Nobelova nagrada za otkriće agrafena. Kako su "junk fizičari" iz Rusije dobili Nobelovu nagradu

U Stokholmu su objavljena imena dobitnika Nobelove nagrade za fiziku 2010. godine. Bili su to profesor Andrej Gejm i profesor Konstantin Novoselov. Oba laureata, koji rade na britanskom univerzitetu u Mančesteru, dolaze iz Rusije. Andrei Geim (52) je državljanin Holandije, dok Konstantin Novoselov (36) ima rusko i britansko državljanstvo.

Najprestižnija naučna nagrada na svijetu, koja ove godine iznosi oko 1,5 miliona dolara, dodijeljena je naučnicima za otkriće grafena, ultra tankog i izuzetno izdržljivog materijala, a to je karbonski film debljine jedan atom.

O tome koje su se poteškoće pojavile prilikom otkrića grafena i kakva je praktična primena ovog materijala, Aleksandar Sergejev, naučni urednik časopisa Vokrug Sveta, govori u emisiji Radija Sloboda:

Sama činjenica da su naučnici dobili grafen je izuzetna. Teoretski, grafen je predviđen pola veka pre njegove sinteze. U školi su svi prošli kroz strukturu grafita - ovo je obična olovka. Atom ugljika formira tanke slojeve koji se više puta nanose jedan na drugi. Svaki sloj se sastoji od heksagonalnih ćelija koje se, poput saća, spajaju jedna s drugom.

Problem je bio da se jedan sloj odvoji od gornjih i donjih. Za jedan sloj ovog dvodimenzionalnog kristala, tako nazvanog jer nema treću dimenziju, predviđena je gomila zanimljivih fizičkih svojstava. Bilo je mnogo eksperimenata. Ali nije bilo moguće postići odvajanje jednog sloja od svih ostalih sa stabilnim rezultatom.

Andrey Geim i Konstantin Novoselov su smislili način na koji su mogli da izoluju ovaj sloj i da se potom uvere da je zaista jedan. Naučnici su tada mogli izmjeriti njegove fizičke osobine i potvrditi da su teorijska predviđanja bila manje-više tačna. Ovaj eksperiment je vrlo jednostavan: naučnici su uzeli običnu olovku, komad grafita. Samoljepljivom trakom sa nje je skinut sloj grafita, a zatim su ga počeli skidati. Kada je ostalo 1-2 sloja, grafit je prebačen na silikonsku podlogu.

Zašto su svi prethodni eksperimenti propali? Zato što je (a to je teoretski predviđeno) grafenski film, dvodimenzionalni kristal ugljika, nestabilan na uvijanje. Čim bude u slobodnom stanju, odmah će početi da se gužva. Postojalo je čak i takvo mišljenje da je grafen nemoguće izolovati. Posao naučnika obavljen je 2004. godine, a 2009. je već dobijen komad grafena. Odnosno, list grafena veličine skoro centimetar. A sada govorimo o desetinama centimetara.

Zašto nam je uopšte potreban ovaj grafen?

Sva elektronika se sada kreće u pravcu smanjenja veličine elemenata – tranzistora, elektroda itd. Što su elementi unutar procesora manji, to se više elemenata može u njega smjestiti i procesor moćniji može biti sastavljen. Stoga će se u njemu izvoditi složenije logičke operacije. Šta može biti tanje od jednog atomskog sloja? Grafen ima svojstvo tankosti.

Osim toga, provodi električnu energiju. I skoro je providna. U isto vrijeme, dovoljno je jak: jedan je od najjačih materijala po atomskom sloju. Praktično ne prolazi kroz sebe nikakve druge tvari. Čak ni plinoviti helijum ne može prodrijeti kroz grafen, tako da je ovo vrlo pouzdan premaz. Može se koristiti, na primjer, u ekranima osjetljivim na dodir, jer prozirna elektroda neće zaklanjati sliku. Možete ga pokušati koristiti u elektronici. Sada pokušavaju razviti tranzistore na bazi grafena. Istina, tu ima poteškoća. Grafen ima anomalna svojstva koja ga čine donekle teškim za upotrebu u tranzistorima. Ali nakon što smo naučili kako da dobijemo atomske slojeve, to su vjerovatno već premostive prepreke. Ovo je fundamentalno nov materijal. Nikada nije bilo ništa slično. Najtanji monosloj provodnika koji se može koristiti u tehnici, u elektronici.

Novi nobelovci imaju prilično komplikovanu biografiju. Jedan od njih je državljanin Holandije, drugi ima dva pasoša: britanski i ruski. Radili su, koliko je poznato, u naučnom centru u Mančesteru u Engleskoj. Da li nauka postaje internacionalna ili je tužna sudbina ruskih naučnika da dođu do velikih otkrića samo ako odu u inostranstvo?

Za ozbiljan naučni rad potrebna je ne samo materijalno-tehnička baza, već i mir. Naučnika ne bi trebalo zbuniti neka pitanja. Andrej Game je prije 10 godina dobio Ig Nobelovu nagradu za eksperimente s magnetskom levitacijom žaba. Ig Nobelova nagrada je šaljiva anti-nagrada za besmislen rad. Naučniku je potrebna određena sloboda u svom radu. Tada se rađaju ideje. Danas sam levitirao žabe, a sutra dobijam grafene.

Ako osoba ima takve uslove, onda radi efikasnije. Uostalom, oba sadašnja nobelovca za fiziku studirala su na Moskovskom institutu za fiziku i tehnologiju (Moskovski institut za fiziku i tehnologiju - RS). I vrlo brzo su otišli u Holandiju, u Veliku Britaniju, jer je tamošnja atmosfera rada povoljnija za traženje naučnih sredstava neophodnih za sprovođenje istraživanja. Skinuli su karbonske filmove ljepljivom trakom, ali su morali biti izmjereni atomskim mikroskopom. Dakle, ovaj mikroskop je morao biti. U Rusiji, naravno, jesu, ali im je mnogo teže pristupiti.

Ako kažem da Rusija ima dobro osnovno obrazovanje koje omogućava rast dobitnika Nobelove nagrade, ali da istovremeno ne postoji ozbiljna naučna visokotehnološka baza za eksperimente, da li bi to bilo tačno?

Kao i kod svake generalizacije, i ovdje postoji određeno natezanje. Sa obrazovanjem više nismo tako dobri i glatki, jer se na mnogim mjestima uništavaju naučne škole. Došlo je do velikog prekida u radu 90-ih. U Rusiji postoje izolovane škole u kojima sve još ide jako dobro, ali postoje problemi sa opremom i sprovođenjem ozbiljnih skupih istraživanja. Negdje ova oprema završava: s vremena na vrijeme se vrše prilično ozbiljne kupovine, na primjer, Institutu Kurchatov. Ali koliko se efikasno primjenjuje, veliko je pitanje. Dakle, na nekim mjestima postoji jaka naučna škola, a u drugim fondovima za tehnologiju. Prilično ih je teško međusobno razmijeniti iz razloga prestiža i birokratije. U Rusiji su takođe moguća visokokvalitetna istraživanja, ali ih je mnogo teže sprovesti - ovde je teže okruženje za rad.

Naučno istraživanje je višestruko. Ali postoje li odvojene oblasti koje Nobelov komitet definira kao proboj? Za šta je lakše dobiti Nobelovu nagradu? Ili takvih uputa nema?

Pogledao sam listu dobitnika Nobelove nagrade za fiziku u poslednjih 20 godina. Nema jasnog trenda. Ima dosta nagrada iz oblasti fizike elementarnih čestica, fundamentalnih fizičkih interakcija. To je razumljivo - tamo rade prilično zanimljiv posao. Ali ovdje moramo uzeti u obzir jednu važnu tačku. Često se kaže da za dobijanje Nobelove nagrade nije dovoljno napraviti proboj. Ostaje nam da živimo do vremena kada se to cijeni. Stoga se Nobelova nagrada, po pravilu, dodjeljuje ljudima u vrlo uglednim godinama. Sa ove tačke gledišta, ovogodišnja Nobelova nagrada za fiziku je izuzetak od pravila. Novoselov sada ima 36 godina. U proteklih 20 godina nije bilo takvog slučaja među nagradama iz fizike, a, po mom mišljenju, nikada ga nije bilo! Tokom proteklih 8 godina, niko od naučnika mlađih od 50 godina nije dobio Nobelovu nagradu, a mnogi su je dobili u dobi od 70 ili čak 80 godina za rad obavljen prije više decenija.

Trenutna Nobelova nagrada dodijeljena je kršenjem pravila. Možda je Nobelov komitet smatrao da nagrada postaje gerontološka i da treba sniziti dob njenog prijema. Poslednji put u "mladom" uzrastu nagrada iz fizike dodeljena je 2001. Pobjednici su bili između 40 i 50 godina.

Sada je, očigledno, napravljena instalacija za pravi eksperimentalni rad. Dakle, iako Nobelova nagrada ne uključuje astronomiju, u posljednjih 10 godina postojale su dvije vrlo važne nagrade u astrofizici. Postojale su nagrade iz fizike visokih energija i fizike elementarnih čestica, iz fizike čvrstog stanja, iz fizike kondenzovanog stanja - odnosno čvrstih, tečnih i drugih stanja u kojima su atomi blizu jedan drugom. Gotovo svi ovi radovi, na ovaj ili onaj način, vezani su za kvantnu fiziku.

Zašto baš kvantna teorija? Da li je to zbog nekih ličnih preferencija članova Nobelovog komiteta? Ili je to zaista najbliža naučna budućnost?

Razlog je vrlo jednostavan. U stvari, sva fizika, osim teorije gravitacije, sada je kvantna. Gotovo sve novo što se radi na polju fizike, izuzev određenih sporednih pravaca, poboljšanja i otkrića koja su bila u prošlosti, bazira se na kvantnoj fizici. Samo gravitacija još nije podlegla ovoj "kvantizaciji". A sve ostalo što se tiče osnova fizike je kvantna teorija i kvantna teorija materije.

Ko je on? Novoselov Konstantin Sergejevič!

Biografija

Čuveni naučnik rođen je u gradu Nižnji Tagil, Sverdlovska oblast, 23. avgusta 1974. godine u porodici inženjera i profesora engleskog u školi broj 39, čiji je osnivač i direktor nekada bio njegov deda Viktor Konstantinovič. Novoselov.

U šestom razredu, Konstantin otkriva izvanredne sposobnosti i zauzima prvo mjesto na regionalnoj olimpijadi iz fizike, a nešto kasnije, na Svesaveznoj olimpijadi, ponavlja svoj uspjeh, ulazeći u prvih deset. Godine 1991. završio je dodatnu dopisnu školu fizike i tehnologije i iste godine postao student Moskovskog instituta za fiziku i tehnologiju. Studira specijalnost "nanotehnologija" na Fakultetu fizičke i kvantne elektronike, a diplomira sa odlikom na institutu, nakon čega se zapošljava u IPTM RAS (Institut za probleme mikroelektronske tehnologije RAS) u Černoolovki. Tamo završava postdiplomske studije pod vodstvom Jurija Dubrovskog.

U inostranstvu

Godine 1999. Konstantin Sergejevič Novoselov, fizičar sa već utvrđenom reputacijom, preselio se u Holandiju. Tamo, na Univerzitetu u Nijmegenu, radi sa Andreom Geimom. Od 2001. godine naučnici rade zajedno na Univerzitetu u Mančesteru. 2004. godine stekao je zvanje doktora nauka (rukovodilac Jan-Kees Maan).

Trenutno je Konstantin Sergejevič Novoselov profesor Kraljevskog društva i profesor fizičkih i matematičkih nauka na Univerzitetu u Mančesteru i ima dvojno državljanstvo (Rusija i Velika Britanija). Sada živi u Manchesteru.

Istraživanja

Po čemu je Konstantin Sergejevič Novoselov poznat? Prema analitičkoj agenciji Thomson Reuters, rusko-britanski fizičar jedan je od najčešće citiranih naučnika. Iz njegovog pera izašlo je 190 naučnih članaka. Međutim, njegovo najznačajnije istraživanje je, naravno, grafen. Mnogi su čuli ovu riječ, koja izgleda jednostavno i poznato. Tehnologija je zaista koncizna i elegantna, kao i sve genijalno. Moguće je dalje proučavanje, uvest će čovječanstvo u eru ultra brzih i ultra tankih mobilnih i kompjuterskih uređaja, električnih automobila i izdržljivih, ali vrlo laganih struktura.

Nagrade

Kada je Konstantin Sergejevič Novoselov počeo da radi na Univerzitetu u Mančesteru, njegov vođa je postao stariji kolega iz Rusije, koji se već dugo bavio istraživanjima u ovoj oblasti i uspeo da reprodukuje mehanizam zabadanja šapa gekona. , i na osnovu nje stvorio ljepljivu traku, koju su fizičari kasnije koristili u radu s grafenom. Prije toga, Geimu je pomogao izvjesni kineski student, ali, prema riječima samog fizičara, posao je počeo napredovati tek nakon što se Konstantin Sergejevič Novoselov bacio na posao. Nobelova nagrada im je dodijeljena u oktobru 2010. Novoselov je danas poznat kao najmlađi nobelovac za fiziku (u proteklih 37 godina), štaviše, trenutno je jedini naučnik među nobelovcima koji je rođen nakon 1970. godine.

Iste 2010. Novoselov je dobio titulu komandanta Reda holandskog lava za značajan doprinos nauci Holandije, a nešto kasnije, 2011. godine, dekretom kraljice Elizabete II postaje vitez neženja, već za doprinos nauci u Velikoj Britaniji. Svečana viteška ceremonija održana je nešto kasnije, u proleće 2012. godine, kako se i očekivalo, u Bakingemskoj palati. Domaćin je bila kraljičina ćerka, princeza Anne.

Mora se reći da je Konstantin Sergejevič Novoselov, čije su naučne i društvene aktivnosti veoma obimne, dobio još jednu prestižnu nagradu za istraživanje grafena, postavši dobitnik nagrade Europhysics 2008. Dodjeljuje se svake dvije godine, a među dobitnicima je bilo samo trinaest nobelovaca. Nagrada se sastoji od novčane nagrade i odgovarajućeg sertifikata. Dobio je i Kurti nagradu, ali ne za grafen, već za listu dostignuća u radu sa sferom niskih temperatura i magnetnim poljima.

O porodici i životu

Konstantin Novoselov je u sretnom braku sa suprugom Irinom. Iako je i ona Ruskinja, naučnici su se upoznali u inostranstvu, u Holandiji. Irina je iz Vologde, bavi se istraživanjem u oblasti mikrobiologije (disertaciju je odbranila u Sankt Peterburgu). Par ima dvije ćerke, bliznakinje Sofiju i Viku, rođene 2009. godine.

Konstantin Sergejevič, po sopstvenim rečima, nije otac koji nedeljama sedi u laboratoriji, propuštajući detinjstvo sopstvene dece. Da izmisli najmanji tranzistor na svijetu i nauči svoju kćer da broji do dvadeset sedam - nešto što je u istom redu. „Niko to nije uradio pre tebe“, kaže on.

Zauzvrat, njegovi roditelji nikada nisu pokušavali da ograniče interese svog sina. Uvek su bili sigurni da je njihov sin veoma nadaren, a, kako sam fizičar kaže, nisu bili iznenađeni kada je dobio Nobelovu nagradu.

U intervjuu za magazin Esquire priznao je da sanja da nauči da svira klavir. Uči, međutim, po vlastitom priznanju, dosadašnji rezultati su osrednji.

O SSSR-u

Konstantin Sergejevič je rođen u SSSR-u i stekao je odlično obrazovanje. I sam priznaje da je malo mjesta gdje se može dobiti tako duboko znanje. Ali on se neće vratiti u Rusiju. Možda mu upravo zbog toga neki novinari nesvjesno zamjeraju nedostatak patriotizma. Na to naučnik odgovara da nije u pitanju novac, samo da je rad u Britaniji mirniji, jer se niko ne meša u vaše poslove.

Novoselov olako shvata život, ne vezuje se za neuspehe - ovo je jedno od njegovih osnovnih pravila. Ako se pojave poteškoće u odnosima s ljudima, trudi se da ne dovede do prekida, ali, ako je to neizbježno, posljednju riječ prepušta drugoj osobi. Poznati fizičar ima mnogo zajedničkih životnih problema, na primjer, bio bi spreman potrošiti bilo koji novac samo da bi dobio malo slobodnog vremena.

Ali on svoj život ne dijeli na posao i slobodno vrijeme, možda je to ključ produktivnosti naučnika. Kod kuće razmišlja o fizici, a na poslu samo odmara dušu.

Šta je grafen

Uprkos, naravno, svim dostignućima u oblasti fizike, Novoselovljevo glavno delo je bio i ostaje grafen. Ova struktura, koju su naši sunarodnici prvi put dobili u laboratoriji, je dvodimenzionalna "mreža" atoma ugljika debljine samo jedan atom. Sam Novoselov tvrdi da tehnologija nije komplikovana i da svako može da napravi grafen, gotovo iz improvizovanih sredstava. Kaže da je za početak dovoljno nabaviti dobar grafit, iako čak možete koristiti olovke i potrošiti malo na silikonske pločice i traku. Sve, set za kreiranje grafena je spreman! Dakle, materijal neće postati vlasništvo isključivo velikih korporacija, Novoselov i Game su ga doslovno poklonili cijelom svijetu.

Nevjerovatna svojstva

Fizičar je takođe iznenađen elektronskim svojstvima ovog materijala. Prema njegovim riječima, grafen se može koristiti u tranzistorima, što neke kompanije već pokušavaju učiniti, zamjenjujući poznate dijelove u mobilnim uređajima.

Prema Novoselovu, grafen će revolucionirati tehnologiju. Sastavni dio svakog naučnofantastičnog filma su nevjerovatni uređaji, prozirni, tanki, nesalomljivi i sa velikom funkcionalnošću. Ako grafen postepeno zamijeni zastarjeli silicij, u životu će se pojaviti tehnologije iz kina.

Šta je još izvanredno u studijama Novoselova i Geima? Činjenica da su gotovo trenutno prešli iz laboratorija na transportere, pa čak i više - pokazala se vrlo korisna u prvim godinama.

Tehnologije budućnosti

Gdje se sada koristi grafen? Čini se da se tako nedavno otkriveni materijal još nije mogao široko proširiti, a to je dijelom i istina. Gotovo svi razvoji su još uvijek eksperimentalne prirode i nisu pušteni u masovnu proizvodnju. Međutim, sada pokušavaju koristiti ovaj materijal doslovno na svim područjima, što se, možda, može nazvati pravom "grafenskom groznicom".

Sam grafen, uprkos svojoj maloj težini i gotovo potpunoj transparentnosti (apsorbuje 2% propuštene svjetlosti, potpuno isto kao i obično prozorsko staklo), materijal je vrlo izdržljiv. Nedavna istraživanja američkih naučnika pokazala su da se grafen dobro miješa s plastikom. Ovo rezultira super jakim materijalom koji se može koristiti u svemu, od namještaja i mobilnih telefona do raketne nauke.

Od grafena su već napravljeni prototipovi baterija za električne automobile. Odlikuje ih veliki kapacitet i kratko vrijeme punjenja. Možda će se tako riješiti problem električnih vozila, a prijevoz će postati jeftin i ekološki prihvatljiv.

Grafen se koristi u razvoju novih touch panela za telefone. Ako klasični senzori mogu raditi samo na ravnoj površini, onda grafen nema ovog nedostatka, jer se može savijati kako želite. Osim toga, visoka električna provodljivost učinit će odgovor minimalnim.

U avijaciji

Tijela raketa i aviona napravljena korištenjem grafena bit će nekoliko puta lakša, što će znatno smanjiti troškove goriva. Letovi će postati toliko jeftini da si svako može priuštiti putovanje na drugu stranu zemlje. Ali, osim na putnički, to će, naravno, uticati i na teretni saobraćaj. Snabdijevanje udaljenih kutaka planete će postati mnogo bolje, što znači da će više ljudi tamo živjeti i raditi.

MOSKVA, 5. oktobra - RIA Novosti. Nobelova nagrada za fiziku 2010. bila je proslava za dvije zemlje odjednom, za domovinu laureata - Rusiju, i za njihov sadašnji dom - Britaniju. Švedski akademici dodijelili su najvišu naučnu nagradu Andreju Gejmu i Konstantinu Novoselovu za otkriće dvodimenzionalnog oblika ugljika - grafena, primoravši ruske naučnike da se žale na odliv mozgova, a britanske - da se nadaju nastavku finansiranja nauke.

„Šteta što su Gejm i Novoselov došli do svojih otkrića u inostranstvu“, rekao je za RIA Novosti Aleksej Hohlov, šef Katedre za fiziku polimera i kristala Moskovskog državnog univerziteta.

"Vlada treba da uči iz odluke Nobelovog komiteta", - komentirao je dodjelu Nobelove nagrade za fiziku predsjednik Kraljevskog naučnog društva, profesor Martin Reese. Podsjetio je da mnogi naučnici, uključujući i strane, koji rade u Britaniji, u slučaju smanjenja finansiranja, jednostavno mogu otići u druge zemlje.

Britanska vlada će 20. oktobra objaviti planove za ozbiljno smanjenje državne potrošnje. Očekuje se da će nauka i visoko obrazovanje biti jedna od oblasti na koje će rezovi najviše uticati.

Diplomci MIPT-a Game i Novoselov, koji rade u Mančesteru, dobili su nagradu "za pionirske eksperimente na proučavanju dvodimenzionalnog materijala grafena". Oni će između sebe podijeliti 10 miliona švedskih kruna (oko milion eura). Svečana dodjela nagrade održat će se u Stokholmu 10. decembra, na dan smrti njenog osnivača Alfreda Nobela.

Grafen je postao prvi dvodimenzionalni materijal u istoriji, koji se sastoji od jednog sloja ugljikovih atoma međusobno povezanih strukturom kemijskih veza koja svojom geometrijom nalikuje strukturi saća. Dugo se vjerovalo da je takva struktura nemoguća.

"Vjerovalo se da takvi dvodimenzionalni jednoslojni kristali ne mogu postojati. Moraju izgubiti stabilnost i pretvoriti se u nešto drugo, jer je to zapravo ravan bez debljine", bivši šef laureata, direktor Instituta za probleme tehnologije mikroelektronike i materijala visoke čistoće Ruske akademije nauka (IPTM) rekao je za RIA Novosti ) Vjačeslav Tulin.

Međutim, "nemogući" materijal, kako se pokazalo, ima jedinstvena fizička i hemijska svojstva koja ga čine nezamjenjivim u raznim oblastima. Grafen provodi električnu energiju kao i bakar, može se koristiti za izradu ekrana osjetljivih na dodir, solarnih ćelija, fleksibilnih elektronskih uređaja.

"Ovo je buduća revolucija u mikroelektronici. Ako su sada kompjuteri gigaherci, onda će biti teraherci i tako dalje. Tranzistori i svi drugi elementi elektronskih kola biće kreirani na bazi grafena", Aleksej Fomičev, profesor na katedri MIPT-a kvantne elektronike, rekao je za RIA Novosti.

Grafen je već pronašao jedno područje primjene: solarne fotonaponske ćelije. "Ranije su se indijum oksidi dopirani kositrom koristili kao prozirna elektroda u proizvodnji fotonaponskih ćelija. Ali pokazalo se da je nekoliko slojeva grafena mnogo efikasnije", rekao je Aleksandar Vul, šef laboratorije za fiziku klasterskih struktura u Institut za fiziku i tehnologiju Sankt Peterburga Ioffe, Ruska akademija nauka.

Prvi sa odsjeka za fiziku i tehnologiju

Andrei Geim i Konstantin Novoselov prvi su diplomci Moskovskog instituta za fiziku i tehnologiju koji su dobili Nobelovu nagradu: prije toga osnivači i zaposlenici Moskovskog instituta za fiziku i tehnologiju - Petr Kapitsa, Nikolaj Semenov, Lev Landau, Igor Tam, Aleksandar Prohorov, Nikolaj Basov, Vitalij Ginzburg i Aleksej Abrikosov. Geim je diplomirao na Fakultetu opšte i primenjene fizike (FOPF) 1982. godine, Novoselov - na Fakultetu za fizičku i kvantnu elektroniku (FFKE) 1997. godine. Obojica diplomaca dobili su crvene diplome.

"Ovo je super vest. Veoma smo zadovoljni odlukom Nobelovog komiteta. MIPT je već poslao čestitke novim nobelovcima", rekao je rektor MIPT Nikolaj Kudravcev za RIA Novosti u utorak.

Prema rektorovim rečima, osoblje je „iz arhive podiglo svoje lične dosijee i uverilo se da se radi o odličnim studentima“. Istovremeno, Andrey Geim nije prvi put ušao u institut, jer je godinu dana radio u fabrici, ali je "pokazao upornost" i postao student na Moskovskom institutu za fiziku i tehnologiju.

"Tokom cijelog vremena studiranja na FOPF-u, Geim je dobio najviše ocjene od nastavnika. A Geimov završni rad je izuzetno visoko ocijenjen od strane komisije za diplome", rekao je čelnik Moskovskog instituta za fiziku i tehnologiju.

Student 152. grupe Fakulteta fizičke i kvantne elektronike Konstantin Novoselov je, kako je primetio Kudrjavcev, "neredovno pohađao nastavu, ali je sve zadatke predavao uspešno i na vreme".

"I recenzije nastavnika Novoselova su takođe najviše. To znači da je bio toliko talentovan da, generalno, nije bilo potrebno da ide na sve časove", prokomentarisao je rektor Moskovskog instituta za fiziku i tehnologiju arhivske dokumente.

Od Šnobela do Nobela

Geimov kolega, Konstantin Novoselov, postao je najmlađi nobelovac sa ruskim državljanstvom: 36-godišnji fizičar je šest godina mlađi od svog sovjetskog kolege Nikolaja Basova, koji je sa 42 godine dobio nagradu 1964. za svoj rad u oblasti kvantne elektronike, koji je doveo do stvaranja emitera i pojačala na principu laser-mazer.

Najmlađi dobitnik Nobelove nagrade u istoriji bio je Lorens Brag, koji je sa 25 godina podelio nagradu iz fizike sa svojim ocem, Vilijamom Henrijem Bregom. Naredne četiri pozicije na listi najmlađih laureata u istoriji zauzimaju i fizičari: Werner Heisenberg, Zongdao Li, Karl Anderson i Paul Dirac dobili su nagrade sa 31 godine.

Konstantin Novoselov će, međutim, ući u istoriju kao prvi pripadnik generacije rođene sedamdesetih godina prošlog veka. Prethodnu deceniju na listi laureata predstavljaju fizičar Eric Cornell, biolozi Carol Greider i Craig Mello, te američki predsjednik Barack Obama, koji je dobio Nobelovu nagradu za mir. Na listi laureata nema mlađeg od 1961. osim Novoselova.

Od urednika: Dotičući se teme modernizacije ruske privrede i razvoja visokih tehnologija u našoj zemlji, postavili smo zadatak ne samo da skrenemo pažnju čitaocima na nedostatke, već i da govorimo o pozitivnim primerima. Štaviše, ima ih, i to mnogo. Prošle sedmice smo govorili o razvoju gorivnih ćelija u Rusiji, a danas o grafenu, za proučavanje svojstava kojeg su "naši bivši ljudi" nedavno dobili Nobelovu nagradu. Ispostavilo se da u Rusiji, odnosno u Novosibirsku, vrlo ozbiljno rade na ovom materijalu.

Silicijum kao osnova mikroelektronike čvrsto je osvojio svoju poziciju u visokotehnološkom prostoru, a to se nije dogodilo slučajno. Prvo, relativno je lako dati željena svojstva silicijumu. Drugo, to je poznato nauci od davnina, i proučavano je "gore-dole". Treći razlog je taj što su zaista gigantska sredstva uložena u silicijumske tehnologije, a malo ko će se sada usuditi da se kladi na novi materijal. Uostalom, za to će biti potrebno obnoviti ogroman industrijski sektor. Umjesto toga, izgradite ga gotovo od nule.

Međutim, postoje i drugi kandidati za liderstvo kao poluprovodnički materijal. Na primjer, grafen, koji je nakon Nobelove nagrade za proučavanje njegovih svojstava, postao vrlo moderan. Zaista, postoje razlozi za prelazak na njega sa silicija, budući da grafen ima niz značajnih prednosti. Ali da li ćemo na kraju završiti sa “elektronikom zasnovanom na grafenu” još nije jasno, jer uz prednosti postoje i nedostaci.

Da bismo razgovarali o izgledima grafena u mikroelektronici i njegovim jedinstvenim svojstvima, sastali smo se u Novosibirsku sa glavnim istraživačem Instituta za neorgansku hemiju. A. V. Nikolaev SB RAS, doktor hemijskih nauka, profesor Vladimir Fedorov.

Alla Arshinova: Vladimire Efimoviču, koje su trenutne pozicije silicijuma u mikroelektronici?

Vladimir Fedorov: Silicijum se dugo koristi u industriji kao glavni poluprovodnički materijal. Činjenica je da se lako dopira, odnosno da mu se mogu dodati atomi raznih elemenata koji usmjereno mijenjaju fizička i kemijska svojstva. Takva modifikacija silicijuma visoke čistoće omogućava dobijanje poluvodičkih materijala n- ili p-tipa. Dakle, usmjereno dopiranje silicijuma regulira funkcionalna svojstva materijala koji su važni za mikroelektroniku.

Silicijum je zaista jedinstven materijal i to je razlog zašto je u njega uloženo toliko truda, novca i intelektualnih resursa. Osnovna svojstva silicijuma su toliko detaljno proučavana da postoji široko rasprostranjeno mišljenje da jednostavno ne može postojati zamjena za njega. Međutim, nedavno istraživanje grafena dalo je zeleno svjetlo drugom gledištu, a to je da se novi materijali mogu unaprijediti do te mjere da mogu zamijeniti silicijum.

Kristalna struktura silicijuma

Takve rasprave se povremeno javljaju u nauci, a rješavaju se, po pravilu, tek nakon ozbiljnih istraživanja. Na primjer, nedavno je bila slična situacija sa visokotemperaturnim supravodičima. Godine 1986. Bednorz i Müller su otkrili supravodljivost u oksidu barij-lantan-bakar (za ovo otkriće dobili su Nobelovu nagradu već 1987. godine - godinu dana nakon otkrića!), koja je otkrivena na temperaturi znatno višoj od vrijednosti od vrijednosti koje su bile zabilježene 1986. godine. karakteristika poznatog vremena supravodljivih materijala. Istovremeno, struktura kupratnih supravodljivih spojeva značajno se razlikovala od supravodiča niskih temperatura. Zatim je studija srodnih sistema poput lavine dovela do proizvodnje materijala sa supravodljivom prelaznom temperaturom od 90 K i više. To je značilo da se kao rashladno sredstvo može koristiti ne skup i kapriciozan tečni helijum, već tečni azot - u prirodi ga ima dosta u gasovitom obliku, a osim toga, mnogo je jeftiniji od helijuma.

Ali, nažalost, ova euforija je ubrzo prošla nakon pomnog istraživanja novih visokotemperaturnih supravodiča. Ovi polikristalni materijali, kao i drugi složeni oksidi, slični su keramici: krti su i neduktilni. Pokazalo se da supravodljivost unutar svakog kristala ima dobre parametre, ali u kompaktnim uzorcima kritične struje su prilično niske, što je posljedica slabih kontakata između zrna materijala. Slabi Josephsonovi spojevi između supravodljivih zrna ne omogućavaju proizvodnju materijala (na primjer, izradu žice) s visokim supravodljivim karakteristikama.

Solarna baterija na bazi polikristalnog silicijuma

Ista situacija se može desiti i sa grafenom. Trenutno su za njega pronađena vrlo interesantna svojstva, ali preostaje opsežna istraživanja kako bi se konačno odgovorilo na pitanje mogućnosti dobivanja ovog materijala u industrijskim razmjerima i korištenja u nanoelektronici.

Alla Arshinova: Možete li objasniti šta je grafen i po čemu se razlikuje od grafita?

Vladimir Fedorov: Grafen je monoatomski sloj formiran od atoma ugljika, koji, kao i grafit, ima rešetku u obliku saća. A grafit je, respektivno, naslagan jedan na drugi u gomili slojeva grafena. Grafenski slojevi u grafitu su međusobno povezani vrlo slabim van der Waalsovim vezama, zbog čega ih je na kraju moguće pokidati. Kada pišemo olovkom, ovo je primjer da skidamo slojeve grafita. Istina, trag olovke koji je ostao na papiru još nije grafen, već višeslojna struktura grafena.

Sada svako dijete može sa punom ozbiljnošću reći da ne prevodi samo papir, već stvara najsloženiju višeslojnu grafensku strukturu.

Ali ako je moguće podijeliti takvu strukturu na jedan sloj, onda se dobija pravi grafen. Slična cepanja izvršili su ovogodišnji dobitnici Nobelove nagrade za fiziku Gejm i Novoselov. Uspjeli su da razdvoje grafit ljepljivom trakom, a nakon proučavanja svojstava ovog “grafitnog sloja”, pokazalo se da ima vrlo dobre parametre za korištenje u mikroelektronici. Jedno od izuzetnih svojstava grafena je njegova visoka pokretljivost elektrona. Kažu da će grafen postati nezamjenjiv materijal za kompjutere, telefone i drugu opremu. Zašto? Jer u ovoj oblasti postoji tendencija da se ubrzaju procedure obrade informacija. Ove rutine su povezane sa frekvencijom takta. Što je radna frekvencija veća, to se više operacija može obraditi u jedinici vremena. Stoga je brzina nosioca naboja veoma važna. Ispostavilo se da se nosioci naboja u grafenu ponašaju kao relativističke čestice sa nultom efektivnom masom. Takva svojstva grafena zaista daju nadu da će biti moguće stvoriti uređaje koji će raditi na teraherc frekvencijama, koje su nedostupne silicijumu. Ovo je jedno od najzanimljivijih svojstava materijala.

Nobelovci za fiziku 2010. Andrey Geim i Konstantin Novoselov

Od grafena se mogu dobiti fleksibilni i transparentni filmovi, koji je također vrlo zanimljiv za brojne primjene. Još jedan plus je što je to vrlo jednostavan i vrlo lagan materijal, lakši od silicija; osim toga, u prirodi ima dosta ugljika. Stoga, ako zaista pronađu način da koriste ovaj materijal u visokim tehnologijama, onda će, naravno, imati dobre izglede i, eventualno, na kraju će zamijeniti silicij.

Ali postoji jedan fundamentalni problem povezan sa termodinamičkom stabilnošću niskodimenzionalnih vodiča. Kao što je poznato, čvrsta tela se dele na različite prostorne sisteme; na primjer, 3D (trodimenzionalni) sistem uključuje bulk kristale. Dvodimenzionalni (2D) sistemi su predstavljeni slojevitim kristalima. A lančane strukture pripadaju jednodimenzionalnom (1D) sistemu. Dakle, niskodimenzionalne - 1D lančane i 2D slojevite strukture sa metalnim svojstvima nisu stabilne sa termodinamičke tačke gledišta, kako temperatura pada, imaju tendenciju da se pretvore u sistem koji gubi metalna svojstva. To su takozvani prelazi metal-izolator. Koliko će grafenski materijali biti stabilni u nekim uređajima ostaje da se vidi. Naravno, grafen je zanimljiv, kako u pogledu električnih tako i mehaničkih svojstava. Vjeruje se da je monolitni sloj grafena vrlo jak.

Alla Arshinova: Jači od dijamanta?

Vladimir Fedorov: Dijamant ima trodimenzionalne veze, mehanički je vrlo jak. Kod grafita u ravni, međuatomske veze su iste, možda i jače. Činjenica je da bi se sa termodinamičke tačke gledišta dijamant trebao pretvoriti u grafit, jer je grafit stabilniji od dijamanta. Ali u hemiji postoje dva važna faktora koji kontrolišu proces transformacije: to su termodinamička stabilnost faza i kinetika procesa, odnosno brzina transformacije jedne faze u drugu. Dakle, dijamanti vekovima leže u muzejima sveta i ne žele da se pretvore u grafit, iako bi trebalo. Možda će se za milione godina ipak pretvoriti u grafit, iako bi bila šteta. Proces od dijamanta do grafita na sobnoj temperaturi je vrlo spor, ali ako zagrijete dijamant na visoku temperaturu, tada će se kinetička barijera lakše savladati, a to će se definitivno dogoditi.

Grafit u originalnom obliku

Alla Arshinova: Činjenica da se grafit može podijeliti na vrlo tanke ljuspice odavno je poznata. Šta je onda bilo dostignuće nobelovaca za fiziku 2010?

Vladimir Fedorov: Vjerovatno poznajete takvog lika kao što je Petrik. Nakon što je Nobelova nagrada dodeljena Andreju Gejmu i Konstantinu Novoselovu, izjavio je da mu je Nobelova nagrada ukradena. U odgovoru, Game je rekao da su takvi materijali, zaista, poznati već dugo vremena, ali su dobili nagradu za proučavanje svojstava grafena, a ne za otkrivanje metode za njegovo dobijanje kao takvog. Zapravo, njihova zasluga je u tome što su bili u stanju da odvoje slojeve grafena vrlo dobrog kvaliteta od visoko orijentisanog grafita i detaljno prouče njihova svojstva. Kvalitet grafena je veoma važan, baš kao i kod silicijumske tehnologije. Kada su naučili kako da dobiju silicijum veoma visokog stepena čistoće, tek tada je postala moguća elektronika zasnovana na njemu. Isto važi i za grafen. Geim i Novoselov su uzeli vrlo čist grafit sa savršenim slojevima, uspjeli su odvojiti jedan sloj i proučavati njegova svojstva. Oni su prvi dokazali da ovaj materijal ima skup jedinstvenih svojstava.

Alla Arshinova: U vezi sa dodelom Nobelove nagrade naučnicima ruskih korena koji rade u inostranstvu, naši sunarodnici koji su daleko od nauke pitaju se da li je i ovde u Rusiji bilo moguće doći do istih rezultata?

Vladimir Fedorov: Vjerovatno je bilo moguće. Upravo su otišli u pravo vrijeme. Njihov prvi rad, objavljen u časopisu Nature, nastao je u koautorstvu sa nekoliko naučnika iz Černogolovke. Očigledno su u tom pravcu radili i naši ruski istraživači. Ali to nije uspjelo uvjerljivo završiti. Steta. Možda su jedan od razloga i povoljniji uslovi za rad u stranim naučnim laboratorijama. Nedavno sam stigao iz Koreje i mogu da uporedim uslove rada koje sam tamo dobio sa radom kod kuće. Tako da me tamo ništa nije brinulo, a kod kuće - puna rutinskih obaveza koje oduzimaju puno vremena i stalno odvlače pažnju od glavne stvari. Dobio sam sve što mi je bilo potrebno, i to je urađeno neverovatnom brzinom. Na primjer, ako mi treba neka vrsta reagensa, napišem poruku - i sutradan mi je donesu. Pretpostavljam da i nobelovci imaju veoma dobre uslove za rad. Pa, imali su dovoljno upornosti: više puta su pokušavali dobiti dobar materijal i na kraju su postigli uspjeh. Zaista su uložili mnogo vremena i truda na ovo, a nagrada je u tom smislu zaslužena.

Alla Arshinova: A koje su tačno prednosti grafena u odnosu na silicijum?

Vladimir Fedorov: Prvo, već smo rekli da ima veliku pokretljivost nosača, kako kažu fizičari, nosači naboja nemaju masu. Masa uvijek usporava kretanje. A u grafenu se elektroni kreću na takav način da možemo smatrati da nemaju masu. Ovo svojstvo je jedinstveno: ako postoje drugi materijali i čestice sličnih svojstava, one su izuzetno rijetke. Grafen se pokazao dobrim u ovome, i po tome je u poređenju sa silicijumom.

Drugo, grafen ima visoku toplotnu provodljivost, što je veoma važno za elektronske uređaje. Vrlo je lagan, a grafen je providan i fleksibilan i može se smotati. Grafen također može biti vrlo jeftin ako se razviju optimalne metode za njegovu proizvodnju. Na kraju krajeva, "metoda viskija", koju su demonstrirali Game i Novoselov, nije industrijska. Ovom metodom dobijaju se uzorci zaista visokog kvaliteta, ali u vrlo malim količinama, samo za istraživanje.

A sada kemičari razvijaju druge načine za dobivanje grafena. Na kraju krajeva, morate nabaviti velike listove kako biste pokrenuli proizvodnju grafena. Ovim se pitanjima bavimo i ovdje, u Institutu za neorgansku hemiju. Ako se grafen može sintetizirati korištenjem metoda koje bi omogućile proizvodnju visokokvalitetnog materijala u industrijskim razmjerima, onda postoji nada da će revolucionirati mikroelektroniku.

Alla Arshinova: Kao što vjerovatno svi već znaju iz medija, višeslojna struktura grafena može se dobiti pomoću olovke i ljepljive trake. A koja se tehnologija za dobijanje grafena koristi u naučnim laboratorijama?

Vladimir Fedorov: Postoji nekoliko metoda. Jedan od njih je poznat već dugo vremena, baziran je na upotrebi grafitnog oksida. Njegov princip je prilično jednostavan. Grafit se stavlja u otopinu jako oksidirajućih tvari (na primjer, sumporne, dušične kiseline, itd.), a kada se zagrije, počinje interakciju s oksidacijskim agensima. U ovom slučaju, grafit se dijeli na nekoliko listova ili čak na jednoatomne slojeve. Ali rezultirajući monoslojevi nisu grafen, već su oksidirani grafen, koji ima spojene kisikove, hidroksilne i karboksilne grupe. Sada je glavni zadatak vratiti ove slojeve u grafen. Budući da se male čestice dobivaju tijekom oksidacije, moraju se nekako zalijepiti zajedno kako bi se dobio monolit. Napori kemičara usmjereni su na razumijevanje kako je moguće napraviti grafenski list od grafitnog oksida, čija je tehnologija proizvodnje poznata.

Postoji još jedna metoda, također prilično tradicionalna i poznata već duže vrijeme - to je kemijsko taloženje pare uz sudjelovanje plinovitih spojeva. Njegova suština je sljedeća. Prvo se reakcione supstance sublimiraju u gasnu fazu, zatim se propuštaju kroz podlogu zagrijanu na visoke temperature, na koju se talože željeni slojevi. Kada se odabere početni reagens, na primjer, metan, on se može razgraditi na način da se vodonik odvoji i ugljik ostane na supstratu. Ali ove procese je teško kontrolisati i teško je dobiti idealan sloj.

Grafen je jedna od alotropskih modifikacija ugljika

Postoji još jedna metoda koja se sada počinje aktivno koristiti - metoda korištenja interkaliranih spojeva. U grafitu, kao iu drugim slojevitim jedinjenjima, između slojeva se mogu smjestiti molekule različitih supstanci, koje se nazivaju "molekule gostiju". Grafit je matrica "domaćina" gdje opskrbljujemo "goste". Kada se gosti interkaliraju u mrežu domaćina, slojevi se prirodno razdvajaju. To je upravo ono što je potrebno: proces interkalacije razgrađuje grafit. Interkalirana jedinjenja su veoma dobri prekursori za dobijanje grafena - samo treba da izvadite "goste" odatle i sprečite da se slojevi ponovo uruše u grafit. U ovoj tehnologiji važan korak je proces dobijanja koloidnih disperzija koje se mogu pretvoriti u grafenske materijale. Ovaj pristup podržavamo u našem institutu. Po našem mišljenju, ovo je najnapredniji pravac od kojeg se očekuju vrlo dobri rezultati, jer se izolovani slojevi mogu najjednostavnije i najefikasnije dobiti iz različitih vrsta interkaliranih spojeva.

Grafen je po strukturi sličan saću. A nedavno je to postala vrlo "slatka" tema

Postoji još jedan način, koji se zove totalna hemijska sinteza. Ona leži u činjenici da se potrebno "saće" sastavljaju od jednostavnih organskih molekula. Organska hemija ima veoma razvijen sintetički aparat, koji omogućava dobijanje ogromne raznolikosti molekula. Stoga se metodom kemijske sinteze pokušavaju dobiti strukture grafena. Do sada je bilo moguće stvoriti grafenski list koji se sastoji od oko dvije stotine atoma ugljika.

Razvijaju se i drugi pristupi sintezi grafena. Unatoč brojnim problemima, nauka u ovom smjeru uspješno ide naprijed. Postoji veliko povjerenje da će postojeće prepreke biti prevaziđene, a grafen će donijeti novu prekretnicu u razvoju visokih tehnologija.

Doktor hemije Tatjana Zimina.

Nobelova nagrada za fiziku 2010. dodijeljena je za istraživanje grafena, dvodimenzionalnog materijala koji pokazuje neobična i istovremeno vrlo korisna svojstva. Njegovo otkriće obećava ne samo nove tehnologije, već i razvoj fundamentalne fizike, što može rezultirati novim saznanjima o strukturi materije. Ovogodišnji dobitnici Nobelove nagrade za fiziku su Andre Game i Konstantin Novoselov, profesori Univerziteta u Mančesteru (Velika Britanija), diplomci Moskovskog instituta za fiziku i tehnologiju.

Atomi ugljika u grafenu formiraju dvodimenzionalni kristal sa heksagonalnim ćelijama.

Nobelovac za fiziku 2010. Andre Geim (rođen 1958.) je profesor na Univerzitetu u Mančesteru (UK). Diplomirao na Moskovskom institutu za fiziku i tehnologiju, odbranio doktorsku tezu na Institutu za fiziku čvrstog stanja (Chernogolo

Dobitnik Nobelove nagrade za fiziku 2010. Konstantin Novoselov (rođen 1974.) je profesor na Univerzitetu u Mančesteru (UK) i diplomirao je na Moskovskom institutu za fiziku i tehnologiju. Radio u Institutu za probleme mikroelektronske tehnologije i

Grafen je jedan od alotropnih oblika ugljika. Prvo je dobiven postupnim pilingom tankih slojeva grafita. Grafen, presavijen, formira nanocijev ili fuleren.

Jedna od mogućih primjena grafena je stvaranje na njegovoj osnovi nove tehnologije za dešifriranje kemijske strukture (sekvenciranja) DNK. Naučnici sa Kavli instituta za nanonauku (Holandija) predvođeni profesorom Dekkeom

Grafen, materijal debljine samo jedan atom, izgrađen je od "mreže" atoma ugljika raspoređenih poput saća u heksagonalne (heksagonalne) ćelije. Ovo je još jedan alotropski oblik ugljika zajedno sa grafitom, dijamantom, nanocijevima i fulerenom. Materijal ima odličnu električnu provodljivost, dobru toplotnu provodljivost, veliku čvrstoću i gotovo je potpuno proziran.

Ideja o dobivanju grafena "ležala je" u kristalnoj rešetki grafita, koja je slojevita struktura formirana od slabo vezanih slojeva atoma ugljika. To jest, grafit se, zapravo, može predstaviti kao skup slojeva grafena (dvodimenzionalnih kristala) međusobno povezanih.

Grafit je slojevit materijal. To je svojstvo koje su nobelovci koristili za dobijanje grafena, uprkos činjenici da je teorija predviđala (i prethodni eksperimenti potvrdili) da dvodimenzionalni ugljični materijal ne može postojati na sobnoj temperaturi - on će se transformirati u druge alotropne oblike ugljika, jer na primjer, savijati u nanocijevi ili u sferne fulerene.

Međunarodni tim naučnika predvođen Andre Geimom, koji je uključivao istraživače sa Univerziteta u Mančesteru (Velika Britanija) i Instituta za probleme mikroelektronske tehnologije i visoko čistih materijala (Rusija, Černoglavka), dobio je grafen jednostavnim pilingom slojeva grafita. Da bi se to postiglo, obična ljepljiva traka zalijepljena je na kristal grafita, a zatim uklonjena: na traci su ostali najtanji filmovi, među kojima su bili i jednoslojni. (Kako se ne sjećati: „Sve genijalno je jednostavno!“) Kasnije su ovom tehnikom dobijeni i drugi dvodimenzionalni materijali, uključujući visokotemperaturni supravodič Bi-Sr-Ca-Cu-O.

Sada se ova metoda naziva "mikromehaničko odvajanje", omogućava vam da dobijete najkvalitetnije uzorke grafena veličine do 100 mikrona.

Još jedna sjajna ideja budućih nobelovaca bila je taloženje grafena na podlogu od silicijum oksida (SiO 2 ). Zahvaljujući ovoj proceduri, grafen je postalo moguće posmatrati pod mikroskopom (od optičke do atomske sile) i proučavati.

Već prvi eksperimenti sa novim materijalom pokazali su da u rukama naučnika nije samo još jedan oblik ugljenika, već nova klasa materijala sa svojstvima koja se ne mogu uvek opisati sa stanovišta klasične teorije fizike čvrstog stanja.

Dobijeni dvodimenzionalni materijal, budući da je poluvodič, ima provodljivost sličnu onoj jednog od najboljih metalnih provodnika - bakra. Njegovi elektroni imaju vrlo veliku pokretljivost, što je povezano s posebnostima njegove kristalne strukture. Očigledno, ovaj kvalitet grafena, zajedno s njegovom nanometarskom debljinom, čini ga kandidatom za materijal koji bi mogao zamijeniti u elektronici, uključujući buduće brze kompjutere, silicij koji ne zadovoljava trenutne zahtjeve. Istraživači vjeruju da nova klasa grafenske nanoelektronike s osnovnom debljinom tranzistora ne većom od 10 nm (tranzistor s efektom polja već je dobiven na grafenu) nije daleko.

Sada fizičari rade na daljem povećanju mobilnosti elektrona u grafenu. Proračuni pokazuju da je ograničenje pokretljivosti nosilaca naboja u njemu (a samim tim i provodljivosti) povezano sa prisustvom nabijenih nečistoća u SiO 2 supstratu. Ako neko nauči kako da dobije "slobodno viseće" grafenske filmove, tada se mobilnost elektrona može povećati za dva reda veličine - do 2×10 6 cm 2 /V. With. Takvi eksperimenti su već u toku, i to prilično uspješno. Istina, idealan dvodimenzionalni film u slobodnom stanju je nestabilan, ali ako je deformiran u prostoru (to jest, nije savršeno ravan, već, na primjer, valovit), tada mu je osigurana stabilnost. Takav film se može koristiti, na primjer, za izradu nanoelektromehaničkog sistema - visoko osjetljivog plinskog senzora koji može reagirati čak i na jedan molekul koji se pojavi na njegovoj površini.

Druge moguće primjene grafena: u elektrodama superkondenzatora, u solarnim ćelijama, za stvaranje različitih kompozitnih materijala, uključujući ultralake i visoke čvrstoće (za avijaciju, svemirske letjelice, itd.), sa zadatom provodljivošću. Potonji mogu biti izuzetno različiti. Na primjer, sintetiziran je materijal grafana, koji je, za razliku od grafena, izolator (vidi "Nauka i život" br.). Dobiven je spajanjem atoma vodika na svaki atom ugljika polaznog materijala. Važno je da se sva svojstva polaznog materijala – grafena – mogu obnoviti jednostavnim zagrijavanjem (žarenjem) grafana. Istovremeno, grafen dodan u plastiku (izolator) pretvara je u provodnik.

Gotovo potpuna prozirnost grafena sugerira njegovu upotrebu u ekranima osjetljivim na dodir, a ako se prisjetimo njegove "supertankoće", onda su izgledi za njegovu upotrebu za buduće fleksibilne računare (koji se mogu smotati kao novine), narukvice za satove, mekane svjetlosne ploče. razumljivo.

Ali svaka primjena materijala zahtijeva njegovu industrijsku proizvodnju, za koju metoda mikromehaničke separacije koja se koristi u laboratorijskim istraživanjima nije prikladna. Stoga se u svijetu sada razvija ogroman broj drugih načina za njegovo dobivanje. Već su predložene hemijske metode za dobijanje grafena iz mikrokristala grafita. Jedan od njih, na primjer, proizvodi grafen ugrađen u polimernu matricu. Također je opisano taloženje pare, rast pri visokom pritisku i temperaturi na podlogama od silicijum karbida. U potonjem slučaju, koji je najpogodniji za industrijsku proizvodnju, termičkim razlaganjem površinskog sloja supstrata nastaje film sa svojstvima grafena.

Vrijednost novog materijala za razvoj fizikalnih istraživanja je fantastično velika. Kako ističu Sergej Morozov (Institut za probleme mikroelektronske tehnologije i visoko čiste materijale Ruske akademije nauka), Andre Geim i Konstantin Novoselov u svom članku objavljenom 2008. godine u časopisu Uspekhi fizicheskikh nauk, „u stvari, grafen otvara nova naučna paradigma - "relativistička" fizika čvrstog stanja, u kojoj se kvantni relativistički fenomeni (od kojih neki nisu ostvarivi čak ni u fizici visokih energija) sada mogu proučavati u uobičajenim laboratorijskim uslovima... Po prvi put u čvrstom stanju -ekperimentom stanja, mogu se istražiti sve nijanse i raznolikost kvantne elektrodinamike. Odnosno, govorimo o činjenici da se mnoge pojave, čije je proučavanje zahtijevalo izgradnju ogromnih akceleratora čestica, sada mogu istraživati ​​naoružani mnogo jednostavnijim alatom - najtanjim materijalom na svijetu.

Komentar stručnjaka

Razmišljali smo o tranzistoru sa efektom polja...

Urednici su zamolili svog kolegu i koautora da prokomentariše rezultate rada nobelovaca Andre Geima i Konstantina Novoselova. Sergej Morozov, šef laboratorije Instituta za probleme tehnologije mikroelektronike i materijala visoke čistoće Ruske akademije nauka (Černogolovka), odgovara na pitanja Tatjane Zimine, dopisnice za Nauku i život.

Kako je nastala ideja da se dobije dvodimenzionalni karbonski materijal? U vezi sa čime? Jeste li očekivali neka neobična svojstva od ovog oblika ugljika?

U početku nismo imali za cilj da dobijemo dvodimenzionalni materijal od polumetala, pokušali smo da napravimo tranzistor sa efektom polja. Metali, čak i debljine jednog atoma, nisu pogodni za to - imaju previše slobodnih elektrona. Prvo smo od kristala grafita dobili prebrojiv broj atomskih ravnina, zatim smo počeli da pravimo sve tanje ploče dok nismo dobili jednoatomski sloj, odnosno grafen.

Grafen su teoretičari razmatrali dugo vremena, od sredine 20. veka. Uveli su i sam naziv dvodimenzionalnog karbonskog materijala. Upravo je grafen teoretičarima (davno prije njegove eksperimentalne proizvodnje) postao polazna tačka za izračunavanje svojstava drugih oblika ugljika - grafita, nanocijevi, fulerena. Ujedno je i teorijski najbolje opisan. Naravno, teoretičari jednostavno nisu razmatrali nikakve efekte koji su sada otkriveni eksperimentalno. Elektroni u grafenu se ponašaju kao relativističke čestice. Ali nikome ranije nije palo na pamet da proučava kako bi Holov efekat izgledao u slučaju relativističkih čestica. Otkrili smo novi tip kvantnog Holovog efekta, koji je bio jedna od prvih upečatljivih potvrda jedinstvenosti elektronskog podsistema u grafenu. Isto se može reći i o Klajnovom paradoksu svojstvenom grafenu, poznatom iz fizike visokih energija. U tradicionalnim poluvodičima ili metalima, elektroni mogu tunelirati kroz potencijalne barijere, ali s vjerovatnoćom mnogo manjom od jedan. U grafenu, elektroni (poput relativističkih čestica) prodiru bez refleksije čak i kroz beskonačno visoke potencijalne barijere.

Zašto se vjerovalo da će dvodimenzionalni ugljični materijal (grafen) biti nestabilan na sobnoj temperaturi? I kako si to onda dobio?

Rani rad teoretičara, koji je pokazao nestabilnost dvodimenzionalnih materijala, odnosio se na beskonačan idealan dvodimenzionalni sistem. Kasniji rad je pokazao da u dvodimenzionalnom sistemu, poredak dugog dometa i dalje može postojati (koji je svojstven kristalnim tijelima. - Ed.) na konačnoj temperaturi (sobna temperatura za kristal je prilično niska temperatura). Pravi grafen u suspenziji, međutim, naizgled nije savršeno ravan, blago je valovit - visina uspona u njemu je reda veličine nanometra. U elektronskom mikroskopu ovi "talasi" nisu vidljivi, ali postoje i druge potvrde za njih.

Grafen je poluprovodnik, ako sam dobro razumeo. Ali tu i tamo nađem definiciju - polumetal. Kojoj klasi materijala pripada?

Poluprovodnici imaju zazor određene širine. Grafen ima nulu. Dakle, može se nazvati poluprovodnikom sa nultim zazorom ili polumetalom sa nultim preklapanjem pojasa. Odnosno, zauzima srednju poziciju između poluvodiča i polumetala.

Na nekim mjestima u popularnoj literaturi spominju se i drugi dvodimenzionalni materijali. Da li je vaša grupa probala nešto od ovoga?

Bukvalno godinu dana nakon dobijanja grafena, dobili smo dvodimenzionalne materijale od drugih slojevitih kristala. To su, na primjer, bor nitrid, neki dihalkogenidi, visokotemperaturni supravodič Bi-Sr-Ca-Cu-O. Nisu ponovili svojstva grafena - neki od njih su uopće bili izolatori, drugi su imali vrlo nisku provodljivost. Mnoge istraživačke grupe u svijetu bave se proučavanjem dvodimenzionalnih materijala. Sada koristimo bor nitrid kao supstrat za grafenske strukture. Pokazalo se da to radikalno poboljšava svojstva grafena. Također, ako govorimo o korištenju grafena za stvaranje kompozitnih materijala, bor nitrid je ovdje jedan od njegovih glavnih konkurenata.

- Koje su metode za proizvodnju grafena najperspektivnije?

Po mom mišljenju, sada postoje dvije takve glavne metode. Prvi je rast na površini filmova nekih rijetkih zemnih metala, kao i bakra i nikla. Zatim se grafen mora prenijeti na druge supstrate, a to je već naučeno. Ova tehnologija prelazi u fazu komercijalnog razvoja.

Druga metoda je uzgoj na silicijum karbidu. Ali bilo bi lijepo naučiti kako uzgajati grafen na silicijumu, na kojem je izgrađena sva moderna elektronika. Tada bi razvoj grafenskih uređaja išao velikim skokovima, budući da bi grafenska elektronika prirodno proširila funkcionalnost tradicionalne mikroelektronike.