Меж алмазом и графитом
Удивительные кристаллические свойства углерода связаны с тем, что это самый легкий из элементов, имеющий четыре валентных электрона. Высочайшая твердость алмаза определяется тем, что каждый атом соединен с четырьмя соседями прочными химическими связями, образующими жесткий каркас. В графене же каждый атом связан лишь с тремя соседями, и все атомы кристалла располагаются в углах, заполняющих плоскость правильных шестиугольников. А вот роль четвертого валентного электрона каждого атома существенно иная. С одной стороны, он оказывается как бы лишним и потому свободным, обеспечивая электропроводность получившейся структуры. С другой — усиливает три основные связи в кристаллической решетке, в результате чего расстояния между соседними атомами в углеродном листе оказываются даже короче, чем в алмазе (0,14 нм против 0,15), а по прочности на разрыв он превосходит алмаз.
Но разве не так устроены слои в кристаллической структуре графита, которую изучают в школе? Совершенно верно, графит как раз и есть толстая пачка графеновых листов. Вместе их удерживают не прочные химические связи, образованные валентными электронами, а слабое межмолекулярное взаимодействие, ведь, по сути, углеродные слои можно рассматривать как гигантские плоские молекулы. Расстояние между ними в 2,4 раза больше, чем между атомами внутри слоя. Слои легко скользят друг по другу, что позволяет делать из графита так называемую твердую смазку.
Еще недавно считалось, что плоские кристаллические решетки существовать не могут — они обязательно свернутся в нанотрубку 1. При этом давно известно, что решетка обычного графита 3 состоит как раз из таких плоских слоев, слабо сцепленных друг с другом, поэтому графит оставляет на бумаге след. Заслуга Гейма и Новоселова в том, что они научились получать графит с плоской решеткой — графен 4 — и исследовали его свойства. В частности, межатомные связи у него оказались сильнее, чем в решетке алмаза 2, поэтому графеновая пленка обладает уникальной прочностью. Фото: SHUTTERSTOCK, ЮЛИЯ БЛЮХЕР
Парадоксы двумерного мира
Физики изучали графен более полувека, но... лишь теоретически. Дело в том, что на практике выделить графеновый лист ни у кого не получалось. Более того, Лев Ландау в свое время доказал, что это и невозможно сделать. Даже если получить каким-то способом свободный одноатомный лист графена, он не останется плоским, как лист бумаги, а сразу потеряет устойчивость и скомкается или свернется в нанотрубку. Ведь у одноатомного слоя нет никакого сопротивления изгибу, и, соприкоснувшись между собой, участки графенового листа немедленно «склеиваются» теми самыми межмолекулярными силами, которые скрепляют листы в графите.