Эти устройства кремниевой фотоники – последние дополнения к сложной инфраструктуре, обеспечивающей удовлетворение наших вычислительных и коммуникационных потребностей. Они используют взаимодействие кремния со светом и электронами, чтобы получить высокоскоростной канал коммуникаций, который может создаваться недорогим методом массового производства. Кремний снова предложил, как себя применять. Это технология завтрашнего дня. А что будет послезавтра? На горизонте появилась одна особенно привлекательная возможность, и она вновь исходит от углерода.

Новое вещество, с виду мелкоячеистая проволочная сетка, имеет потенциал, чтобы стать чудесным материалом XXI в., способным изменить мир в большей степени, чем кремний. Однако история его получения и применения – рассказ не о группе талантливых предпринимателей из солнечной Калифорнии, а об использовании карандаша и липкой ленты в одной из исследовательских лабораторий на севере Англии. В начале нынешнего тысячелетия выходцы из России профессор Андрей Гейм и его студент Константин Новоселов работали в Университете Манчестера, где занимались исследованием нового типа транзистора, изготовленного не из полупроводника наподобие кремния, а из проводникового материала. Они надеялись создать устройство меньших размеров, более быстродействующее и энергосберегающее по сравнению с любыми другими. Гейм и Новоселов начали эксперименты с графитом, состоящим из тонких слоев атомов углерода, расположенных друг над другом. Он используется для изготовления грифелей карандашей. Когда вы пишете карандашом, то оказываете давление на кончик грифеля, и тонкие углеродные слои графита ложатся на бумагу, образуя буквы и слова.

В течение многих лет ученые исследовали необычные свойства структур, состоящих из чистого углерода. Способность углерода создавать связи с самим собой позволяет получать разнообразные типы углеродных молекул, включая также длинные цепочки и кольца, образующие основу углеводородных видов топлива. В 1985 г. команда исследователей под руководством Гарри Крото из Университета Райса в Хьюстоне создала напоминающую футбольный мяч клетку из шестидесяти атомов углерода, названную Buckminsterfullerene [91]. Несколько лет спустя полые цилиндрические углеродные нанотрубки стали «чудесным материалом» 1990-х гг. Ученых заинтересовало, нельзя ли изготовить из атомов углерода тонкий лист. Большинство думало, что он окажется непрочным и сморщится, когда толщина составит всего один атом.

Однако в процессе исследования свойств тонких слоев графита Гейм и его студент сделали удивительное открытие. Используя обычную липкую ленту для снятия чешуек с куска графита, они смогли получать все более и более тонкие листы, снижая их толщину всего до нескольких атомов. В конце концов, взглянув в микроскоп, они увидели, что добились того, что многие считали невозможным: получился листа углерода толщиной всего в один атом – графен. Гейм и Новоселов начали исследовать свойства нового материала, и череда сюрпризов продолжилась. Оказалось, что это самый прочный материал в мире, в 300 раз прочнее стали [92]. Согласно расчету, требуется поместить слона на вертикально поставленный карандаш, чтобы проломить несколько слоев графена общей толщиной, как у клейкой ленты. Графен сочетает прочность с высокой эластичностью и электропроводностью. Он может оказаться лучшим в мире проводником тепла и электричества, превзойдя медь и серебро, и иметь практически нулевое сопротивление при комнатной температуре [93]. Но самое главное, что он самый прозрачный из всех существующих материалов. «Это было очень необычно, – говорит Новоселов. – Каждый раз, работая с графеном, мы обнаруживали что-то новое и интересное: его оптические, электрические и механические свойства уникальны» [94].

Первые результаты исследований опубликованы в 2004 г., и в дальнейшем работа ученых продолжала вызывать огромный научный и коммерческий интерес [95]. В 2010 г., всего шесть лет спустя, Гейм и Новоселов были удостоены Нобелевской премии по физике. При объявлении имен лауреатов представитель Шведской королевской академии наук заявил: «Углерод, основа всей жизни на земле, удивил нас еще раз» [96]. Углерод – самое многообразное из всех химических веществ. Как ископаемое топливо он способствовал развитию цивилизации, предоставляя энергию для производства, торговли и коммуникаций; в виде двуокиси углерода может изменить наш мир снова, оказывая постоянное воздействие на климат и образ жизни; в виде графена может кардинально изменить многие товары, которые делают нашу жизнь комфортнее. Его прозрачность и проводимость могут использоваться в солнечных батареях и сенсорных панелях; прочность и гибкость – для корпусов морских судов и космических кораблей; полупроницаемость – в антибактериальных бинтах и фильтрах для воды [97]. Литий-ионный аккумулятор с анодом из графена может иметь зарядную емкость в десять раз больше и заряжаться во много раз быстрее, чем существующие аккумуляторы. Такие устройства, как телефоны, где используются графеновые транзисторы, могут быть сделаны настолько тонкими, что их можно будет скатать в трубочку и заложить за ухо.

Графен действительно обладает огромным потенциалом, но достоинства многих недавно открытых материалов часто преувеличивались [98]. Я хорошо помню технологический оптимизм 1950-х гг. И в научно-популярных журналах, и в комиксах рисовали будущее, в котором уран удовлетворит все энергетические потребности, обогреет дома, станет автомобильным топливом и даже позволит регулировать климат на планете с помощью щелчка тумблера. Титан, более прочный, легкий и антикоррозионный, чем сталь, должен был стать такой же неотъемлемой частью современной жизни, как и железо. Даже родственный графену материал, Buckminsterfullerene, пока мало где применяется, а углеродные нанотрубки не оказали значительного влияния на промышленность.

Графен подтвердил свой потенциал в лабораторных условиях. Окажется ли он основой революции в производстве новых товаров – вопрос экономики и производства, а не науки; коммерциализация новых материалов обычно требует больших затрат времени, сил и денег. Скорее всего, свое первое коммерческое применение он найдет в пленочных сенсорных экранах и «электронной бумаге», но самых больших чудес, вероятно, придется подождать несколько десятилетий, если они вообще случатся [99]. И все же графен – отличный пример того, как химические элементы, исследованные любознательными людьми и получившие практическое применение благодаря людям изобретательным, снова и снова могут удивлять нас, раскрывая новые качества и возможности, продолжающие преобразовывать мир.

Я подозреваю, что люди любого возраста в любой стране полагают, что их время в истории человечества бежит быстрее, чем у предыдущих поколений. Возможно, они правы. Сегодня практически всё – от научных открытий до роста населения, – по-видимому, происходит быстрее. Решения принимаются мгновенно и передаются более широкой аудитории, а их влияние ощущается в невиданных масштабах. То, что мы делаем сегодня, сильнее влияет на человечество, чем то, что сделано вчера. Наши сегодняшние способы использования химических веществ – основа того, что будет делаться завтра. Еще в XVI в. Агрикола предупреждал: «Хорошие люди используют их во благо, и тогда они полезны. Дурные же используют их плохо, и тогда они вредны» [1]. Интересно, как бы выглядел его практичный и реалистичный совет сегодня.