Графен и чешуйки

ГрафенГрафен — шестая кристаллическая модификация углерода (предыдущие пять — графит, алмаз, карбин, фуллерен, нанотрубки). Другие модификации, если не считать интересные фазы, получаемые в плазматроне (см. «Химию и жизнь», 2004, № 4), пока неизвестны человечеству. Первые две используют давно, две последние вызвали большую шумиху в научной печати, но серьезных прорывов как в научном, так и практическом плане с их помощью достигнуто не было. Благодаря уникальным электронным свойствам графен обладает большим потенциалом для практического применения, что и отмечено в решении Нобелевского комитета. Однако хорошие возможности еще не означают их практического воплощения. Более того, не исключено, что практически важным окажется как раз не графен, единичный лист из углеродных шестиугольников, а сверхтонкий графит, который состоит из нескольких таких слоев. Причина — в особенностях графеновой технологии.

Есть несколько способов изготовления графена. Первый — механическое расслоение — годится для исследователей, но никак не подходит для массового производства. А что подходит? Например, расслоение графита химическими методами. О них рассказал на страницах «Angewante Chemie International» (2010, т. 49, DOI: 10.1002/anie.201004096) Ханс Петер Боэм из мюнхенского Университета Людвига Максимиллиана. Сырьем тут служит оксид графита, который с 30х годов XX века получают в смеси концентрированных серной и азотной кислот. Серная кислота, проникая в межслойные пространства графита, разлагает его на отдельные слои, и получается гидросульфат графита. При его гашении хлоратом или перманганатом калия образуется гидратированный оксид графита с общей формулой С8О2(ОН)2, а выход реакции — 96%. Поначалу такое вещество назвали графитовой кислотой, однако потом разобрались, что это коллоидный раствор, содержащий прозрачные и бесцветные чешуйки.

В 1932 году Ульрих Хофман измерил их толщину: она оказалась равной 0,6 нм, что в два раза больше толщины графена. Если обработать их сильным восстановителем, например гидразином или ионами Fe2+, либо быстро нагреть до 200—325оС, то большинство гидроксигрупп исчезнет и получится слегка скомканный графеновый листок размером в десяток микрон.

Поверхность этих чешуек отрицательно заряжена, и они не слипаются друг с другом, но образуют устойчивый золь. К сожалению, такой графен сильно загрязнен, в нем много дефектов и проводимость гораздо ниже, чем у графена, полученного механическим методом. Однако этим путем можно получить много относительно дешевого графена, и если, например, использовать его как наполнитель для композитов, то такой недостаток будет незаметен. Кстати, недавно мы рассказывали о похожем материале — однослойном монтмориллоните, который позволяет делать прочную и газонепроницаемую упаковочную пленку (см. «Химию и жизнь», 2009, № 10).