Графен, рожденный из искры

Сажа под микроскопом. Структуры внизу снимка в виде ленты – графен. Фотография сделана на растровом электронном микроскопе при различном увеличении и ускоряющем напряжении 11,02 кВ. Фото из архива автора

Впервые полученный нашими соотечественниками Константином Новоселовым и Андреем Геймом в 2004 году графен из экзотического материала превращается в рядовой объект исследования. Оба они в 2010  году за это открытие были удостоены Нобелевской премии по физике. Графен находит применение в самых различных случаях – от получения прочных композитов, покрытий до всевозможных устройств электроники (см. «НГ-науку» от 23.09.15, с. 14.).

Графен представляет собой двумерный аллотропный (аллотропия – существование двух и более простых веществ одного и того же химического элемента, различных по строению и свойствам) углерод толщиной в один атом. При этом прочность этой моноатомной пленки превосходит прочность металлов в десятки раз при близкой к ним электропроводимости. К тому же графен прозрачен.

Потребность в графене с каждым годом растет. Ограничивает его широкое применение лишь дороговизна и трудоемкость получения. Часто для этого требуется использование токсичных веществ, редких катализаторов и большого количества энергии.

Года три назад появились результаты исследователей из Университета штата Канзас (США) под руководством профессора Криса Серенсена, которые случайно (как указывают авторы) получили графен взрывным методом. Для производства этого взрыва оказалось достаточно иметь углеводородный газ, кислород и свечу зажигания. Метод оказался крайне простым. Камера сгорания заполнялась смесью газов (ацетилена или этилена и кислорода), с помощью автомобильной свечи вызывалась детонация смеси газов. Оставалось только собрать с внутренних стенок камеры сгорания сажу, которая после изучения оказалась графеном.

Экспериментальная установка, на которой проводятся эксперименты по взрывному получению графена. Фото автора

Американские специалисты не планировали получить графен, рассчитывали лишь на углеродистый аэрозольный гель. Но им повезло, хотя не зря говорят, что везет тем, кто везет. В итоге был предложен экономически выгодный, экологичный и простой способ получения графена. Авторы запатентовали его в прошлом году.

По иронии судьбы, похожая камера (из высокопрочной нержавеющей стали) для исследования параметров внутреннего взрыва газовоздушных смесей (индивидуальных, пропан-бутановых и т.п.) уже использовалась года четыре на кафедре процессов горения Академии Государственной противопожарной службы МЧС России. Причем использовалась не только для проведения экспериментальных исследований, но даже для демонстрационных показов студентам. Более того, и поджиг газовых смесей в камере осуществлялся с помощью автомобильной свечи.

Естественно возникло предположение о возможности образования графена и при работе нашей установки, хотя режимы ее работы отличались от экспериментов американских исследователей. Они проводили работы в «детонационном» режиме при скоростях распространения пламени по горючей газовой смеси (ацетилена и кислорода) близких к скорости звука. Наша группа совместно с сотрудниками Института проблем химической физики Российской академии наук из Черноголовки (Наталья Акентьева, Надежда Дремова, Владимир Торбов) исследовала подобные процессы при дозвуковых скоростях и на иных газовоздушных смесях (пропан-бутановых без накачки кислорода). В остальном подходы были схожими.

После того как с помощью ватных дисков были взяты пробы «сажи» с внутренних стенок камеры, нами были сделаны многочисленные снимки (один из них приводится) и самих сажевых частиц (агломератов), и, с очень высокой вероятностью, графена в виде ленты. Сажа с ватных дисков переносилась на липкие ленты и далее – на твердые подложки. Сейчас планируется отработать отбор проб в виде «порошков» с использованием маленьких пластмассовых пробирок или стеклянных пузырьков.

Работы для исследователей достаточно, так как можно менять состав горючей смеси, скорость нарастания давления, линейную скорость распространения пламени, температуру взрыва, да и саму сажу следует изучить подробнее. Но это уже рутинные исследования, не исключающие, впрочем, каких-то сюрпризов. А основной итог работы – получен графен простым методом, не требующим больших энергозатрат. Необходима лишь искра от свечи зажигания.