Двигатели и тормоза графеновой революции

Если датировать старт миропомешательства на графене присуждением Нобелевки, то можно сказать, что графеновые технологии слишком юны. В истории человечества еще ни одна технология не внедрялась в повседневность быстрее, чем за 20–30 лет.

«Главная проблема в том, что все графеновые материалы чересчур революционные, то есть у каждого потенциального применения уже есть своя более-менее устоявшаяся индустрия. Чтобы поменять то, что уже используется, надо многое переделывать — а это небыстро и непросто», — комментирует Даниил Столяров, главный исполнительный директор Graphene 3D Lab, Inc., один из основателей Graphene Laboratories, Inc.

Например, для усиления пластика и укрепления композитов сейчас широко используются углеродные волокна, с ними работать гораздо проще, и уже устоялась процедура того, как их можно добавлять в полимеры, чтобы улучшить их свойства, а для графена все процессы надо разрабатывать с нуля. И если дело не касается моды или рекламы, то многие компании пока решают «не заморачиваться», но ситуация меняется. Сейчас индустрия на том уровне, что сам графен уже могут делать хорошо и в больших количествах. Дело стоит за коммерциализацией. Те, кто работает с графеновыми материалами сегодня, не только создают новые технологии, но и пытаются сделать так, чтобы замена старых продуктов не вызывала сложности у пользователя.

Оптовая цена однослойного графена, произведенного технологией химического осаждения из газовой фазы, евро за см2

Коммерческому потребителю графен нужен в двух основных формах: в виде пленок и в виде «обогащенных» материалов.

Для выхода пленочного графена из лабораторий в «жизнь» есть основной технологический барьер: подложки, на которых можно вырастить графен, отличаются от материалов, необходимых для приложений. Согласно комментарию Елены Поляковой, проблемы возможно решить не с помощью улучшений, а только за счет какого-то нового революционного прыжка вперед, поэтому сложно предсказать, когда это все будет широко использоваться.

В технологической области, связанной с производством графеносодержащих («обогащенных») материалов, нет особых проблем, есть понимание технических процессов. Их разработка и внедрение имеет коммерческий смысл. Графен сам по себе все еще относительно дорогой (стоит более 100 долларов за кг). Но его количество, достаточное для улучшения свойств материала, добавляет к стоимости продукта не более чем несколько долларов за килограмм.

Графен интересен для индустриальных покупателей в двух формах. Первая — тонкие пленки в один атом толщиной, которые обычно нанесены на подложку. Такие моноатомные пленки могут быть использованы при разработке фотодетекторов, гибкой электроники и солнечных батарей. Вторая форма — порошки из графена с толщиной от одного до нескольких монослоев. Эти материалы возможно изготавливать в больших количествах. Такие порошки добавляют в полимеры, керамику и металлы. Кроме того, их используют для изготовления аккумуляторных батарей, суперконденсаторов и проводящих чернил.

Графен интересен для индустриальных покупате, их используют для изготовления аккумуляторных батарей, суперконденсаторов и проводящих чернил.

Другие игроки

«Спасибо профессорам Гейму и Новосёлову, главный их вклад — то, что они привлекли много внимания: больше людей узнало про графен и начало им играться. Многие компании начали пытаться внедрять графен в продукты, но в 2010–11 году не было такого выбора графеновых материалов, как сейчас. Поэтому большое количество компаний попробовали “поиграть” с графеном, у них что-то не получилось, и они перестали. Сейчас наблюдается вторая волна интереса: производство налажено, процессы хорошо поняты, мы можем производить материалы в больших количествах по разумной цене. Мы идем к тем компаниям, у которых 7 лет назад что-то не получилось, и сейчас мы стремимся возродить в них интерес», — рассказывает о динамике «графенового рынка» Елена.

Хотя у графенового супермаркета довольно большая аудитория, размер самого рынка маловат, чтобы говорить о конкуренции. Пока графеновые технологии — это небольшой мир, где все друг друга знают и не соревнуются между собой. Если когда-либо графен будет использоваться в больших количествах, то те, кто сегодня делает и продает графен, помогают вывести материал на рынок. Опять же, история показывает, что для внедрения нового материала нужно, чтобы его производили как минимум 7 компаний. Если нельзя материал купить из нескольких разных мест, ни одна из крупных компаний не захочет рисковать. Поэтому все игроки — не конкуренты, а скорее соратники по оружию.

«Что касается материалов для 3D-печати, то и в этом случае мы конкурируем с другими компаниями, производящими их. Также мы делаем проводящие клеи — в этом случае мы соревнуемся не с графеновыми компаниями, а с компаниями, производящими проводящие клеи. Людям ведь не так важно, есть ли внутри клея графен или нет, а важно, чтобы сопротивление было ниже какого-то уровня», — комментирует Елена ситуацию с конкуренцией в занимаемых ее проектами областях рынка.

То есть в целом важно не то, будет ли именно графен в составе новых клеевых материалов, а то, смогут ли ученые изготовить, а бизнесмены — преподнести и продать продукт, как и в любой другой инновационной области.

Гонка сооружений

Мир графеновых технологий не ограничивается сегментами, занятыми компаниями Поляковой и Столярова. Существуют отдельные группы организаций, занимающихся производством самого графена. Есть компании, производящие продукты на основе графена, их в списке ресурса graphene-info.com более пятидесяти.

Отдельный пласт — компании, которые связаны с добычей графита. По словам Алексея Арсенина, в Китае чуть ли не любая графитодобывающая компания открывает при университетах графеновые центры в надежде на новые применения своего сырья. Графит многими рассматривается как основное сырье для графена, тут уж грех не поисследовать и не попробовать урвать кусочек нового рынка.

Гибкая графеновая пена — перспективное сырье для батарей. Источник: i-graphenelab.com

Если говорить об именах, то ACS MATERIAL, NANOGRAFI, Graphenea — это братья Graphene Supermarket. Haydale наряду с Graphene 3D Lab производят модифицированные графеном материалы для 3D-принтеров. Большие компании тоже «в теме»: Xiaomi и Huawei уже используют графен в смартфонах и наушниках, Samsung и LG работают над его внедрением в аккумуляторы своих устройств. Совсем недавно Ford анонсировал использование графена для дополнительной шумоизоляции в своих автомобилях.

В Китае настоящий графеновый бум. Энергетические компании открывают исследовательские лаборатории по применению графена. Красивый пример — начало масштабного производства электрических кабелей из медно-графенового композита, разработанного в рамках сотрудничества китайцев с австралийским университетом (Университетом Нового Южного Уэльса). В случае успешной коммерциализации и замены существующих кабелей разработка способна сократить энергетические потери китайской промышленности на объемы годового потребления Австралии. И всего, куда находчивые китайские ученые и бизнесмены пристраивают графен, не перечесть.

Китай оценивает текущий рынок графена в 1,4 млрд. $, а к 2020 г. дает оценку более 14 млрд. $ (согласно www.chinadaily.com.cn и www.researchandmarkets.com). Рынок только графеновой полупроводниковой индустрии по данным McKinsey на 2030 г. оценивается в 70 млрд. $, а рынок связанных полупроводниковых технологий (обработка данных, беспроводные коммуникации, бытовая электроника) оценивается в 190 млрд. $. Прогнозом не охвачены другие связанные с графеном технологии (сенсоры, нейроинтерфейсы, энергетика и композитные материалы, системы очистки воды и прочее).

Устройство для контроля уровня глюказы в крови на основе графена. Источник: www.extremetech.com

Не углеродом единым

Графен — самый популярный из двумерных материалов, наиболее изученный и освоенный. Но вся область 2D технологий — это целый неизведанный мир. И есть фирмы, которые этот мир активно осваивают.

«Никто толком не знает ничего о свойствах двумерных материалов. Здесь все только начинается. Здесь своя физика, своя поверхностная химия. Эти материалы будут использованы для разработки электронных устройств будущего, которые придут на смену существующей электронике. Смартфоны, известная носимая электроника не будут вечными — им на смену придут другие устройства, которые будут встраиваться в одежду или, например, контактные линзы. Такие материалы интересны для интерфейсов мозг–компьютер, здесь нет никакой фантастики, над этим работают», — поясняет ситуацию Алексей Арсенин.