала, что дело в так называемых «полетах Леви» — шаблонах небольших случайных колебаний, сочетающихся с внезапными, резкими сдвигами. В атомном масштабе физики видели их впервые. Измеряя скорость и масштаб этих графеновых волн, Тибадо предположил, что их можно использовать для извлечения энергии из окружающей среды, — «Это ключ к использованию движения 2D-материалов в качестве источника неиссякаемой энергии. Тандемные вибрации вызывают рябь в листе графена, что позволяет извлечь энергию из окружающего пространства, используя новейшие нанотехнологии».
Исследователи из Массачусетского технологического института также работают над созданием устройства на основе графена, которое может преобразовывать окружающие терагерцевые волны в постоянный ток. «Мы окружены электромагнитными волнами в терагерцовом диапазоне», — говорит ведущий автор Хироки Исобе, постдок в Лаборатории исследования материалов MIT. «Если мы сможем преобразовать эту энергию в источник энергии, который мы можем использовать для повседневной жизни, это поможет решить энергетические проблемы, с которыми мы сталкиваемся сейчас».
Holger Thorsten Schubart, президент научно-технологической компании Neutrino Energy Group
Манчестерский университет и Массачусетский технологический институт хорошо известны в мире в качестве учебных и научных учреждений, однако задача создания источников энергии на основе применения графена, которую они ставят в качестве научной цели исследований, давно уже решена частной научно-исследовательской компанией Neutrino Energy Group во главе с математиком Holger Thorsten Schubart, который еще в 2014 году на ежегодно проводимом в Германии Bundespresse Bal объявил о разработке Neutrinovoltaic технологии, позволяющей преобразовывать энергию окружающих полей излучений невидимого спектра, включая кинетическую энергию нейтральных частиц нейтрино, имеющих массу, а также теплового (броуновского) движения атомов графена, входящего в состав многослойного наноматериала, в электрический ток, опередив научных и технических конкурентов и зафиксировав собственный приоритет. Основа технологии – многослойный наноматериал из чередующихся слоев графена и легированного кремния, наносимых послойно на металлическую фольгу. Колебания атомов графена, вызывающие появление «графеновых» волн за счет взаимодействия магнитного и электрических полей, вызывают появление электродвижущей силы в каждом слое графена.
Движение электронов в одном направлении достигается путем нанесения пленочных покрытий каждого слоя легирующими элементами, создающими p-n переход, пропускающий электрический ток только в одном направлении, т.е. возникает эффект тонкопленочного диода. Многослойность наноматериала обеспечивает решение задачи по получению максимально возможной электрической мощности с единицы поверхности, так как один слой графена не может обеспечить достаточную мощность для промышленного применения. В настоящее время с пластины 200х300 мм удается получить напряжение 1.5 В и силу тока 2 А. Электрогенерирующий блок брутто-мощностью 7 кВт, состоящий из таких пластин, имеет размер 800х400х600 мм. О пути, пройденном от идеи до изобретения и внедрения Holger Thorsten Schubart рассказал в интервью:
На сегодняшний день графен, по-видимому, является лучшим кандидатом для производства чистой энергии. Первым промышленный выпуск Neutrino Power Cubes бестопливных генераторов начнет завод в Швейцарии, который практически закончил техническую реконструкцию для начала работы. Консорциум инвесторов принял решение о строительстве в Корее гига-фабрики по выпуску Neutrino Power Cubes, запуск производственных мощностей планируется в конце 2024 года с целью достигнуть ежегодного выпуска генераторов к 2029 году общей мощностью 30 ГВт. На финишной прямой переговоры с еще рядом стран о строительстве подобных мощностей.
Автор: к.т.н. Румянцев Л.К.
