Просто графен

Санкт-Петербург.2019

Автор идеи 
и научный редактор серии
СЕРГЕЙ ДЕМЕНОК

УДК 53 + 67
ББК  30.37
П82

П82 

ISBN 978-5-907127-17-3

©  Яковлева Т. С. перевод   
 на русский язык, 2018
© ООО «Страта», 2019

 
 
Просто графен. — СПб.: Страта, 2019. — 98 с., 
илл. — (серия «Просто»)

 
ISBN 978-5-907127-17-3

Графен называют новым технологическим прорывом, который можно применить везде. Графен тоньше и прочнее алмаза, он может проводить электричество гораздо лучше меди 
и кремния. Открытие графена называют одним из самых удивительных событий в физике XXI века.
Двое ученых, выходцев из России, создали чудо-материал 
буквально на коленке и получили за его открытие Нобелевскую премию по физике в 2010 году.
С этого времени графен предопределяет развитие многих инновационных сфер научной и промышленной деятельности: это решение проблемы чистой воды, загрязнения 
окружающей среды и изменения климата; перспектива создания полноценных конечностей, органов и даже нервов; экологичные источники энергии; гибкие дисплеи смартфонов 
и сверхтонкая одежда, выдерживающая низкие температуры; 
быстрые компьютеры и легкие прозрачные самолеты...

Все права защищены. Никакая часть настоящей книги не может 
быть воспроизведена или передана в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами, будь то электронные или механические, включая фотокопирование и запись на магнитный носитель, 
а также размещение в Интернете, если на то нет письменного разрешения владельцев.
All rights reserved. No parts of this publication can be reproduced, sold or 
transmited by any means without permission of the publisher.

 

УДК 53 + 67
ББК  30.37

год. Нобелевскую премию по физике получили Андрей 
Гейм, 51 год, и Константин Новоселов, 36 лет. И если предыдущие российские лауреаты (Жорес Иванович Алферов, 
2000 г., и Виталий Лазаревич Гинзбург, 2003 г.) награждались за достижения, сделанные еще в советский период, 
Новоселов и Гейм получили премию за открытие, датированное 2004 годом. А это по меркам Нобелевского комитета буквально только что.

ВВЕДЕНИЕ.  
ПРОСТЫЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ БОЛЬШОЙ НАУКИ

Квантовая теория Планка, теория относительности Эйнштейна, радиотелеграф Попова, открытие черных дыр Шварцшильдом — все это создавалось в условиях малого финансирования и недостатка кадров, часто одним-двумя людьми 
в скромных лабораториях. Научные проекты XXI века, напротив, требуют огромных бюджетов и, соответственно, целых команд. Но в настоящей книге мы поговорим об объекте, который 
опроверг эти установки.
Вернемся к колоссальным научным открытиям, совершенным с наступлением миллениума.
В начале XXI века был опубликован проект «Геном человека» с суммой финансирования 3 млрд долларов США от государственной компании плюс 300 млн долларов США от частных лиц.
В 2013 году командой, работающей в ЦЕРНе с Большим 
адронным коллайдером, был открыт бозон Хиггса (непосредственно сам коллайдер и работа над ним стоили более 5 млрд 
долларов США).
А в 2016 и 2017 годах мир получил из обсерваторий LIGO 
открытие гравитационных волн. Стоимость открытия составила более 1 млрд долларов США, в проекте приняли участие более 1000 ученых. Впечатляющие цифры, не так ли?
А теперь давайте отправимся в Манчестер, к двум ученым русского происхождения, у которых помимо крошечного 
бюджета на развитие имелась только парочка блоков графита и несколько рулонов клейкой ленты… И этих составляющих оказалось достаточно, чтобы совершить технологический 
прорыв XXI века: ученые разработали сверхтонкий и вместе 

Введение. Простые решения для большой науки 

с тем сверхпрочный материал, имеющий огромную практическую ценность.
Бывшие советские граждане, выпускники МФТИ, впервые 
встретились, когда Андрей Гейм курировал Константина Новоселова в его докторантуре в Университете Рэдбуд в Неймегене, 
Нидерланды. На тот момент Гейм уже был состоявшимся ученым в области естественных наук, известным своими причудами и нестандартным мышлением. Почему? Десятилетием ранее 
получения Нобелевской премии Гейм был награжден Шнобелевской премией 1 1 за левитацию лягушек и хомяков с помощью магнитного поля! Можно считать это событие началом 
истории графена. Итак…

ЛЕВИТАЦИЯ ЛЯГУШКИ  
И МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ

Если вы когда-либо играли с двумя магнитами, то знаете, 
что, когда они выровнены от Северного полюса к Северному 
или от Южного полюса к Южному — они будут отталкиваться. 
При использовании достаточно сильных магнитов таким образом можно заставить один из них зависнуть (буквально парить) 
над другим. 
Это свойство имеет широкое практическое применение, 
например, в устройстве маглевов — поездов на магнитных подушках. Разработка маглевов началась в начале XX века в разных странах. Так, немецкий изобретатель Альфред Зейден 
в 1902 году получил патент на конструкцию поезда с линейным 
двигателем, а спустя несколько лет Франклин Скотт Смит разработал прототип поезда на электромагнитном подвесе.
В конце 1940-х годов британский инженер Эрик Лэйзвейт, 
известный как отец маглевов, разработал первый рабочий 
полноразмерный прототип линейного асинхронного двигателя. В 1960-х он участвовал в разработке скоростного поезда 
Tracked Hovercraf, но проект закрыли из-за нехватки средств. 
Первый в мире прототип поезда на магнитной подушке с лицензией для перевозки пассажиров появился уже в 1979 году. 
Это был Transrapid 05 . В 1980-х проекты по созданию скоростных поездов разрабатывались и реализовывались в Англии, Германии, США, Корее, Китае и Японии.
Технология магнитного подвеса основана на трех подсистемах: левитации, стабилизации и ускорении. Такие поезда используют электромагнитное поле, сила которого изменяется 
во времени. Рельсовое полотно выполнено из проводника, а поезд вместо колесных пар оснащен опорными и направляющими 
электромагнитами. Система левитации работает с помощью батарей, установленных на борту поезда, которые подзаряжаются 
линейными генераторами, встроенными в опорные магниты. 
Если поезд вдруг остановится, он сможет достаточно долго левитировать на батареях. Эта технология называется EMC, на ее 
основе сконструированы поезда Transrapid, например, шанхайский маглев.

Левитация лягушки и магнитные поля 

Чтобы заставить многотонной поезд буквально плавать 
в воздухе, необходимы очень высокие мощности, однако это 
становится возможным благодаря обычному свойству отталкивания между магнитом и куском металла, в котором магнит 
индуцирует магнитное поле.
Как известно, магнит не действует на живые существа. 
Тем не менее, Андрей Гейм вместе с Майклом Берри из Бристольского университета заставили лягушку парить в воздухе 
с помощью только одного электромагнита. Как же возможна 
магнитная левитация живых существ?
Такие материалы, как железо, кобальт и никель относятся 
к магнитным. А как лягушка или хомячок смогут парить в магнитном поле? Дело в том, что живые существа 
и все вокруг нас состоит из миллиардов атомов 
вместе с электронами, вращающимися вокруг 
ядра. Если же лягушку поместить в сильное магнитное поле, электроны поменяют свою орбиту, 
что обеспечит их атомам собственное магнитное поле. Таким образом, лягушка сама состоит 
из множества маленьких магнитов, это явление 
известно как диамагнетизм. Оно распространяется и на другие 
материалы: воду, золото или клубнику, также являющиеся диамагнетиками.
Возникает логичный вопрос: а как же притяжение Земли? 
Сила гравитации кажется очень мощной. Но если осознать, что 
гравитационное влияние всей Земли не может справиться с маленьким магнитиком, который крепко держится на холодильнике, можно понять, что гравитация в разы слабее электромагнетизма.
Лягушки были выбраны в качестве объекта для эксперимента, потому что они легкие и у них большое содержание воды. 
Изначально эксперимент проводился над капельками воды, 
а потом уже над живыми существами.
Главной проблемой при работе с животными оказалась следующая: мощное магнитное поле может создать электрический 
ток в мозге. Это наблюдается в медицинском процессе, известном как транскраниальная магнитная стимуляция, при котором 
сильные магниты, расположенные возле черепа, воздействуют на мозг. На низких частотах они полезны, но в достаточно 

Магнитная 
левитация

Просто графен

сильном поле индуцированные токи могут вызывать судороги 
(в экспериментах лягушки не пострадали).
В 2001 году Гейм, наделенный своеобразным чувством юмора, опубликовал в солидном журнале по физике статью о возможностях использования магнитной левитации, 
а в соавторы взял своего хомяка, замаскировав 
в списке авторов его звериную сущность инициалами. Гейм утверждал, что хомяк внес непосредственный вклад в эксперимент, послужив предметом левитации. Но после опыта хомяк испытывал 
стресс, а лягушка выглядела спокойной.
Летающая 
лягушка

ИСТОРИЯ ГРАФИТА

Графен — это слой графита толщиной в один атом, одна 
из кристаллических форм углерода. Мы все время от времени 
используем графит в повседневной жизни, например, из графита сделан стержень для карандаша. Раньше для этих целей использовали другие, на первый взгляд весьма странные вещества.
Считается, что первые карандаши появились в XIV веке 
и представляли собой глинистый черносланцевый стержень, 
завернутый в кожу. Позднее сланец был заменен порошком 
из жженой кости, замешанным с растительным клеем. Но прародителями карандаша считаются свинцово-цинковые и серебряные палочки, состоящие из куска проволоки, которую 
иногда припаивали к ручке, их называли серебряными карандашами. Писать такими инструментами было тяжело, да и линии 
выходили не особо четкими.
В XVI веке для ведения записей начали использовать графит, за короткое время он стал настолько популярен, что европейские залежи «черного мела» отрабатывались очень быстро. 
Это продолжалось вплоть до открытия месторождения графита в Кемберленде, Англия. Тогда монархом был издан указ, 
в котором запрещалось вести добычу «черного мела» дольше 

Рис. 1.  
Кристаллическая 
решетка графита

Просто графен

полутора месяцев в год и вывозить его за границу. Поэтому весь 
графит того времени в Европе имел контрабандное английское 
происхождение, а цены на него взлетели до небес.
В то же время французы изобрели «парижский карандаш», 
состоящий из черной сажи и светлой глины, отличавшейся 
особой мягкостью. Сначала графит использовали в виде палочек только для рисования, а с появлением у них обертки — 
и для письма. В трактате о минералах Конрада Геснера 1565 года 
имеется первое описание карандаша из графита, вставленного 
в дерево.
Графит удобно использовать в качестве пишущего предмета 
из-за его кристаллической структуры (рис. 1).
Мы привыкли думать, что кристаллы прозначные и твердые, 
поэтому при упоминании кристалла представляем бриллиант. 
Но любой элемент или соединение с постоянной повторяющейся структурой, где атомы связаны в решетку, является кристаллом. Например, металлы тоже кристаллы, хоть они сильно 
не похожи на бриллианты. И графит, как и бриллиант, является 
кристаллической формой углерода, но с другим расположением 
атомов.
Кристалл графита состоит из множества тонких и прочных 
слоев, способных легко отделяться друг от друга при давлении. Это свойство и нашло применение в стержне карандаша. 
Оно же помогло и в производстве графена, потому что графен 
не что иное, как слой графита в один атом толщиной.
Но след карандаша на листе бумаги содержит множество 
слоев графита, а в случае с графеном вы не смогли бы разглядеть, что написали: он невероятно мал.
Как же Новоселову и Гейму удалось произвести столь тонкое удивительное вещество?