Как графен может изменить нашу жизнь

За его открытие в 2010 году выпускники МФТИ Андрей Гейм и Константин Новосёлов получили Нобелевскую премию по физике. С тех пор этот уникальный материал вызвал беспрецедентный интерес, переросший в настоящую гонку графеновых исследований по всему миру.

В России есть свой, созданный в 2019 году, Институт Графена. Его финансирование осуществляется за счёт частных инвестиций, а также продаж графена и графеновых продуктов. 

По мнению экспертов, применение графена знаменует собой новый эволюционный этап развития человеческой цивилизации, поскольку этот материал позволяет создавать более мощные компьютеры, в частности, графен может стать основой для будущих оптических квантовых компьютеров.

Свойства графена уже нашли своё применение в самых разнообразных сферах, например, примесь графена в машинном масле позволяет снизить износ двигателя, а теннисная ракетка из материала, содержащего графен, будет весить на пару сот грамм меньше обычной. Современное достижение в дизайне одежды – лёгкие и плотные вещи из графена. На основе графена изобрели даже краску для волос, позволяющую изменить их цвет без применения химикатов. Высокая прочность и гибкость графена позволяет его применять для создания небьющихся экранов и гибких мобильных телефонов. Прочность графена используют для повышения противоударных свойств бронежилетов, шлемов и экспериментальных образцов карбидокремниевой брони для ударных вертолетов. А исключительно высокая теплопроводность графена натолкнула исследователей на идею его применения в системах охлаждения космических спутников. 

Американская оборонная компания Lockheed Martin запатентовала графеновый фильтр, превращающий солёную воду в пресную. Предполагается, что он сможет на 99% снизить энергетические затраты на опреснение.

Сегодня графен широко изучается на предмет возможности его применения в сфере энергетики. Уже известно, что использование графена вместо селенида индия (InSe) или кремния (Si) позволяет не только  удешевить производство солнечных батарей, но и существенно повысить их эффективность. Графеновые солнечные батареи способны генерировать электроэнергию даже в дождливую погоду.

В Университете Арканзаса учёным удалось уловить тепловое движение графена и преобразовать его в электрический ток. Физики доказали, что графен способен вырабатывать энергию с помощью окружающей среды. В этом смысле графен открывает невероятные перспективы по созданию источников питания на основе водорода, которое практически исключает образование отходов.

В последнее время графен и материалы, созданные на его основе, привлекают огромное внимание исследователей ввиду их исключительных физико-химических, противовирусных и противомикробных свойств, которые можно использовать, в том числе, для борьбы с распространением Covid-19. Например, в Швейцарии уже создали на основе графена покрытие, реагирующее на частицы коронавируса и других возбудителей болезней изменением своей структуры. 

Вместе с тем, графен биосовместим и может взаимодействовать с живыми клетками, что создаёт беспрецедентные возможности для создания внешних и имплантированных устройств, в том числе, для персонализированной диагностики. 

Сама идея создания мобильного биосенсора, позволяющего удалённо отслеживать здоровье пациента, не нова – все слышали, например, о компактных глюкометрах, производящих экспресс-анализ содержания глюкозы в крови. Сегодня уникальные электронные свойства графена позволяют исследователям продвигаться всё  дальше в направлении миниатюризации электроники. В частности, уже не первый год ведутся разработки так называемых “лабораторий на чипе”, сенсоры  которых обладают повышенной чувствительностью к определению биомаркеров. Среди прочего, они позволяют измерять показатели иммуноглобулина, ДНК, а также биомаркеры сердечно-сосудистых заболеваний.

К примеру, в Имперском колледже Лондона разработали микролабораторию, способную за считанные минуты обрабатывать и предоставлять результаты  ПЦР-теста, а сотрудники Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне впервые создали биосенсорный датчик на основе графена, обнаруживающий ДНК раковых клеток в крови. Причём, прибор способен выявить сверхнизкие концентрации молекул, что позволяет диагностировать заболевание даже на ранних стадиях. В свою очередь, китайским учёным удалось получить многообещающие результаты применения графена в исследованиях не только диагностики, но и лечения раковых заболеваний. Интерес к графеновым беспроводным наносенсорам проявили и корейские учёные, которым удалось встроить глюкозный сенсор в контактные линзы.

На сегодняшний день “Лаборатория на чипе” – это инновационное решение, позволяющее оперативно, в режиме реального времени оценивать состояние организма.

Однако, учёные с уверенностью прогнозируют появление в недалёком будущем возможностей и для осуществления дистанционного лечебного воздействия. 

Отдельная и, пожалуй, самая любопытная сфера применения графеновой биоэлектроники – это нейронауки. В своё время учёные из Университета Триеста в Италии и Кембриджского университета в Великобритании доказали возможность совместимости графена с нейронами головного мозга. Теперь в лабораториях по всему миру разрабатываются технологии изготовления и вживления нейродевайсов, считывающих активность нейронов, для решения отдельных исследовательских задач. И хотя сами принципы передачи информации между отдельными нейронами и их группами пока остаются до конца неизвестными, исследователи уже достаточно близко подошли к пониманию механизмов влияния на архитектуру нейронной сети с помощью микрофлюидных технологий. 

Известно, что разработкой нейрочипов с графеновыми транзисторами, которые можно имплантировать в мозг, активно занимаются в немецком исследовательском Институте Биоэлектроники, а также в Техасском Центре для разработок микроэлектроники. Некоторые из таких устройств уже были успешно протестированы на крысах и мышах. Разработчики полагают, что в перспективе графеновые нейродевайсы смогут облегчать жизнь людям с нейродегенеративными заболеваниями. 

Важно отметить, что использование графена в медицинских девайсах также позволит в будущем осуществлять беспроводное взаимодействие между устройствами. По мнению экспертов, встраивание в чип энергосберегающей графеновой схемы сможет обеспечить его чистой, безграничной, низковольтной энергией для бесперебойной работы небольших устройств или датчиков. В свою очередь, в Технологическом институте Джорджии продемонстрировали возможность создания миниатюрных наноантенн из графена, с помощью которых тысячи устройств нано- и микро-уровня смогут обмениваться данными посредством технологий беспроводной связи. При этом, терагерцовый диапазон, в котором функционируют графеновые наноантенны, сможет обеспечивать передачу данных со скоростью, не уступающей существующим беспроводным технологиям. 

В контексте вышеупомянутых разработок, касающихся инноваций в биоэлектронике, следует упомянуть о нашумевшем не так давно патенте от Microsoft под номером WO2020060606, в котором описывалась специальная система датчиков для отслеживания данных мониторинга активности человеческого тела и мозга, например, о выделенном тепле, частоте пульса или мозговой активности.

Данная разработка призвана исключить необходимость в специализированном оборудовании для генерации криптовалюты, требующей высоких затрат энергии. В Microsoft прогнозируют, что их разработку также можно будет использовать для контроля рабочего времени или для стимулирования рядовых пользователей соцсетей. Например, за каждый просмотр рекламы пользователь будет получать цифровой актив. 

Если до недавнего времени для большинства оставалось загадкой, каким образом всё это станет возможным, ведь конечная реализация идеи предполагает постоянное наличие у пользователя устройства для хранения и передачи данных – и речь здесь идёт отнюдь не о смартфоне или смарт-браслете…То в свете анализа последних разработок по использованию графена в современной биоэлектронике имплементация патента Microsoft выглядит уже вполне правдоподобной.