Графен: зазирнемо у майбутнє!
Після того як вчені з Манчестерського університету у 2004 р. відкрили графен — моноатомний шар атомів вуглецю із гексагональною структурою, інтерес до нього набув небувалих масштабів, а пропозиції щодо його потенційного застосування у найрізноманітніших галузях діяльності людини мав просто лавиноподібний характер. На які ж новації можна очікувати у медицині завдяки впровадженню цього дивовижного матеріалу, що, на думку багатьох вчених, може змінити світ?
Графен – надзвичайний матеріал
Коли графен було винайдено, це стало «шоком» для багатьох вчених, адже є дуже дивним той факт, що один шар атомів вуглецю може бути стабільним, особливо за кімнатної температури. Однак він був не лише стабільним, але й, враховуючи ідеальну гексагональну кристалічну решітку, мав надзвичайно високі міцність та електропровідність. Відсутність дефектів у структурі цієї решітки означає відсутність розсіяних електронів, що призводить до дуже сильного, але гнучкого зв’язку між атомами вуглецю.
За своїми електронними властивостями графен відрізняється від тривимірного графіту. Фізики характеризують його як «напівметал» або ж як надпровідник із нульовою шириною забороненої зони. У перерахунку на одиницю товщини графен виявився у 200 разів міцнішим за сталь. Його можна розтягнути на 20%, перш ніж він порветься, що неможливо навіть уявити для інших кристалів. Такі механічні властивості є результатом надзвичайно малої відстані і сильного зв’язку між атомами вуглецю.
Теоретичні розрахунки показують, що «гамак» із графену розміром 1 x 1 м може витримати вагу до 8 кг. Якщо до цього додати, що графен є прозорим і хімічно інертним, то стає очевидним, що матеріал має неабиякий потенціал для використання у найрізноманітніших сферах.
Слід зазначити, що кількість наукових публікацій, присвячених графену, безперервно збільшується. Однак спеціалісти різного профілю іноді застосовують термін «графен» у неправомірно широкому значенні, коли однаково називають одношаровий графен і лусочки окисленого графіту, що містять 150–200 шарів, хоча у них зовсім різні фізичні та хімічні властивості.
Графен — це перший досліджений (однак не єдиний) двомірний кристал. Його решітка утворена атомами вуглецю, впорядкованими у площині в гексагональну структуру, яка виглядає як з’єднані між собою шестикутники. Товщина графену — 1 атом.
У 2010 р. британські фізики Андрій Гейм і Костянтин Новосьолов отримали Нобелівську премію з фізики за «новаторські експерименти з двомірним матеріалом графеном».
Широкі можливості застосування графену
Унікальні властивості графену дозволяють вченим різних галузей пропонувати величезну кількість варіантів його застосування. Перш за все у науковців з’явилася надія на те, що в майбутньому може бути створено повністю «вуглецеву» електроніку, де всі функції будуть виконувати матеріали на вуглецевій основі без традиційних напівпровідників та металів.
Графен – це найперспективніший матеріал для електроніки майбутнього, не лише для подальшого розвитку «класичної» мікроелектроніки, але й у варіанті спінтроніки, нейромереж тощо [1]. Вважають, що повністю «вуглецева» електроніка буде позбавлена цілої низки складних проблем, притаманних сучасній надщільній електроніці, таких як відведення тепла, збільшення швидкодії, зменшення розмірів її елементів тощо.
Міцність графену робить його придатним для створення гнучких небитких екранів для смартфонів, виготовлення надміцних бронежилетів, одержання нових матеріалів для створення космічних апаратів, літаків, автомобілів та багато іншого. Графенові оксидні мембрани можуть знайти застосування в опрісненні води, як фільтри у харчовій та фармацевтичній промисловості, а також у багатьох інших сферах діяльності людини.
Графен в медицині
Що стосується медицини, то у цій галузі також очікуються неабиякі перспективи, зокрема створення більш ефективних медичних сканерів, транзисторів та секвенсорів ДНК.
На особливу увагу заслуговують так звані вуглецеві нанотрубки — алотропна модифікація вуглецю, що являє собою порожнисту циліндричну структуру діаметром від десятих до кількох нанометрів й довжиною від одного мікрометра до кількох сантиметрів (при цьому існують технології, здатні сплітати їх у нитки необмеженої довжини), яка складається з однієї або кількох графенових площин, згорнутих у трубку [2]. З таких нанотрубок можна виготовляти голки для внутрішньоклітинних ін’єкцій.
На думку багатьох вчених, висока механічна міцність графену дозволяє розглядати його як ідеальний матеріал для заміни частин тіла, таких як кістки, а також для пломбування зубів. Завдяки своїй надзвичайно високій електропровідності графен можна використовувати для створення штучних елементів нервової системи. Зазначимо, що вчені з Массачусетського технологічного інституту вже працюють над застосуванням 3D-принтерів для одержання подібних біосумісних матеріалів, використовуючи графен як надпровідник. Вважають, що у майбутньому людство зможе створювати поєднання між біологічними нейронами та електронними пристроями найновіших комп’ютерних розробок.
Читайте також: Дивовижні властивості циклодекстринів
Графен – це перспективний матеріал для створення біомедичних датчиків для діагностики захворювань, виявлення вірусів і токсинів. Так, наприклад, вчені з Університету штату Іллінойс продемонстрували, як за допомогою графену можна виявляти рак за ефектом взаємодії електричного поля навіть однієї ракової клітини з атомами графенового вуглецю.
Дослідники з Техаського університету в Остіні розробили вельми оригінальну методику використання графену для діагностики стану здоров’я людини. Вони створили унікальні прозорі графенові «татуювання», які дають можливість із високою точністю визначати температуру тіла й гідратацію шкіри людини, а крім того, робити електрокардіограму, проводити електроміографію та зчитувати електроенцефалограми для вимірювання електричної активності серця, м’язів і мозку. Роботи в цьому напрямку проводяться інтенсивно, тому, певно, саме в діагностиці слід очікувати найперших ефективних результатів застосування графену в медицині.
Стримуючі фактори
Що ж стримує широке застосування графену в різних галузях, у тому числі в медицині? Головна причина полягає в складності вироблення цього матеріалу. Дотепер вченим вдалося одержати щонайбільший лист графену величиною з банківську картку. За спроби збільшити масштаб такого листа матеріал втрачає свою якість. Крім того, поки що якісний графен має досить високу вартість. Тим не менше песимізм з цього приводу є недоречним, адже людство періодично стикається з подібними проблемами й успішно їх вирішує. Згадайте хоча б, як було вирішено подібну проблему з отриманням чистого кремнію. За приклад може слугувати й алюміній, що був вперше одержаний датським фізиком Гансом Ерстедом у 1824 р. Минуло понад півстоліття, перш ніж розпочалося промислове виробництво цього металу. До того часу алюміній був дорожчим за золото. Так, у 1889 р. британці, бажаючи зробити цінний подарунок великому хіміку Дмитру Менделєєву, подарували йому терези розміром з портсигар, виготовлені із золота та алюмінію.
Нині темпи вдосконалення існуючих технологій або винайдення нових на порядок вищі, тому чекати півстоліття навряд чи доведеться, й, певно, графен невдовзі посяде почесне місце у багатьох з технологій майбутнього, про які йшлося вище. Зазначимо, що в програмі фінансування науки ЄС «Горизонт-2020» особливу увагу було приділено майбутнім технологіям, а один з двох флагманських проєктів — «Графен» — отримав фінансування в розмірі 1 млрд євро.
Внесок вітчизняних вчених
Відрадно, що у справі вивчення такого перспективного матеріалу, як графен, беруть активну участь й українські вчені. Історія знаменитого нині графену розпочалася задовго до того, як майбутні Нобелівські лауреати за допомогою скотча отримали шар вуглецю товщиною один атом. Теоретично властивості подібної «лусочки» намагалися визначити у багатьох країнах, але першим вдалося це групі українських вчених з Інституту теоретичної фізики ім. М.М. Боголюбова НАНУ під керівництвом професора, доктора фізико-математичних наук Валерія Гусиніна (нині — член-кореспондент НАНУ). У 2002 р. вони опублікували у провідному світовому фізичному журналі Physical Review статтю з описом їхніх теоретичних розробок, суть яких полягала у тому, що в шарі графіту товщиною один атом частинки, які потрапили в цю структуру, поводять себе не за законами класичної фізики, а відповідно до релятивістських законів. У цьому ж Інституті академік НАНУ Вадим Локтєв досліджував зонний спектр графену і передбачив появу в ньому енергетичної щілини в разі наявності дефектів у решітці.
Читайте також: Фуллерены – «прекрасные» молекулы с необыкновенными свойствами
Нині дослідження графену проводять і в інших науково-дослідницьких установах України. Так, наприклад, група дослідників з Інституту напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАНУ під керівництвом професора, лауреата Державної премії України В’ячеслава Кочелапа вивчає графен з огляду на його напівпровідникові властивості.
Залишається лише побажати вченим — фізикам і хімікам, біологам і медикам, а також представникам інших професій, всім, хто зацікавився проблемами, пов’язаними з незвичайними властивостями графену, якнайскоріше знайти шляхи реалізації вже існуючих, а також нових ідей його застосування для покращання якості життя людей.
Підготував Руслан Примак,
канд. хім. наук
Список літератури знаходиться в редакції
“Фармацевт Практик” #3′ 2020
