Российские ученые разработали технологию получения малослойного графена — перспективного материала для создания высокопрочных композитов с новыми полезными свойствами. Особенность способа — в использовании в качестве сырья лигнина. Это вещество остается в виде отходов при производстве спиртов, целлюлозы и бумаги. Его переработка в графен попутно может решить ряд проблем. В том числе предотвратить экологическую катастрофу, которая угрожает озеру Байкал.
Для чего используют графен
Исследователи из Физико-технического института (ФТИ) имени А.Ф. Иоффе разработали технологию получения малослойного графена. По словам авторов проекта, невысокая стоимость производства сделает полученный продукт востребованным во многих отраслях промышленности.
Справка «Известий»В настоящее время графен считается одним из наиболее перспективных материалов. За его открытие ученые Андрей Гейм и Константин Новоселов в 2010 году получили Нобелевскую премию. В идеальном (однослойном) виде это углеродная пленка толщиной в один атом. Вместе с тем материал обладает необычайно высокими прочностью, теплопроводностью и электропроводностью. Эти свойства, в частности, позволили нобелевским лауреатам создать из графена самый маленький в мире транзистор.
— Существуют тысячи научных работ, в которых показаны феноменальные возможности для применения этого материала. Однако реальной продукции, которую можно «пощупать руками», практически нет. Причина — огромная себестоимость получения графена. Она может доходить до 1 млн рублей за 1 кг. Поэтому за пределами лабораторий его применение пока нерентабельно, — рассказал «Известиям» один из авторов разработки, ведущий научный сотрудник Лаборатории физики кластерных структур ФТИ Сергей Кидалов.
Ученый добавил, что в настоящее время во всем мире идет «графеновая гонка». Ее цель — разработка новых и недорогих способов получения этого материала. Первый, кто освоит эти технологии, получит громадные экономические дивиденды.
Методика, разработанная петербургскими учеными, позволяет синтезировать микрокластеры из трех-пяти слоев графена. С такими характеристиками можно использовать полученный продукт без дополнительной обработки.
— Круг применений синтезируемого нами материала огромен. Например, при добавлении его даже в небольших количествах он в разы улучшает свойства известных композитов, — пояснил Сергей Кидалов.
Он добавил, что только в проверенных в ФТИ вариантах среди потенциальных разработок на основе малослойного графена — высокопрочные и термостойкие полимеры, системы для ускорения химических реакций, сорбенты для очистки воды от радиочастиц. А если посмотреть шире, то к этим идеям добавятся токопроводящие чернила и электронные ткани и многое другое. Ряд работ института по созданию высокотехнологичных графеновых материалов с новыми свойствами поддержан грантами Российского научного фонда.
Как спасти озеро Байкал
Суть технологии состоит в том, что графен можно получать из лигнина — органического сырья, которое остается при производстве спиртов, целлюлозы и бумаги. По данным Международного института лигнина (Швейцария), в настоящее время в мире производится порядка 40–50 млн т этого вещества. Причем его львиная доля остается в отвалах и отстойниках в виде непереработанных отходов.
В России особую обеспокоенность экологов вызывают 6 млн т лигнина с различными примесями, которые размещены вблизи южного побережья озера Байкал. Эти хранилища могут разрушиться из-за эрозии почв или быть смыты селевыми потоками с окружающих горных хребтов. Тогда токсичные отходы окажутся в акватории водоема. Переработка лигнина позволит избежать этих сценариев.
По предложенной технологии, лигнин будут перерабатывать в графен с помощью реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Это процесс типа горения, при котором волна тлеющего огня, в которой локализовано тепловыделение, медленно перемещается внутри порошкообразного вещества.
— После первичного нагрева процесс идет самостоятельно, что очень выгодно. В ходе реакции по исходной смеси идет температурная волна около 2000 ℃. Такой процесс позволяет сначала развалить молекулу исходного вещества на углеродные остовы, а затем создать необходимые условия, чтобы осколки самоорганизовались в нужные нам графеновые плоскости, — описал технологию Сергей Кидалов.
Он отметил, что сейчас лабораторная установка позволяет получать до 10 кг графена в месяц. При этом технология легко масштабируется до любых объемов. По словам ученых, цена этого материала при промышленном производстве может быть в 10 раз ниже рыночной стоимости.
Как пояснил Сергей Кидалов, изначально технология была предложена доктором химических наук Александром Возняковским. В перспективе ее можно также применять и для переработки других биоотходов. Например, коры хвойных деревьев, стружки и опилок, которые в большом количестве остаются при деревообработке.
— На самом деле востребованность графена пока вызывает сомнения. Например, в Европе реализуют программу Grafen flagship по поиску практических применений этого материала. На эти цели выделили более €1 млрд. Однако, судя по последним отчетам, по этой программе пока получены единичные положительные результаты, — поделился своими мыслями ведущий научный сотрудник Центра проектирования, производственных технологий и материалов Сколковского института науки и технологий Станислав Евлашин.
Поэтому сложно сказать, что именно стоимость графена сдерживает его применение. Но если новый способ покажет свою рентабельность, это даст толчок развитию целого класса новых продуктов, подчеркнул эксперт.
По его мнению, одно из интересных решений — создание графеновых датчиков, поскольку этот материал позволяет регистрировать малейшие воздействия на него. Эти устройства, например, откроют дорогу к созданию сверхчувствительных приборов в медицине или сканеров структуры вещества нового поколения.
— Лигнин играет важную роль в природе, скрепляя волокна растений и деревьев и придавая им форму. Но в производстве это вредный компонент, который делает бумагу хрупкой, поэтому его удаляют. При этом лигнин плохо разлагается, и остаются его залежи. Поэтому проблема его переработки актуальна, — прокомментировал «Известиям» разработку питерских ученых директор Ботанического сада МГУ им. М.В. Ломоносова Владимир Чуб.
По его словам, существующие технологии (например, утилизация штаммами бактерий или грибов либо переработка в гумус) — пока экономически не оправдывают себя. Возможно, предложенная разработка станет прорывом в этом направлении.