Исследование и производство графена
 
Институт Графена

Перспективы графена

Графеновые технологии развиваются самыми высокими темпами среди всех видов технологий и технических направлений – более 40% в год. Объем мирового рынка, по оценкам экспертов, составит:

к 2025 г. – 60 млрд. долларов,

к 2035 г. – 360 млрд. долларов,

к 2045 г. – до 1 трлн. долларов.

Наблюдается сильная дифференциация финансирования по регионам и отраслям:

Европа – более 1 млрд. долларов на исследования;

США и Канада – около 1 млрд. долларов;

Индия и Китай – около 300 млн. долларов;

Россия – менее 1 млн. долларов;

остальной мир – около 50 млн. долларов.

Хотя, поскольку сегодня графеновый рынок только складывается, наметить действительные темпы его роста и даже очертить его границы сложно. Поэтому, справедливости ради, следует заметить, что в различных исследованиях цифры могут заметно различаться.

По подсчетам СМИ, сегодня в мире работает до полутора сотен графеновых «фабрик», а рыночная цена материала составляет менее 1 евро за квадратный сантиметр. Однако, себестоимость графена непрерывно падает. По прогнозам компании Graphenea, к 2022 году она снизится в 100 раз.

Поскольку крупные корпорации уже начинают активно использовать графен, можно считать, что он уже «идет в массы». В магазинах появляются все новые графеносодержащие товары, и в какой-то момент таких товаров станет абсолютное большинство.

Графен должен служить человеку везде! Как уже отмечалось – добавьте графен в любой материал, и он станет долговечнее и устойчивее к внешним воздействиям. Теннисисты Мария Шарапова и Новак Джокович играют ракетками с графеном. В Северо-Западном университете США на его основе разработали суперстойкую краску для волос. Специалисты в Нью-Йоркском университете установили, что два слоя графена могут приобрести алмазную прочность, что открывает путь к созданию тонкого и незаметного пуленепробиваемого бронежилета. Этот новый материал получил название диамен. А Билл Гейтс вложил деньги в компанию по производству графеновых презервативов: эти точно не порвутся.

Девелоперы планируют подмешивать графен в бетон при строительстве зданий в сейсмоопасных районах. Автопрому графен нужен, чтобы удешевить корпус автомобиля, а в перспективе и вовсе заменить металл на пластик. Еще актуальнее эта задача для аэрокосмической отрасли, ведь чем легче самолет или ракета, тем меньше расходуется топлива. Новейшие модели лайнеров – американский Boeing 787 и российский МС-21 – почти наполовину состоят из композитных материалов.

Особо заинтересована в графене энергетика. Испанский нефтегигант Repsol вложился в компанию Graphenea: материал необходим для буровых растворов и покрытия трубопроводов. В судостроении его уже применяют для покрытия (покраски) судовых корпусов.

Графеновая пленка оказалась отличным фильтром для воды, поскольку она пропускает молекулы воды и при этом задерживает все остальные. Возможно, это поможет снизить стоимость опреснения морской воды. В Манчестерском университете разработаны масштабируемые сита из оксида графена для фильтрации морской воды.

В Массачусетском технологическом институте разработана технология, позволяющая делать в листах графена отверстия определённого диаметра и получать сверхтонкие фильтры для высокой степени опреснения и очистки воды.

В феврале 2018 года специалисты Объединения научных и прикладных исследований Австралии (CSIRO) предложили дешёвый способ массового и недорогого производства подходящих листов графена. По мнению представителей CSIRO, разработанная технология позволит отказаться от дорогостоящих и многоступенчатых методов очистки воды и способна привести к прорыву в решении проблемы нехватки питьевой воды.

В медицинских исследованиях графен демонстрирует противораковые свойства. В частности, окись графена выборочно поражает стволовые клетки, относящиеся к категории раковых. Показано, что инфракрасное излучение, которое генерирует графен при нагревании, ускоряет регенерацию клеток организма, нормализует кровообращение и метаболизм.

В «умных» часах графен используется в качестве прозрачных электродов в сенсорных экранах, заменяя дорогой оксид индия-олова. А в перспективе экраны гаджетов станут гибкими – здесь пригодится способность графена к механическому растяжению. Еще один класс гаджетов, которые должен породить графен – сверхчувствительные камеры и датчики. Оптические сенсоры на основе графена в сотни раз расширят диапазон действия, обеспечив видимость при плохой погоде и недостатке освещения, а также смогут «просвечивать» объекты насквозь.

Большой интерес для энергетики представляет бетон, модифицированный графеновыми добавками (добавки модификатора – водной графеновой пасты в количестве примерно 0,1% в бетонную смесь). Такой бетон демонстрирует беспрецедентный диапазон улучшенных свойств по сравнению со стандартным бетоном. В частности, он демонстрирует:

Необычайное улучшение свойств бетона, включая увеличение сопротивляемости нагрузкам:

— от 90% до 146% — увеличение прочности;

— заметное, в разы, снижение времени «застывания» свежего бетона;

— заметное снижение (на величину от 250% до 400%) водопроницаемости по сравнению со стандартным бетоном, что является чрезвычайно востребованным свойством для длительного срока службы бетонных конструкций, находящихся в воде, и делает этот новый композитный материал идеально подходящим для строительства в местах, подверженных затоплению. Такой бетон не имеет конкурентов при строительстве и ремонте плотин, установке фундаментов линий электропередач и фундаментов опор ветроустановок. Графеновый модификатор позволяет уменьшить содержание цемента в бетоне, и тем самым значительно снижает цену за кубометр бетона.

Главные же графеновые инновации ожидаются в сфере биотехнологий. Сегодня уже существуют нейроинтерфейсы, с помощью которых, например, можно вылечить слепоту, имплантировав в глаз искусственную сетчатку. Но пока это сложные, массивные, не слишком эффективные вещи. Графен позволит их модифицировать: электроды станут точнее, займут меньше места. Сначала будет наполнен рынок нейропротезов, а затем появятся люди-киборги, подключающие мозг к компьютеру и записывающие свои мысли. Когда-то это казалось фантастикой, но с появлением графена технологическая платформа для киберпанк-будущего, как считают специалисты, готова.

В журнале Oncotarget опубликована статья, в которой показано, что применение графена дало положительный результат в борьбе против шести разных видов рака.

Ученые преуспели в формировании ультрафиолетового излучения с поверхности графена. Это может пригодиться для производства совершенно новых УФ-ламп на основе графена без использования токсичной ртути, которую сегодня пока приходится применять в таких лампах, используемых для уничтожения бактерий и вирусов.

Ученые проводят опыты по прямому «апгрейду» живых организмов с помощью графена: пауки и шелкопряды, которым этот материал подмешали в корм, стали сильнее и начали плести более прочную нить.

Приведенные примеры дают лишь приблизительное представление о разнообразии графеновых технологий и степени интереса к ним в мире.

Сегодня в мире графен и технологии на его основе активно используются в аэрокосмическом секторе, автомобильной промышленности, биомедицине и здравоохранении, электронике, энергетике, экологии и ряде других секторов экономики. Иначе говоря, сегодня уже трудно назвать такую область знаний, куда бы ни проникли, в том или ином виде, технологии с использованием графена.

Надо понимать, что графен – это не технология. Это материал, а технологий на его основе смогут быть тысячи.

Да, пока графен в России  недооценивают. Но вспомним, как в XIX веке и к алюминию относились скептически, а сегодня он везде. Если же учесть, что помимо графена скоро появятся сотни других двумерных материалов, то нам открывается целый новый мир.

По мнению экспертов, о разворачивающейся гонке сегодня можно судить по научной активности. В 2010 году графен упоминался в 0,2% публикаций, в 2016-м – в 1% (для сравнения: теме полупроводников посвящены 0,8% статей, золоту – 0,9%; данные Web of Science). Если в 2010-м число заявок на патенты по графеновой теме не превышало 6 тыс., то в 2016-м их стало 50 тыс., в 2019 году их число уже превысило  60 тысяч (данные Scopus).

Лидирует в исследованиях графена Китай, которому принадлежит более половины публикаций и заявок на патенты. В 2013 году в Поднебесной создали Инновационный альянс графеновой промышленности, затем сделали индустрию новых материалов одним из приоритетов 13-й пятилетки (2016-2020 гг.). Цель Пекина – забрать себе 80% мировой индустрии графена.

«Чудо-материал» пользуется господдержкой и в других странах. В Евросоюзе запустили проект Graphene Flagship: вложения в 2014-2020 годах оцениваются в 1 млрд. евро. В британском Манчестере, где графен и появился на свет, решили не отставать: в эпоху промышленной революции город считался «хлопковой столицей», сейчас же власти продвигают бренд Graphene City. Потратив 235 млн. фунтов от правительства Великобритании и заручившись поддержкой компании Masdar из ОАЭ, в 2015 году в Лондоне открыли Национальный графеновый институт. А в Сингапуре еще в 2010-м вложили $300 млн. в создание местного Центра двумерных материалов.

По числу исследований графена Россия находимся на 14-м месте в мире (данные Web of Science за 2014-2016 годы). Причем их процент в числе научных публикаций РФ падает: в 2000-х годах он составлял 5,6%, а сейчас только 2,3%. По числу высокоцитируемых статей вся Россия уступает одному только Центру двумерных материалов Сингапура. Ситуация c патентами тоже запущена.

В мире началась гонка за лидерство в производстве графена и материалов с его добавками. Но, к сожалению, Россия в этом процессе практически  не участвует. То ли по незнанию, а точнее, непониманию преимуществ этих технологий, то ли по присущему нам сегодня безразличию ко всему происходящему вовне. Хотя, как это нередко бывало в истории развития науки и техники, родоначальниками исследования этого уникального материала являются воспитанники российской физической школы — Андрей Гейм и Константин  Новоселов. Но выполнили они эти свои эпохальные работы, за которые получили Нобелевскую премию, уже покинув Родину, в Манчестерском университете. А Россия сегодня плетется в хвосте развития этого направления.

Приходится констатировать, что сегодня на долю России приходится, только 0,003% продаж графеновых компонент и продуктов (на 2 порядка ниже, чем в Индии и Израиле). Хотя, по некоторым оптимистичным прогнозам экспертов, потребность в графеновых компонентах на российском рынке оценивается примерно в 165 млн. долларов (к 2025г.) и 1,5-2 млрд. долларов к 2030г. При этом следует отметить, что сегодня, когда графеновый рынок только складывается, наметить темпы его роста и даже очертить его границы весьма сложно.

В России сегодня графеновой тематикой занимаются от силы несколько десятков научных лабораторий. Еще меньшее число научных центров производят собственный графен, причем в очень ограниченных количествах (граммы, десятки граммов) и далеко не всегда достаточно высокого качества. В подавляющем большинстве отечественных научных разработок используется довольно низкосортный, однако достаточно дешевый графен из Китая.

При этом запустить национальный графеновый «стартап» еще не поздно. Если в микроэлектронике догнать лидеров сложно, то в профильных для России областях – аэрокосмической промышленности и оборонке – это реально. И можно констатировать, что сегодня рынок двумерных материалов в России начинает набирать обороты. И если в будущем мы хотим занять на нем серьезную долю, у нас на счету буквально каждый месяц. А пока нашей стране приходится выступать в роле догоняющей. Однако, хочется верить, что у России еще есть шанс успеть вскочить на подножку стремительно уходящего поезда по имени ГРАФЕН, и, возможно, в ряде областей даже пробиться в лидеры этого принципиально нового направления в науке и технике.