Графен останавливает на лету пули, но пропускает протоны

Одноатомный слой углерода графен может творить настоящие чудеса. Он легче и прочнее любых привычных материалов, проводит электричество в десять раз лучше, чем ожидали теоретики, и даже способен предотвращать коррозию металла. Учёные едва ли не еженедельно открывают новые свойства графена, которые позволяют расширить диапазон потенциальных применений этого материала.

Новые исследования физиков показывают прежде невиданные свойства структуры материала. Команда учёных, которая опубликовала свою статью в журнале Nature, сообщила, что графен, будучи невероятно прочным, всё же пропускает сквозь себя протоны. Это, по словам исследователей, открывает возможность использования его в качестве сверхтонкой мембраны в топливных элементах.

"Способность материала пропускать протоны сквозь свою решётку свидетельствует о том, что он может быть использован в качестве мембраны для выделения водорода из воздуха. Затем топливный элемент генерирует электроэнергию, используя атомы водорода", — поясняет ведущий автор исследования Андрей Гейм (Andre Geim) из Манчестерского университета, первооткрыватель графена и лауреат Нобелевской премии по физике 2010 года.

Топливные элементы преобразуют химическую энергию водорода (или других видов топлива) в электроэнергию, разбивая атомы на протоны и электроны: электроны отправляются во внешнюю цепь и генерируют электрический ток, тогда как протоны проходят через мембрану в ячейку. Затем электроны и протоны соединяются вновь на электроде, вступая в реакцию с кислородом.

Современные мембраны, такие как серийный полимер Nafion, имеют толщину всего в несколько микрометров. Однако даже самые высокотехнологичные материалы, используемые в топливных элементах, не могут гарантированно пропускать все атомы водорода и обеспечивать мощный поток протонов. Графен же имеет гораздо больший потенциал в этом деле.

Команда Гейма провела эксперимент по извлечению ионов водорода из воды с использованием графеновой мембраны. Точно такой же принцип используется в работе мембран топливных элементов для воздуха, а потому для наглядной демонстрации принципа работы материала можно было использовать и воздух, и воду.

Графен пропускал практически все протоны, которые сталкивались с мембраной. Эксперимент показал, что графен полностью пригоден для использования в топливных элементах. Однако главным вопросом по-прежнему остаётся стоимость массового производства таких мембран и срок их службы.

В то же время другая команда физиков опубликовала статью в журнале Science, в которой рассказала, что графен превосходит сталь и композитный кевлар в способности останавливать на лету пули. Это позволяет предположить, что однажды броня солдат или скафандр космонавта могут стать абсолютно прозрачными и незаметными — слои графена поместят прямо на коже или поверх одежды.

Графен, как уже было доказано, является самым прочным материалом в мире. Он превышает по прочности даже алмазы. Теперь исследователи решили проверить, способна ли броня из графена выдержать обстрел "пулями": в ходе эксперимента учёные направляли крошечные сферические частицы кремнезёма на слои графена с огромной скоростью.

"Слои графена способны быстро рассеять энергию удара, прежде чем они разрушатся", — рассказывает соавтор исследования Эдвин Томас (Edwin Thomas) из университета Райса.

Как отмечают учёные, данный эффект наблюдается лишь до тех пор, пока скорость "пуль" в момент удара не достигнет скорости звука в материале, а внутри жёсткого лёгкого графена звуковая волна может достигать скорости в 22 километра в секунду, в отличие от всего 332 метров в секунду в воздухе. Композиционный материал на основе графеновых слоёв и других лёгких и прочных материалов, по словам Томаса и его коллег, может стать перспективным материалом для создания брони.

Эти два открытия хоть и позволяют увеличить число практических применений графена, но не решают проблему высокой стоимости материала и сложности процесса его производства. Тем не менее, использование дорогостоящих материалов и технологий может быть оправдано, если речь идёт не о массовой коммерческой продукции, а об уникальных предметах.

Впрочем, если создание дорогостоящего, но эффективного бронежилета ещё может быть оправдано, то высокая цена на топливные элементы вряд ли позволит подобной разработке стать востребованной.